קרן גאמה, קרינה אלקטרומגנטית באורך הגל הקצר ביותר ואנרגיה גבוהה ביותר.
קרינה אלקטרומגנטית: קרני גמא
שש שנים לאחר גילוי הרדיואקטיביות (1896) על ידי אנרי בקרל מצרפת, הפיזיקאי הבריטי יליד ניו זילנד ארנסט רות'רפורד
קרני גאמה מיוצרות בהתפוררות של גרעיני אטום רדיואקטיביים ובירקודים של חלקיקים תת אטומיים מסוימים. ההגדרות המקובלות של אזורי קרני הגמא וקרני הרנטגן של הספקטרום האלקטרומגנטי כוללות חפיפה מסוימת של אורך גל, כאשר קרינת קרני גמא בעלת אורך גל שהם בדרך כלל קצרים יותר מעשירית של אנגסטרום (10-10 מטר) וגמא- פוטוני קרני עם אנרגיות הגדולות מעשרות אלפי וולטים אלקטרוניים (eV). אין גבול עיוני עליון לאנרגיות של פוטוני קרני גאמא ואין גבול תחתון לאורכי גל קרני גאמא; אנרגיות נצפות נמשכות עד מספר טריליון וולט אלקטרוני - אלה פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד מיוצרים במקורות אסטרונומיים באמצעות מנגנונים לא מזוהים כיום.
המונח קרן גאמה טבע את הפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד בשנת 1903 בעקבות מחקרים מוקדמים על פליטת גרעינים רדיואקטיביים. כשם שלאטומים יש רמות אנרגיה נפרדות הקשורות בתצורות שונות של האלקטרונים המסתובבים, גרעינים אטומיים הם בעלי מבני מפלס אנרגיה הנקבעים על ידי תצורות הפרוטונים והנויטרונים המהווים את הגרעינים. בעוד שהבדלי אנרגיה בין רמות אנרגיה אטומית נמצאים בדרך כלל בטווח 1 עד 10-eV, הבדלי האנרגיה בגרעינים נופלים בדרך כלל בטווח 1 -VV (אלף אלקטרונים וולט) לטווח -10 וולט (מיליון וולט אלקטרוני). כאשר גרעין עושה מעבר מרמת אנרגיה גבוהה לרמה אנרגטית נמוכה יותר, נפלט פוטון כדי להעביר את עודפי האנרגיה; ההבדלים ברמת האנרגיה הגרעינית תואמים את אורכי הגל הפוטונים באזור קרני הגמא.
כאשר גרעין אטומי לא יציב מתפרק לגרעין יציב יותר (ראו רדיואקטיביות), גרעין "הבת" מופק לעיתים במצב נרגש. ההתרגעות שלאחר מכן של גרעין הבת למצב באנרגיה נמוכה יותר מביאה לפליטה של פוטון קרני גאמה. ספקטרוסקופיה של קרני גאמה, הכוללת מדידה מדויקת של אנרגיות פוטון קרני גאמה הנפלטות על ידי גרעינים שונים, יכולות להקים מבנים ברמת אנרגיה גרעינית ומאפשרת זיהוי של יסודות רדיואקטיביים אחר עקבות פליטת קרני הגמא שלהם. קרני גמא מיוצרות גם בתהליך החשוב של השמדת זוגות, בו נוצרים אלקטרון ואנטי החלקיקים שלו, פוזיטרון, נעלמים ושני פוטונים. הפוטונים נפלטים בכיוונים מנוגדים ועליהם כל אחד לשאת 511 קילוואט של אנרגיה - אנרגיית המסה שאר (ראו מסה רלטיבית) של האלקטרון והפוזיטרון. קרני גאמה יכולות להיווצר גם בהתפרקות של חלקיקים תת-אטומיים בלתי יציבים, כמו הפיון הנייטרלי.
פוטוני קרני גאמא, כמו מקביליהם לרנטגן, הם סוג של קרינה מייננת; כאשר הם עוברים דרך חומר, הם בדרך כלל מפקידים את האנרגיה שלהם על ידי שחרור אלקטרונים מהאטומים והמולקולות. בטווחי האנרגיה הנמוכים, פוטון קרני גאמא נספג לרוב לחלוטין על ידי אטום ואנרגיית קרני הגמא מועברת לאלקטרון פולט יחיד (ראה השפעה פוטו-אלקטרית). קרני גאמה באנרגיה גבוהה נוטים יותר להתפזר מהאלקטרונים האטומיים, ומפקידים חלק מהאנרגיה שלהם בכל אירוע פיזור (ראו אפקט קומפטון). שיטות סטנדרטיות לגילוי קרני גאמה מבוססות על השפעות האלקטרונים האטומיים המשוחררים בגזים, גבישים ומוליכים למחצה (ראו מדידת קרינה ומונה צמצום).
קרני גמא יכולות גם לתקשר עם גרעינים אטומיים. בתהליך הייצור הזוגי, פוטון קרני גאמא עם אנרגיה העולה על פי שניים מאנרגיית המסה המנוחה של האלקטרון (גדול מ- 1.02 MeV), כשהוא עובר קרוב לגרעין, מומר ישירות לזוג אלקטרונים-פוזיטרון (ראה תמונה). באנרגיות גבוהות אף יותר (יותר מ- 10 MeV), קרן גאמה יכולה להיספג ישירות על ידי גרעין, מה שגורם לפליטת חלקיקים גרעיניים (ראו פוטו-אינטגרציה) או להתפצלות הגרעין בתהליך המכונה Photofission.
יישומים רפואיים של קרני גאמה כוללים טכניקת הדמיה חשובה של טומוגרפיה פליטת פוזיטרון (PET) וטיפולי קרינה יעילים לטיפול בגידולים סרטניים. בבדיקת PET מזריקים לגוף תרופה רדיואקטיבית הפולטת פוזיטרון קצרה-חיים, שנבחרה בגלל השתתפותה בתהליך פיזיולוגי מסוים (למשל, תפקוד המוח). פוזיטרונים פולטים משתלבים במהירות עם אלקטרונים סמוכים ובאמצעות השמדת זוגות מולידים שני קרני גאמה 511-keV הנוסעות בכיוונים מנוגדים. לאחר איתור קרני הגמא, שחזור שנוצר על ידי מחשב ממיקומי פליטת קרני הגמא מייצר תמונה המדגישה את מיקום התהליך הביולוגי הנבדק.
כקרינה מייננת חודר עמוק, קרני הגמא גורמות לשינויים ביוכימיים משמעותיים בתאים החיים (ראו פגיעה בקרינה). טיפולי קרינה משתמשים במאפיין זה בכדי להרוס סלקטיבית תאים סרטניים בגידולים מקומיים קטנים. איזוטופים רדיואקטיביים מוזרקים או מושתלים בסמוך לגידול; קרני גאמה הנפלטות ברציפות על ידי הגרעינים הרדיואקטיביים מפציצים את האזור הפגוע ועוצרים את התפתחות התאים הממאירים.
סקרים הנישאים באוויר על פליטת קרני גאמא מעל פני כדור הארץ מחפשים מינרלים המכילים יסודות רדיואקטיביים כמו אורניום ותוריום. ספקטרוסקופיה של קרני גאמא אווירית וקרקעית משמשת לתמיכה במיפוי גיאולוגי, חקר מינרלים וזיהוי זיהום סביבתי. קרני גמא התגלו לראשונה ממקורות אסטרונומיים בשנות השישים, ואסטרונומיה של קרני גאמא היא כיום תחום מחקר מבוסס. בדומה למחקר קרני רנטגן אסטרונומיות, יש לבצע תצפיות קרני גאמה מעל לאטמוספירה האדירה הסופגת של כדור הארץ - בדרך כלל עם לוויינים מקיפים או בלונים בגובה רב (ראו טלסקופ: טלסקופי קרני גאמה). יש הרבה מקורות קרני גמא אסטרונומיות מסקרנות ומובנות היטב, כולל מקורות נקודתיים חזקים המזוהים באופן מהוסס כפולסרים, קוואזרים ושרידי סופרנובה. בין התופעות האסטרונומיות הבלתי מוסברות המרתקות ביותר הם מה שנקרא פרצי קרני גאמה - פליטות קצרות ואינטנסיביות ביותר ממקורות שככל הנראה מופצים איזוטרופיים בשמיים.
