γ射线

γ射线（gamma ray）得名于希腊字母γ，是继α、β射线之后发现的第三种放射性射线。1900年，法国化学家保罗·维拉尔（Paul Villard）在研究镭的辐射时，观察到一种穿透力极强的射线，区别于α粒子和β粒子，因而命名为γ射线。严格定义上，γ射线是波长极短（<0.2 nm，对应能量>6 keV）的电磁波，来源于原子核能级跃迁或核反应。

核内能级跃迁

原子核受激时，从高能态向低能态跃迁，发射γ光子。核能级间距远大于电子能级，因此γ光子能量通常在0.1 MeV至10 MeV之间。例如，钴-60（⁶⁰Co）衰变时发射1.17 MeV和1.33 MeV的γ射线。

核反应与粒子碰撞

在核反应（如中子俘获、质子轰击）或高能粒子碰撞中，常伴随γ射线发射。例如，中子与氢原子核的捕获反应产生2.22 MeV的γ光子。此外，正负电子湮没时产生511 keV的γ射线。

天体物理过程

宇宙中剧烈现象如超新星爆发、脉冲星、黑洞吸积盘等可产生极高能γ射线，能量可达GeV甚至TeV量级。γ射线暴（GRB）是已知宇宙中最明亮的高能辐射事件。

电磁波特性

γ射线波长极短（<0.01 nm），频率极高（>10¹⁹ Hz）。其速度等于光速，可真空传播。

穿透能力

γ射线穿透力极强，能穿透数厘米厚的铅板。例如，1 MeV的γ射线在铅中的半值厚度（HVL）约为1 cm。

电离能力

虽然γ射线本身不带电，但通过光电效应、康普顿散射和电子对效应可产生次级电子，从而引起电离。其电离密度低于α、β射线。

波长测量

对于低能γ射线（<0.1 MeV），可利用晶体衍射法（如布拉格衍射）测定波长。对于高能γ射线，常采用能量测量法：利用光电效应测量光电子能量，或当能量>1.02 MeV时，通过测量电子对的能量反推γ光子能量。闪烁体探测器（如NaI(Tl)）和半导体探测器（如HPGe）是常用工具。

强度测量

γ射线强度通常用量子数率（光子数/秒）或能量通量表示。测量方法类似X射线，常用电离室、盖革-穆勒计数管或闪烁计数器。

医疗领域

γ射线用于肿瘤放射治疗（如γ刀、钴-60治疗机），通过高能辐射杀灭癌细胞。同时，γ射线用于医学成像（单光子发射计算机断层扫描SPECT）和正电子发射断层扫描（PET）。

工业领域

γ射线探伤：利用其强穿透力检测金属部件内部裂纹、气孔等缺陷。典型放射源包括铱-192（¹⁹²Ir）和钴-60。

科学研究

在核物理中，γ射线用于研究核能级结构；在天体物理中，γ射线望远镜（如费米望远镜）观测高能宇宙现象。

其他应用

γ射线辐照用于食品灭菌、材料改性、以及货物扫描安检。

γ射线具有高能量和强穿透性，过量照射可损伤DNA，导致细胞死亡或癌变。因此必须严格防护：采用高密度材料（铅、混凝土）屏蔽；控制照射时间；增加距离；使用个人剂量计监测。职业照射限值一般为20 mSv/年。

γ射线作为高能电磁辐射，在核物理、医学、工业中发挥关键作用。其独特的产生机制、穿透特性及生物效应，决定了其重要应用与严格的安全要求。未来，随着超强激光和核天体物理的发展，γ射线研究将持续深入。

• 褚圣麟. 原子物理学. 北京: 人民教育出版社, 1979.
• R. Eisberg, R. Resnick. Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles. John Wiley & Sons, 1974.
• G. R. Gilmore. Practical Gamma-Ray Spectrometry. 2nd ed. Chichester: Wiley, 2008.
• Knoll G. F. Radiation Detection and Measurement. 4th ed. New York: Wiley, 2010.
• 张天爵, 樊铁栓. γ射线与物质相互作用及应用. 物理学进展, 2015, 35(3): 135-156.
• Longair M. S. High Energy Astrophysics. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.