更新时间：2023-03-23 22:09
γ射线（英文名：Gamma Ray），又称γ粒子流，是波长小于0.01nm的电磁波，频率超过3×1020Hz，能量极高，一般由能态较高的原子核向较低能态跃迁时（γ衰变）时产生。γ光子是中性的，静止质量为0。γ射线可由、、镭、等放射性金属发出，穿透力强，不会在磁场或电场中发生偏转，照射到物质时可与物质发生相互作用使得物质电离。γ射线首先由法国物理学家维拉德（Paul Ulrich Villard）发现，也是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。γ射线可用于军工的武器制造，也可用于医疗上的肿瘤治疗，工业中，用于工件探伤与自动控制，农业中，用于辐射育种与病虫害防治。γ射线照射可对人体产生损伤，损伤较轻时会恶心、乏力、呕吐，损伤严重时会头昏、呕吐、失去工作能力，甚至死亡。
1900年，法国物理学家维拉德在观察放射性物质镭的辐射时，在记录辐射轨迹的照片上发现了一种新的轨迹。这个轨迹与当时已知的α射线、β射线轨迹不同，它出现在预料之外的方向上，即便用0.2mm的铅箔阻挡也仍旧也会出现在照片上，β射线会被铅箔偏折到预定的角度上，而α射线会被铅箔阻挡，这必然是一种新的辐射。1902年11月初，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）对镭的辐射进行了全面的分析，验证了镭的辐射中除了α射线、β射线外还存在第三种射线，这种射线在磁场中不会偏折，具有极强的贯穿力，卢瑟福用希腊字母γ来命名，称这种射线为γ射线。11年后，卢瑟福和爱德华·安德拉德（Edward Andrade）通过晶体衍射实验，证明了伽马射线是波长极短的一种电磁辐射。1928年，美国物理学家康普顿（Arthur Compton）发现伽马射线在物质中的散射现象，这个发现给伽马射线的研究提供了新的思路（可以通过研究伽马射线在散射之后的动量和位置分布，来进一步了解伽马射线的性质）。
直至1967年，美国军方用于监测核爆炸的人造卫星薇拉（Vela）意外地发现来自宇宙空间的γ射线突然增强的事件。6年后，在天文期刊上公布，称之为γ射线暴。γ射线暴并不罕见，自1967年后，人类已经观测到超过千次的γ射线暴。
2011年9月，英国斯特拉斯克莱德大学用超短激光脉冲与电离气体发生反应，制造出了地球上最明亮的γ射线，比太阳亮1万亿倍，它甚至可以穿透20厘米厚度的铅板，要用1.5米厚的混凝土墙才能彻底屏蔽它。
原子核衰变是指原子核放出某种粒子而转变为另一种新原子核的过程，释放的α、β、γ射线的衰变依次被称为α衰变、β衰变、γ衰变。其中，γ衰变通常发生在其他形式的衰变发生之后，当原子核发生α或β衰变后，多余的能量会以γ射线的形式辐射出去。所以，γ射线是伴随着α射线或β射线产生的，没有只产生γ射线的衰变。
原子核裂变后产生两个质量不同的碎片，碎片受到电磁斥力而飞离出去，使得裂变释放的能量大部分转化成碎片的动能，碎片通常会发射出1～3个中子，发射中子后多余的能量主要以γ射线的形式辐射出去，这个反应在10-16s的时间内完成。原子聚变时，带电粒子在靠近原子核的过程中克服电磁斥力失去动能而获得势能，当带电粒子冲过某个点而落入原子核的过程中，又会失去势能却获得动能，比结合能增加，过剩的能以γ射线的形式辐射出去。
雷暴中，加速电子的高强度静电场可以产生γ射线，当加速电子与大气中的原子碰撞并被原子减慢时可以发射高达100MeV的伽马射线。
亚原子粒子和粒子-光子相互作用可产生γ射线。如正电子湮灭，中性介子衰变，逆康普顿散射和同步辐射。
2017 年 10 月，欧洲多所大学的科学家联合提出了一种以激光器为激励器，通过级联和异常辐射捕获之间的受控相互作用来获取 GeV 伽马射线的方法。
太阳耀斑是太阳的磁能短时间内大规模地爆发性地释放的过程，释放出的电磁辐射能覆盖所有的电磁波段，包含γ射线在内。
宇宙射线是来自于外层空间的电磁辐射，包含γ射线。
脉冲星是大质量恒星缩形成的致密天体能，周期性地向宇宙空间发射脉冲信号，其中，能产生γ射线的被称为γ射线脉冲星。磁星是表面磁场极强的中子星，能够产生γ射线。
类星体是发光强度较高的活动星系核，由超大质量黑洞及环绕它的气体吸积盘组成。能发射出覆盖所有的电磁波段的的电磁辐射，包含γ射线在内。除了类星体外的其他活动星系核同样能发射出γ射线。
γ射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象。持续时间在0.1~1 000 s内，辐射能能量在 0.1~100 MeV范围内。
相对于α、β射线来说，γ射线对物质的直接电离能力很弱但穿透力很强，能够穿透几厘米至十几厘米的金属、几百米的空气层，穿过物质时，其能量按指数规律衰减，物质的密度越大，物质原子的原子序数越高，γ射线衰减越快。
γ射线的强度有两个——放射性活度（又称放射强度）和照射强度（又称照射量率）。放射性活度是放射性同位素单位时间内产生衰变的次数，单位为居里（Ci），1Ci=3.7×10-9s，放射性活度会随时间改变。同种γ射线源的放射性活度越强γ射线照射强度越强，非同种γ射线源的放射性活度与γ射线照射强度没有关联性。照射强度是单位时间内落在一定距离的照射面上的照射量（照射量单位为威廉·伦琴，字母为R，是X射线或γ射线照射量的专用单位，1R为在0℃和1个标准大气压下，1cm3空气中产生一静电单位电荷量所需的射线辐射量），单位为伦琴/小时（R/h），照射强度的计算公式为：
I为照射强度（单位：R/h），P为照射量（单位：R）t为时间（单位：小时），A为放射性活度（单位：Ci），公式中的R为γ射线入射表面与γ射线源的距离（单位：m），Kr为γ常数（也称放射常数、特征强度），每种γ射线源的γ常数不同，常见γ射线源取值见表：
窄束γ射线穿过物质的强度衰减遵循指数规律：
式中，、分别为穿过物质前、后的 γ射线强度，为穿过物质的厚度，为三种相互作用（光电效应、康普顿效应和电子对效应）截面之和，N为被物质单位体积的原子数，为物质的线性吸收系数（表示单位路程上y射线与物质发生三种相互作用的总概率，其大小反映了物质吸收 γ 射线能力的大小），（A是原子质量数，NA是阿佛加德罗常数），窄束γ射线穿过物质的强度衰减规律也可用下式表示：
式中,为质量厚度，单位为g/cm2，(ρ为物质密度，单位为g/cm3），为质量吸收系数。
γ射线作为一种电离辐射，照射到物质时会发生能量转移，产生带电粒子，导致物质电离。γ射线与物质相互作用的主要效应有光电效应、康普顿效应和电子对效应；其他次要的作用过程有相干散射、光致核反应等。次要作用过程发生的可能性很小，只有当只有当γ光子能量很低（\u003c100keV）或很高（\u003e30MeV）时才可能发生。而γ光子能量一般在100keV至30MeV范围内。
γ射线可使束缚较为紧密的内层电子发生光电效应。光电效应是物质内部的电子吸收光子能量后逸出而形成电流的现象。
γ射线遵循康普顿效应，康普顿效应是射线在被物质散射过程中波长发生改变的现象，散射后的射线中有两种波长，一种与原入射射线的波长相同，另一种则大于原入射射线的波长。波长的改变量只与散射角有关。
γ射线遵循电子对效应，电子对效应是射线在衰减材料原子核电磁场作用下，可转变成正负电子对，实现能质转换，这个过程称为电子对效应。产生电子对所需的最小能量为1.02MeV，还随光子能量的增高而增强。
γ射线与物质相互作用能发生干涉的散射过程称为相干散射。γ射线与物质相互作用发生衍射后的γ射线，在彼此重叠时会相互加强或减弱，可在感光片上形成明暗交替的条纹。不能发生干涉的散射过程称为非相干散射，康普顿散射是非相干散射。
γ射线的光致核反应是指大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，能发射出粒子的反应。这种相互作用的大小与其它效应相比要小，可以忽略不计。核共振反应则是入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出γ光子。
γ射线能谱学是原子核物理学的一个分支，主要通过实验测量γ射线的能量、相对强度、能级寿命、等性质，从而了解原子核的能级特征，以获得核结构和反应机制的信息。不同能量的γ射线在能谱上有不同的能量特征峰，每种元素所能释放出γ射线能量大小组成不同，使得每种元素都有它自己的伽马射线能谱特征，即为元素的γ射线能谱。根据探测仪器记录的γ射线能谱能够确定伽马射线发射源的元素组成和数量。
核弹杀伤力量由四个因素构成：冲击波、光辐射、放射性沾染和贯穿辐射。贯穿辐射主要由强γ射线和中子流组成，通过合理设计，可以使爆炸的能量主要以γ射线的形式释放，并延长γ射线的作用时间，这种核弹就是γ射线弹。γ射线弹杀伤力大外，无需炸药引爆，贮存安全。没有爆炸效应，隐蔽性强，不易被觉察。
伽马刀又称立体定向伽马射线放射治疗系统，它将钴60发出的γ射线聚焦，集中射于患者病灶，一次性、致死性地摧毁靶点内的组织，达到治疗的目的。伽马刀的单束γ射线剂量很小，对经过的人体正常组织几乎无伤害，具有不开刀，不出血，无痛苦、不需要麻醉、精确、安全、可靠、疗效确切、对正常组织损伤小等优点。主要用于治疗一些直径较小的肿瘤。
γ射线可用于检测工件气孔、夹渣、未焊透和裂纹等缺陷。使用γ射线照射工件时，缺陷的存在使得工件内各部分密度差异和厚度变化，或成分改变等，导致透过工件的射线强度不同，这些信息被工件背面的成像胶片所记录，通过对影像的观察，可用评定工件中缺陷的种类、大小、形状及分布状况等。γ射线探伤具有设备体积小、重量轻等特点，但对于薄件探伤灵敏度低，防护要求严格。
γ射线可用于实现生产过程的自动化。矿业的选矿过程，在矿浆物质组成稳定的条件下，利用γ射线穿过矿浆时射线强度衰减的大小与密度有关来检测选矿过程中的悬浮液密度大小，配合控制系统可实现对和悬浮液的密度控制。常用的放射源是-137，探测器是电离室或闪烁计数器。；冶金工业的空电弧炉，利用γ射线铜埚时射线强度衰减的大小与熔体的密度、熔面的弧形和熔面的高度等因素有关来监测电极与金属液面的距离，配合控制系统实现电弧弧长的自动控制l；γ射线监测的准确度高，但作为放射源的同位素较贵，防护要求高。此外，还有冶金工业的工件轧制的厚度控制、矿业的采矿联动机组的掘进控制等。
辐射育种利用γ射线可引起生物体遗传器官的某些变异来育种，选育农作物种苗，可达到高产、早熟、增强抗病能力、改善营养品质的目的。
可通过对昆虫进行一定剂量的γ射线照射导致昆虫雌性或者雄性不育以防治病虫害，例如，采用辐照处理使果蝇不育，然后放飞到大田，使果蝇无法繁衍后代。
γ射线与物质相互作用而产生的次级电子能使气体电离，用导体收集气体电离所产生的电子，可得到一个电压脉冲，电压脉冲的数量与γ光子的通量成正比，即与射线的强度成正比，据此可测定γ射线强度。
γ射线与物质相互作用而产生的次级电子在荧光物质晶体中运动时，与晶体中的分子相互作用而使分子激发而发射出荧光，当次级电子能量在0.001至6MeV的范围内时，荧光强度变化量与次级电子能量成正比，据此可测定γ射线强度与γ光子能量大小。
光阴极对光线敏感，γ射线照射时容易被打出光电子，光阴极灵敏度取决于单个光子所能打出的平均光电子数，打出的光电子数与γ光子通量成正比，据此可测定γ射线强度。
γ射线穿过半导体时，半导体中的束缚电子接受γ射线的能量而与原子脱离，形成了电子和空穴对，通过施加电场使这些电荷穿过探测材料就可得到电脉冲讯号，一个电脉冲对应于探测到一个γ光子，据此可测定γ射线强度。
电离室可用于γ射线的活度、通量、剂量等的测量与监测，可分为脉冲电离室和电流电离室，前者主要以脉冲形式记录单个粒子的电高效应，用于测量样品的相对活度和射线能量，后者主要以电离电流形式记录一定时间内进入电离室内的大量粒子所产生的总平均电离电流。
闪烁计数器可用来探测γ射线，它通过带电粒子撞击在闪烁体上，使原子（分子）电离、激发，在退激过程中发光，经过光电器件将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高等优点，还可测定γ射线的能量大小。
锂漂移型探测器使用的是将锂漂移进入P型半导体制成的材料，灵敏区大，由于锗比硅对γ射线有更高的探测效率，故一般采用锗（锂）漂移探测器。但是锂漂移型探测器γ射线时必须保持低温和真空的工作条件。
盖革计数器可以用于探测γ射线，但其对高能γ射线的探测灵敏度较低，主要用于辐射防护的剂量监测，γ盖革管中的气体密度通常较小，高能γ射线往往在未被探测到时就已经跑出了盖革管。
高纯锗探测器可用于探测γ射线，具有可在室温下保存、制造工艺简单、制造周期短等优点。正比计数管可用于探测γ射线，探测器输出脉冲幅度与射线的能量成正比，。
γ射线可通过与人体组织的相互作用产生自由基，使细胞的脱氧核糖核酸发生单链或双链断裂，抑制细胞的有丝分裂等，使细胞发生增殖死亡；电离辐射还影响的人体的血管结构，使毛细血管闭合，影响组织的血液和营养的供应，从而影响细胞的生长。对人体产生躯体损伤效应（如白血病、恶性肿瘤、生育力降低、寿命缩短等）和遗传损伤效应（如流产、遗传性死亡和先天畸形等）。人体一次全身受到大剂量射线照射后所引起的症状见表：
在任何有放射性污染或危险的场所，都必须穿防护工作服、戴胶皮手套、穿鞋套、戴面罩和目镜。在有吸入放射性粒子危险的场所，要携带氧气呼吸器。减少受照时间，辐射累积剂量与受照时间基本成正比，应尽可能缩短与放射源接触的时间。增大与放射源的距离，吸收剂量与距放射源距离的平方成反比，离放射源越远，所受的照射也越少，应尽可能远离放射源。利用各种屏蔽物体吸收射线，以减少射线造成的伤害。
长期以来γ射线暴的本质和起源都是一个谜，大多数天体物理学家认为γ射线暴来自恒星内核坍塌导致的超新星爆发而形成的黑洞。美国国家航空航天局于1991年发射的康普顿（Compton）γ射线观测站确定了γ射线暴的部分空间和强度分布规律。1997年，Beppo-SAX卫星发现了γ射线暴有一段X射线余晖，余晖在γ射线暴发生后可持续几天到几个星期，有助于确定γ射线暴来源的距离。长久的观测已经确定持续时间比较长的γ射线暴来源于遥远星系中的恒星形成区域，它们是成束的辐射，它们之中有一些（也可能是全部）与超新星爆炸有联系；但是，持续时间短的和持续时间长的γ射线暴的前身和它们的产生机制还不清楚。
2002年，一个英国研究小组在《自然》杂志上发表了一篇论文，论文称他们根据2001年12月的一次γ射线暴的观测数据中发现在爆发处镁、硅、硫等元素以亚光速向外逃逸，以此认为伽马射线暴与超新星爆发有关。2002年，麻省理工学院的研究人员通过钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）的望远镜观测到一次持续21个小时的γ射线暴。2003年，加拿大魁北克省（Quebec）召开的美国天文学会高能天体物理分会会议上，部分研究人员宣称有证据表明超新星爆发可能在几周或几个月之内导致剧烈的γ射线大喷发。大量的观测表明了γ射线暴喷发源超新星爆发的规律性，部分天体物理学家以此认为γ射线暴与超新星爆发有关，另一部分天体物理学家持反对意见，他们认为，γ射线暴与超新星爆发有关的说法没有排除X射线非正常增加或减少的可能性，超新星爆发与 γ 射线喷发之间存在时间间隔的原因仍然不明。