γ射線（英文名：Gamma Ray）是原子核衰變過程中釋放出的高能電磁輻射。波長通常小于0.1納米（1納米=10^-9米），是電磁波譜中最短波長的一部分。不同于可見光或X射線，γ射線的能量極高，通常比X射線還要高。其能量范圍從幾千電子伏特（keV）到幾百萬電子伏特（MeV），頻率超過30EHz（3×1019Hz），最常見的是由能態較高的原子核向較低能態躍遷時（γ衰變）產生。γ光子是中性的，靜止質量為0。γ射線可由鈾[yóu]、釷[tǔ]、鐳、錒[ā]等放射性金屬發出，穿透力強，不會在磁場或電場中發生偏轉，照射到物質時可與物質發生相互作用使得物質電離。γ射線首先由法國物理學家維拉德（Paul Ulrich Villard）發現，也是繼α、β射線后發現的第三種原子核射線。γ射線可用于軍工的武器制造，也可用于醫療上的腫瘤治療，工業中，用于工件探傷與自動控制，農業中，用于輻射育種與病蟲害防治。γ射線照射可對人體產生損傷，損傷較輕時會惡心、乏力、嘔吐，損傷嚴重時會頭昏、嘔吐、失去工作能力，甚至死亡。
研究歷程
1896年，法國物理學家亨利·貝克勒爾（Henri Becquerel）在研究磷光現象時，無意間發現了鈾鹽釋放出一種不受光照影響的“輻射”，這一現象標志著放射性現象的首次發現。這一發現激發了大量的相關研究。幾乎同時，居里夫人（瑪麗·居里）和皮埃爾·居里夫婦也開始研究放射性元素，他們不僅發現了釙和鐳兩種新元素，還對放射性進行了深入研究。1900年，法國物理學家維拉德在觀察放射性物質鐳的輻射時，在記錄輻射軌跡的照片上發現了一種新的軌跡。這個軌跡與當時已知的α射線、β射線軌跡不同，它出現在預料之外的方向上，即便用0.2mm的鉛箔阻擋也仍舊也會出現在照片上，β射線會被鉛箔偏折到預定的角度上，而α射線會被鉛箔阻擋，這必然是一種新的輻射。1902年11月初，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）對鐳的輻射進行了全面的分析，驗證了鐳的輻射中除了α射線、β射線外還存在第三種射線，這種射線在磁場中不會偏折，具有極強的貫穿力，盧瑟福用希臘字母γ來命名，稱這種射線為γ射線。11年后，盧瑟福和愛德華·安德拉德（Edward Andrade）通過晶體衍射實驗，證明了伽馬射線是電磁波的一種，頻率比X射線更高。1928年，美國物理學家康普頓（Arthur Compton）發現伽馬射線在物質中的散射現象，這個發現給伽馬射線的研究提供了新的思路（可以通過研究伽馬射線在散射之后的動量和位置分布，來進一步了解伽馬射線的性質）。
直至1967年，美國軍方用于監測核爆炸的人造衛星薇拉（Vela）意外地發現來自宇宙空間的γ射線突然增強的事件。6年后，在天文期刊上公布，稱之為γ射線暴。γ射線暴并不罕見，自1967年后，人類已經觀測到超過千次的γ射線暴。
2011年9月，英國斯特拉斯克萊德大學用超短激光脈沖與電離氣體發生反應，制造出了地球上最明亮的γ射線，比太陽亮1萬億倍，它甚至可以穿透20厘米厚度的鉛板，要用1.5米厚的混凝土墻才能徹底屏蔽它。
來源
原子核衰變
原子核衰變是指原子核放出某種粒子而轉變為另一種新原子核的過程，釋放的α、β、γ射線的衰變依次被稱為α衰變、β衰變、γ衰變。其中，γ衰變通常發生在其他形式的衰變發生之后，當原子核發生α或β衰變后，多余的能量會以γ射線的形式輻射出去。所以，γ射線是伴隨著α射線或β射線產生的，沒有只產生γ射線的衰變。
核反應
原子核裂變后產生兩個質量不同的碎片，碎片受到電磁斥力而飛離出去，使得裂變釋放的能量大部分轉化成碎片的動能，碎片通常會發射出1～3個中子，發射中子后多余的能量主要以γ射線的形式輻射出去，這個反應在10-16s的時間內完成。原子聚變時，帶電粒子在靠近原子核的過程中克服電磁斥力失去動能而獲得勢能，當帶電粒子沖過某個點而落入原子核的過程中，又會失去勢能卻獲得動能，比結合能增加，過剩的能以γ射線的形式輻射出去。
雷暴
雷暴中，加速電子的高強度靜電場可以產生γ射線，當加速電子與大氣中的原子碰撞并被原子減慢時可以發射高達100MeV的伽馬射線。
粒子相互作用
亞原子粒子和粒子-光子相互作用可產生γ射線。如正電子湮滅，中性介子衰變，逆康普頓散射和同步輻射。
實驗室
2017 年 10 月，歐洲多所大學的科學家聯合提出了一種以激光器為激勵器，通過級聯和異常輻射捕獲之間的受控相互作用來獲取 GeV 伽馬射線的方法。
太陽耀斑
太陽耀斑是太陽的磁能短時間內大規模地爆發性地釋放的過程，釋放出的電磁輻射能覆蓋所有的電磁波段，包含γ射線在內。
宇宙射線
宇宙射線是來自于外層空間的電磁輻射，包含γ射線。宇宙射線中的高能γ射線對于天文學和粒子物理學的研究至關重要，有助于研究宇宙起源、暗物質、黑洞等物理現象。
暗物質粒子
由于暗物質不會與電磁波直接相互作用，它通過其引力影響宇宙中的物質分布，無法直接被觀察。然而，某些假設暗物質粒子（如WIMPs，弱相互作用大質量粒子）在高能狀態下可能會衰變或相互湮滅，并釋放γ射線。
脈沖星和磁星
脈沖星是大質量恒星縮形成的致密天體能，周期性地向宇宙空間發射脈沖信號，其中，能產生γ射線的被稱為γ射線脈沖星。磁星是表面磁場極強的中子星，能夠產生γ射線。
類星體與活動星系核
類星體是發光強度較高的活動星系核，由超大質量黑洞及環繞它的氣體吸積盤組成。能發射出覆蓋所有的電磁波段的的電磁輻射，包含γ射線在內。除了類星體外的其他活動星系核同樣能發射出γ射線。
γ射線暴
γ射線暴是來自天空中某一方向的伽馬射線強度在短時間內突然增強，隨后又迅速減弱的現象。持續時間在0.1~1 000 s內，輻射能能量在 0.1~100 MeV范圍內。
性質
相對于α、β射線來說，γ射線對物質的直接電離能力很弱但穿透力很強，能夠穿透幾厘米至十幾厘米的金屬、幾百米的空氣層，穿過物質時，其能量按指數規律衰減，物質的密度越大，物質原子的原子序數越高，γ射線衰減越快。
γ射線的強度
γ射線的強度有兩個——放射性活度（又稱放射強度）和照射強度（又稱照射量率）。放射性活度是放射性同位素單位時間內產生衰變的次數，單位為居里（Ci），1Ci=3.7×10-9s，放射性活度會隨時間改變。同種γ射線源的放射性活度越強γ射線照射強度越強，非同種γ射線源的放射性活度與γ射線照射強度沒有關聯性。照射強度是單位時間內落在一定距離的照射面上的照射量（照射量單位為威廉·倫琴，字母為R，是X射線或γ射線照射量的專用單位，1R為在0℃和1個標準大氣壓下，1cm3空氣中產生一靜電單位電荷量所需的射線輻射量），單位為倫琴/小時（R/h），照射強度的計算公式為：
I為照射強度（單位：R/h），P為照射量（單位：R）t為時間（單位：小時），A為放射性活度（單位：Ci），公式中的R為γ射線入射表面與γ射線源的距離（單位：m），Kr為γ常數（也稱放射常數、特征強度），每種γ射線源的γ常數不同，常見γ射線源取值見表：
窄束γ射線穿過物質的強度衰減遵循指數規律：
式中，、分別為穿過物質前、后的 γ射線強度，為穿過物質的厚度，為三種相互作用（光電效應、康普頓效應和電子對效應）截面之和，N為被物質單位體積的原子數，為物質的線性吸收系數（表示單位路程上y射線與物質發生三種相互作用的總概率，其大小反映了物質吸收 γ 射線能力的大小），（A是原子質量數，NA是阿佛加德羅常數），窄束γ射線穿過物質的強度衰減規律也可用下式表示：
式中,為質量厚度，單位為g/cm2，(ρ為物質密度，單位為g/cm3），為質量吸收系數。
基本效應
γ射線作為一種電離輻射，照射到物質時會發生能量轉移，產生帶電粒子，導致物質電離。γ射線與物質相互作用的主要效應有光電效應、康普頓效應和電子對效應；其他次要的作用過程有相干散射、光致核反應等。次要作用過程發生的可能性很小，只有當只有當γ光子能量很低（<100keV）或很高（>30MeV）時才可能發生。而γ光子能量一般在100keV至30MeV范圍內。
光電效應
γ射線可使束縛較為緊密的內層電子發生光電效應。光電效應是物質內部的電子吸收光子能量后逸出而形成電流的現象。
康普頓效應
γ射線遵循康普頓效應，康普頓效應是射線在被物質散射過程中波長發生改變的現象，散射后的射線中有兩種波長，一種與原入射射線的波長相同，另一種則大于原入射射線的波長。波長的改變量只與散射角有關。
電子對效應
γ射線遵循電子對效應，電子對效應是射線在衰減材料原子核電磁場作用下，可轉變成正負電子對，實現能質轉換，這個過程稱為電子對效應。產生電子對所需的最小能量為1.02MeV，還隨光子能量的增高而增強。
相干散射
γ射線與物質相互作用能發生干涉的散射過程稱為相干散射。γ射線與物質相互作用發生衍射后的γ射線，在彼此重疊時會相互加強或減弱，可在感光片上形成明暗交替的條紋。不能發生干涉的散射過程稱為非相干散射，康普頓散射是非相干散射。
光致核反應與核共振反應
γ射線的光致核反應是指大于一定能量的γ光子與物質原子的原子核作用，能發射出粒子的反應。這種相互作用的大小與其它效應相比要小，可以忽略不計。核共振反應則是入射光子把原子核激發到激發態，然后退激時再放出γ光子。
應用
γ射線能譜
γ射線能譜學是原子核物理學的一個分支，主要通過實驗測量γ射線的能量、相對強度、能級壽命、等性質，從而了解原子核的能級特征，以獲得核結構和反應機制的信息。不同能量的γ射線在能譜上有不同的能量特征峰，每種元素所能釋放出γ射線能量大小組成不同，使得每種元素都有它自己的伽馬射線能譜特征，即為元素的γ射線能譜。根據探測儀器記錄的γ射線能譜能夠確定伽馬射線發射源的元素組成和數量。
武器
核彈殺傷力量由四個因素構成：沖擊波、光輻射、放射性沾染和貫穿輻射。貫穿輻射主要由強γ射線和中子流組成，通過合理設計，可以使爆炸的能量主要以γ射線的形式釋放，并延長γ射線的作用時間，這種核彈就是γ射線彈。γ射線彈殺傷力大外，無需炸藥引爆，貯存安全。沒有爆炸效應，隱蔽性強，不易被覺察。
醫療
伽馬刀
伽馬刀又稱立體定向伽馬射線放射治療系統，它將鈷60發出的γ射線聚焦，集中射于患者病灶，一次性、致死性地摧毀靶點內的組織，達到治療的目的。伽馬刀的單束γ射線劑量很小，對經過的人體正常組織幾乎無傷害，具有不開刀，不出血，無痛苦、不需要麻醉、精確、安全、可靠、療效確切、對正常組織損傷小等優點。主要用于治療一些直徑較小的腫瘤。
工業
工件探傷
γ射線可用于檢測工件氣孔、夾渣、未焊透和裂紋等缺陷。使用γ射線照射工件時，缺陷的存在使得工件內各部分密度差異和厚度變化，或成分改變等，導致透過工件的射線強度不同，這些信息被工件背面的成像膠片所記錄，通過對影像的觀察，可用評定工件中缺陷的種類、大小、形狀及分布狀況等。γ射線探傷具有設備體積小、重量輕等特點，但對于薄件探傷靈敏度低，防護要求嚴格。
自動控制
γ射線可用于實現生產過程的自動化。礦業的選礦過程，在礦漿物質組成穩定的條件下，利用γ射線穿過礦漿時射線強度衰減的大小與密度有關來檢測選礦過程中的懸浮液密度大小，配合控制系統可實現對和懸浮液的密度控制。常用的放射源是-137，探測器是電離室或閃爍計數器。；冶金工業的空電弧爐，利用γ射線銅堝時射線強度衰減的大小與熔體的密度、熔面的弧形和熔面的高度等因素有關來監測電極與金屬液面的距離，配合控制系統實現電弧弧長的自動控制l；γ射線監測的準確度高，但作為放射源的同位素較貴，防護要求高。此外，還有冶金工業的工件軋制的厚度控制、礦業的采礦聯動機組的掘進控制等。
農業
輻射育種
輻射育種利用γ射線可引起生物體遺傳器官的某些變異來育種，選育農作物種苗，可達到高產、早熟、增強抗病能力、改善營養品質的目的。
病蟲害防治
可通過對昆蟲進行一定劑量的γ射線照射導致昆蟲雌性或者雄性不育以防治病蟲害，例如，采用輻照處理使果蠅不育，然后放飛到大田，使果蠅無法繁衍后代。
探測方法
電壓脈沖法
γ射線與物質相互作用而產生的次級電子能使氣體電離，用導體收集氣體電離所產生的電子，可得到一個電壓脈沖，電壓脈沖的數量與γ光子的通量成正比，即與射線的強度成正比，據此可測定γ射線強度。
熒光物質法
γ射線與物質相互作用而產生的次級電子在熒光物質晶體中運動時，與晶體中的分子相互作用而使分子激發而發射出熒光，當次級電子能量在0.001至6MeV的范圍內時，熒光強度變化量與次級電子能量成正比，據此可測定γ射線強度與γ光子能量大小。
光陰極法
光陰極對光線敏感，γ射線照射時容易被打出光電子，光陰極靈敏度取決于單個光子所能打出的平均光電子數，打出的光電子數與γ光子通量成正比，據此可測定γ射線強度。
半導體法
γ射線穿過半導體時，半導體中的束縛電子接受γ射線的能量而與原子脫離，形成了電子和空穴對，通過施加電場使這些電荷穿過探測材料就可得到電脈沖訊號，一個電脈沖對應于探測到一個γ光子，據此可測定γ射線強度。
探測儀器
電離室
電離室可用于γ射線的活度、通量、劑量等的測量與監測，可分為脈沖電離室和電流電離室，前者主要以脈沖形式記錄單個粒子的電高效應，用于測量樣品的相對活度和射線能量，后者主要以電離電流形式記錄一定時間內進入電離室內的大量粒子所產生的總平均電離電流。
閃爍計數器
閃爍計數器可用來探測γ射線，它通過帶電粒子撞擊在閃爍體上，使原子（分子）電離、激發，在退激過程中發光，經過光電器件將光信號變成可測的電信號來測量核輻射。閃爍計數器分辨時間短、效率高等優點，還可測定γ射線的能量大小。
鋰漂移型探測器
鋰漂移型探測器使用的是將鋰漂移進入P型半導體制成的材料，靈敏區大，由于鍺比硅對γ射線有更高的探測效率，故一般采用鍺（鋰）漂移探測器。但是鋰漂移型探測器γ射線時必須保持低溫和真空的工作條件。
蓋革計數器
蓋革計數器可以用于探測γ射線，但其對高能γ射線的探測靈敏度較低，主要用于輻射防護的劑量監測，γ蓋革管中的氣體密度通常較小，高能γ射線往往在未被探測到時就已經跑出了蓋革管。
其他
高純鍺探測器可用于探測γ射線，具有可在室溫下保存、制造工藝簡單、制造周期短等優點。正比計數管可用于探測γ射線，探測器輸出脈沖幅度與射線的能量成正比，。
危害
γ射線可通過與人體組織的相互作用產生自由基，使細胞的脫氧核糖核酸發生單鏈或雙鏈斷裂，抑制細胞的有絲分裂等，使細胞發生增殖死亡；電離輻射還影響的人體的血管結構，使毛細血管閉合，影響組織的血液和營養的供應，從而影響細胞的生長。對人體產生軀體損傷效應（如白血病、惡性腫瘤、生育力降低、壽命縮短等）和遺傳損傷效應（如流產、遺傳性死亡和先天畸形等）。人體一次全身受到大劑量射線照射后所引起的癥狀見表：
防護
在任何有放射性污染或危險的場所，都必須穿防護工作服、戴膠皮手套、穿鞋套、戴面罩和目鏡。在有吸入放射性粒子危險的場所，要攜帶氧氣呼吸器。減少受照時間，輻射累積劑量與受照時間基本成正比，應盡可能縮短與放射源接觸的時間。增大與放射源的距離，吸收劑量與距放射源距離的平方成反比，離放射源越遠，所受的照射也越少，應盡可能遠離放射源。利用各種屏蔽物體吸收射線，以減少射線造成的傷害。
γ射線暴起源
長期以來γ射線暴的本質和起源都是一個謎，大多數天體物理學家認為γ射線暴來自恒星內核坍塌導致的超新星爆發而形成的黑洞。美國國家航空航天局于1991年發射的康普頓（Compton）γ射線觀測站確定了γ射線暴的部分空間和強度分布規律。1997年，Beppo-SAX衛星發現了γ射線暴有一段X射線余暉，余暉在γ射線暴發生后可持續幾天到幾個星期，有助于確定γ射線暴來源的距離。長久的觀測已經確定持續時間比較長的γ射線暴來源于遙遠星系中的恒星形成區域，它們是成束的輻射，它們之中有一些（也可能是全部）與超新星爆炸有聯系；但是，持續時間短的和持續時間長的γ射線暴的前身和它們的產生機制還不清楚。
2002年，一個英國研究小組在《自然》雜志上發表了一篇論文，論文稱他們根據2001年12月的一次γ射線暴的觀測數據中發現在爆發處鎂、硅、硫等元素以亞光速向外逃逸，以此認為伽馬射線暴與超新星爆發有關。2002年，麻省理工學院的研究人員通過錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）的望遠鏡觀測到一次持續21個小時的γ射線暴。2003年，加拿大魁北克省（Quebec）召開的美國天文學會高能天體物理分會會議上，部分研究人員宣稱有證據表明超新星爆發可能在幾周或幾個月之內導致劇烈的γ射線大噴發。大量的觀測表明了γ射線暴噴發源超新星爆發的規律性，部分天體物理學家以此認為γ射線暴與超新星爆發有關，另一部分天體物理學家持反對意見，他們認為，γ射線暴與超新星爆發有關的說法沒有排除X射線非正常增加或減少的可能性，超新星爆發與 γ 射線噴發之間存在時間間隔的原因仍然不明。
參考資料 >