Les rayons gamma sont une forme de rayonnement électromagnétique, tout comme les ondes radio, le rayonnement infrarouge, le rayonnement ultraviolet, les rayons X et les micro-ondes. Les rayons gamma peuvent être utilisés pour traiter le cancer, et les sursauts gamma sont étudiés par les astronomes.
Le rayonnement électromagnétique (EM) est transmis sous forme d’ondes ou de particules à différentes longueurs d’onde et fréquences. Cette large gamme de longueurs d’onde est connue sous le nom de spectre électromagnétique. Le spectre est généralement divisé en sept régions, par ordre décroissant de longueur d’onde et croissant d’énergie et de fréquence. Les désignations courantes sont les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges (IR), la lumière visible, les ultraviolets (UV), les rayons X et les rayons gamma.
Les rayons gamma se situent dans la gamme du spectre EM au-dessus des rayons X mous. Les rayons gamma ont des fréquences supérieures à environ 10^19 cycles par seconde, ou hertz (Hz), et des longueurs d’onde inférieures à 100 picomètres (pm), ou 4 x 10^9 pouces. (Un picomètre est un trillionième de mètre.)
Les rayons gamma et les rayons X durs se chevauchent dans le spectre EM, ce qui peut rendre difficile leur différenciation. Dans certains domaines, comme l’astrophysique, une ligne arbitraire est tracée dans le spectre où les rayons au-dessus d’une certaine longueur d’onde sont classés comme des rayons X et les rayons avec des longueurs d’onde plus courtes sont classés comme des rayons gamma. Les rayons gamma et les rayons X ont tous deux suffisamment d’énergie pour causer des dommages aux tissus vivants, mais presque tous les rayons gamma cosmiques sont bloqués par l’atmosphère terrestre.
Découverte des rayons gamma
Les rayons gamma ont été observés pour la première fois en 1900 par le chimiste français Paul Villard alors qu’il étudiait les rayonnements du radium, selon l’Agence australienne de radioprotection et de sûreté nucléaire (ARPANSA). Quelques années plus tard, le chimiste et physicien néo-zélandais Ernest Rutherford a proposé le nom « rayons gamma », en suivant l’ordre des rayons alpha et des rayons bêta – noms donnés à d’autres particules créées lors d’une réaction nucléaire – et le nom est resté.
Sources et effets des rayons gamma
Les rayons gamma sont produits principalement par quatre réactions nucléaires différentes : la fusion, la fission, la désintégration alpha et la désintégration gamma.
La fusion nucléaire est la réaction qui alimente le soleil et les étoiles. Elle se produit au cours d’un processus en plusieurs étapes dans lequel quatre protons, ou noyaux d’hydrogène, sont forcés, sous une température et une pression extrêmes, de fusionner en un noyau d’hélium, qui comprend deux protons et deux neutrons. Le noyau d’hélium résultant est environ 0,7 % moins massif que les quatre protons qui ont participé à la réaction. Cette différence de masse est convertie en énergie, selon la célèbre équation d’Einstein E=mc^2, et environ deux tiers de cette énergie sont émis sous forme de rayons gamma. (Le reste est sous forme de neutrinos, qui sont des particules à interaction extrêmement faible et de masse presque nulle). Dans les dernières étapes de la vie d’une étoile, lorsqu’elle n’a plus de combustible hydrogène, elle peut former des éléments de plus en plus massifs par fusion, jusqu’au fer inclus, mais ces réactions produisent une quantité décroissante d’énergie à chaque étape.
Une autre source familière de rayons gamma est la fission nucléaire. Le Lawrence Berkeley National Laboratory définit la fission nucléaire comme la scission d’un noyau lourd en deux parties à peu près égales, qui sont ensuite des noyaux d’éléments plus légers. Dans ce processus, qui implique des collisions avec d’autres particules, les noyaux lourds, comme l’uranium et le plutonium, sont brisés en éléments plus petits, comme le xénon et le strontium. Les particules résultant de ces collisions peuvent alors heurter d’autres noyaux lourds, déclenchant une réaction nucléaire en chaîne. De l’énergie est libérée car la masse combinée des particules résultantes est inférieure à la masse du noyau lourd d’origine. Cette différence de masse est convertie en énergie, selon E=mc^2, sous forme d’énergie cinétique des noyaux plus petits, de neutrinos et de rayons gamma.
Les autres sources de rayons gamma sont la désintégration alpha et la désintégration gamma. La désintégration alpha se produit lorsqu’un noyau lourd dégage un noyau d’hélium-4, réduisant son numéro atomique de 2 et son poids atomique de 4. Ce processus peut laisser le noyau avec un excès d’énergie, qui est émis sous la forme d’un rayon gamma. La désintégration gamma se produit lorsqu’il y a trop d’énergie dans le noyau d’un atome, ce qui entraîne l’émission d’un rayon gamma sans changer sa charge ou sa composition massique.
Gamma thérapie
Les rayons gamma sont parfois utilisés pour traiter les tumeurs cancéreuses dans le corps en endommageant l’ADN des cellules tumorales. Cependant, il faut être très prudent, car les rayons gamma peuvent également endommager l’ADN des cellules des tissus sains environnants.
Une façon de maximiser le dosage des cellules cancéreuses tout en minimisant l’exposition des tissus sains est de diriger plusieurs faisceaux de rayons gamma d’un accélérateur linéaire, ou linac, sur la région cible à partir de nombreuses directions différentes. C’est le principe de fonctionnement des thérapies CyberKnife et Gamma Knife.
La radiochirurgie Gamma Knife utilise un équipement spécialisé pour concentrer près de 200 minuscules faisceaux de rayonnement sur une tumeur ou une autre cible dans le cerveau. Chaque faisceau individuel a très peu d’effet sur le tissu cérébral qu’il traverse, mais une forte dose de rayonnement est délivrée au point de rencontre des faisceaux, selon la Mayo Clinic.
Astronomie des rayons gamma
L’une des sources les plus intéressantes de rayons gamma sont les sursauts gamma (GRB). Il s’agit d’événements d’extrêmement haute énergie qui durent de quelques millisecondes à plusieurs minutes. Ils ont été observés pour la première fois dans les années 1960, et on les observe maintenant quelque part dans le ciel environ une fois par jour.
Les sursauts gamma sont « la forme la plus énergétique de la lumière », selon la NASA. Ils brillent des centaines de fois plus fort qu’une supernova typique et environ un million de trillions de fois plus fort que le soleil.
Selon Robert Patterson, professeur d’astronomie à l’Université d’État du Missouri, on pensait autrefois que les GRB provenaient des derniers stades d’évaporation de mini trous noirs. On pense maintenant qu’ils proviennent de collisions d’objets compacts tels que les étoiles à neutrons. D’autres théories attribuent ces événements à l’effondrement d’étoiles supermassives pour former des trous noirs.
Dans les deux cas, les GRB peuvent produire suffisamment d’énergie pour que, pendant quelques secondes, ils puissent éclipser une galaxie entière. Comme l’atmosphère terrestre bloque la plupart des rayons gamma, on ne peut les voir qu’avec des ballons à haute altitude et des télescopes en orbite.
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