Cosa sono i raggi gamma?

I raggi gamma sono una forma di radiazione elettromagnetica, come le onde radio, la radiazione infrarossa, la radiazione ultravioletta, i raggi X e le microonde. I raggi gamma possono essere usati per trattare il cancro e i lampi di raggi gamma sono studiati dagli astronomi.

La radiazione elettromagnetica (EM) è trasmessa in onde o particelle a diverse lunghezze d’onda e frequenze. Questa vasta gamma di lunghezze d’onda è conosciuta come lo spettro elettromagnetico. Lo spettro è generalmente diviso in sette regioni in ordine di lunghezza d’onda decrescente e di energia e frequenza crescenti. Le denominazioni comuni sono onde radio, microonde, infrarossi (IR), luce visibile, ultravioletti (UV), raggi X e raggi gamma.

I raggi gamma rientrano nella gamma dello spettro EM sopra i raggi X morbidi. I raggi gamma hanno frequenze maggiori di circa 10^19 cicli al secondo, o hertz (Hz), e lunghezze d’onda inferiori a 100 picometri (pm), o 4 x 10^9 pollici. (Un picometro è un trilionesimo di metro.)

I raggi gamma e i raggi X duri si sovrappongono nello spettro EM, il che può rendere difficile differenziarli. In alcuni campi, come l’astrofisica, viene tracciata una linea arbitraria nello spettro dove i raggi sopra una certa lunghezza d’onda sono classificati come raggi X e i raggi con lunghezze d’onda più corte sono classificati come raggi gamma. Sia i raggi gamma che i raggi X hanno abbastanza energia per causare danni ai tessuti viventi, ma quasi tutti i raggi gamma cosmici sono bloccati dall’atmosfera terrestre.

Scoperta dei raggi gamma

I raggi gamma sono stati osservati per la prima volta nel 1900 dal chimico francese Paul Villard quando stava studiando le radiazioni del radio, secondo l’Agenzia Australiana per la Protezione dalle Radiazioni e la Sicurezza Nucleare (ARPANSA). Qualche anno dopo, il chimico e fisico neozelandese Ernest Rutherford propose il nome “raggi gamma”, seguendo l’ordine dei raggi alfa e dei raggi beta – nomi dati ad altre particelle che si creano durante una reazione nucleare – e il nome rimase.

Sorgenti ed effetti dei raggi gamma

I raggi gamma sono prodotti principalmente da quattro diverse reazioni nucleari: fusione, fissione, decadimento alfa e decadimento gamma.

La fusione nucleare è la reazione che alimenta il sole e le stelle. Si verifica in un processo multistep in cui quattro protoni, o nuclei di idrogeno, sono costretti a fondersi a temperature e pressioni estreme in un nucleo di elio, che comprende due protoni e due neutroni. Il nucleo di elio risultante è circa lo 0,7% meno massiccio dei quattro protoni che hanno partecipato alla reazione. Questa differenza di massa viene convertita in energia, secondo la famosa equazione di Einstein E=mc^2, con circa due terzi di questa energia emessa come raggi gamma. (Il resto è sotto forma di neutrini, che sono particelle ad interazione estremamente debole con massa quasi zero). Nelle fasi successive della vita di una stella, quando esaurisce l’idrogeno, può formare elementi sempre più massicci attraverso la fusione, fino al ferro incluso, ma queste reazioni producono una quantità decrescente di energia ad ogni stadio.

Un’altra fonte familiare di raggi gamma è la fissione nucleare. Il Lawrence Berkeley National Laboratory definisce la fissione nucleare come la scissione di un nucleo pesante in due parti approssimativamente uguali, che sono poi nuclei di elementi più leggeri. In questo processo, che comporta collisioni con altre particelle, i nuclei pesanti, come l’uranio e il plutonio, si rompono in elementi più piccoli, come lo xeno e lo stronzio. Le particelle risultanti da queste collisioni possono poi colpire altri nuclei pesanti, creando una reazione nucleare a catena. L’energia viene rilasciata perché la massa combinata delle particelle risultanti è inferiore alla massa del nucleo pesante originale. Questa differenza di massa viene convertita in energia, secondo E=mc^2, sotto forma di energia cinetica dei nuclei più piccoli, neutrini e raggi gamma.

Altre fonti di raggi gamma sono il decadimento alfa e il decadimento gamma. Il decadimento alfa si verifica quando un nucleo pesante emette un nucleo di elio-4, riducendo il suo numero atomico di 2 e il suo peso atomico di 4. Questo processo può lasciare il nucleo con energia in eccesso, che viene emessa sotto forma di un raggio gamma. Il decadimento gamma si verifica quando c’è troppa energia nel nucleo di un atomo, facendogli emettere un raggio gamma senza cambiare la sua carica o composizione di massa.

Impressione artistica di un Gamma Ray Burst. (Image credit: NASA)

Terapia a raggi gamma

I raggi gamma sono talvolta usati per trattare i tumori cancerosi nel corpo danneggiando il DNA delle cellule tumorali. Tuttavia, bisogna fare molta attenzione, perché i raggi gamma possono anche danneggiare il DNA delle cellule dei tessuti sani circostanti.

Un modo per massimizzare il dosaggio alle cellule tumorali, minimizzando l’esposizione dei tessuti sani, è quello di dirigere più fasci di raggi gamma da un acceleratore lineare, o linac, sulla regione bersaglio da molte direzioni diverse. Questo è il principio di funzionamento delle terapie CyberKnife e Gamma Knife.

La radiochirurgia Gamma Knife utilizza attrezzature specializzate per concentrare circa 200 piccoli fasci di radiazioni su un tumore o un altro bersaglio nel cervello. Ogni singolo fascio ha pochissimo effetto sul tessuto cerebrale che attraversa, ma una forte dose di radiazioni viene erogata nel punto in cui i fasci si incontrano, secondo la Mayo Clinic.

Astronomia a raggi gamma

Una delle fonti più interessanti di raggi gamma sono i gamma-ray burst (GRB). Si tratta di eventi ad altissima energia che durano da pochi millisecondi a diversi minuti. Sono stati osservati per la prima volta negli anni ’60, e ora vengono osservati da qualche parte nel cielo circa una volta al giorno.

I gamma-ray burst sono “la forma più energetica di luce”, secondo la NASA. Brillano centinaia di volte più luminosi di una tipica supernova e circa un milione di trilioni di volte più luminosi del sole.

Secondo Robert Patterson, professore di astronomia alla Missouri State University, una volta si pensava che i GRB provenissero dalle ultime fasi di evaporazione di mini buchi neri. Ora si crede che abbiano origine da collisioni di oggetti compatti come le stelle di neutroni. Altre teorie attribuiscono questi eventi al collasso di stelle supermassicce per formare buchi neri.

In entrambi i casi, i GRB possono produrre abbastanza energia che, per alcuni secondi, possono mettere in ombra un’intera galassia. Poiché l’atmosfera terrestre blocca la maggior parte dei raggi gamma, sono visti solo con palloni aerostatici ad alta quota e telescopi orbitanti.

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