探秘宇宙中的高能信使 ——γ 射线

1896 年，法国物理学家亨利・贝可勒尔偶然发现铀盐能使密封的照相底片感光，这一发现揭开了人类探索放射性现象的序幕。此后数年，科学家们围绕放射性物质展开深入研究，1900 年，法国物理学家保罗・维拉尔在研究镭的放射性时，注意到一种与此前发现的 α 射线、β 射线截然不同的辐射。这种辐射具有极强的穿透能力，即便穿过厚厚的铅板也不会明显减弱，当时的仪器难以捕捉其踪迹，维拉尔将这种神秘的辐射命名为 γ 射线。随着研究的不断深入，人们逐渐意识到，γ 射线并非地球上放射性物质的 “专属产物”，在浩瀚的宇宙中，无数天体都在持续不断地释放着这种高能辐射，它就像一位沉默的信使，携带着宇宙深处的秘密，等待人类去解读。

γ 射线的本质是一种电磁波，但其能量远超可见光、紫外线甚至 X 射线，是目前已知能量最高的电磁辐射。其波长极短，通常小于 0.01 纳米，甚至比原子的直径还要小得多，这一特性使其能够轻易穿透大多数物质。与其他电磁辐射不同，γ 射线的产生往往与原子核内部的能量变化密切相关。当原子核处于激发态时，为了达到更稳定的状态，会将多余的能量以 γ 光子的形式释放出来，这个过程被称为 γ 衰变。例如，放射性元素钴 – 60 在发生 β 衰变后，生成的镍 – 60 原子核处于激发态，随后便会释放出两束能量分别为 1.17 兆电子伏特和 1.33 兆电子伏特的 γ 射线，这一现象在工业无损检测和医疗放射治疗领域有着广泛的应用。

在地球上，除了人工制备的放射性同位素会产生 γ 射线外，自然界中也存在天然的 γ 射线来源，其中最主要的是宇宙射线与地球大气层相互作用产生的次级辐射。宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流，主要由质子、氦核等带电粒子组成，当这些高能粒子进入地球大气层后，会与大气中的氮、氧等原子核发生碰撞，产生大量的次级粒子，其中就包括 π 介子、K 介子等不稳定粒子。这些次级粒子在衰变过程中会释放出 γ 射线，形成一个覆盖全球的天然 γ 射线背景场。此外，地球地壳中存在的铀、钍、钾等天然放射性元素，在其衰变链中也会产生 γ 射线，例如钾 – 40 在衰变时会释放出能量为 1.46 兆电子伏特的 γ 射线，这部分 γ 射线构成了地表天然 γ 辐射的另一重要来源。

由于 γ 射线具有极强的穿透能力和较高的能量，对其进行探测和测量需要特殊的仪器设备。早期的 γ 射线探测器主要基于电离室和盖革计数器，这些仪器通过测量 γ 射线在气体中产生的电离效应来检测 γ 射线的存在。随着技术的发展，闪烁计数器逐渐成为 γ 射线探测的主流设备，它利用闪烁体（如碘化钠晶体、锗酸铋晶体等）在吸收 γ 射线光子后发出荧光的特性，将 γ 射线的能量信息转化为光信号，再通过光电倍增管将光信号转化为电信号，最终实现对 γ 射线能量和强度的测量。例如，碘化钠闪烁计数器具有探测效率高、响应速度快等优点，广泛应用于环境 γ 辐射监测、核医学成像等领域；而高纯锗探测器则具有极高的能量分辨率，能够精确区分不同能量的 γ 射线，是核素识别和 γ 能谱分析的重要工具。

在工业领域，γ 射线的穿透能力被广泛应用于无损检测技术。许多工业产品，如石油管道、锅炉压力容器、航空发动机叶片等，在制造过程中可能会产生内部缺陷，如裂纹、气孔、夹杂物等，这些缺陷如果不及时发现，可能会在使用过程中引发严重的安全事故。利用 γ 射线进行无损检测时，将 γ 射线源（如钴 – 60、铯 – 137 等）放置在被检测工件的一侧，另一侧放置胶片或探测器，γ 射线穿过工件时，会被工件内部的缺陷阻挡或吸收，导致探测器接收到的射线强度发生变化，通过分析这种强度变化，就能判断工件内部是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小和形状。这种检测方法具有不损伤工件、检测范围广、可实现实时在线检测等优点，已成为现代工业生产中保障产品质量和安全的重要手段。

医疗领域是 γ 射线应用最为广泛的领域之一，其中最具代表性的是放射治疗和核医学诊断。在放射治疗中，γ 射线被用于杀死癌细胞，治疗各种恶性肿瘤。根据治疗方式的不同，γ 射线治疗可分为外照射治疗和内照射治疗。外照射治疗通常使用钴 – 60γ 射线治疗机或直线加速器产生的高能 X 射线（与 γ 射线性质相似），通过精确控制射线的剂量和照射范围，将射线聚焦在肿瘤组织上，在杀死癌细胞的同时，最大限度地减少对周围正常组织的损伤。内照射治疗则是将放射性核素（如碘 – 131、钇 – 90 等）制成药物，通过口服、注射等方式引入患者体内，这些放射性核素会在病变组织内富集，并释放出 γ 射线或 β 射线，对病变细胞进行局部照射，达到治疗疾病的目的。例如，碘 – 131 常用于治疗甲状腺功能亢进和甲状腺癌，它能被甲状腺组织特异性吸收，释放的 γ 射线和 β 射线可有效破坏甲状腺病变细胞，且对身体其他组织的影响较小。

在核医学诊断方面，γ 射线被用于获取人体内部器官的功能和代谢信息，帮助医生诊断疾病。常用的技术包括单光子发射计算机断层显像（SPECT）和正电子发射断层显像（PET）。SPECT 技术通过注射含有放射性核素（如锝 – 99m）的显像剂，这些显像剂会在特定的器官或组织中分布，其释放的 γ 射线被体外的探测器阵列捕捉，经过计算机处理后生成器官的断层图像，从而反映器官的形态和功能状态。例如，通过 SPECT 心肌灌注显像，可以观察心肌的血液供应情况，诊断冠心病等心脏疾病。PET 技术则利用正电子核素（如氟 – 18）标记的显像剂，这些显像剂在体内发生衰变时会释放出正电子，正电子与周围组织中的电子发生湮灭反应，产生一对能量均为 0.511 兆电子伏特的 γ 射线，探测器通过检测这对 γ 射线的位置和时间信息，重建出人体内部的代谢图像。PET 显像能够反映组织细胞的代谢活性，在肿瘤早期诊断、神经系统疾病诊断等方面具有独特的优势，例如，利用氟 – 18 标记的葡萄糖类似物（FDG）进行 PET 显像，可以检测出肿瘤细胞的高代谢活性，帮助医生早期发现肿瘤并确定肿瘤的分期。

除了在工业和医疗领域的应用外，γ 射线在环境科学、考古学等领域也发挥着重要作用。在环境科学研究中，γ 射线能谱分析技术被用于监测土壤、水体、大气中的放射性物质含量，评估核设施退役、核事故等情况下的环境辐射风险。例如，在切尔诺贝利核事故和福岛核事故后，科学家们利用 γ 射线能谱仪对事故周边地区的土壤和水体进行了广泛的监测，精确测量了铯 – 137、锶 – 90 等放射性核素的分布情况，为制定环境修复方案和评估辐射对生态系统的影响提供了重要的数据支持。在考古学领域，γ 射线检测技术被用于研究古代文物的材质和制作工艺，例如，通过对古陶瓷、青铜器等文物进行 γ 射线透视成像，可以观察文物内部的结构和缺陷，了解古代工匠的制作技术；同时，利用 γ 射线能谱分析文物中的放射性元素含量，还可以判断文物的年代和产地，为文物的鉴定和保护提供科学依据。

尽管 γ 射线在多个领域为人类带来了巨大的益处，但它也具有潜在的危害。γ 射线的高能特性会对生物体的细胞和组织造成损伤，破坏细胞内的 DNA 分子，导致细胞死亡或基因突变，长期暴露在过量的 γ 射线辐射下，可能会引发癌症、白血病等疾病，甚至危及生命。因此，在利用 γ 射线的过程中，必须采取严格的辐射防护措施，保障人员的健康和安全。常见的辐射防护方法包括时间防护（尽量缩短接触辐射的时间）、距离防护（尽量增大与辐射源的距离）和屏蔽防护（使用铅、混凝土等高密度材料阻挡辐射）。例如，在核医学科工作的医护人员，会穿戴含有铅的防护服、防护帽和防护眼镜，在操作放射性核素时使用远程操作工具，同时控制工作时间，避免长时间暴露在辐射环境中；核设施的控制室和辐射源储存室则会采用厚厚的混凝土墙壁和铅板进行屏蔽，防止 γ 射线泄漏对周围环境和人员造成影响。

从被发现至今的一百多年里，人类对 γ 射线的认识和利用不断深入，它从一种神秘的辐射现象，逐渐成为推动工业发展、保障人类健康、探索自然奥秘的重要工具。每一次对 γ 射线特性的新发现，每一项基于 γ 射线的技术突破，都为人类社会的进步注入了新的动力。在未来，随着科学技术的不断发展，相信人类对 γ 射线的探索还将继续深入，更多关于 γ 射线的奥秘将被揭开，它也将在更多未知的领域为人类创造更大的价值，持续书写着与人类文明发展紧密相连的篇章。