Gammastralen zijn een vorm van elektromagnetische straling, net als radiogolven, infrarode straling, ultraviolette straling, röntgenstraling en microgolven. Gammastralen kunnen worden gebruikt bij de behandeling van kanker, en gammastraaluitbarstingen worden bestudeerd door astronomen.
Elektromagnetische (EM) straling wordt uitgezonden in golven of deeltjes met verschillende golflengten en frequenties. Deze brede waaier van golflengten staat bekend als het elektromagnetisch spectrum. Het spectrum wordt over het algemeen verdeeld in zeven regio’s in volgorde van afnemende golflengte en toenemende energie en frequentie. De gebruikelijke benamingen zijn radiogolven, microgolven, infrarood (IR), zichtbaar licht, ultraviolet (UV), röntgenstralen en gammastralen.
Gammastralen vallen in het bereik van het EM-spectrum boven zachte röntgenstralen. Gammastralen hebben frequenties groter dan ongeveer 10^19 cycli per seconde, of hertz (Hz), en golflengten van minder dan 100 picometers (pm), of 4 x 10^9 inches. (Een picometer is een triljoenste van een meter.)
Gamma-stralen en harde röntgenstralen overlappen elkaar in het EM-spectrum, waardoor het moeilijk kan zijn ze van elkaar te onderscheiden. In sommige vakgebieden, zoals de astrofysica, wordt in het spectrum een arbitraire lijn getrokken waarbij stralen boven een bepaalde golflengte worden ingedeeld als röntgenstralen en stralen met kortere golflengten als gammastralen. Zowel gammastralen als röntgenstralen hebben genoeg energie om schade te veroorzaken aan levend weefsel, maar bijna alle kosmische gammastralen worden geblokkeerd door de atmosfeer van de aarde.
Ontdekking van gammastralen
Gammastralen werden voor het eerst waargenomen in 1900 door de Franse scheikundige Paul Villard toen hij onderzoek deed naar straling van radium, volgens het Australische Agentschap voor Stralingsbescherming en Nucleaire Veiligheid (ARPANSA). Een paar jaar later stelde de in Nieuw-Zeeland geboren chemicus en natuurkundige Ernest Rutherford de naam “gammastralen” voor, in de volgorde van alfastralen en bètastralen – namen die worden gegeven aan andere deeltjes die tijdens een kernreactie ontstaan – en de naam bleef hangen.
Gammastraalbronnen en effecten
Gammastraal wordt voornamelijk geproduceerd door vier verschillende kernreacties: fusie, splijting, alfaverval en gammaverval.
Nucleaire fusie is de reactie die de zon en sterren van energie voorziet. Zij vindt plaats in een meerstapsproces waarbij vier protonen, of waterstofkernen, onder extreme temperatuur en druk gedwongen worden te fuseren tot een heliumkern, die bestaat uit twee protonen en twee neutronen. De resulterende heliumkern is ongeveer 0,7 procent minder massief dan de vier protonen die aan de reactie hebben deelgenomen. Dat massaverschil wordt omgezet in energie, volgens Einsteins beroemde vergelijking E=mc^2, waarbij ongeveer tweederde van die energie wordt uitgezonden in de vorm van gammastralen. (De rest is in de vorm van neutrino’s, die uiterst zwak op elkaar inwerkende deeltjes zijn met bijna geen massa). In de latere stadia van het leven van een ster, wanneer zijn waterstofbrandstof op is, kan hij door kernfusie steeds massievere elementen vormen, tot en met ijzer, maar deze reacties leveren in elk stadium een afnemende hoeveelheid energie op.
Een andere bekende bron van gammastralen is kernsplijting. Lawrence Berkeley National Laboratory definieert kernsplijting als de splitsing van een zware kern in twee ongeveer gelijke delen, die vervolgens kernen van lichtere elementen zijn. In dit proces, dat botsingen met andere deeltjes inhoudt, worden zware kernen, zoals uranium en plutonium, gebroken in kleinere elementen, zoals xenon en strontium. De resulterende deeltjes van deze botsingen kunnen dan andere zware kernen treffen, waardoor een nucleaire kettingreactie ontstaat. Er komt energie vrij omdat de gecombineerde massa van de resulterende deeltjes kleiner is dan de massa van de oorspronkelijke zware kern. Dat massaverschil wordt omgezet in energie, volgens E=mc^2, in de vorm van kinetische energie van de kleinere kernen, neutrino’s en gammastralen.
Andere bronnen van gammastralen zijn alfaverval en gammabederf. Alfaverval treedt op wanneer een zware kern een helium-4-kern afgeeft, waardoor zijn atoomnummer met 2 vermindert en zijn atoomgewicht met 4. Bij dit proces kan de kern overtollige energie overhouden, die in de vorm van een gammastraal wordt uitgezonden. Gammaverval treedt op wanneer er te veel energie in de kern van een atoom zit, waardoor deze een gammastraal uitzendt zonder dat de lading of massasamenstelling verandert.
Gammastralingstherapie
Gammastralen worden soms gebruikt om kankertumoren in het lichaam te behandelen door het DNA van de tumorcellen te beschadigen. Men moet echter zeer voorzichtig zijn, omdat gammastralen ook het DNA van omliggende gezonde weefselcellen kunnen beschadigen.
Een manier om de dosis voor kankercellen te maximaliseren en tegelijkertijd de blootstelling aan gezond weefsel te minimaliseren, is door meerdere gammastraalbundels van een lineaire versneller, of linac, vanuit veel verschillende richtingen op het doelgebied te richten. Dit is het werkingsprincipe van CyberKnife- en Gamma Knife-therapieën.
Gamma Knife-radiochirurgie maakt gebruik van gespecialiseerde apparatuur om bijna 200 minuscule stralenbundels te richten op een tumor of een ander doelwit in de hersenen. Elke afzonderlijke straal heeft zeer weinig effect op het hersenweefsel waar het doorheen gaat, maar een sterke dosis straling wordt afgegeven op het punt waar de stralen elkaar ontmoeten, volgens de Mayo Clinic.
Gamma-stralen astronomie
Een van de meer interessante bronnen van gammastralen zijn gamma-stralen uitbarstingen (GRB’s). Dit zijn extreem hoogenergetische gebeurtenissen die een paar milliseconden tot enkele minuten duren. Ze werden voor het eerst waargenomen in de jaren zestig, en ze worden nu ongeveer één keer per dag ergens aan de hemel waargenomen.
Gamma-uitbarstingen zijn “de meest energetische vorm van licht”, volgens de NASA. Ze schijnen honderden keren helderder dan een typische supernova en ongeveer een miljoen triljoen keer zo helder als de zon.
Volgens Robert Patterson, een professor in de astronomie aan de Missouri State University, werd ooit gedacht dat GRB’s afkomstig waren van de laatste stadia van verdampende mini zwarte gaten. Nu denkt men dat ze ontstaan bij botsingen van compacte objecten zoals neutronensterren. Andere theorieën schrijven deze gebeurtenissen toe aan de ineenstorting van superzware sterren tot zwarte gaten.
In beide gevallen kunnen GRB’s zoveel energie produceren dat ze gedurende enkele seconden een heel sterrenstelsel kunnen overschaduwen. Omdat de atmosfeer van de aarde de meeste gammastralen tegenhoudt, worden ze alleen waargenomen met ballonnen op grote hoogte en telescopen in een baan om de aarde.
Verder lezen: