Záření gama

Rozbalit box

Obsah boxu

Záření gama (značené řeckým písmenem γ) je vysoce energetické a nejpronikavější elektromagnetické záření. Vzniká při jaderných a subjaderných dějích, jako jsou radioaktivní rozpad, anihilace částice s antičásticí nebo při extrémních vesmírných jevech. Na elektromagnetickém spektru se nachází na jeho nejvyšším energetickém konci, s energií fotonů typicky nad 10 keV, což odpovídá frekvencím nad 2,42 EHz a vlnovým délkám kratším než 124 pm. Jako forma ionizujícího záření je schopno poškodit živé tkáně, ale zároveň má široké využití v medicíně, průmyslu a vědě.

⏳ Historie objevu

Záření gama objevil v roce 1900 francouzský fyzik a chemik Paul Ulrich Villard při studiu uranu. Pomocí vlastnoručně sestrojené aparatury zjistil, že toto nové záření není ovlivňováno magnetickým polem, na rozdíl od tehdy již známého záření alfa a záření beta. Pojmenování "gama" zavedl Ernest Rutherford v roce 1903. Definitivní důkaz, že se jedná o formu elektromagnetického záření, podobnou rentgenovému záření, ale s vyšší energií, podali v roce 1914 Ernest Rutherford a Edward Andrade pomocí metod rentgenové krystalografie.

⚛️ Fyzikální podstata a vznik

Záření gama je tvořeno fotony, které nemají elektrický náboj ani klidovou hmotnost. Proto se v elektrickém ani magnetickém poli neodchyluje od svého směru.

Zdroje záření gama:

• Jaderné přeměny: Nejčastěji vzniká jako doprovod záření alfa nebo záření beta při radioaktivním rozpadu. Poté, co jádro vyzáří částici alfa nebo beta, se často nachází v excitovaném (vybuzeném) stavu. Přechodem do stabilnějšího stavu s nižší energií vyzáří přebytečnou energii ve formě fotonu gama. Příkladem je rozpad kobaltu-60 na nikl-60.
• Anihilace: Vzniká při setkání částice a její antičástice, například elektronu a pozitronu. Jejich hmota se kompletně přemění na energii v podobě dvou fotonů gama.
• Brzdné záření: Vzniká při prudkém zabrzdění nabitých částic s vysokou energií, například v elektrickém nebo magnetickém poli.
• Vesmírné zdroje: Extrémní astrofyzikální jevy jsou významnými zdroji gama záření. Patří sem sluneční erupce, výbuchy supernov, procesy v okolí neutronových hvězd a černých děr a především tzv. gama záblesky, které jsou nejenergetičtějšími známými explozemi ve vesmíru.
• Pozemské zdroje: Bylo zjištěno, že záření gama může vznikat i v zemské atmosféře v souvislosti s bouřkami a blesky.

🔬 Interakce s hmotou

Při průchodu hmotou ztrácí záření gama svou energii prostřednictvím několika klíčových interakcí s atomy:

• Fotoelektrický jev (fotoefekt): Foton gama předá veškerou svou energii elektronu v atomovém obalu, který je následně z atomu vyražen. Tento jev převažuje u fotonů s nižší energií a v materiálech s vysokým protonovým číslem.
• Comptonův jev (Comptonův rozptyl): Foton se srazí s elektronem (typicky volným nebo slabě vázaným) a předá mu pouze část své energie. Původní foton pokračuje v letu s nižší energií a v jiném směru, zatímco elektron je odražen. Tento proces je dominantní pro střední energie gama záření.
• Tvorba elektron-pozitronového páru: Pokud má foton gama energii vyšší než 1,02 MeV (dvojnásobek klidové energie elektronu), může v blízkosti atomového jádra zaniknout a přeměnit se na pár elektron-pozitron. Vzniklý pozitron rychle anihiluje s okolními elektrony za vzniku dvou nových fotonů gama o energii 511 keV.

Díky těmto procesům má záření gama silné ionizační účinky, ačkoliv jsou slabší než u záření alfa a beta. Jeho pronikavost je však ze všech druhů radioaktivního záření nejvyšší.

💡 Využití

Navzdory své nebezpečnosti má záření gama široké praktické využití.

• Medicína:
  • Radioterapie:** Využívá se k ničení nádorových buněk, které jsou citlivější na ozáření než zdravá tkáň. Přístroje jako gama nůž soustředí mnoho paprsků do jednoho bodu a s vysokou přesností ničí nádory, zejména v mozku.
  • Diagnostika (Nukleární medicína):** Radiofarmaka (látky značené radionuklidy emitujícími gama) se vpraví do těla pacienta. Záření je pak detekováno gama kamerou, což umožňuje zobrazit funkci orgánů jako štítná žláza, srdce nebo ledviny. Metody jako pozitronová emisní tomografie (PET) využívají fotony vzniklé anihilací.
  • Sterilizace:** Používá se ke sterilizaci lékařských nástrojů, implantátů a léků, protože účinně ničí bakterie a viry.

• Průmysl:
  • Defektoskopie: Slouží k prozařování materiálů a odhalování skrytých vad, jako jsou trhliny ve svárech nebo v odlitcích.
  • Měření a kontrola: Využívá se k bezkontaktnímu měření tloušťky materiálů, výšky hladiny kapalin v uzavřených nádobách nebo hustoty.
  • Ošetřování potravin: Ozáření gama prodlužuje trvanlivost některých potravin, například koření nebo brambor, tím, že ničí mikroorganismy a zabraňuje klíčení.

• Věda a výzkum:
  • Gama astronomie: Pozorování vesmírného gama záření pomocí satelitů poskytuje informace o nejenergetičtějších procesech ve vesmíru, jako jsou supernovy, pulsary a aktivní galaktická jádra.
  • Analýza materiálů: Využívá se v různých analytických metodách ke zkoumání složení a struktury látek.

☣️ Biologické účinky a ochrana

Jako ionizující záření je záření gama pro živé organismy nebezpečné. Při průchodu tkání může poškozovat buňky, zejména jejich DNA, což může vést k mutacím, vzniku rakoviny nebo při vysokých dávkách k akutní nemoci z ozáření a smrti. Nebezpečnost závisí na absorbované dávce.

Zásady ochrany před zářením gama:

• Vzdálenost: Intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje.
• Čas: Zkrácení doby pobytu v blízkosti zdroje snižuje celkovou obdrženou dávku.
• Stínění: K odstínění se používají materiály s vysokou hustotou a vysokým protonovým číslem, které záření účinně pohlcují. Nejčastěji se používá olovo, wolfram nebo silné vrstvy betonu a oceli.

📡 Detekce

Protože záření gama není vnímatelné lidskými smysly, k jeho detekci jsou zapotřebí speciální přístroje.

• Scintilační detektory: Využívají materiály (scintilátory), které po pohlcení fotonu gama vydají světelný záblesk. Tento záblesk je následně převeden fotonásobičem na elektrický signál. Jsou velmi citlivé a široce používané.
• Polovodičový detektor: Fotony gama v nich vytvářejí páry elektron-díra, což způsobí měřitelný elektrický impuls. Tyto detektory, často chlazené na teplotu kapalného dusíku, poskytují velmi přesné informace o energii záření.
• Plynové detektory: Zahrnují ionizační komory, proporcionální a Geiger-Müllerovy počítače. Měří ionizaci plynu způsobenou průchodem záření.

🧒 Pro laiky: Co je záření gama?

Představte si záření gama jako neviditelné, ale extrémně silné světlo. Zatímco běžné světlo se odrazí od vaší kůže, záření gama jí proletí skrz jako kulka tenkým papírem. Je to nejenergetičtější forma energie na elektromagnetickém spektru, které zahrnuje vše od rádiových vln, přes mikrovlnné záření, infračervené záření, viditelné světlo, ultrafialové záření až po rentgenové záření.

Záření gama vzniká při velmi dramatických událostech. Například když se rozpadají jádra atomů (což je podstata radioaktivity) nebo při obrovských explozích ve vesmíru. Protože je tak energetické, dokáže "rozbíjet" atomy, na které narazí. Když proletí naším tělem, může poškodit buňky. Proto je nebezpečné a musíme se před ním chránit tlustými vrstvami olova nebo betonu.

Na druhou stranu, jeho sílu umíme využít. V medicíně ho lékaři používají jako super-přesný "skalpel" (gama nůž), kterým zničí nádor v mozku, aniž by museli otevřít lebku. Také s ním sterilizují lékařské nástroje, protože spolehlivě zabije všechny mikroby. V průmyslu zase "prosvítí" tlustý kus kovu a odhalí, jestli v něm není skrytá prasklina. Je to tedy skvělý sluha, ale zlý pán.

Zdroje

Národní zdravotnický informační portál Eduportál Techmania Wikipedie: Záření gama WikiSkripta: Záření gama Hasičský záchranný sbor ČR Masarykova univerzita: Interakce ionizujícího záření