A gamma-sugárzás az elektromágneses sugárzás egyik formája, akárcsak a rádióhullámok, az infravörös sugárzás, az ultraibolya sugárzás, a röntgensugárzás és a mikrohullámok. A gamma-sugárzást a rák kezelésére lehet használni, a gamma-kitöréseket pedig a csillagászok tanulmányozzák.
Az elektromágneses (EM) sugárzás hullámokban vagy részecskékben terjed különböző hullámhosszon és frekvencián. A hullámhosszoknak ezt a széles tartományát elektromágneses spektrumnak nevezzük. A spektrumot általában hét régióra osztják a csökkenő hullámhossz és a növekvő energia és frekvencia sorrendjében. Az általános elnevezések: rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös (IR), látható fény, ultraibolya (UV), röntgensugárzás és gamma-sugárzás.
A gamma-sugárzás az EM-spektrum lágy röntgensugárzás feletti tartományába tartozik. A gamma-sugárzás frekvenciája nagyobb, mint körülbelül 10^19 ciklus másodpercenként, vagy hertz (Hz), és hullámhossza kisebb, mint 100 pikométer (pm), vagy 4 x 10^9 hüvelyk. (Egy pikométer a méter egy billiomod része.)
A gamma-sugárzás és a kemény röntgensugárzás átfedésben van az EM spektrumban, ami megnehezítheti a megkülönböztetésüket. Egyes területeken, például az asztrofizikában, egy önkényes vonalat húznak a spektrumban, ahol egy bizonyos hullámhossz felett a sugarakat röntgensugárzásnak, a rövidebb hullámhosszú sugarakat pedig gamma-sugárzásnak minősítik. Mind a gamma-, mind a röntgensugárzásnak elegendő energiája van ahhoz, hogy károsítsa az élő szöveteket, de szinte minden kozmikus gamma-sugárzást blokkol a Föld légköre.
A gamma-sugarak felfedezése
A gamma-sugarakat először 1900-ban Paul Villard francia kémikus figyelte meg, amikor a rádium sugárzását vizsgálta, az Ausztrál Sugárvédelmi és Nukleáris Biztonsági Ügynökség (ARPANSA) szerint. Néhány évvel később az új-zélandi születésű vegyész és fizikus Ernest Rutherford javasolta a “gamma-sugárzás” elnevezést, az alfa-sugarak és a béta-sugarak sorrendjét követve – ezeket a neveket a nukleáris reakció során keletkező más részecskéknek adták -, és az elnevezés megragadt.
Gamma-sugárforrások és hatások
A gamma-sugarak elsősorban négy különböző nukleáris reakció során keletkeznek: fúzió, hasadás, alfa-bomlás és gamma-bomlás.
A nukleáris fúzió az a reakció, amely a Napot és a csillagokat hajtja. Többlépcsős folyamat során négy proton, azaz hidrogénmag extrém hőmérsékleten és nyomáson arra kényszerül, hogy két protonból és két neutronból álló héliummaggá olvadjon össze. A keletkező héliummag körülbelül 0,7 százalékkal kisebb tömegű, mint a reakcióban részt vevő négy proton. Ez a tömegkülönbség Einstein híres E=mc^2 egyenlete szerint energiává alakul át, és az energia mintegy kétharmada gamma-sugárzás formájában távozik. (A többi neutrínók formájában jelentkezik, amelyek rendkívül gyenge kölcsönhatású, közel nulla tömegű részecskék). A csillag életének későbbi szakaszaiban, amikor kifogy a hidrogén üzemanyagból, fúzióval egyre nagyobb tömegű elemeket tud képezni, egészen a vasig, de ezek a reakciók minden egyes fázisban egyre kevesebb energiát termelnek.
A gamma-sugárzás másik ismert forrása a maghasadás. A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium a maghasadást úgy definiálja, mint egy nehéz atommag két nagyjából egyenlő részre való hasadását, amelyek aztán könnyebb elemek magjaivá válnak. Ebben a folyamatban, amely más részecskékkel való ütközésekkel jár, a nehéz atommagok, például az urán és a plutónium, kisebb elemekre, például xenonra és stronciumra bomlanak. Az ütközésekből származó részecskék ezután más nehéz atommagokkal ütközhetnek, és nukleáris láncreakciót indíthatnak el. Energia szabadul fel, mivel a keletkező részecskék együttes tömege kisebb, mint az eredeti nehéz atommag tömege. Ez a tömegkülönbség az E=mc^2 szerint energiává alakul át a kisebb atommagok kinetikus energiája, neutrínók és gamma-sugárzás formájában.
A gamma-sugárzás további forrásai az alfa-bomlás és a gamma-bomlás. Az alfa-bomlás akkor következik be, amikor egy nehéz atommag egy hélium-4 atommagot ad ki magából, aminek az atomi száma 2-vel, az atomsúlya pedig 4-gyel csökken. Ez a folyamat az atommagban felesleges energiát hagyhat, ami gamma-sugárzás formájában bocsátódik ki. A gamma-bomlás akkor következik be, amikor egy atom magjában túl sok energia van, ami gamma-sugárzást bocsát ki anélkül, hogy az atom töltése vagy tömegösszetétele megváltozna.
Gammasugár-terápia
A gammasugarakat néha a szervezetben lévő rákos daganatok kezelésére használják a daganatos sejtek DNS-ének károsításával. Azonban nagy körültekintéssel kell eljárni, mert a gamma-sugarak a környező egészséges szöveti sejtek DNS-ét is károsíthatják.
A rákos sejtek dózisának maximalizálására és az egészséges szövetek expozíciójának minimalizálására az egyik mód, hogy egy lineáris gyorsítóból, vagy linacból több gamma-sugarat irányítanak a célterületre sok különböző irányból. Ez a CyberKnife és a Gamma Knife terápiák működési elve.
A Gamma Knife sugársebészet speciális berendezéssel közel 200 apró sugárnyalábot összpontosít az agyban lévő daganatra vagy más célpontra. Minden egyes sugárnyalábnak nagyon kevés hatása van az agyszövetre, amelyen áthalad, de a sugárnyalábok találkozási pontján erős sugárdózis jut a Mayo Clinic szerint.
Gamma-csillagászat
A gamma-sugárzás egyik legérdekesebb forrása a gamma-kitörések (GRB). Ezek rendkívül nagy energiájú események, amelyek néhány ezredmásodperctől néhány percig tartanak. Először az 1960-as években figyelték meg őket, és ma már körülbelül naponta egyszer figyelhetők meg valahol az égbolton.
A NASA szerint a gammakitörések “a fény legenergikusabb formája”. Több százszor fényesebben ragyognak, mint egy tipikus szupernóva, és körülbelül egymillió-trilliószor fényesebbek, mint a Nap.
Robert Patterson, a Missouri Állami Egyetem csillagászprofesszora szerint a GRB-kről korábban azt gondolták, hogy a mini fekete lyukak elpárolgásának utolsó szakaszából származnak. Ma már úgy gondolják, hogy kompakt objektumok, például neutroncsillagok ütközéséből származnak. Más elméletek ezeket az eseményeket szupermasszív csillagok összeomlásának tulajdonítják, hogy fekete lyukak alakuljanak ki.
Mindkét esetben a GRB-k annyi energiát képesek termelni, hogy néhány másodpercig egy egész galaxist képesek túlragyogni. Mivel a Föld légköre a gamma-sugárzás nagy részét blokkolja, csak nagy magasságú léggömbökkel és keringő teleszkópokkal láthatók.
További olvasmányok: