Gammastråler er en form for elektromagnetisk stråling, ligesom radiobølger, infrarød stråling, ultraviolet stråling, røntgenstråler og mikrobølger. Gammastråler kan bruges til behandling af kræft, og gammastråleudbrud studeres af astronomer.
Elektromagnetisk (EM) stråling udsendes i bølger eller partikler med forskellige bølgelængder og frekvenser. Dette brede spektrum af bølgelængder er kendt som det elektromagnetiske spektrum. Spektret er generelt opdelt i syv områder i rækkefølge af faldende bølgelængde og stigende energi og frekvens. De almindelige betegnelser er radiobølger, mikrobølger, infrarødt (IR), synligt lys, ultraviolet (UV), røntgenstråler og gammastråler.
Gammastråler falder i det område af EM-spektret, der ligger over blød røntgenstråling. Gammastråler har frekvenser på mere end ca. 10^19 cyklusser pr. sekund eller hertz (Hz) og bølgelængder på mindre end 100 picometer (pm) eller 4 x 10^9 tommer. (Et picometer er en trilliontedel af en meter.)
Gammastråler og hård røntgenstråling overlapper hinanden i EM-spektret, hvilket kan gøre det svært at skelne dem fra hinanden. Inden for nogle områder, f.eks. astrofysik, trækkes der en vilkårlig linje i spektret, hvor stråler over en bestemt bølgelængde klassificeres som røntgenstråler, og stråler med kortere bølgelængder klassificeres som gammastråler. Både gammastråler og røntgenstråler har energi nok til at forårsage skade på levende væv, men næsten alle kosmiske gammastråler blokeres af Jordens atmosfære.
Opdagelsen af gammastråler
Gammastråler blev første gang observeret i 1900 af den franske kemiker Paul Villard, da han undersøgte stråling fra radium, ifølge Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (ARPANSA). Et par år senere foreslog den newzealandskfødte kemiker og fysiker Ernest Rutherford navnet “gammastråler”, der følger rækkefølgen af alfastråler og betastråler – navne, der gives til andre partikler, som dannes under en kernereaktion – og navnet blev hængende.
Gammastrålekilder og -virkninger
Gammastråler produceres primært ved fire forskellige kernereaktioner: fusion, fission, alfa- og gammahenfald.
Kernefusion er den reaktion, der driver solen og stjernerne. Den sker i en proces i flere trin, hvor fire protoner, eller brintkerner, under ekstrem temperatur og tryk tvinges til at fusionere til en heliumkerne, som består af to protoner og to neutroner. Den resulterende heliumkerne er ca. 0,7 % mindre massiv end de fire protoner, der indgik i reaktionen. Denne masseforskel omdannes til energi i henhold til Einsteins berømte ligning E=mc^2, og omkring to tredjedele af denne energi udsendes som gammastråler. (Resten er i form af neutrinoer, som er ekstremt svagt vekselvirkende partikler med en masse på næsten nul). I de senere faser af en stjernes levetid, når den løber tør for brintbrændstof, kan den danne stadig mere massive grundstoffer gennem fusion, op til og med jern, men disse reaktioner producerer en faldende mængde energi på hvert trin.
En anden velkendt kilde til gammastråler er kernespaltning. Lawrence Berkeley National Laboratory definerer kernespaltning som opsplitning af en tung kerne i to nogenlunde lige store dele, som så er kerner af lettere grundstoffer. I denne proces, som indebærer kollisioner med andre partikler, splittes tunge kerner, såsom uran og plutonium, til mindre grundstoffer, såsom xenon og strontium. De partikler, der opstår ved disse kollisioner, kan derefter støde på andre tunge kerner, hvorved der opstår en kernekædereaktion. Der frigives energi, fordi den samlede masse af de resulterende partikler er mindre end massen af den oprindelige tunge kerne. Denne masseforskel omdannes til energi, i henhold til E=mc^2, i form af kinetisk energi fra de mindre kerner, neutrinoer og gammastråler.
Andre kilder til gammastråler er alfa- og gammahenfald. Alfa-henfald opstår, når en tung kerne afgiver en helium-4-kerne, hvorved dens atomnummer reduceres med 2 og dens atomvægt med 4. Denne proces kan efterlade kernen med overskydende energi, som udsendes i form af en gammastråling. Gammahenfald opstår, når der er for meget energi i et atoms kerne, hvilket får det til at udsende en gammastråle uden at ændre dets ladning eller massesammensætning.
Gammastrålebehandling
Gammastråler bruges nogle gange til at behandle kræftsvulster i kroppen ved at beskadige tumorcellernes DNA. Man skal dog være meget forsigtig, fordi gammastråler også kan beskadige DNA’et i de omkringliggende sunde vævsceller.
En måde at maksimere doseringen til kræftcellerne og samtidig minimere eksponeringen af det sunde væv på er ved at rette flere gammastråler fra en lineær accelerator eller linac mod målområdet fra mange forskellige retninger. Dette er driftsprincippet for CyberKnife- og Gamma Knife-behandlinger.
Gamma Knife-radiokirurgi bruger specialiseret udstyr til at fokusere tæt på 200 små stråler på en tumor eller et andet mål i hjernen. Hver enkelt stråle har meget lille effekt på det hjernevæv, den passerer igennem, men der afgives en stærk stråledosis i det punkt, hvor strålerne mødes, ifølge Mayo Clinic.
Gammastråleastronomi
En af de mere interessante kilder til gammastråler er gammastråleudbrud (GRB’er). Det er ekstremt højenergihændelser, der varer fra et par millisekunder til flere minutter. De blev først observeret i 1960’erne, og de observeres nu et eller andet sted på himlen ca. en gang om dagen.
Gammastråleudbrud er “den mest energirige form for lys”, ifølge NASA. De lyser hundreder af gange kraftigere end en typisk supernova og omkring en million billioner gange så kraftigt som solen.
Ifølge Robert Patterson, professor i astronomi ved Missouri State University, troede man engang, at GRB’er kom fra de sidste stadier af fordampe mini-sorte huller. Nu mener man, at de stammer fra sammenstød mellem kompakte objekter som neutronstjerner. Andre teorier tilskriver disse hændelser til kollapset af supermassive stjerner, der danner sorte huller.
I begge tilfælde kan GRB’er producere så meget energi, at de i nogle få sekunder kan overstråle en hel galakse. Fordi Jordens atmosfære blokerer for de fleste gammastråler, kan de kun ses med balloner i høj højde og teleskoper i kredsløb.
Videregående læsning: