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伽马射线

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γ射线γ射线
γ射线,又称γ粒子流,中文音译为伽马。
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简介编辑本段回目录

γ射线是一种强电磁波,它的波长比X射线还要短,一般波长<0.001纳米。在原子核反应中,当原子核发生α、β衰变后,往往衰变到某个激发态,处于激发态的原子核仍是不稳定的,并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态,而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的,这种射线就是γ射线。
γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现,是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。γ射线是因核能级间的跃迁而产生,原子核衰变和核反应均可产生γ射线 。γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时,会把全部能量交给电子,使电子电离成为光电子,此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位,将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子(>2兆电子伏特)的光电效应较弱。γ光子的能量较高时,除上述光电效应外,还可能与核外电子发生弹性碰撞,γ光子的能量和运动方向均有改变,从而产生康普顿效应。当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时,由于受原子核的作用而转变成正负电子对,此效应随γ光子能量的增高而增强。γ光子不带电,故不能用磁偏转法测出其能量,通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出,例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪(利用晶体对γ射线的衍射)直接测量γ光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。
 

相关史编辑本段回目录

6500万年前,一颗撞向地球的小行星曾导致了恐龙的灭绝。然而据英国《新科学家》杂志2003年披露,来自外太空的杀手远不止小行星一个,最新科学研究显示,早在4亿年前,地球上曾经历过另外一次生物大灭绝,而罪魁祸首就是银河系恒星坍塌后爆发的“伽马射线”!

在天文学界,伽马射线爆发被称作“伽马射线暴”。究竟什么是伽马射线暴?它来自何方?它为何会产生如此巨大的能量?

伽马射线伽马射线
伽马射线伽马射线
“伽马射线暴是宇宙中一种伽马射线突然增强的一种现象。”中国科学院国家天文台赵永恒研究员告诉记者,伽马射线是波长小于0.1纳米的电磁波,是比X射线能量还高的一种辐射,它的能量非常高。但是大多数伽马射线会被地球的大气层阻挡,观测必须在地球之外进行。

冷战时期,美国发射了一系列的军事卫星来监测全球的核爆炸试验,在这些卫星上安装有伽马射线探测器,用于监视核爆炸所产生的大量的高能射线。侦察卫星在1967年发现了来自浩瀚宇宙空间的伽马射线在短时间内突然增强的现象,人们称之为“伽马射线暴”。由于军事保密等因素,这个发现直到1973年才公布出来。这是一种让天文学家感到困惑的现象:一些伽马射线源会突然出现几秒钟,然后消失。这种爆发释放能量的功率非常高。一次伽马射线暴的“亮度”相当于全天所有伽马射线源“亮度”的总和。随后,不断有高能天文卫星对伽马射线暴进行监视,差不多每天都能观测到一两次的伽马射线暴。
伽马射线伽马射线
伽马射线暴所释放的能量甚至可以和宇宙大爆炸相提并论。伽马射线暴的持续时间很短,长的一般为几十秒,短的只有十分之几秒。而且它的亮度变化也是复杂而且无规律的。但伽马射线暴所放出的能量却十分巨大,在若干秒钟时间内所放射出的伽马射线的能量相当于几百个太阳在其一生(100亿年)中所放出的总能量!

在1997年12月14日发生的伽马射线暴,它距离地球远达120亿光年,所释放的能量比超新星爆发还要大几百倍,在50秒内所释放出伽马射线能量就相当于整个银河系200年的总辐射能量。这个伽马射线暴在一两秒内,其亮度与除它以外的整个宇宙一样明亮。在它附近的几百千米范围内,再现了宇宙大爆炸后千分之一秒时的高温高密情形。

然而,1999年1月23日发生的伽马射线暴比这次更加猛烈,它所放出的能量是1997年那次的十倍,这也是人类迄今为止已知的最强大的伽马射线暴。

成因大辩论编辑本段回目录



关于伽马射线暴的成因,至今世界上尚无定论。有人猜测它是两个中子星或两个黑洞发生碰撞时产生的;也有人猜想是大质量恒星在死亡时生成黑洞的过程中产生的,但这个过程要比超新星爆发剧烈得多,因而,也有人把它叫做“超超新星”。

为了探究伽马射线暴发生的成因,引发了两位天文学家的大辩论。

在20世纪七八十年代,人们普遍相信伽马射线暴是发生在银河系内的现象,推测它与中子星表面的物理过程有关。然而,波兰裔美国天文学家帕钦斯基却独树一帜。他在上世纪80年代中期提出伽马射线暴是位于宇宙学距离上,和类星体一样遥远的天体,实际上就是说,伽马射线暴发生在银河系之外。然而在那时,人们已经被“伽马射线暴是发生在银河系内”的理论统治多年,所以他们对帕钦斯基的观点往往是付之一笑。
伽马射线伽马射线
但是几年之后,情况发生了变化。1991年,美国的“康普顿伽马射线天文台”发射升空,对伽马射线暴进行了全面系统的监视。几年观测下来,科学家发现伽马射线暴出现在天空的各个方向上,而这就与星系或类星体的分布很相似,而这与银河系内天体的分布完全不一样。于是,人们开始认真看待帕钦斯基的伽马射线暴可能是银河系外的遥远天体的观点了。由此也引发了1995年帕钦斯基与持相反观点的另一位天文学家拉姆的大辩论。

然而,在十年前的那个时候,世界上并没有办法测定伽马射线暴的距离,因此辩论双方根本无法说服对方。伽马射线暴的发生在空间上是随机的,而且持续时间很短,因此无法安排后续的观测。再者,除短暂的伽马射线暴外,没有其他波段上的对应体,因此无法借助其他波段上的已知距离的天体加以验证。这场辩论谁是谁 非也就悬而未决。幸运的是,1997年意大利发射了一颗高能天文卫星,能够快速而精确地测定出伽马射线暴的位置,于是地面上的光学望远镜和射电望远镜就可以对其进行后续观测。天文学家首先成功地发现了1997年2月28日伽马射线暴的光学对应体,这种光学对应体被称之为伽马射线暴的“光学余辉”;接着看到了所对应的星系,这就充分证明了伽马射线暴宇宙学距离上的现象,从而为帕钦斯基和拉姆的大辩论做出了结论。

到目前为止,全世界已经发现了20多个伽马射线暴的“光学余辉”,其中大部分的距离已经确定,它们全部是银河系以外的遥远天体 。赵永恒研究员说,“光学余辉”的发现极大地推动了伽马射线暴的研究工作,使得人们对伽马射线暴的观测波段从伽马射线发展到了光学和射电波段,观测时间从几十秒延长到几个月甚至几年。

超新星再次引发争论难题一个接着一个。2003年3月24日,在加拿大魁北克召开的美国天文学会高能天体物理分会会议上,一部分研究人员宣称它们已经发现了一些迄今为止最有力的迹象,表明普通的超新星爆发可能在几周或几个月之内导致剧烈的伽马射线大喷发。这种说法一经提出就在会议上引发了激烈的争议。

其实在2002年的一期英国《自然》杂志上,一个英国研究小组就报告了他们对于伽马射线暴的最新研究成果,称伽马射线暴与超新星有关。研究者研究了2001年12月的一次伽马射线暴的观测数据,欧洲航天局的XMM—牛顿太空望远镜观测到了这次伽马射线暴长达270秒的X射线波段的“余辉”。通过对于X射线的观测,研究者发现了在爆发处镁、硅、硫等元素以亚光速向外逃逸,通常超新星爆发才会造成这种现象。

大多数天体物理学家认为,强劲的伽马射线喷发来自恒星内核坍塌导致的超新星爆炸而形成的黑洞。麻省理工学院的研究人员通过钱德拉X射线望远镜追踪了2002年8月发生的一次时长不超过一天的超新星爆发。在这次持续二十一小时的爆发中,人们观察到大大超过类似情况的X射线。而X射线被广泛看作是由超新星爆发后初步形成的不稳定的中子星发出。大量的观测表明,伽马射线喷发源附近总有超新星爆发而产生的质量很大的物质存在。

反对上述看法的人士认为,这些说法没有排除X射线非正常增加或减少的可能性。而且,超新星爆发与伽马射线喷发之间存在时间间隔的原因仍然不明。

无论如何,人类追寻来自浩瀚宇宙的神秘能量———伽马射线暴的势头不会因为一系列的疑惑而减少,相反,科学家会更加努力地去探索。作为天文学的基础研究,这种探索对人们认识宇宙,观察极端条件下的物理现象并发现新的规律都是很有意义的。
 
 

应用编辑本段回目录


通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力,工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线容易造成生物体细胞内的DNA断裂进而引起细胞突变、造血功能缺失、癌症等疾病,因此对细胞有杀伤力,医疗上用来治疗肿瘤。

探测伽玛射线有助天文学的研究。当人类观察太空时,看到的为“可见光”,然而电磁波谱的大部份是由不同辐射组成,当中的辐射的波长有较可见光长,亦有较短,大部份单靠肉眼并不能看到。通过探测伽玛射线能提供肉眼所看不到的太空影像。在太空中产生的伽玛射线是由恒星核心的核聚变产生的,因为无法穿透地球大气层,因此无法到达地球的低层大气层,只能在太空中被探测到。太空中的伽玛射线是在1967年由一颗名为“维拉斯”的人造卫星首次观测到。从20世纪70年代初由不同人造卫星所探测到的伽玛射线图片,提供了关于几百颗此前并未发现到的恒星及可能的黑洞。于90年代发射的人造卫星(包括康普顿伽玛射线观测台),提供了关于超新星、年轻星团、类星体等不同的天文信息。

1900年由法国科学家P.V.维拉德(Paul Ulrich Villard)发现,将含镭的氯化钡通过阴极射线,从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔,拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线,是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。1913年,γ射线被证实为是电磁波,由原子核内部自受激态至基态时所放出来的,范围波长为0.1 埃,和X射线极为相似,具有比X射线还要强的穿透能力。γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对效应。 

人体危害编辑本段回目录

伽马射线,或γ射线是原子衰变裂解时放出的射线之一。此种电磁波波长极短,具有极强的穿透本领,又携带高能量,容易造成生物体细胞内的DNA断裂进而引起细胞突变、造血功能缺失、癌症等疾病。人体受到γ射线照射时,γ射线可以进入到人体的内部,并与体内细胞发生电离作用,电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子,如蛋白质核酸,它们都是构成活细胞组织的主要成份,一旦它们遭到破坏,就会导致人体内的正常化学过程受到干扰,严重的可以使细胞死亡。
 

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