Záření gama

Záření gama (často psáno řeckým písmenem gama, γ) je vysoce energetické elektromagnetické záření vznikající při radioaktivních a jiných jaderných a subjaderných dějích.

Záření gama je často definováno jako záření o energii fotonů nad 10 keV, což odpovídá frekvencím nad 2,42 EHz či vlnovým délkám kratším než 124 pm, přestože do tohoto spektrálního pásma zasahuje i velmi tvrdé rentgenové záření. To souvisí se skutečností, že hranice není stanovena uměle, ale tyto druhy záření se rozlišují dle svého zdroje, přičemž se samo záření jinak fyzikálně neliší.

Záření gama je druh ionizujícího záření. Do materiálů proniká lepe než záření alfa nebo záření beta, která jsou korpuskulární (ani jedno není elektromagnetické záření), ale je méně ionizující.

Gama záření často vzniká spolu s alfa či beta zářením při radioaktivním rozpadu jader. Když jádro vyzáří částici α nebo β, nové jádro může být v excitovaném stavu. Do nižšího energetického stavu může přejít vyzářením fotonu gama záření podobně jako elektron v obalu atomu vyzářením kvanta ultrafialového záření.

Typické schéma radioaktivní přeměny jádra A na excitované jádro B´ a jehonásledné deexcitace za vyzáření fotonu záření γ.

Energetické hladiny atomového jádra jsou kvantovány, takže i všechny fotony γ emitované při daném druhu deexcitace budou mít stejné energie - spektrum záření γ je čárové. Pokud má jádro více excitovaných hladin, bude emitováno několik skupin monoenergetických fotonů γ, takže spektrum bude tvořeno několika diskrétními čarami. Ze schématu plynou dvě důležité skutečnosti:

1. Záření γ je časově následující po emisi korpuskulárního záření při vlastní jaderné přeměně.

2. Většina radionuklidů jsou zářiče smíšené - buď α + γ nebo β + γ. Jen některé zářiče jsou čisté α či čisté β - radioaktivní přeměna někdy nastává přímo na základní stav dceřinného jádra (tak je tomu např. u tritia 3H nebo uhlíku 14C). Čisté zářiče γ však v přírodě neexistují.

Příkladem může být beta rozpad kobaltu-60 60Co na nikl-60 60Ni, při kterém v prvním stupni nejprve jádro kobaltu vyšle částici β (tedy elektron e-) a elektronové neutrino νe a přemění se na jádro niklu v excitovaném stavu:

Potom se nově vzniklé excitované jádro zbaví přebytečné energie vyzáření kvanta záření gama:

Vyzářená kvanta záření gama mají v tomto případě energii buď 1,17 MeV nebo 1,33 MeV.


Vnitřní konverze záření gama
Pokud je jádro součástí atomu (což je téměř vždycky), nemusí se všechny v jádře vzniklé fotony záření γ skutečně vyzářit. Může dojít k procesům zabraňujícím emisi části fotonů záření γ při deexcitaci vzbuzených jaderných hladin - k procesu tzv. vnitřní elektronové konverze záření gama (zkráceně jen vnitřní konverze gama).

Schématické znázornění vnitřní konverze záření γ za vzniku konverzních elektronů a charakteristického X-záření a vnitřní konverze záření X za vzniku Augerových elektronů.

V levé části obrázku jsou schématicky znázorněny všechny příslušné procesy. Především, modrou šipkou je znázorněn základní případ "nerušeného" vyzáření fotonu γ z excitovaného jádra. Proces vnitřní konverze si můžeme zjednodušeně představit tak, že foton gama, emitovaný při deexcitaci vzbuzené jaderné hladiny, se může "srazit" s obalovým elektronem vlastního atomu, který přebere veškerou jeho energii (dojde k fotoefektu), foton gama zanikne a místo něj vyletí elektron uvolněný díky přijaté energii z vazby v atomu (tlustší červená šipka). Tento jev je skutečně pozorován, nazývá se vnitřní konverze záření gama (dříve se nazýval též "vnitřní fotoefekt") a příslušné elektrony se nazývají konverzní elektrony.
Pozn.: Uvedené starší vysvětlení mechanismu vnitřní konverze je nyní třeba považovat jen za heuristické; foton záření gama ve skutečnosti vůbec z jádra nevyletí (je jen virtuální), nýbrž energie deexcitace vzbuzené hladiny jádra je elektromagnetickou interakcí předána nejbližšímu obalovému elektronu přímo a ten pak z atomu vyletí s kinetickou energií danou rozdílem energie deexcitace jádra a vazbové energie elektronu v obalu.
Pravděpodobnost vnitřní konverze je pro různé atomy a excitované jaderné hladiny různá a charakterizuje se tzv. koeficientem vnitřní konverze, udávajícím poměr středního počtu konverzních elektronů ku střednímu počtu kvant γ emitovaných během daného přechodu v jádře.
V důsledku vnitřní konverze se na vnitřní slupce (nejčastěji K) atomového obalu uvolní místo po konverzním elektronu, takže okamžitě dochází k přeskoku elektronu z vyšší hladiny (nejčastěji L) za vyzáření kvanta charakteristického X-záření (světlejší modrá šipka). 

Vnitřní konverzi může podlehnout i charakteristické X-záření vysílané při přeskocích elektronů mezi vnitřními hladinami jádra (např. po elektronovém záchytu, fotoefektu, vnitřní konverzi γ) - takto emitované konverzní elektrony se pak nazývají Augerovy elektrony (tenší červená šipka).