Gammastråling: Definition, egenskaber, kilder og anvendelser

Lær om gammastråling: definition, egenskaber, naturlige og kunstige kilder samt medicinske og industrielle anvendelser, sikkerhed og eksempler.

Gammastråler (γ-stråler) er elektromagnetiske bølger med de mindste bølgelængder i det elektromagnetiske spektrum. De blev opdaget i 1900 af Paul Villard og navngivet i 1903 af Ernest Rutherford.

Gammastråler er ligesom røntgenstråler, men bølgerne er mindre i bølgelængde. Både gammastråler og røntgenstråler er fotoner med meget høj energi, og gammastråler har endnu mere energi. De er også en type ioniserende stråling. Gammastråler kan bevæge sig gennem tykkere materialer end røntgenstråler kan.

Gammastråler produceres af nogle typer radioaktive atomer. Kobolt-60 og kalium-40 er to isotoper, der udsender gammastråler. Cobalt-60 produceres i acceleratorer og anvendes på hospitaler. Kalium-40 forekommer naturligt. Der findes små mængder kalium-40 i alle planter og dyr. Gammastråler fra kalium-40 har hver en energi på 1460 tusind elektronvolt (keV).

Gammastråler og røntgenstråler kan også adskilles efter deres oprindelse: Røntgenstråler udsendes af elektroner uden for kernen, mens gammastråler udsendes af kernen.

Fysiske egenskaber

• Energier og bølgelængder: Gammastråler har typisk photonenergier fra nogle få keV op til flere MeV (millioner elektronvolt). Det svarer til meget korte bølgelængder, ofte i størrelsesordenen ca. 10⁻¹¹ til 10⁻¹⁴ meter eller derunder, og til meget høje frekvenser (væsentligt over 10¹⁸ Hz).
• Penetration: På grund af høj energi kan gammastråler trænge gennem materialer, der effektivt afskærmer lavenergi stråling. Afskærmning kræver tætte materialer (fx bly, beton eller vand) og tilstrækkelig tykkelse.
• Interaktioner med stof: De vigtigste mekanismer for energitab i materialer er fotoeffekt, Compton-spredning og parproduktion (ved høj energi). Hvilken proces der dominerer, afhænger af gammaenergien og atomnummeret i materialet.

Kilder til gammastråling

• Radioaktivt henfald: Mange nuklider udsender gammastråling når en atomkerne skifter fra en eksiteret tilstand til en lavere energitilstand. Almindelige kunstige og naturlige kilder er kobolt-60, cesium-137, iod-131 og kalium-40.
• Positronannihilation: Når en positron møder en elektron, annihilerer de og danner normalt to 511 keV gammafotoner sendt i modsatte retninger — princippet bag PET-skanning.
• Kerne-til-kernereaktioner og acceleratorer: Nukleare reaktioner i reaktorer eller partikelacceleratorer kan producere gammaer; accelererede partikler kan desuden frembringe højenergiske fotoner via fx bremsstrahlung.
• Naturlig baggrund: Jordens radioaktive grundstoffer og kosmisk stråling bidrager til konstant lav baggrunds-gammastråling.

Anvendelser

• Medicinsk behandling: Højenergetiske gammastråler anvendes i stråleterapi (radioterapi) til at ødelægge kræftceller. Kobolt-60 har historisk været brugt i teleterapi, og moderne lineære acceleratorer leverer også fotonstråler til behandling.
• Diagnostik: Radiofarmaka som technetium-99m sendes som gammasendere i nuklearmedicin (scintigrafi). PET (positronemissionstomografi) måler de 511 keV gammafotoner fra positronannihilation.
• Sterilisering og fødevarebehandling: Gammastråling bruges til at sterilisere medicinsk udstyr og forlænge holdbarhed af fødevarer ved at dræbe mikroorganismer.
• Industriel kontrol: Gammastråling bruges til ikke-destruktiv prøvning (røntgen-/gammagrafi) af svejsninger og strukturer samt i tykkelseskontrol.
• Forskning: Gammaspektroskopi er et vigtigt redskab i nuklearfysik, geologi (datering) og miljøovervågning.

Sikkerhed og afskærmning

Gammastråling er ioniserende og kan skade levende væv. Beskyttelse bygger på tre grundprincipper: tid, afstand og afskærmning.

• Tid: Reducer den tid, man udsættes for stråling.
• Afstand: Intensiteten falder med kvadratet på afstanden, så større afstand giver væsentlig lavere eksponering.
• Afskærmning: Tætte materialer som bly, beton eller vand bruges til at reducere gammastråling. Hvor meget materiale der kræves, beskrives ofte ved halvværditykkelse (HVL) — den tykkelse der mindsker intensiteten til halvdelen. HVL afhænger af både gammaenergien og materialet.

Langvarig eller høj eksponering kan føre til akut strålingssyndrom og øget risiko for kræft. Derfor reguleres arbejde med gammastråling nøje gennem sikkerhedsstandarder, dosimetri og overvågning.

Måling og detektion

• Geigertæller: Velegnet til at registrere tilstedeværelse af ioniserende stråling, men ikke altid god til energimåling.
• Scintillationsdetektorer: (fx NaI(Tl)) bruges til spektroskopi og radiometrisk måling af gammaenergi og aktivitet.
• Semiconductordetektorer: (fx HPGe—højrenhedsgermanium) giver høj energiresolution og anvendes i præcis gammaspektrometri.
• Dosimetri: Personlige dosimetre registrerer kumuleret dosis for at sikre arbejdsmæssige grænser overholdes.

Historiske og praktiske noter

• Opdagelsen af gammastråling og forståelsen af kerneenerginiveauer var afgørende for udviklingen af moderne nuklearfysik og medicin.
• Typiske karakteristiske gammaenergier: kalium-40 cirka 1460 keV, kobolt-60 udsender to hovedlinjer ved cirka 1173 keV og 1332 keV. Andre vigtige isotoper er cesium-137 (662 keV) og technetium-99m (140 keV).

Samlet set er gammastråling et kraftfuldt fænomen med mange nyttige anvendelser, men det kræver korrekt håndtering og sikkerhed for at minimere sundhedsrisici for mennesker og miljø.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er gammastråler?

Spørgsmål: Hvem opdagede gammastråler?

Sp: Hvad er forskellen mellem gammastråler og røntgenstråler?

Sp: Hvordan produceres gammastråler?

Spørgsmål: Hvad er ioniserende stråling?

Sp: Hvad er forskellen mellem de gammastråler, der udsendes af cobalt-60 og kalium-40?

Spørgsmål: Hvordan kan man skelne mellem gammastråler og røntgenstråler?

Søg efter bogstav