ガンマ線

原子核からガンマ線（γ ）が放出される

ガンマ線はガンマ放射線（記号γ ）とも呼ばれ、原子核の放射性崩壊や太陽フレアなどの天文現象などの高エネルギー相互作用から生じる透過性の電磁放射線です。低エネルギーのガンマ放射線はX線放射線の上限と重なり、発生源の違いで区別されます。ガンマ線光子のエネルギー下限は10keVから10,000keVで、超高エネルギーガンマ線のエネルギーは10 ¹¹ keVを超えます。^{[ 1 ] : 12} フランスの化学者で物理学者のポール・ヴィラールは、1900年にラジウムから放出される放射線を研究中にガンマ放射線を発見しました。1903年、アーネスト・ラザフォードは、物質への透過性が比較的強いことからこの放射線をガンマ線と名付けました。 1900年に、彼はすでに、透過力がより弱い2種類の崩壊放射線（アンリ・ベクレルによって発見）を、透過力が強い順に アルファ線とベータ線と名付けていました。

放射性崩壊から発生するガンマ線のエネルギー範囲は10キロ電子ボルト（keV）から10メガ電子ボルト（MeV）であり^{[ 1 ]} 、これは寿命が比較的長い原子核の典型的なエネルギーレベルに相当します。ガンマ線のエネルギースペクトルは、ガンマ分光法を用いて崩壊する放射性核種を特定するために利用できます。100 ～1000テラ電子ボルト（TeV）の範囲の非常に高エネルギーのガンマ線は、はくちょう座X-3マイクロクエーサーなどの天体から観測されています。

地球上で発生するガンマ線の自然発生源は、主に放射性崩壊と、大気と宇宙線粒子との相互作用による二次放射線によるものです。しかし、地球ガンマ線フラッシュのように、原子核に対する電子の作用によってガンマ線を発生させる稀な自然発生源も存在します。注目すべき人工ガンマ線発生源としては、原子炉で起こる核分裂反応や、中性パイ中間子崩壊や核融合といった高エネルギー物理学実験によるガンマ線などがあります。

ガンマ線とX線のエネルギー範囲は電磁スペクトルにおいて重なり合うため、これらの電磁波の用語は科学分野によって異なります。物理学の一部の分野では、その起源によって区別されます。ガンマ線は原子核崩壊によって生成され、X線は原子核の外部で発生します。天体物理学では、ガンマ線は慣例的に100keVを超える光子エネルギーを持つものとして定義され、ガンマ線天文学の対象となります。一方、100keV未満の放射線はX線に分類され、X線天文学の対象となります。

ガンマ線は電離放射線であり、生命に危険を及ぼします。DNAの変異、がんや腫瘍、そして高線量では火傷や放射線障害を引き起こす可能性があります。透過力が高いため、骨髄や内臓に損傷を与える可能性があります。アルファ線やベータ線とは異なり、ガンマ線は多くの一般的な物質を容易に通過するため、放射線防護の面では非常に困難であり、鉛やコンクリートなどの高密度材料による遮蔽が必要となります。地球上では、磁気圏がガンマ線以外のほとんどの種類の致死的な宇宙放射線から生命を守っています。

発見の歴史

最初に発見されたガンマ線源は、ガンマ崩壊と呼ばれる放射性崩壊過程でした。このタイプの崩壊では、励起された原子核は形成後すぐにガンマ線を放出します。フランスの化学者で物理学者のポール・ヴィラールは、1900年にラジウムから放出される放射線を研究しているときにガンマ線を発見しました。ヴィラールは、自分が記述し​​た放射線が、それ以前に記述されていたラジウムからの放射線の種類（ 1896年にアンリ・ベクレルによって初めて「放射能」として言及されたベータ線や、1899年にラザフォードによって透過性の低い放射線の形態として発見されたアルファ線など）よりも強力であることを知っていました。しかし、ヴィラールはそれらを異なる基本的なタイプとして命名することは考えませんでした。^{[ 2 ] [ 3 ]}その後、1903年に、アーネスト・ラザフォードによって、ヴィラール放射線はそれまでに命名されていた放射線とは根本的に異なる種類のものであることが認識され、ラザフォードが1899年に区別したベータ線とアルファ線との類推から、ヴィラール放射線を「ガンマ線」と名付けました。^{[ 4 ]}放射性元素から放出される「放射線」は、様々な物質を透過する力の強さの順に、ギリシャ語のアルファベットの最初の3文字を使って命名されました。最も透過力の弱いアルファ線、次にベータ線、そして最も透過力の強いガンマ線の順です。ラザフォードはまた、ガンマ線は磁場によって 偏向しない（少なくとも簡単には偏向しない）ことにも注目しており、これもガンマ線をアルファ線やベータ線とは異なるものにしています。

ガンマ線は当初、アルファ線やベータ線のように質量を持つ粒子だと考えられていた。ラザフォードは当初、ガンマ線は極めて高速のベータ粒子かもしれないと考えていたが、磁場によって偏向しないことから電荷を持たないことが示された。1914年、ガンマ線が結晶表面で反射されるのが観測され、電磁放射であることが証明された。^{[ 5 ]}ラザフォードと同僚のエドワード・アンドラーデはラジウムからのガンマ線の波長を測定し、X線に似ているが波長が短く周波数が高いことを発見した。このことは、X線という用語が一般に受け入れられるとすぐに、ガンマ線のほうが光子あたりのエネルギーが大きいと認識された。その後、ガンマ崩壊では通常、ガンマ光子が放出されると理解された。

発生源

このアニメーションは、遠方のブレーザーのジェットからの放出からフェルミの大型望遠鏡（LAT）に到達するまで、いくつかのガンマ線を時空を通して追跡します

地球上のガンマ線の自然発生源には、カリウム 40などの天然の放射性同位元素からのガンマ崩壊や、宇宙線粒子と大気とのさまざまな相互作用による二次放射線などがあります。ガンマ線を生成する地球上の自然発生源には、自然の高エネルギー電圧から高エネルギー放射を生成する落雷や地上ガンマ線フラッシュなどがあります。 ^{[ 6 ]}ガンマ線は、非常に高エネルギーの電子が生成されるいくつかの天文プロセスによって生成されます。このような電子は、制動放射、逆コンプトン散乱、シンクロトロン放射のメカニズムによって二次ガンマ線を生成します。このような天文ガンマ線の大部分は地球の大気によって遮られます。ガンマ線の注目すべき人工発生源には、原子炉で発生するような核分裂や、中性パイ中間子崩壊や核融合などの高エネルギー物理学の実験があります。

ガンマ線を放出する物質のサンプルは、照射や画像化に用いられ、ガンマ線源と呼ばれます。ガンマ線源は、放射性線源、同位体線源、放射線源とも呼ばれますが、これらのより一般的な用語は、アルファ線やベータ線を放出する装置にも適用されます。ガンマ線源は通常、放射能汚染を防ぐために密封され、強力な遮蔽物の中で輸送されます。

放射性崩壊（ガンマ崩壊）

ガンマ線はガンマ崩壊の際に生成されます。ガンマ崩壊は通常、アルファ崩壊やベータ崩壊といった他の崩壊の後に起こります。放射性原子核は、α粒子またはβ粒子を放出することで崩壊します。その結果生じた娘原子核は通常、励起状態のままです。その後、ガンマ線光子を放出することで、より低いエネルギー状態へと崩壊します。この過程をガンマ崩壊と呼びます。

励起された原子核からのガンマ線の放出には、通常わずか10 ⁻¹²秒しかかかりません。ガンマ崩壊は、​​中性子捕獲、核分裂、核融合などの核反応の後に起こることもあります。ガンマ崩壊は、​​ベータ崩壊などの他の種類の放射性崩壊の後に起こる、原子核の多くの励起状態の緩和モードでもあります。ただし、これらの励起状態は核スピンという必要な要素を持っている必要があります。高エネルギーのガンマ線、電子、または陽子が物質に衝突すると、励起原子は特徴的な「二次」ガンマ線を放出します。これは、衝突した原子における励起核状態の生成によって生じるものです。このような遷移は、核ガンマ蛍光の一種であり、ガンマ分光法と呼ばれる原子核物理学の分野を形成しています。蛍光ガンマ線の生成は、放射性ガンマ崩壊の急速なサブタイプです。

場合によっては、ベータ粒子や他の種類の励起の放出に続く励起核状態は平均よりも安定しており、その崩壊に平均 10 ⁻¹²秒よりも (少なくとも) 100 ～ 1000 倍長くかかる場合、準安定励起状態と呼ばれます。このような比較的長寿命の励起核は核異性体と呼ばれ、その崩壊は異性体遷移と呼ばれます。このような核は半減期がより簡単に測定でき、まれな核異性体はガンマ線を放出する前に、励起状態に数分、数時間、数日、または場合によってははるかに長く留まることができます。したがって、異性体遷移のプロセスはあらゆるガンマ線放出と似ていますが、核の中間の準安定励起状態が関与する点で異なります。準安定状態は、多くの場合、高い核スピンを特徴とし、わずか10 ⁻¹²秒で起こる単一単位の遷移ではなく、ガンマ崩壊によって数単位以上のスピン変化を必要とする。また、核の励起エネルギーが小さい場合、ガンマ崩壊の速度も遅くなる。^{[ 7 ]}

あらゆる励起状態から放出されたガンマ線は、そのエネルギーを任意の電子に直接伝達する可能性があるが、最も可能性が高いのは原子のK殻電子の1つであり、その電子は原子から放出される。この過程は一般に光電効果と呼ばれる（外部ガンマ線や紫外線もこの効果を引き起こす可能性がある）。光電効果は、中間粒子としてガンマ線光子が生成されることのない内部変換過程と混同すべきではない（むしろ、「仮想ガンマ線」がこの過程を媒介すると考えられる）。

減衰計画

放射性崩壊図⁶⁰コバルト

コバルト60のガンマ線放出スペクトル

放射性核種の崩壊によるガンマ線発生の一例は、添付の図に示されているコバルト60の崩壊スキームです。まず、⁶⁰Coは励起状態に崩壊する⁶⁰の電子のベータ崩壊放出によるNi0.31  MeV。励起された⁶⁰Niは、 1.17 MeVのガンマ線を連続して放出して基底状態（原子核殻モデルを参照）に崩壊し、その後1.33 MeV。この経路は99.88%の確率で辿られます。

^6027コバルト	→	^6028ニ^*	＋	e^−	＋	νe	＋	γ	＋	1.17MeV
^6028ニ^*	→	^6028ニ					＋	γ	＋	1.33MeV

もう一つの例は²⁴¹Amを形成する²³⁷Np ;その後ガンマ線放出が続く。場合によっては、娘核のガンマ線放出スペクトルは非常に単純である（例：⁶⁰Co /⁶⁰Ni ) の場合もあれば、( ) の場合などもあります²⁴¹Am /²³⁷Npと¹⁹²Ir /¹⁹²Pt ) では、ガンマ線放出スペクトルが複雑であり、一連の核エネルギー準位が存在することが明らかになっています。

素粒子物理学

ガンマ線は素粒子物理学の多くの過程で生成されます。典型的には、ガンマ線は中性系の生成物であり、電磁相互作用（弱い相互作用や強い相互作用ではなく）によって崩壊します。例えば、電子-陽電子消滅では、通常2つのガンマ線光子が生成されます。消滅する電子と陽電子が静止している場合、結果として生じるガンマ線のエネルギーは約511keV 、周波数は約1.24 × 10 ²⁰  Hz 。逆に、1022 keV を超えるガンマ線は、電子と陽電子の対生成によって原子核と相互作用することがある。 ^{[ 8 ]}同様に、中性パイ中間子はほとんどの場合 2 つの光子に崩壊する。他の多くのハドロンと質量のあるボソンも電磁的に崩壊する。したがって、大型ハドロン衝突型加速器などの高エネルギー物理学の実験では、相当量の放射線遮蔽が用いられる。^{[ 9 ]}亜原子粒子はほとんどの場合原子核よりもはるかに波長が短いため、素粒子物理学のガンマ線は一般に原子核崩壊ガンマ線よりも数桁エネルギーが高い。ガンマ線はエネルギーの点で電磁スペクトルの頂点にあるため、極めて高エネルギーの光子はすべてガンマ線である。たとえば、プランクエネルギーを持つ光子はガンマ線である。

その他の発生源

天文学におけるガンマ線の一部はガンマ崩壊から発生することが知られています（SN1987Aの議論を参照）が、ほとんどはそうではありません

ガンマ線領域のエネルギーを持つ天体源からの光子は、しばしばガンマ線と呼ばれます。ガンマ線は、核放出に加えて、素粒子や粒子と光子の相互作用によっても生成されることがよくあります。これには、電子-陽電子消滅、中性パイ中間子崩壊、制動放射線、逆コンプトン散乱、シンクロトロン放射などが含まれます。

赤い点は、フェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡によって 2010 年を通じて毎日検出された約 500 個の地上ガンマ線フラッシュの一部を示しています。画像提供: NASA/ゴダード宇宙飛行センター。

実験室光源

2017年10月、ヨーロッパの様々な大学の科学者たちは、カスケードと異常放射トラッピングの制御された相互作用を通じて、レーザーを励起器として使用したGeV光子源の手段を提案しました。^{[ 10 ]}

地上雷雨

雷雨は、地上ガンマ線フラッシュと呼ばれる短いガンマ線パルスを発生させることがあります。これらのガンマ線は、高強度の静電場によって電子が加速され、大気中の原子と衝突して減速される際に制動放射線によってガンマ線が発生すると考えられています。地上雷雨からは最大100MeVのガンマ線が放出される可能性があり、宇宙観測所によって発見されました。これは、雷雲の中または近くを飛行する航空機の乗客と乗組員に健康リスクをもたらす可能性があります。^{[ 11 ]}

太陽フレア

最も激しい太陽フレアは、γ線を含む全電磁スペクトルにわたって放射します。最初の確実な観測は1972年に行われました。^{[ 12 ]}

宇宙線

地球外高エネルギーガンマ線には、宇宙線（高速電子または陽子）が通常の物質と衝突し、511keVの対生成ガンマ線を生成する際に生成されるガンマ線背景放射が含まれます。また、宇宙線電子が十分に高い原子番号の原子核と相互作用すると、数十MeV以上のエネルギーで制動放射線が生成されます（例として、この記事の終わり近くにある月のガンマ線画像を参照してください）。

CGRO宇宙船搭載のEGRET観測装置が捉えた100MeV以上のガンマ線での全天画像。銀河面内の明るい点はパルサー、面の上下の明るい点はクエーサーと考えられています。

パルサーとマグネター

ガンマ線空（右の図を参照）は、天の川銀河内のパルサーから放射される、より一般的で長期的なガンマ線によって支配されています。天の川銀河以外の場所からのガンマ線源は、主にクエーサーです。パルサーは、磁場によって集束した放射線ビームを生成する中性子星であると考えられており、クエーサーやより稀なガンマ線バースト源よりもはるかにエネルギーが低く、より一般的で、はるかに近い発生源です（通常は私たちの銀河系でのみ見られます）。パルサーは比較的長寿命の磁場を持ち、相対論的な速度の荷電粒子の集束したビームを生成します。これらの粒子は、近くの媒体中のガスや塵に衝突して減速すると、ガンマ線（制動放射線）を放出します。これは、超高圧放射線治療装置における高エネルギー光子の生成（制動放射線を参照）と同様のメカニズムです逆コンプトン散乱は、荷電粒子（通常は電子）が低エネルギー光子にエネルギーを与え、高エネルギー光子へと増幅させる現象です。このような光子の相対論的荷電粒子ビームへの衝突は、ガンマ線生成のもう一つのメカニズムとして考えられます。非常に高い磁場を持つ中性子星（マグネター）は、天文学的なソフトガンマリピーターを生成すると考えられており、比較的長寿命の恒星エネルギーによるガンマ線発生源です。

クエーサーと活動銀河

非常に遠方のクエーサーやより近い活動銀河から発せられるより強力なガンマ線は、粒子加速器に似たガンマ線発生源を持っていると考えられています。クエーサーによって生成され、逆コンプトン散乱、シンクロトロン放射、または制動放射線を受けた高エネルギー電子が、これらの天体からのガンマ線の発生源であると考えられます。このような銀河の中心にある超大質量ブラックホールが、断続的に恒星を破壊し、その結果生じた荷電粒子を回転極から放射するビームに収束させるエネルギー源となっていると考えられています。このビームがガス、ダスト、および低エネルギー光子と相互作用すると、X線やガンマ線が発生します。これらの発生源は数週間の周期で変動することが知られており、そのサイズが比較的小さい（差し渡し数光週未満）ことを示しています。このようなガンマ線やX線の発生源は、天の川銀河の外部で最も一般的に見える高強度の放射源です。クエーサーはバースト的に（図参照）輝くのではなく、ガンマ線望遠鏡で観測すると比較的連続的に輝きます。典型的なクエーサーのエネルギーは約10 ⁴⁰ワットで、そのうちガンマ線はごくわずかです。残りの大部分は、電波を含むあらゆる周波数の電磁波として放射されます。

極超新星。核融合によって軽い元素がより重い元素へと変化する、質量の大きな星の一生を描いたイラスト。核融合によって重力に対抗するのに十分な圧力が得られなくなると、星は急速に崩壊してブラックホールを形成する。理論的には、崩壊中に自転軸に沿ってエネルギーが放出され、長時間にわたるガンマ線バーストが形成される可能性がある。

ガンマ線バースト

最も強力なガンマ線源は、現在知られているあらゆる種類の電磁放射線の中でも最も強力な源です。天文学では「長時間バースト」と呼ばれるガンマ線源（ここでの「長時間」とは数十秒を意味します）であり、上記の源と比較すると稀です。対照的に、超新星とは関係のない2秒以下の「短時間」ガンマ線バーストは、中性子星のペア、または中性子星とブラックホールの衝突時にガンマ線を生成すると考えられています。^{[ 13 ]}

いわゆる長時間ガンマ線バーストは、約 10 ^{44ジュール（}太陽がその一生の間に生み出すエネルギーと同程度）の総エネルギーを、わずか 20 ～ 40 秒の周期で生み出します。ガンマ線は総エネルギー出力の約 50% を占めます。これらの最も強度の高い放射線ビームの生成メカニズムに関する有力な仮説は、逆コンプトン散乱と高エネルギー荷電粒子からのシンクロトロン放射です。これらのプロセスは、超新星爆発で新しく形成されたブラックホールの事象の地平線の領域から相対論的な荷電粒子が離れるときに発生します。相対論的な速度で移動する粒子ビームは、爆発する極超新星の磁場によって数十秒間収束します。極超新星の核融合爆発が、このプロセスのエネルギーを駆動します。狭く向けられたビームがたまたま地球に向けられた場合、そのビームはガンマ線周波数で非常に強く輝き、可視宇宙の端に近い 100 億光年の距離でも検出できるほどです。

特性

物質の透過性

アルファ線はヘリウム原子核で構成されており、紙で容易に遮断されます。ベータ線は電子または陽電子で構成されており、アルミニウム板で遮断されますが、ガンマ線は鉛やコンクリートなどの高密度物質で遮蔽する必要があります

ガンマ線は透過性があるため、紙や皮膚で防ぐことができるアルファ粒子や薄いアルミニウムで遮蔽できるベータ粒子とは異なり、生細胞に害を及ぼさないレベルまで低減するには大量の遮蔽質量が必要です。ガンマ線は、原子番号( Z ) が高く密度の高い物質によって最もよく吸収され、これが全体的な阻止力に寄与します。このため、鉛 (高Z ) 遮蔽は、アルミニウム、コンクリート、水、土壌などの同質量の低Z遮蔽材料よりもガンマ線遮蔽として 20～30 % 優れています。鉛の主な利点は軽量であることではなく、密度が高いためにコンパクトであることです。防護服、ゴーグル、呼吸器は、アルファ線またはベータ線を放出する粒子との内部接触や摂取からは保護しますが、体外発生源からのガンマ線からは保護しません。

ガンマ線のエネルギーが高いほど、同じ遮蔽材料で作られた遮蔽は厚くなります。ガンマ線を遮蔽するための材料は通常、ガンマ線の強度を半分に減らすために必要な厚さ（半減層またはHVL）で測定されます。たとえば、強度を50％減らすのに1cm（0.4インチ）の鉛を必要とするガンマ線は、 4.1cmの花崗岩、6cm（2.5インチ）のコンクリート、または9cm（3.5インチ）の固められた土によっても強度が半減します。ただし、これだけの量のコンクリートや土の質量は、同じ吸収能力を持つ鉛の質量より20～30％大きいだけです。

劣化ウランは鉛に比べて半価層が小さい（一般的なガンマ線源であるイリジウム192やコバルト60の厚さの約0.6倍）ため、携帯型ガンマ線源の遮蔽材として使用されることがあります。 ^{[ 14 ]}また、タングステンに比べてコストが安いため、^{[ 15 ]}

原子力発電所では、圧力容器と粒子状物質格納容器内の鋼鉄とコンクリートによって遮蔽が提供される一方、水は燃料棒の保管中または炉心への輸送中に放射線を遮蔽します。水が失われたり、「高温」の燃料集合体が大気中に放出されたりすると、水中に保管されている場合よりもはるかに高い放射線レベルが発生します。

物質相互作用

アルミニウム（原子番号13）のガンマ線の全吸収係数をガンマエネルギーに対してプロットしたものと、3つの効果の寄与を示しています。通常通り、光電効果は低エネルギーで最大となり、コンプトン散乱は中間エネルギーで支配的となり、対生成は高エネルギーで支配的となります

鉛（原子番号82）のガンマ線吸収係数をガンマエネルギーに対してプロットしたものと、3つの効果の寄与。低エネルギーでは光電効果が支配的である。5MeVを超えると、対生成が支配的になり始める。

ガンマ線が物質を通過する際、吸収確率は層の厚さ、物質の密度、そして物質の吸収断面積に比例します。総吸収量は、入射面からの距離に応じて指数 関数的に減少します。

${\displaystyle I(x)=I_{0}\cdot e^{-\mu x}}$

ここで、xは入射面からの物質の厚さ、μ= n σはcm ⁻¹で測定された吸収係数、nは物質のcm ³あたりの原子数（原子密度）、σはcm ^{2で測定された吸収}断面積である。^{[ 16 ]：280}

ガンマ線は物質を通過する際に、いくつかの異なるプロセスを経て電離する。^{[ 16 ]}

• 光電効果：ガンマ線光子が原子電子と相互作用し、そのエネルギーを原子電子に伝達することで、電子が原子から放出される現象を指します。この光電子の運動エネルギーは、入射ガンマ線光子のエネルギーから、電子を原子に元々結合させていたエネルギー（結合エネルギー）を差し引いた値に等しくなります。光電効果は、50keV（1000電子ボルト）未満のエネルギーを持つX線およびガンマ線光子において主要なエネルギー伝達メカニズムですが、それより高いエネルギーではそれほど重要ではありません。
• コンプトン散乱：これは、入射ガンマ光子が原子電子に十分なエネルギーを奪われ、放出される相互作用です。元の光子の残りのエネルギーは、入射ガンマ光子とは異なる方向から放出される、より低エネルギーの新しいガンマ光子として放出されます。そのため、「散乱」と呼ばれます。コンプトン散乱の確率は、光子エネルギーの増加とともに減少します。これは、100keVから10MeVの中間エネルギー範囲におけるガンマ線の主な吸収メカニズムであると考えられています。これは吸収物質の原子番号にはほとんど依存しません。そのため、鉛のような非常に高密度の物質は、重量ベースで密度の低い物質よりもわずかに優れた遮蔽効果しかありません。
• 対生成: これはガンマエネルギーが 1.02 MeV を超えると可能になり、5 MeV を超えるエネルギーでは吸収メカニズムとして重要になります (右の図の鉛を参照)。原子核の電場との相互作用により、入射光子のエネルギーは電子-陽電子対の質量に変換されます。2 つの粒子の等価静止質量を超えるガンマエネルギー (合計で少なくとも 1.02 MeV) は、対の運動エネルギーとして、および放出原子核の反跳として現れます。陽電子の射程範囲の終わりで、陽電子は自由電子と結合し、2 つの電子は消滅します。その後、これら 2 つの電子の質量全体が、それぞれ少なくとも 0.51 MeV のエネルギー (または消滅した粒子の運動エネルギーに応じてそれ以上) を持つ 2 つのガンマ光子に変換されます。

• 光核反応: ガンマ線が原子核を高エネルギー状態に励起し、その後、原子核は亜原子粒子を放出するか、または原子核光核分裂によって崩壊します。

これら 3 つのプロセスのいずれかで生成される二次電子 (および/または陽電子) は、それ自体が大量のイオン化を生成するのに十分なエネルギーを持っていることがよくあります。

光の相互作用

遠方クエーサーから到達する高エネルギー（80 GeVから約10 TeV ）のガンマ線は、宇宙の銀河系外背景光を推定するために使用されます。最もエネルギーの高いガンマ線は背景光の光子とより容易に相互作用するため、入射ガンマ線スペクトルを分析することで背景光の密度を推定できます。^{[ 17 ] [ 18 ]}

ガンマ分光法

ガンマ分光法は、原子核におけるエネルギー遷移を研究する分野であり、これらの遷移は一般にガンマ線の吸収または放出と関連しています。光学分光法（フランク・コンドン効果参照）と同様に、ガンマ線のエネルギーが原子核におけるエネルギー遷移のエネルギーと一致する場合、原子核によるガンマ線の吸収（すなわち「共鳴」のピーク）が特に起こりやすくなります。ガンマ線の場合、このような共鳴はメスバウアー分光法という手法で観測されます。メスバウアー効果では、原子核を結晶中に物理的に固定することで、原子核のガンマ線吸収のための狭い共鳴吸収を実現できます。ガンマ線共鳴相互作用の両端の原子核を固定する必要があるのは、ガンマ線遷移の放出端または吸収端のどちらにおいても、反跳する原子核の運動エネルギーによってガンマ線エネルギーが失われないようにするためです。このようなエネルギー損失により、ガンマ線共鳴吸収は失敗します。しかし、放出されたガンマ線が、それらを生成する原子核の脱励起エネルギーのほぼすべてを運ぶ場合、このエネルギーは、同じ種類の2番目の固定された原子核において、同じエネルギー状態を励起するのにも十分です。

用途

VACIS（車両・コンテナ画像システム）で撮影した、2人の密航者を乗せたトラックのガンマ線画像

ガンマ線は宇宙で最もエネルギーの高い現象に関する情報を提供しますが、その大部分は地球の大気圏に吸収されてしまいます。フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡のような高高度気球や衛星に搭載された観測機器は、ガンマ線で宇宙を観測できる唯一の手段です。

ガンマ線誘起分子変化は半貴石の特性を変えるためにも利用することができ、ホワイトトパーズをブルー トパーズに変える場合にもよく使用されます。

非接触型産業用センサーは、精製、鉱業、化学、食品、石鹸・洗剤、パルプ・製紙業界で、レベル、密度、厚さの測定にガンマ線源を使用するのが一般的です。^{[ 19 ]}ガンマ線センサーは、水や石油産業の液体レベルの測定にも使用されます。^{[ 20 ]}通常、これらのセンサーでは、Co-60またはCs-137同位体が放射線源として使用されます。

米国では、コンテナセキュリティイニシアチブ（CSI）の一環として、ガンマ線検出器が使用され始めています。これらの装置は、1時間あたり30個のコンテナをスキャンできると宣伝されています。

ガンマ線は、放射線照射と呼ばれるプロセスで生物を殺すためによく使用されます。その用途としては、医療機器の滅菌（オートクレーブや化学薬品による殺菌の代替として）、多くの食品から腐敗菌を除去すること、果物や野菜の発芽を防ぎ鮮度と風味を維持することなどが挙げられます。

ガンマ線は発がん性を持つにもかかわらず、がん細胞を死滅させる作用もあるため、一部のがんの治療にも用いられています。ガンマナイフ手術と呼ばれるこの治療法では、複数のガンマ線ビームを集中させ、がん細胞を死滅させます。ガンマ線ビームを様々な角度から照射することで、がん細胞に放射線を集中させ、周囲の組織へのダメージを最小限に抑えます。

ガンマ線は、核医学における画像診断技術にも利用されています。数多くの異なるガンマ線放出放射性同位元素が用いられています。例えば、PETスキャンでは、フルオロデオキシグルコースと呼ばれる放射性標識糖が陽電子を放出します。陽電子は電子によって消滅し、ガンマ線対を生成します。このガンマ線によって、がんが周囲の組織よりも代謝率が高いことが多いため、がんが強調表示されます。医療用途で最も一般的に用いられるガンマ線放出物質は、診断用X線と同じエネルギー範囲のガンマ線を放出する核異性体テクネチウム99mです。この放射性核種トレーサーを患者に投与すると、ガンマカメラを用いて放出されたガンマ線を検出することで、放射性同位元素の分布画像を形成できます（SPECTも参照）。トレーサーで標識された分子に応じて、このような技術を用いて幅広い疾患を診断できます（例えば、骨スキャンによる骨へのがんの転移など）。

健康への影響

ガンマ線は細胞レベルで損傷を引き起こし、透過性があるため、体全体に拡散した損傷を引き起こします。しかし、透過性が低いアルファ粒子やベータ粒子に比べて、ガンマ線は電離作用が弱いです

低レベルのガンマ線は確率的な健康リスクを引き起こします。これは、放射線量評価において、がん誘発および遺伝的損傷の確率として定義されます。国際放射線防護委員会（ICRP）は、「約100mSv未満の低線量域では、がんまたは遺伝的影響の発生率は、関連する臓器および組織における等価線量の増加に正比例して増加すると科学的に想定できる」と述べています^{[ 21 ]：51} （単位はミリシーベルト）。高線量は確定的影響、つまり確実に発生する急性組織損傷の重症度を引き起こします。これらの影響は、グレイ（Gy）という単位で測定される物理量の吸収線量と比較されます^{[ 21 ]：61}

効果と身体の反応

ガンマ線がDNA分子を破壊した場合、細胞は限られた範囲で損傷した遺伝物質を修復できる可能性があります。しかし、ロスカムとロブリッチによるX線放射線に関する研究では、この修復プロセスは高線量被曝後には良好に機能しますが、低線量被曝の場合ははるかに遅くなることが示されています。^{[ 22 ]}

研究では、低線量ガンマ線でがんを引き起こす可能性があることが示されている。^{[ 23 ]}マウスの研究では、ヒトに関連する低線量ガンマ線をマウスに照射したところ、連続した低線量ガンマ線の45日後に遺伝毒性効果が見られ、照射された動物の血液細胞における染色体損傷、DNA損傷、表現型の変異が有意に増加し、3種類の遺伝毒性活動が網羅された。^{[ 23 ]}別の研究では、最大10 Gyの急性電離ガンマ線をラットに照射した場合の影響を研究し、急性酸化タンパク質損傷、DNA損傷、心筋トロポニンTのカルボニル化、および長期心筋症が示された。^{[ 24 ]}

リスク評価

英国における自然ガンマ線は、平均放射線量の約13%を占めています。^{[ 25 ]}自然ガンマ線被曝量は年間約1～2mSvで、アメリカ合衆国では住民1人あたり年間平均3.6mSvの放射線を浴びます。^{[ 26 ]}使用済み弾薬から劣化ウランの微粒子が人体に侵入した場合、自然ガンマ線の影響の増加により、劣化ウランの微粒子周辺の線量がわずかに増加する可能性があります。^{[ 27 ]}

比較すると、胸部X線検査による放射線量（約0.06 mSv）は、年間自然放射線量に比べればごくわずかです。^{[ 28 ]}胸部CT検査では5～8 mSvの放射線が照射されます。全身PET /CT検査では、検査方法によって14～32 mSvの放射線が照射されます。^{[ 29 ]}胃 透視検査による放射線量ははるかに高く、約50 mSv（年間自然放射線量の14倍）です。

急性全身等価一回被曝線量1Sv（1000mSv）または1Gyでは、吐き気や嘔吐などの急性放射線症の軽い症状が現れます。一方、2.0～3.5Sv（2.0～3.5Gy）では、吐き気、下痢、脱毛、出血、感染症に対する抵抗力の低下など、より重篤な症状が現れ、医療治療を受けない場合、約10～35％とかなりの数の症例で死に至ります。3～5Sv（3～5Gy）の線量は、標準的な医療治療を受けても急性放射線被曝のLD50（被曝した人口の50％に対する致死線量）にほぼ相当すると考えられています。[30] [31] 5Sv（5Gy）を_超える線量では、^{死亡率が50％を}超える可能性が高くなります。全身への被曝線量が7.5～10Sv（7.5～10Gy）を超えると、骨髄移植などの特別な治療を行っても被曝者の死亡を防ぐことはできません（放射線中毒の項を参照）。^{[ 32 ]} （ただし、放射線治療の過程で、これよりもはるかに高い線量が体の特定の部位に照射される可能性があります。）

低線量被曝の場合、例えば原子力発電所の作業員は年間平均19ミリシーベルトの放射線を浴びますが、がん（白血病を除く）による死亡リスクは2%増加します。100ミリシーベルトの被曝では、リスク増加は10%です。比較対象として、広島と長崎への原爆投下生存者の場合、がんによる死亡リスクは32%増加しました。^{[ 33 ]}

測定単位と露出

次の表は、SI 単位と非 SI 単位での放射線量を示しています。

電離放射線関連量

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数量	単位	記号	由来	年	SI換算値
活動（A）	ベクレル	Bq	s ^-1	1974	SI単位
	キュリー	Ci	3.7 × 10 ^10  s ^−1	1953	3.7 × 10 ^10 ベクレル
	ラザフォード	Rd	10 ^6 秒	1946	100万ベクレル
露出（X）	クーロン/キログラム	C/kg	空気中の C⋅kg	1974	SI単位
	レントゲン	R	esu /0.001 293  gの空気	1928	2.58 × 10⁻⁾⁾ ^C  /kg
吸収線量（D）	グレイ	グレイ	J ⋅kg ^−1	1974	SI単位
	エルグ/グラム	erg/g	erg⋅g ^−1	1950	1.0 × 10 ^−4  Gy
	ラジアン	ラジアン	100エルグ^⋅グラム	1953	0.010グレイ
等価線量（H）	シーベルト	Sv	J⋅kg ^−1 × W R	1977	SI単位
	レントゲン当量	レム	100 erg⋅g ^−1 × W R	1971	0.010シーベルト
実効線量（E）	シーベルト	Sv	J⋅kg ^−1 × W R × W T	1977	SI単位
	レントゲン当量	レム	100 erg⋅g ^−1 × W R × W T	1971	0.010シーベルト

乾燥空気中におけるガンマ線およびX線の電離効果の尺度は曝露量と呼ばれ、1928年から旧来の単位であるレントゲンが使用されていました。これはカーマに置き換えられ、現在では主に機器の校正に使用され、受信線量効果には使用されていません。ガンマ線やその他の電離放射線が生体組織に及ぼす影響は、空気の電離よりも組織に蓄積されるエネルギー量と密接に関連しており、1953年以降、放射線防護のための代替放射測定単位と量が定義・開発されてきました。これらは以下の通りです。

• グレイ（Gy）は、吸収線量のSI単位系であり、放射線照射を受けた物質に蓄積される放射線エネルギーの量です。ガンマ線の場合、これはシーベルトで測定される等価線量と数値的に等価であり、シーベルトは低線量放射線が人体組織に及ぼす確率的な生物学的影響を示します。吸収線量から等価線量への放射線加重変換係数は、ガンマ線の場合は1ですが、アルファ粒子の場合は20であり、組織に対する電離効果がより大きいことを示しています。
• radは吸収線量を表す非推奨のCGS単位で、 remは等価線量を表す非推奨のCGS単位で、主に米国で使用されています。

X線との違い

コンプトン・ガンマ線観測所が捉えた20MeV以上のガンマ線。これらは宇宙線が月面に衝突することで生成される。太陽には宇宙線の標的となるような高原子番号の類似した表面がないため、通常、太陽のエネルギーは太陽核融合などの主要な核反応から発生するには高すぎるため、このエネルギーでは全く観測できない（ただし、太陽フレアの発生時には、サイクロトロン型のメカニズムによってガンマ線が生成されることがある）。ガンマ線は通常、X線よりもエネルギーが高い。^{[ 34 ]}

X線とガンマ線の従来の区別は、時代とともに変化してきました。当初、X線管から放出される電磁放射線は、ほぼ例外なく、放射性原子核から放出される放射線（ガンマ線）よりも波長が長かったです。^{[ 35 ]}古い文献では、X線とガンマ線は波長に基づいて区別され、10 ⁻¹¹  mなどの任意の波長よりも短い放射線はガンマ線と定義されていました。^{[ 36 ]}光子のエネルギーは周波数に比例し、波長に反比例するため、X線とガンマ線のこの過去の区別もエネルギーの観点から考えることができ、ガンマ線はX線よりもエネルギーの高い電磁放射線と考えられていました。

しかし、現在の人工放射源は原子核で発生するあらゆる電磁放射線、さらにははるかに高いエネルギーの放射線を複製できるため、放射性ガンマ線源の波長特性と他の種類のガンマ線源の波長特性は完全に重なり合うようになりました。そのため、ガンマ線は現在、その発生源によって区別されることが多くなっています。X線は定義上、原子核外の電子から放射されるのに対し、ガンマ線は原子核から放射されます。^{[ 35 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}この慣習には例外があり、天文学ではガンマ崩壊が特定の超新星の残光で見られますが、放射性崩壊以外の放射線源が関与することが知られている高エネルギー過程からの放射線は、依然としてガンマ線として分類されています。

例えば、がんの超高電圧治療に用いられる線形加速器によって生成される現代の高エネルギーX線は、原子核のガンマ崩壊によって生成されるほとんどの古典的なガンマ線よりも高いエネルギー（4～25MeV）を有することが多い。診断用核医学で使用される最も一般的なガンマ線放出同位体の一つであるテクネチウム99mは、診断用X線装置によって生成されるガンマ線と同じエネルギー（140keV）のガンマ線を生成するが、線形粒子加速器からの治療用光子よりもはるかに低いエネルギーである。今日の医学界では、原子核崩壊によって生成される放射線のみが「ガンマ線」と呼ばれるという慣習が依然として尊重されている。

エネルギー範囲のこの広範な重複のため、物理学では、現在では2種類の電磁放射線は、その起源によって定義されることが多い。X線は電子（原子核外の軌道にある電子、または加速されて制動放射線を生成する際に放出される電子）から放出される。^{[ 40 ]}一方、ガンマ線は原子核、あるいは他の粒子の崩壊や消滅によって放出される。核反応によって生成される光子のエネルギーには下限がなく、したがってこれらの過程で生成される紫外線またはより低エネルギーの光子も「ガンマ線」と定義される（実際、これは極めて低エネルギーの異性体である^229m Thの異性体遷移で起こる）。^{[ 41 ]}現在でも普遍的に尊重されている唯一の命名規則は、原子核起源であることが知られている電磁放射線は常に「ガンマ線」と呼ばれ、X線と呼ばれることはないという規則である。しかし、物理学や天文学では、逆の慣習（すべてのガンマ線は原子核起源であると考えられる）が頻繁に破られています。

天文学では、高エネルギーガンマ線やX線はエネルギーによって定義されます。これは、それらの生成過程が不確実であり、必要な天文検出器は光子の起源ではなくエネルギーによって決定されるためです。^{[ 42 ]}自然界には、原子核崩壊以外の過程によって生成されることが知られている高エネルギー光子が存在しますが、それでもガンマ線と呼ばれます。一例として、10～20MeVの雷放電から発生する「ガンマ線」が挙げられます。これは制動放射線機構によって生成されることが知られています。

もう一つの例はガンマ線バーストです。これは、単純な原子の集合体が放射性崩壊を起こすにはあまりにも強力な過程によって生成されることが現在では知られています。これは、天文学的過程において生成されるガンマ線の多くは、放射性崩壊や粒子消滅ではなく、X線に似た非放射性過程によって生じるという一般的な認識の一部です。天文学におけるガンマ線は非放射性事象によって発生することが多いものの、一部のガンマ線は原子核のガンマ崩壊に由来することが明確に知られています（スペクトルと放射半減期によって示されています）。典型的な例は超新星SN 1987Aで、これは新たに生成された放射性ニッケル56とコバルト56の崩壊によってガンマ線光子の「残光」を放出します。しかし、天文学におけるガンマ線のほとんどは、他のメカニズムによって発生します。

実際には、ガンマ線のエネルギーはX線の範囲と重なり合っており、特に「硬」X線と呼ばれる高周波領域ではその傾向が顕著です。この描写は、波長で区別するという従来の慣例に従っています。

関連項目

• 消滅
• 銀河中心 GeV 過剰
• 気体イオン化検出器
• 超高エネルギーガンマ線
• 超高エネルギーガンマ線

説明文

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外部リンク

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• 放射線に関するQ&A
• GCSE情報
• 放射線情報2010年6月11日、 Wayback Machineにアーカイブ
• ガンマ線バースト
• ルンド/LBNL核データ検索- 同位体からのガンマ線エネルギーに関する情報が含まれています
• 空中探知機による土壌マッピング 2010年11月11日アーカイブ- Wayback Machine
• 核種のLIVEチャート – IAEA（ガンマ線エネルギーフィルター付き）
• 健康物理学会公教育ウェブサイト