Gamma stari (γ stari) ir elektromagnētiskie viļņi ar mazāko viļņa garumu elektromagnētiskajā spektrā, t.i., ar ļoti augstu enerģiju un ļoti īsu viļņa garumu. Tos 1900. gadā atklāja Pols Viljards (Paul Villard), bet 1903. gadā Ernests Raterfords (Ernest Rutherford) tiem piešķīra nosaukumu. Gamma starojums pārvietojas ar gaismas ātrumu, un tam nav elektriskā lādiņa vai atpazīstamas masu daļiņas — tas izpaužas kā fotoni ar ļoti lielu enerģiju.
Īpašības
Gamma stari ir līdzīgi rentgena stariem, taču to viļņa garums parasti ir vēl mazāks un to enerģija var būt lielāka. Gan gamma stari, gan rentgena stari ir fotoni ar ļoti augstu enerģiju, un gamma stariem parasti ir lielāka enerģija. Tie ir arī jonizējošā starojuma veids — to mijiedarbība ar materiāliem var noatomizēt elektronus un izraisīt ķīmiskas un bioloģiskas izmaiņas.
Atšķirība no rentgena stariem: svarīgākā atšķirība ir izcelsme — rentgena starus galvenokārt rada ārpus kodola esošie elektroni, bet gamma starus izstaro pats kodols. Praksē enerģijas pārklāšanās var radīt situācijas, kad rentgena un gamma starus nosaka pēc enerģijas, ne tikai izcelsmes.
Mijiedarbība ar materiālu
Gamma starojums mijiedarbojas ar vielu galvenokārt caur trim procesiem:
- fotoelektriskais efekts (zemu un vidēju enerģiju fotoniem),
- Komptonu izkliedēšanās (vidējās enerģijas diapazonā),
- paru rašanās (paaugstinātās enerģijās, kad fotona enerģija pārsniedz 1,022 MeV).
Šo procesu dēļ gamma stari var caursist plānākus materiālus nekā lādētas daļiņas; tomēr biezāki un blīvāki materiāli, piemēram, svins vai betons, efektīvi slāpē gamma starojumu. Nepieciešamais aizsardzības biezums ir atkarīgs no fotonu enerģijas un starojuma stipruma.
Enerģija un mērvienības
Gamma fotonu enerģijas mēra elektronvoltos (eV) un tā atvasinājumos — keV (kiloelektronvolti), MeV (megaelektronvolti) utt. Dažu dabīgo un mākslīgo izotopu gamma fotonu enerģijas parasti ir no dažiem desmitiem keV līdz vairākiem MeV. Piemēram, kālijs-40 izstaro gamma fotonu ar enerģiju apmēram 1460 elektronvoltu (1460 keV = 1,460 MeV).
Avoti
Gamma starus rada galvenokārt:
- radioaktīva kodola pārejas — dažu radioaktīvo atomu sabrukšanas gaitā (piemēram, Kobalts-60, kālijs-40);
- kodolu reakcijas un sintezēšanas procesi (kodolfūzija, kodolšķelšanās),
- paātrinātāju radīta fotonu starojuma (lineārie paātrinātāji slimnīcās ražo augstas enerģijas fotonus terapijai),
- kosmiskie avoti — supernovas, pulsaeri, aktīvie galaktiku kodoli un citi astrofizikas procesi rada kosmisku gamma starojumu.
Kobalts-60 tiek ražots kodolreaktoros un paātrinātājos un to izmanto medicīnā (radioterapijā un sterilizācijā). Kālijs-40 ir dabā sastopams izotops, tāpēc neliels gamma starojuma līmenis ir visos organismos un vides paraugos — tas ir viens no dabiskā fonā starojuma komponentiem.
Detekcija un lietojumi
Gamma staru noteikšanai un mērīšanai izmanto dažādus detektorus:
- skaitītājus ar Scintillation kristāliem (piem., NaI(Tl)) — plaši lietoti radiācijas mērīšanai un spektroskopijai;
- pusvadītāju detektori (HPGe) — nodrošina augstu enerģētisko izšķirtspēju gamma spektroskopijai;
- Geigera–Müllera skaitītāji — vienkārši un izturīgi instrumenti fonam un pārlieku augstu aktivitāšu konstatēšanai.
Praktiskie lietojumi: medicīniskā radioterapija, diagnostika, sterilizācija, materiālu pārbaudes (neiznīcinošā testēšana), kodolenerģētika, radiācijas monitorings un pētniecība astrofizikā. Gamma spektroskopija ļauj identificēt radioaktīvos izotopus pēc to raksturīgajām gamma līnijām.
Drošība un ietekme uz veselību
Gamma starojums ir jonizējošs un var bojāt šūnas un DNS. Bioloģiska ietekme ir atkarīga no kopējās saņemtās devas un tās sadalījuma laikā. Tuvāko aizsardzības principu pamatā ir laiks, attālums un aizsardzība — samazināt uzturēšanās laiku pie avota, palielināt attālumu un izmantot atbilstošu materiālu aizsardzību (svins, betons u.c.).
Starojuma devas un to nozīmīgums apraksta fizikas un medicīnas lielumi (piem., absorbētā deva mēra grajos (Gy), bet bioloģiskās ietekmes novērtēšanai lieto sivertus (Sv)).
Kopsavilkums
Gamma stari ir enerģētiski spēcīga elektromagnētiskā starojuma forma, kuras avoti ir galvenokārt kodola pārveidošanās un kodolu reakcijas. Tie ir būtiski daudzās tehnoloģijās un zinātnē, taču prasa rūpīgu drošības un aizsardzības plānošanu, jo ir jonizējoši un bioloģiski bīstami lielās devās.