קרינת גמא

מקור קרינת גמא הראשון שהתגלה היה בתהליך דעיכה רדיואקטיבי הנקרא דעיכת גמא. בסוג זה של דעיכה, גרעין מעורר פולט קרן גמא כמעט מיד עם היווצרותו. פול וילארד, כימאי ופיזיקאי צרפתי, גילה את קרינת גמא בשנת 1900, תוך כדי חקירה של קרינה הנפלטת מרדיום. וילארד ידע שהקרינה שתיאר חזקה יותר מזו שתוארה בעבר כקרינת־רדיום. קרינה זו התייחסה לקרינת בטא, שצוינו לראשונה כ"רדיואקטיביות" על ידי אנרי בקרל בשנת 1896^[1], וקרינת אלפא שהתגלו כצורה פחות חודרת של קרינה על ידי ארנסט רתרפורד, בשנת 1899^[2][3].

באותה עת וילארד לא זיהה את השוני בקרינה זו מהקרינות הקודמות שהתגלו. מאוחר יותר, בשנת 1903, הקרינה של וילארד הוכרה כסוג שונה באופן מהותי מהקרינות שזוהו קודם לכן על ידי ארנסט רתרפורד, והוא כינה את קרינת וילארד "קרינת גמא", בהמשך לקרינת בטא וקרינת אלפא שזיהה רתרפורד בשנת 1899. ה"קרינות" הנפלטות על ידי יסודות רדיואקטיביים נקראו לפי סדר עוצמת החדירה שלהן לחומרים שונים, תוך שימוש בשלוש האותיות הראשונות של האלף־בית היווני: קרינת אלפא החודרת פחות מבין שלוש הקרינות, אחריה קרינת בטא, ולבסוף קרינת גמא בעלת כושר החדירה הגדול ביותר.

תחילה חשבו שקרני גמא הם חלקיקים בעלי מסה, כמו קרני אלפא ובטא. רתרפורד האמין כי קרינה זו היא חלקיקי בטא מהירים ביותר, אך העובדה שהקרינה לא הושפעה משדה מגנטי הצביעה על כך שאין לה שום מטען. בשנת 1914 נצפו קרני גמא משתקפות במשטחים גבישיים, עובדה שהוכיחה כי מדובר בקרינה אלקטרומגנטית. רתרפורד ואדוארד אנדרדה, שהיה עמיתו לעבודה, מדדו את אורכי הגל של קרני הגמא מרדיום, ומצאו כי הם דומים לאורכי הגל של קרינת רנטגן, אך קצרים יותר (בעלי תדירות גבוהה יותר). בסופו של דבר הובהר כי יש לכל פוטון של קרינה זו יותר אנרגיה. לאחר מכן הובן כי בכל מקרה של דעיכת גמא בגרעין אטום נפלט פוטון גמא.

חקר מעמיק של קרינת גמא בוצע בעזרת מצפה קרני הגמא קומפטון.

כאמור, גרעין הנמצא במצב מעורר בעקבות תהליכי התפרקות רדיואקטיביים, פולט תוך זמן קצר פוטון, בעל אורך גל המתאים להפרש האנרגיה בין המצב המעורר למצב הנמוך (לרוב, מצב היסוד).

מקורות נוספים אפשריים של קרינת גמא הם אינטראקציות של חלקיקי יסוד דוגמת תהליך איון של אלקטרון ופוזיטרון, אשר במהלכו משתחררים שני פוטוני גמא.

האנרגיה הרבה ביותר שנצפתה עבור חלקיק כלשהו^[4] מקורה בהתפרצות של קרינת גמא, בעלת ערך של 1,400,000,000,000,000 eV אלקטרון וולט.

אטום בו מתרחש תהליך פליטת פוטון גמא לא ישנה את מספר המסה שלו או את המספר האטומי שלו בעקבות הפליטה. עם זאת, פוטון הגמא הנפלט נושא עמו אנרגיה אשר מתאזנת בהפחתה של מסת הגרעין.

בהיותה קרינה מייננת ואנרגטית מאוד, קרינת גמא מסוכנת מאוד לאדם, והיא יכולה לחדור כ־50 סנטימטר מים או רקמות חיות, ואף מספר סנטימטרים דרך עופרת יצוקה. חשיפה לכמות קטנה עלולה להיות מסרטנת, וחשיפה ממושכת תגרום למוות בטוח.

תכונותיה של קרינת גמא דומות לאלו של קרינת רנטגן, ותחום קרינת הגמא חופף, במידה מסוימת, את תחום קרינת הרנטגן "הקשה" (בעלת התדירות הגבוהה). ההבדל בין שתי הקרינות הוא המקור שלהן: קרינת גמא בוקעת מגרעין האטום בעוד קרינת רנטגן נפלטת ממקור שמחוץ לגרעין.

1. קרינת גמא המשתחררת מאיזוטופ אינה ניתנת לשליטה וממשיכה להקרין עד לדעיכה המוחלטת של האיזוטופ.
2. להבדיל מקרינת גמא רגילה, קרינת רנטגן ניתנת לשליטה כמעט מוחלטת בקביעת עוצמת ההקרנה ומשכה.
3. אורך הגל של קרינת רנטגן נע בין 5 פיקומטר ל־10 ננומטר. בעוד תחום אורכי הגל של קרינת גמא הוא 5 פיקומטר ומטה.

קרינת גמא נפלטת מהגרעין תמיד באורכי גל בדידים (לא רציפים). יש גרעינים שפולטים את הקרינה בכמה אורכי גל, אחרים באורך גל מסוים אחד. את העובדה שהאור נפלט מהאטום באורכי גל בדידים, מסבירים בקיומן של רמות אנרגיה אטומיות. גם כאן, ההסבר לעובדה שקרינת הגמא נפלטת באורכי גל בדידים היא העובדה שקיימות רמות אנרגיה בדידות בגרעין. פוטון קרינת גמא הנפלט מהגרעין מעיד על מעבר הגרעין מרמת אנרגיה גרעינית גבוהה לרמת אנרגיה נמוכה יותר.

קרינה רבה מסוג זה נפלטת בין השאר בעת הטלת פצצת ביקוע גרעיני וגורמת לנזקים שתוארו לעיל לבני האדם המצויים בסביבה, דוגמת אלו ששרדו בפיצוץ האדיר כ��הוטלו פצצות האטום האמריקאיות על הירושימה ועל נגסאקי בזמן מלחמת העולם השנייה או לאחר האסון הגרעיני בצ'רנוביל בברית המועצות.

• קרינת אלפא
• קרינת בטא
• התפרצות גמא

• עדי רוזן, קרינה וחומר: מודלים של האטום והגרעין (גרסה מקוונת של הספר (לבעלי הרשאה), באתר "כותר")

• קרינת גמא, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
•   קרני גמא, דף שער בספרייה הלאומית