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審閱專家宋培峰

γ射線 (Gamma ray) ，又稱γ粒子流，是原子核能級躍遷退激時釋放出的射線，是波長短于0.01埃的電磁波。γ射線有很強的穿透力，工業(yè)中可用來探傷或流水線的自動控制。γ射線對細(xì)胞有殺傷力，醫(yī)療上用來治療腫瘤。

γ射線首先由法國科學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)，是繼α、β射線后發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線。

γ射線

外文名

Gamma ray

別名

γ粒子流

發(fā)現(xiàn)者

P.V.維拉德

波長

短于0.01埃

快速
導(dǎo)航

產(chǎn)生原理測量方法主要危害應(yīng)用基本效應(yīng)伽馬射線暴

首次觀測

起源理論

關(guān)于γ射線爆發(fā)的起源有一種理論——它們是具有無窮能量的“巨超新星”（hypernova），在覺醒時留下巨大的黑洞。看起來γ射線爆發(fā)似乎是排成隊列的巨型黑洞。

在太空中產(chǎn)生的伽馬射線是由恒星核心的核聚變產(chǎn)生的，因為無法穿透地球大氣層，因此無法到達地球的低層大氣層，只能在太空中被探測到。太空中的伽瑪射線是在1967年由一顆名為“維拉斯”的人造衛(wèi)星首次觀測到。從20世紀(jì)70年代初由不同人造衛(wèi)星所探測到的伽馬射線圖片，提供了關(guān)于幾百顆此前并未發(fā)現(xiàn)到的恒星及可能的黑洞。于90年代發(fā)射的人造衛(wèi)星（包括康普頓伽馬射線觀測臺），提供了關(guān)于超新星、年輕星團、類星體等不同的天文信息。

物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)超短激光脈沖可以和電離氣體發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生一束極其強大的激光，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。

這種超強激光射線有諸多用途，其中包括醫(yī)學(xué)成像，放射性療法，以及正電子放射斷層造影術(shù)（PET）掃描。同時這種射線源還可以被用來監(jiān)視密封存放的核廢料是否安全。另外，由于這種激光脈沖極短，持續(xù)時間僅1千萬億分之一秒，快到足以捕獲原子核對激發(fā)的反應(yīng)，這就使它非常適合用于實驗室中的原子核研究。

此次研究中使用的發(fā)射源比一般常見的伽馬射線發(fā)射設(shè)備要更小也更便宜。實驗在英國科學(xué)技術(shù)設(shè)施協(xié)會所屬盧瑟福—阿普爾頓實驗室的中央激光設(shè)施中進行，除了斯特拉斯克萊德大學(xué)的科學(xué)家之外，還有來自格拉斯哥大學(xué)以及葡萄牙里斯本高等技術(shù)研究院的科學(xué)家參與了這項實驗。

這項研究得到了英國工程和物理科學(xué)研究協(xié)會，英國科學(xué)技術(shù)設(shè)施協(xié)會，激光實驗室-歐洲聯(lián)盟以及極端光學(xué)設(shè)施項目組的支持。

放射性原子核在發(fā)生α衰變、β衰變后產(chǎn)生的新核往往處于高能量級，要向低能級躍遷，輻射出γ光子。原子核衰變和核反應(yīng)均可產(chǎn)生γ射線。其為波長短于0.2埃的電磁波。γ射線的波長比X射線要短，所以γ射線具有比X射線還要強的穿透能力。

伽馬射線是頻率高于1.5 千億億 赫茲的電磁波光子。伽馬射線不具有電荷及靜質(zhì)量，故具有較α粒子及β粒子弱之電離能力。伽馬射線具有極強之穿透能力及帶有高能量。伽馬射線可被高原子數(shù)之原子核阻停，例如鉛或乏鈾。

γ光子不帶電，故不能用磁偏轉(zhuǎn)法測出其能量，通常利用γ光子造成的上述次級效應(yīng)間接求出，例如通過測量光電子或正負(fù)電子對的能量推算出來。此外還可用γ譜儀（利用γ射線與物質(zhì)相互作用）直接測量γ光子的能量。

由熒光晶體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數(shù)器是探測γ射線強度的常用儀器。

γ射線具有極強的穿透本領(lǐng)。人體受到γ射線照射時，γ射線可以進入到人體的內(nèi)部，并與體內(nèi)細(xì)胞發(fā)生電離作用，電離產(chǎn)生的離子能侵蝕復(fù)雜的有機分子，如蛋白質(zhì)、核酸和酶，它們都是構(gòu)成活細(xì)胞組織的主要成份，一旦它們遭到破壞，就會導(dǎo)致人體內(nèi)的正常化學(xué)過程受到干擾，嚴(yán)重的可以使細(xì)胞死亡。

核爆炸

與其他核武器相比，γ射線的威力主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是γ射線的能量大。由于γ射線的波長非常短，頻率高，因此具有非常大的能量。高能量的γ射線對人體的破壞作用相當(dāng)大，當(dāng)人體受到γ射線的輻射劑量達到200－600雷姆時，人體造血器官如骨髓將遭到損壞，白血球嚴(yán)重地減少，內(nèi)出血、頭發(fā)脫落，在兩個月內(nèi)死亡的概率為0－80%；當(dāng)輻射劑量為600－1000雷姆時，在兩個月內(nèi)死亡的概率為80－100%；當(dāng)輻射劑量為1000－1500雷姆時，人體腸胃系統(tǒng)將遭破壞，發(fā)生腹瀉、發(fā)燒、內(nèi)分泌失調(diào)，在兩周內(nèi)死亡概率幾乎為100%；當(dāng)輻射劑量為5000雷姆以上時，可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到破壞，發(fā)生痙攣、震顫、失調(diào)、嗜眠，在兩天內(nèi)死亡的概率為100%。二是γ射線的穿透本領(lǐng)極強。γ射線是一種殺人武器，它比中子彈的威力大得多。中子彈是以中子流作為攻擊的手段，但是中子的產(chǎn)額較少，只占核爆炸放出能量的很小一部分，所以殺傷范圍只有500－700米，一般作為戰(zhàn)術(shù)武器來使用。γ射線的殺傷范圍，據(jù)說為方圓100萬平方公里，這相當(dāng)于以阿爾卑斯山為中心的整個南歐。因此，它是一種極具威懾力的戰(zhàn)略武器。

基本效應(yīng)

當(dāng)γ射線通過物質(zhì)并與原子相互作用時會產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正負(fù)電子對三種效應(yīng)。

γ光子與原子外層電子（可視為自由電子）發(fā)生彈性碰撞，γ光子只將部分能量傳遞給原子中外層電子，使該電子脫離核的束縛從原子中射出。光子本身改變運動方向。被發(fā)射出的電子稱康普頓電子，能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互作用。散射光子與入射光子的方向間夾角稱為散射角，一般記為θ。反沖電子反沖方向與入射光子的方向間夾角稱為反沖角，一般記為φ。當(dāng)散射角θ=0°，散射光子的能量為最大值，這時反沖電子的能量為0，光子能量沒有損失；當(dāng)散射角θ=180°時，入射光子和電子對頭碰撞，沿相反方向散射回來，而反沖電子沿入射光子方向飛出，這種情況稱反散射，此時散射光子的能量最小。

光電子與普通電子一樣，能繼續(xù)與介質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)、電離等作用。由于電子殼層出現(xiàn)空位，外層電子補空位并發(fā)射特征X射線。但該光人眼不可見，頻率最高，波長最短（波在真空中v=c光速，c=λf，λ波長，f頻率）。

能量大于1.02MeV的γ光子從原子核旁經(jīng)過時，在原子核的庫侖場作用下，γ光子轉(zhuǎn)變成一個電子和一個正電子。光子的能量一部分轉(zhuǎn)變成正負(fù)電子的靜止能量（1.02MeV），其余就作為它們的動能。被發(fā)射出的電子還能繼續(xù)與介質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)、電離等作用；正電子在損失能量之后，將與物質(zhì)中的負(fù)電子相結(jié)合而變成γ射線，即湮沒（annihilation），探測這種湮沒輻射是判明正電子產(chǎn)生的可靠實驗依據(jù)。

對低能光子（能量遠(yuǎn)小于電子靜止能量）來說，內(nèi)層電子受原子核束縛較緊不能視為自由電子。如果光子和這種束縛電子碰撞，相當(dāng)于和整個原子相碰，碰撞中光子傳給原子的能量很小，幾乎保持自己的能量不變。這樣散射光中就保留了原波長。稱為湯姆遜散射(Thomson scattering）或瑞利散射（Rayleigh scattering）或相干散射（coherent scattering）。由于內(nèi)層電子的數(shù)目隨散射物原子序數(shù)的增加而增加，外層電子所占比例降低，所以波長不變的散射光子強度隨之增強，而波長變長的康普頓散射光子強度隨之減弱。

瑞利相干散射引起的散射光子限制在小角度范圍內(nèi)。即其光子角分布在光子的前進方向有尖銳的峰，偏轉(zhuǎn)光子的能量損失可以忽略。隨著散射光子散射角φ增大，波長不變的瑞利散射光子相對強度逐漸減弱，而波長變長的康普頓散射光子相對強度逐漸增強，同時波長的改變量也逐漸增大。

也稱為光核吸收，大于一定能量的γ光子與物質(zhì)原子的原子核作用，能發(fā)射出粒子，例如（γ，n）反應(yīng)。但這種相互作用的大小與其它效應(yīng)相比是小的，所以可以忽略不計。光核吸收的閾能在5MeV或更高，這種過程類似于原子光電效應(yīng)，但在這一過程中光子為原子核所吸收而不是由圍繞核轉(zhuǎn)動的殼層電子，光核吸收一般會引起中子的發(fā)射。光核吸收最顯著的特點是“巨共振”（giant resonance）。光核反應(yīng)中的巨共振是一種偶極共振，它來自γ光子所引起的核的電偶極激發(fā)，稱為巨偶極共振（Giant Dipole Resonance，GDR）。對于輕核，吸收截面的中心約在24MeV。隨著靶核質(zhì)量數(shù)增加，中心能量減小，巨共振峰的位置也隨之減小，最重的穩(wěn)定為12MeV，巨共振的寬度（相應(yīng)于半最大高度截面的能量差）隨靶核而變化，大約為3-9MeV。即使是共振峰，光核截面比前面提到的光電截面要小，它對總截面的貢獻小于10%，然而在輻射屏蔽設(shè)計中，光核吸收很重要，因為所發(fā)射的中子比入射的光子在重核中具有更大的穿透性。在輻照技術(shù)中引起的放射性顯得更重要。

入射光子把原子核激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后退激時再放出γ光子。

圖1 γ射線與物質(zhì)的三種主要相互作用示意圖

圖2 γ射線與物質(zhì)的三種主要相互作用

現(xiàn)象

“伽馬射線暴是宇宙中一種伽馬射線突然增強的一種現(xiàn)象?！?a >中國科學(xué)院國家天文臺趙永恒研究員說，伽馬射線是波長小于0.1納米的電磁波，是比X射線能量還高的一種輻射，伽馬暴的能量非常高。但是大多數(shù)伽馬射線會被地球的大氣層阻擋，觀測必須在地球之外進行。

冷戰(zhàn)時期，美國發(fā)射了一系列的軍事衛(wèi)星來監(jiān)測全球的核爆炸試驗，在這些衛(wèi)星上安裝有伽馬射線探測器，用于監(jiān)視核爆炸所產(chǎn)生的大量的高能射線。偵察衛(wèi)星在1967年發(fā)現(xiàn)了來自浩瀚宇宙空間的伽馬射線在短時間內(nèi)突然增強的現(xiàn)象，人們稱之為“伽馬射線暴”。由于軍事保密等因素，這個發(fā)現(xiàn)直到1973年才公布出來。這是一種讓天文學(xué)家感到困惑的現(xiàn)象：一些伽馬射線源會突然出現(xiàn)幾秒鐘，然后消失。這種爆發(fā)釋放能量的功率非常高。一次伽馬射線暴的“亮度”相當(dāng)于全天所有伽馬射線源“亮度”的總和。隨后，不斷有高能天文衛(wèi)星對伽馬射線暴進行監(jiān)視，差不多每天都能觀測到一兩次的伽馬射線暴。

伽馬射線暴所釋放的能量甚至可以和宇宙大爆炸相提并論。伽馬射線暴的持續(xù)時間很短，長的一般為幾十秒，短的只有十分之幾秒。而且它的亮度變化也是復(fù)雜而且無規(guī)律的。但伽馬射線暴所放出的能量卻十分巨大，在若干秒鐘時間內(nèi)所放射出的伽馬射線的能量相當(dāng)于幾百個太陽在其一生（100億年）中所放出的總能量！

在1997年12月14日發(fā)生的伽馬射線暴，它距離地球遠(yuǎn)達120億光年，所釋放的能量比超新星爆發(fā)還要大幾百倍，在50秒內(nèi)所釋放出伽馬射線能量就相當(dāng)于整個銀河系200年的總輻射能量。這個伽馬射線暴在一兩秒內(nèi)，其亮度與除它以外的整個宇宙一樣明亮。在它附近的幾百千米范圍內(nèi)，再現(xiàn)了宇宙大爆炸后千分之一秒時的高溫高密情形。[3]

然而，1999年1月23日發(fā)生的伽馬射線暴比這次更加猛烈，它所放出的能量是1997年那次的十倍，這也是人類迄今為止已知的最強大的伽馬射線暴。

關(guān)于伽馬射線暴的成因，至今世界上尚無定論。有人猜測它是兩個中子星或兩個黑洞發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的；也有人猜想是大質(zhì)量恒星在死亡時生成黑洞的過程中產(chǎn)生的，但這個過程要比超新星爆發(fā)劇烈得多，因而，也有人把它叫做“超超新星”。

為了探究伽馬射線暴發(fā)生的成因，引發(fā)了兩位天文學(xué)家的大辯論。

但是幾年之后，情況發(fā)生了變化。1991年，美國的“康普頓伽馬射線天文臺”發(fā)射升空，對伽馬射線暴進行了全面系統(tǒng)的監(jiān)視。幾年觀測下來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴出現(xiàn)在天空的各個方向上，而這就與星系或類星體的分布很相似，而這與銀河系內(nèi)天體的分布完全不一樣。于是，人們開始認(rèn)真看待帕欽斯基的伽馬射線暴可能是銀河系外的遙遠(yuǎn)天體的觀點了。由此也引發(fā)了1995年帕欽斯基與持相反觀點的另一位天文學(xué)家拉姆的大辯論。

然而，在1995年的那個時候，世界上并沒有辦法測定伽馬射線暴的距離，因此辯論雙方根本無法說服對方。伽馬射線暴的發(fā)生在空間上是隨機的，而且持續(xù)時間很短，因此無法安排后續(xù)的觀測。再者，除短暫的伽馬射線暴外，沒有其他波段上的對應(yīng)體，因此無法借助其他波段上的已知距離的天體加以驗證。這場辯論誰是誰非也就懸而未決。幸運的是，1997年意大利發(fā)射了一顆高能天文衛(wèi)星，能夠快速而精確地測定出伽馬射線暴的位置，于是地面上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡就可以對其進行后續(xù)觀測。天文學(xué)家首先成功地發(fā)現(xiàn)了1997年2月28日伽馬射線暴的光學(xué)對應(yīng)體，這種光學(xué)對應(yīng)體被稱之為伽馬射線暴的“光學(xué)余輝”；接著看到了所對應(yīng)的星系，這就充分證明了伽馬射線暴宇宙學(xué)距離上的現(xiàn)象，從而為帕欽斯基和拉姆的大辯論做出了結(jié)論。

到目前為止，全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多個伽馬射線暴的“光學(xué)余輝”，其中大部分的距離已經(jīng)確定，它們?nèi)渴倾y河系以外的遙遠(yuǎn)天體。趙永恒研究員說，“光學(xué)余輝”的發(fā)現(xiàn)極大地推動了伽馬射線暴的研究工作，使得人們對伽馬射線暴的觀測波段從伽馬射線發(fā)展到了光學(xué)和射電波段，觀測時間從幾十秒延長到幾個月甚至幾年。

超新星再次引發(fā)爭論難題一個接著一個。2003年3月24日，在加拿大魁北克召開的美國天文學(xué)會高能天體物理分會會議上，一部分研究人員宣稱它們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些迄今為止最有力的跡象，表明普通的超新星爆發(fā)可能在幾周或幾個月之內(nèi)導(dǎo)致劇烈的伽馬射線大噴發(fā)。這種說法一經(jīng)提出就在會議上引發(fā)了激烈的爭議。

大多數(shù)天體物理學(xué)家認(rèn)為，強勁的伽馬射線噴發(fā)來自恒星內(nèi)核坍塌導(dǎo)致的超新星爆炸而形成的黑洞。麻省理工學(xué)院的研究人員通過錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡追蹤了2002年8月發(fā)生的一次時長不超過一天的超新星爆發(fā)。在這次持續(xù)二十一小時的爆發(fā)中，人們觀察到大大超過類似情況的X射線。而X射線被廣泛看作是由超新星爆發(fā)后初步形成的不穩(wěn)定的中子星發(fā)出。大量的觀測表明，伽馬射線噴發(fā)源附近總有超新星爆發(fā)而產(chǎn)生的質(zhì)量很大的物質(zhì)存在。

反對上述看法的人士認(rèn)為，這些說法沒有排除X射線非正常增加或減少的可能性。而且，超新星爆發(fā)與伽馬射線噴發(fā)之間存在時間間隔的原因仍然不明。

無論如何，人類追尋來自浩瀚宇宙的神秘能量———伽馬射線暴的勢頭不會因為一系列的疑惑而減少，相反，科學(xué)家會更加努力地去探索。作為天文學(xué)的基礎(chǔ)研究，這種探索對人們認(rèn)識宇宙，觀察極端條件下的物理現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律都是很有意義的。

參考資料

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