Gammasäteet ovat sähkömagneettisen säteilyn muoto, kuten radioaallot, infrapunasäteily, ultraviolettisäteily, röntgensäteet ja mikroaallot. Gammasäteilyä voidaan käyttää syövän hoitoon, ja tähtitieteilijät tutkivat gammapurkauksia.
Elektromagneettinen (EM) säteily kulkee aaltoina tai hiukkasina eri aallonpituuksilla ja taajuuksilla. Tätä laajaa aallonpituusaluetta kutsutaan sähkömagneettiseksi spektriksi. Spektri jaetaan yleensä seitsemään alueeseen aallonpituuden pienentyessä ja energian ja taajuuden kasvaessa. Yleisiä nimityksiä ovat radioaallot, mikroaallot, infrapuna (IR), näkyvä valo, ultravioletti (UV), röntgensäteet ja gammasäteet.
Gammasäteet kuuluvat EM-spektrin pehmeän röntgensäteilyn yläpuolelle. Gammasäteilyn taajuus on suurempi kuin noin 10^19 sykliä sekunnissa eli hertsiä (Hz) ja aallonpituus alle 100 pikometriä (pm) eli 4 x 10^9 tuumaa. (Pikometri on metrin triljoonasosa.)
Gammasäteet ja kovat röntgensäteet menevät EM-spektrissä päällekkäin, mikä voi vaikeuttaa niiden erottamista toisistaan. Joillakin aloilla, kuten astrofysiikassa, spektriin piirretään mielivaltainen viiva, jossa tietyn aallonpituuden ylittävät säteet luokitellaan röntgensäteiksi ja aallonpituudeltaan lyhyemmät säteet gammasäteiksi. Sekä gamma- että röntgensäteillä on tarpeeksi energiaa aiheuttamaan vahinkoa elävälle kudokselle, mutta Maan ilmakehä estää lähes kaikki kosmiset gammasäteet.
Gammasäteiden löytäminen
Gammasäteet havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 1900 ranskalainen kemisti Paul Villard tutkiessaan radiumin aiheuttamaa säteilyä, kertoo Australian säteilysuojelu- ja ydinturvallisuusvirasto (ARPANSA). Muutamaa vuotta myöhemmin uusiseelantilaissyntyinen kemisti ja fyysikko Ernest Rutherford ehdotti nimeä ”gammasäteet” alfa- ja beetasäteiden – jotka ovat nimiä, jotka on annettu muille hiukkasille, jotka syntyvät ydinreaktiossa – mukaisessa järjestyksessä, ja nimi jäi elämään.
Gammasäteilyn lähteet ja vaikutukset
Gammasäteilyä syntyy pääasiassa neljässä eri ydinreaktiossa: fuusiossa, fissiossa, alfahajoamisessa ja gammahajoamisessa.
Ydinfuusio on reaktio, joka antaa voimaa auringolle ja tähdille. Se tapahtuu monivaiheisessa prosessissa, jossa neljä protonia eli vetyydintä pakotetaan äärimmäisessä lämpötilassa ja paineessa fuusioitumaan heliumytimeksi, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Syntynyt heliumydin on noin 0,7 prosenttia vähemmän massiivinen kuin reaktiossa mukana olleet neljä protonia. Tämä massaero muuttuu Einsteinin kuuluisan yhtälön E=mc^2 mukaisesti energiaksi, josta noin kaksi kolmasosaa vapautuu gammasäteinä. (Loppuosa on neutriinoina, jotka ovat erittäin heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia, joiden massa on lähes nolla.) Tähden eliniän myöhemmissä vaiheissa, kun sen vetypolttoaine loppuu, se voi muodostaa fuusion avulla yhä massiivisempia alkuaineita, aina rautaa myöten, mutta nämä reaktiot tuottavat jokaisessa vaiheessa pienenevän määrän energiaa.
Toinen tuttu gammasäteilyn lähde on ydinfissio. Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio (Lawrence Berkeley National Laboratory) määrittelee ydinfission raskaan ytimen jakautumiseksi kahteen suunnilleen yhtä suureen osaan, jotka ovat sitten kevyempien alkuaineiden ytimiä. Tässä prosessissa, johon liittyy törmäyksiä muiden hiukkasten kanssa, raskaat ytimet, kuten uraani ja plutonium, hajoavat pienemmiksi alkuaineiksi, kuten ksenoniksi ja strontiumiksi. Näiden törmäysten tuloksena syntyvät hiukkaset voivat sitten törmätä muihin raskaisiin ytimiin, jolloin syntyy ydinketjureaktio. Energiaa vapautuu, koska syntyvien hiukkasten yhteenlaskettu massa on pienempi kuin alkuperäisen raskaan ytimen massa. Tämä massaero muuttuu E=mc^2:n mukaisesti energiaksi pienempien ytimien liike-energiana, neutriinoina ja gammasäteilynä.
Muita gammasäteilyn lähteitä ovat alfahajoaminen ja gammahajoaminen. Alfahajoaminen tapahtuu, kun raskas ydin luovuttaa helium-4-ytimen, jolloin sen järjestysluku pienenee 2:lla ja atomipaino 4:llä. Tästä prosessista voi jäädä ylimääränenergiaa ytimeen, joka emittoituu gammasäteilynä. Gammahajoaminen tapahtuu, kun atomin ytimessä on liikaa energiaa, jolloin se lähettää gammasäteilyä muuttamatta sen varausta tai massakoostumusta.
Gammasädehoito
Gammasäteitä käytetään joskus elimistön syöpäkasvainten hoitoon vahingoittamalla kasvainsolujen DNA:ta. On kuitenkin noudatettava suurta varovaisuutta, koska gammasäteet voivat vahingoittaa myös ympäröivien terveiden kudossolujen DNA:ta.
Yksi keino maksimoida syöpäsoluihin kohdistuva annos ja minimoida samalla terveiden kudosten altistuminen on suunnata lineaarikiihdyttimestä eli linacista useita gammasäteitä kohdealueelle monesta eri suunnasta. Tämä on CyberKnife- ja Gamma Knife -hoitojen toimintaperiaate.
Gamma Knife -radiokirurgiassa käytetään erikoislaitteita, joilla keskitetään lähes 200 pientä sädesädettä kasvaimeen tai muuhun kohteeseen aivoissa. Jokaisella yksittäisellä säteellä on hyvin vähän vaikutusta aivokudokseen, jonka läpi se kulkee, mutta voimakas säteilyannos annetaan Mayo Clinicin mukaan pisteessä, jossa säteet kohtaavat.
Gammasäteilytähtitiede
Yksi mielenkiintoisimmista gammasäteilyn lähteistä ovat gammasäteilypurkaukset (GRB). Nämä ovat äärimmäisen korkeaenergisiä tapahtumia, jotka kestävät muutamasta millisekunnista useisiin minuutteihin. Ne havaittiin ensimmäisen kerran 1960-luvulla, ja nykyään niitä havaitaan jossakin taivaalla noin kerran päivässä.
Gammasäteilypurkaukset ovat NASAn mukaan ”valon energisin muoto”. Ne loistavat satoja kertoja kirkkaammin kuin tyypillinen supernova ja noin miljoona triljoonaa kertaa kirkkaammin kuin aurinko.
Missourin osavaltionyliopiston tähtitieteen professorin Robert Pattersonin mukaan GRB:iden ajateltiin aikoinaan tulevan haihtuvien minimustien aukkojen viimeisistä vaiheista. Nyt niiden uskotaan syntyvän kompaktien kohteiden, kuten neutronitähtien, törmäyksissä. Toisten teorioiden mukaan nämä tapahtumat johtuvat supermassiivisten tähtien romahtamisesta mustien aukkojen muodostamiseksi.
Kummassakin tapauksessa GRB:t voivat tuottaa niin paljon energiaa, että ne voivat muutaman sekunnin ajan varjostaa koko galaksin. Koska Maan ilmakehä estää suurimman osan gammasäteistä, niitä nähdään vain korkealla sijaitsevilla ilmapalloilla ja kiertävillä teleskoopeilla.
Lisälukemista: