ガンマ線

ガンマ線：高エネルギー電磁波の謎に迫る

ガンマ線は、原子核のエネルギー状態変化によって放出される、非常に短い波長の電磁波です。その波長は概ね10ピコメートルよりも短く、電磁スペクトルの中でも最もエネルギーの高い領域を占めています。X線と波長領域が一部重なるため、明確な境界線はありません。一般的には、10ナノメートルから1または10ピコメートルをX線、それより短い波長をガンマ線と区別しますが、厳密な基準はありません。

重要なのは、ガンマ線とX線を区別する基準は波長ではなく、その発生機構です。ガンマ線は原子核のエネルギー準位遷移（不安定な状態から安定な状態へと変化する過程）に由来するのに対し、X線は軌道の電子遷移（特性X線）や自由電子の運動エネルギー（制動X線）に由来します。スペクトルにおける制動X線の有無も、両者を判別する手がかりとなります。

ガンマ線の性質と特徴

ガンマ線は、その高いエネルギーによって特異な性質を示します。1.022MeV以上のエネルギーを持つガンマ線は、消滅時に電子と陽電子を対生成することがあります。逆に、電子と陽電子の対消滅では、0.511MeVのガンマ線が2本、反対方向に放出されます。

ガンマ線のエネルギーは、電磁波の中でも最大級です。原理上、人工的にガンマ線を直接生成することはできませんが、高エネルギーの電子線を加速器で発生させ、その電子線から間接的に高エネルギーX線を生成することで、ガンマ線と同様の性質を持つX線が得られます。これまでに200GeVに達する電子線が生成されており、将来の国際リニアコライダーではTeV級の電子線が期待されています。しかしながら、ガンマ線天文学の進歩により、宇宙空間には、これらの加速器を用いて生成されるガンマ線をはるかに超えるエネルギーのガンマ線が多数存在することが明らかになりつつあります。

ガンマ線の発見と歴史

ガンマ線の発見は、放射性崩壊の研究に端を発します。1900年、フランスの物理学者ポール・ヴィラールは、ウランから放出される放射線を研究中に、当時知られていたアルファ線やベータ線よりも透過力の強い放射線を発見しました。しかし、ヴィラール自身は、この放射線を新しい種類のものとして認識し、命名するまでには至りませんでした。

その後、1903年にアーネスト・ラザフォードが、ヴィラールが発見した放射線がアルファ線やベータ線とは異なる性質を持つことを認識し、「ガンマ線」と命名しました。アルファ線、ベータ線、ガンマ線という命名は、それぞれの放射線の物質透過力の強弱（アルファ線＜ベータ線＜ガンマ線）に基づいて、ギリシャ文字を使って順に命名されました。ラザフォードは、ガンマ線が磁場によって影響を受けない（少なくとも容易には曲げられない）ことも指摘しています。

当初、ガンマ線はアルファ線やベータ線と同様に質量を持つ粒子だと考えられていましたが、磁場によって影響を受けないことから電荷を持たないことが明らかになり、1914年に水晶による反射実験により、ガンマ線が電磁波であることが実証されました。ラザフォードとエドワード・アンドレードによる波長測定の結果、ガンマ線はX線と類似しているものの、より短い波長（高い周波数）を持ち、光子あたりのエネルギーも大きいことが判明しました。これにより、ガンマ崩壊はガンマ光子を放出する現象であるとの理解が定着しました。

ガンマ線源：様々な発生場所

ガンマ線は、様々な場所で発生します。主なガンマ線源としては、以下のものが挙げられます。

放射性崩壊

放射性核種が崩壊した際に、原子核に過剰なエネルギーが残存する場合があります。このエネルギーはガンマ線として放出され、原子核は安定状態へと移行します。この現象はガンマ崩壊と呼ばれ、放出されるガンマ線のエネルギーは核種によって異なり、単一エネルギーのガンマ線のみを放出するものもあれば、複数のエネルギー領域のガンマ線を放出するものもあります。例えば、クリプトン81(⁸¹Kr)は275.988keVの単一エネルギーのガンマ線を放出する一方、クリプトン88(⁸⁸Kr)は複数のエネルギー領域（最低27.513keVから最大値までの88領域）のガンマ線を放出します。

雷雲

理化学研究所の研究によると、冬期の日本海沿岸地域で雷雲の活動に伴い自然放射線が増加する現象が確認され、雷雲から10MeVのガンマ線が観測されました。これは、雷雲が粒子加速器として機能している可能性を示唆する結果です。ただし、雷雲からのガンマ線量は、1回の胸部X線で受ける放射線量の2億分の1程度と非常に微量です。

天体

超新星残骸、パルサー、活動銀河核など、多くの天体からガンマ線が観測されています。また、発生機構はまだ解明されていないガンマ線バーストと呼ばれる現象も知られています。

ガンマ線と他の放射線との比較

ガンマ線は、アルファ粒子やベータ粒子と比較して透過能力は高いものの、電離作用は弱いです。そのため、ガンマ線の遮蔽には、鉛、鉄、コンクリートなどの比重の重い物質が用いられます。鉛の場合、10cmの厚さでガンマ線の強度は約1/100～1/1000に減衰します。しかし、ガンマ線の飛程が長く、電荷を持たないため電磁気力による制御ができないことから、ガンマ線からの防護は他の放射線よりも困難です。

ガンマ線の利用

ガンマ線は、医療や工業用途で利用されています。代表的なガンマ線源として、コバルト60(⁶⁰Co)が用いられます。コバルト59(⁵⁹Co)を原子炉内で中性子線に照射することで生成されるコバルト60は、医薬品や医療廃棄物、食品などの滅菌、工業用X線写真、ガンマナイフ（脳腫瘍治療）などに利用されています。

ガンマ線の健康影響

[放射線]]被曝による健康影響には、閾値線量以上で発生する確定的影響と、それ以下の線量でも発生する確率的影響があります。低線量被曝の影響については、いまだ解明されていない部分が多くあります。米国科学アカデミー紀要]に掲載された論文によると、[[疫学的データに基づくと、ガンマ線被曝による癌リスク増加の明確な証拠が得られる最低線量は、急性被曝で10～50mSv、長期被曝で50～100mSvとされています。

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