伽马射线的原理是什么,人类什么时候可以掌握?

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伽马射线指的是波长短于0.01Å(埃米)的电磁波,是法国科学家P.V.维拉尔(Villard,Paul Ulrich)发现的。

在电磁波谱上,比伽马射线的波长稍长一些的便是我们熟知的X光,也就是伦琴射线(波长为0.01埃米~10纳米);波长再长一些的就是紫外线(波长为100~400纳米)以及可见光了。

所以伽马射线、X射线、紫外线,乃至光线、红外线、微波、无线电波从本质上来说,其实统统都是电磁波,其区别无非是波长各不相同而已。

那么电磁波又是什么东西呢?

简单来说,电磁波就是温度高于绝对零度的物质,向空间中衍生发射(辐射)的震荡粒子波,由方向相同且互相垂直的电场和磁场所组成。换言之,只要不是绝对零度的物体,都会向四面八方释放出电磁波,这就是通常所说的“电磁辐射(EMR)”。

因此我们不要一听见“电磁辐射”这个词语就瑟瑟发抖,并非所有的电磁辐射都会对人体产生伤害。

由于电磁波是物体具有温度才释放出来的一种能量,所以物体的温度一旦发生了改变,其辐射出来的电磁波的波长也会产生变化——相同的物体温度越高,辐射出来的电磁波的波长就越短。

举个例子来说,金属、木柴、玻璃在被火焰灼烧后都会释放出光芒,这种现象正是由于温度升高后,它们释放出的电磁波的波长缩短到了400~760纳米这个区间范围,而这个范围的电磁波正是能被人类肉眼感知到的“可见光”。

波长高于或低于可见光的电磁波,人类肉眼是无法感知到的,所以钢铁、木柴和玻璃在常温状态下释放出来的电磁波我们是看不见的。

我们平常测量体温所使用的额温计能瞬间测出体温,也是利用的这个原理。当我们的体温升高后,也会释放出波长更短的电磁波,而额温计中的芯片能测量出物体释放出的电磁波的波长,于是就能计算出辐射源的温度了。这就好比我们看见一根铁棍发出了红光,就知道了它在“发烧”一样。

那么通过温度越高,波长越短这个电磁辐射规律,我们是否可以认为,伽马射线既然位于电磁波谱上波长最短的位置,那么伽马射线的辐射源就一定具有相当高的温度呢?

当然不能这样生硬地理解,因为除了温度之外,物体的元素构成也会影响其辐射出的电磁波的波长。烧红的木柴和烧红的钢铁温度显然是不同的,也就是说钢铁需要达到更高的温度时才能释放出可见光(光子)。

现在你大概能想到萤火虫为什么既能发光,又不烫手了。因为有一些元素在达到特定条件时,即便在常温状态下也会产生化学反应,释放出400~760纳米的电磁波,于是就发出了没有温度的“荧光”。

伽马射线的产生原理

伽马射线也叫γ粒子流,是原子核发生能级跃迁,退激时释放出来的一种穿透力极强的射线,属于放射性现象,所以我们首先来了解一点放射性的知识。

大家都知道,在目前的元素周期表中一共具有100多种已知元素。元素与元素之间的区别是原子核中的质子数量有所不同——原子核中的质子数量相同的原子就是同一种元素。

然而,原子核的构成并非只有质子,还有中子。同一种元素中的原子,质子数量虽然相同,中子数量却不一定是相同的——这些质子数量相同,中子数量不同的的原子,被称为“同位素”。所谓“同位”,其字面意思就是位于元素周期表中的同一个位置。

换言之,即便是元素周期表中的同一种元素,它们的中子数量和结构方式也会有所不同,因而会表现出不同的核性质。

与同位素相反的是“核素”,指的是原子核中质子数量和中子数量都相同的原子。在已知的100多种元素中一共具有2600多种核素,按照核性质的不同,核素可以分为两大类型——稳定的,和不稳定的。

稳定的核素不会发生衰变,但是稳定核素只有280多种,分布于81种元素中。其余的2000多种核素全部都是不稳定的,大部分都分布于83号元素(铋)以上,只有极少数分布在83号元素以下。

不稳定的核素会自发性地发生衰变,逐渐转化成较为稳定的核素。原子核的衰变有三种形式:阿尔法衰变(α衰变)、贝塔衰变(β衰变)、伽马衰变(γ衰变)。发生伽马衰变时就会释放出伽马射线。

不过,伽马衰变一般不会独立发生,而是同时伴随着阿尔法衰变或贝塔衰变发生。

所谓阿尔法衰变,其实就是原子核自发性地释放出由两个中子和两个质子构成的α粒子;也就是说,发生阿尔法衰变时,原子核的中子和质子数量就减少了,这就意味着它的结构发生了改变,于是它就会转化成另一种核素。

除了释放出质子和中子之外,原子核的中子和质子还可能会相互转化——当一个中子转化成一个质子时,会同时释放出一粒电子;当一粒质子转化成一粒中子时,会同时释放出一粒正电子。这种现象就被称为β衰变,而在β衰变中释放出来的电子或正电子就被称为β粒子。

那么伽马衰变又是怎么回事呢?

在原子核发生了α衰变或者β衰变后,仍然处于不稳定的激发态,还需要释放出一定的能量才能稳定下来,这个过程被称为“退激发”。在退激发的过程中释放出来的能量就被称为γ粒子,也就是我们通常所说的伽马射线,此时发生的衰变就叫伽马衰变。这也正是上文所说的伽马射线通常都会伴随着阿尔法衰变或贝塔衰变的原因。

这就是伽马射线的产生原理。至于说人类何时能掌握伽马射线,我不太懂你这句话是什么意思,如果指的是应用,那么伽马射线在医疗及军事领域早就已经有所应用了;但如果要说完全理解伽马射线,尤其是宇宙中的伽马射线暴,还路漫漫其修远兮。

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