Га́мма-излуче́ние ($\gamma$-излучение), коротковолновое электромагнитное излучение, принадлежащее к наиболее высокочастотной части спектра электромагнитных волн. Возникает при распаде атомных ядер и элементарных частиц и способно вызывать их превращения.

Гамма-излучение открыто в 1900 г. П. Вилларом как составляющая излучения радиоактивных ядер, которая в отличие от $\alpha$- и $\beta$-излучений не отклоняется магнитным полем. В 1914 г. Э. Резерфорд и Э. Андраде в опытах по дифракции на кристалле гамма-излучения доказали его электромагнитную природу.

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновским излучением, но имеет более короткую длину волны: $\lambda \le 10^{-10}$ м. При столь малых значениях длины волны на первый план выходят корпускулярные свойства гамма-излучения, его можно рассматривать как поток частиц (гамма-квантов). Их энергия, как и энергия других фотонов, определяется соотношением $E = h\nu = hc/\lambda$, где $h$ – постоянная Планка, $\nu$ – частота электромагнитных волн, $c$ – скорость света.

Источники гамма-излучения

Частота гамма-излучения превышает $3\cdot10^{18}$ Гц, что соответствует скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и адронов. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица–античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами, что способствует превращению частиц.

Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояний с большей энергией в состояния с меньшей энергией. Энергии испускаемых гамма-квантов с точностью до энергии отдачи ядра (незначительная величина) равны разностям энергий этих состояний (уровней) ядра. Рис. 1. Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде возбуждённого ядра урана-238 (238U). Спектр получен по данным исследований Ричарда Даймонда и Фрэнка Стивенса в 1967 г. Репродукция иллюстрации из книги: Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Том 2. Деформация ядер. Москва, 1977.Рис. 1. Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде возбуждённого ядра урана-238 (238U). Спектр получен по данным исследований Ричарда Даймонда и Фрэнка Стивенса в 1967 г. Репродукция иллюстрации из книги: Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Том 2. Деформация ядер. Москва, 1977.Энергии ядерного гамма-излучения обычно лежат в интервале от нескольких кэВ до 8–10 МэВ; спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии уровней ядра (рис. 1). При распадах частиц и реакциях с их участием испускаются гамма-кванты с бóльшими энергиями: десятки–сотни мегаэлектронвольт. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, даёт важную информацию о структуре этих микрообъектов.

Гамма-излучение возникает также при торможении быстрых заряженных частиц в кулоновском поле ядер и электронов вещества (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение). Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.

Источниками гамма-излучения являются также процессы, происходящие в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.

Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии, получаемых на ускорителе, с интенсивными пучками видимого света, создаваемыми лазерами. При этом электрон передаёт свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.

Взаимодействие с веществом

Рис. 2. Полный коэффициент поглощения в свинце гамма-квантов с энергиями от 10 кэВ до 10 МэВ и вклады в этот коэффициент различных процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом.Рис. 2. Полный коэффициент поглощения в свинце гамма-квантов с энергиями от 10 кэВ до 10 МэВ и вклады в этот коэффициент различных процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом.Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь значительную толщину  вещества. Интенсивность $I(x)$ узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов для не очень больших $x$ падает экспоненциально с ростом $x$: $I(x) = I(0) \cdot e^{–\mu x},$ где $\mu$ – полный коэффициент поглощения, выраженный в см^–1, если $x$ измеряется в сантиметрах. Основными процессами взаимодействия гамма-излучения с веществом являются фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (эффект Комптона) и образование пар электрон–позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ, то в электрическом поле ядер возможно его превращение в пару электрон–позитрон (процесс, обратный аннигиляции электрона и позитрона). Каждый из этих трёх процессов характеризуется своим коэффициентом поглощения: $\mu_{ф}$ (фотоэффект), $\mu_{К}$ (эффект Комптона), $\mu_{п}$ (образование пар). Полный коэффициент поглощения является суммой этих коэффициентов: $\mu = \mu_{ф} + \mu_{К} + \mu_{п}$ (рис. 2).

Применение гамма-излучения

Гамма-излучение широко используется в различных областях человеческой деятельности, таких как дефектоскопия, таможенный контроль, радиационная химия (инициирование химических превращений, например при полимеризации), сельское хозяйство (мутации, вызванные воздействием гамма-излучения, применяют для генерации хозяйственно-полезных форм), пищевая промышленность (стерилизация продуктов), медицина (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

Воздействие на организм

Гамма-излучение воздействует на живые клетки подобно другим видам ионизирующих излучений. Организмы подвергаются постоянному воздействию гамма-излучения, входящего в состав космических лучей, а также испускаемого радиоактивными элементами, находящимися в рассеянном виде в почве, горных породах, атмосфере и воде. Основными источниками гамма-излучения естественного происхождения являются радиоактивные изотопы $^{226}\text{Ra},$ $^{60}\text{Co}$ и $^{137}\text{Cs}.$ Поскольку интенсивность всех этих источников гамма-излучения невелика, они не представляют прямой опасности для живых организмов.

Искусственными источниками гамма-излучения являются главным образом ускорители электронов (бетатрон, линейные ускорители электронов и др.), отходы атомных электростанций и радиоактивные заражения местности, возникшие в результате испытаний ядерного оружия. Воздействие гамма-излучения на живой организм является результатом столкновения вторичного электрона или другой заряженной частицы, рождаемой гамма-квантом, с клетками организма. Эффекты такого воздействия общие для всех видов радиоактивного излучения – могут возникать изменения молекул тканей организма. Важным обстоятельством является то, что, вследствие высокой проникающей способности гамма-излучения, оно воздействует на весь организм.

Среднегодовая эквивалентная доза излучения, получаемая человеком от естественного радиационного фона и искусственных источников излучения, составляет примерно 3,2 мЗв. Из них около 75 % приходится на воздействие природного радиационного фона и 20 % на воздействие излучений в ходе медицинских исследований, включающих диагностику и лечение. В последнем виде облучения основную роль играет рентгеновское и гамма-излучение.