Promieniowanie gamma jest formą promieniowania elektromagnetycznego, podobnie jak fale radiowe, promieniowanie podczerwone, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i mikrofale. Promieniowanie gamma może być stosowane w leczeniu raka, a wybuchy promieniowania gamma są badane przez astronomów.
Promieniowanie elektromagnetyczne (EM) jest emitowane w postaci fal lub cząstek o różnych długościach fal i częstotliwościach. Ten szeroki zakres długości fal jest znany jako spektrum elektromagnetyczne. Widmo jest ogólnie podzielone na siedem regionów w kolejności malejącej długości fali i rosnącej energii i częstotliwości. Wspólne oznaczenia to fale radiowe, mikrofale, podczerwień (IR), światło widzialne, ultrafiolet (UV), promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.
Promieniowanie gamma mieści się w zakresie widma EM powyżej miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Promienie gamma mają częstotliwości większe niż około 10^19 cykli na sekundę, lub herców (Hz), a długość fali mniej niż 100 pikometrów (pm), lub 4 x 10^9 cali. (Pikometr to jedna trylionowa część metra.)
Promienie gamma i twarde promieniowanie rentgenowskie nakładają się w widmie EM, co może utrudnić ich rozróżnienie. W niektórych dziedzinach, takich jak astrofizyka, arbitralna linia jest rysowana w widmie, gdzie promienie powyżej pewnej długości fali są klasyfikowane jako promieniowanie rentgenowskie, a promienie o krótszej długości fali są klasyfikowane jako promieniowanie gamma. Zarówno promienie gamma, jak i promienie X mają wystarczającą energię, aby powodować uszkodzenia żywych tkanek, ale prawie wszystkie kosmiczne promienie gamma są blokowane przez ziemską atmosferę.
Odkrycie promieni gamma
Promienie gamma zostały po raz pierwszy zaobserwowane w 1900 r. przez francuskiego chemika Paula Villarda, który badał promieniowanie radu, zgodnie z danymi Australijskiej Agencji Ochrony przed Promieniowaniem i Bezpieczeństwa Jądrowego (ARPANSA). Kilka lat później, urodzony w Nowej Zelandii chemik i fizyk Ernest Rutherford zaproponował nazwę „promienie gamma”, podążając za kolejnością promieni alfa i beta – nazw nadanych innym cząstkom, które powstają podczas reakcji jądrowej – i nazwa ta utknęła.
Źródła i skutki promieniowania gamma
Promienie gamma są produkowane głównie przez cztery różne reakcje jądrowe: fuzję, rozszczepienie, rozpad alfa i rozpad gamma.
Fuzja jądrowa jest reakcją, która zasila Słońce i gwiazdy. Zachodzi ona w wieloetapowym procesie, w którym cztery protony, czyli jądra wodoru, są zmuszone w ekstremalnej temperaturze i ciśnieniu do połączenia się w jądro helu, które składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Powstałe w ten sposób jądro helu jest o około 0,7 procent mniej masywne niż cztery protony, które weszły w reakcję. Ta różnica masy jest zamieniana na energię, zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E=mc^2, przy czym około dwie trzecie tej energii jest emitowane jako promieniowanie gamma. (Reszta jest w formie neutrin, które są niezwykle słabo oddziałującymi cząstkami o prawie zerowej masie). W późniejszych etapach życia gwiazdy, kiedy kończy się jej paliwo wodorowe, może ona tworzyć coraz bardziej masywne pierwiastki poprzez syntezę jądrową, aż do żelaza włącznie, ale reakcje te produkują coraz mniejszą ilość energii na każdym etapie.
Innym znanym źródłem promieniowania gamma jest rozszczepienie jądra atomowego. Lawrence Berkeley National Laboratory definiuje rozszczepienie jądra atomowego jako rozszczepienie ciężkiego jądra na dwie mniej więcej równe części, które są następnie jądrami lżejszych pierwiastków. W tym procesie, który obejmuje zderzenia z innymi cząstkami, ciężkie jądra, takie jak uran i pluton, są rozbijane na mniejsze elementy, takie jak ksenon i stront. Cząstki powstałe w wyniku tych zderzeń mogą następnie uderzać w inne ciężkie jądra, wywołując jądrową reakcję łańcuchową. Energia jest uwalniana, ponieważ łączna masa powstałych cząstek jest mniejsza niż masa pierwotnego ciężkiego jądra. Ta różnica mas jest zamieniana na energię, zgodnie z E=mc^2, w postaci energii kinetycznej mniejszych jąder, neutrin i promieniowania gamma.
Innymi źródłami promieniowania gamma są rozpad alfa i rozpad gamma. Rozpad alfa zachodzi, gdy ciężkie jądro wydziela jądro helu-4, zmniejszając swoją liczbę atomową o 2, a masę atomową o 4. Proces ten może pozostawić jądro z nadmiarem energii, która jest emitowana w postaci promieniowania gamma. Rozpad gamma zachodzi, gdy w jądrze atomu znajduje się zbyt dużo energii, powodując emisję promieniowania gamma bez zmiany ładunku lub składu masy.
Terapia promieniami gamma
Promienie gamma są czasami wykorzystywane do leczenia guzów nowotworowych w organizmie poprzez uszkadzanie DNA komórek nowotworowych. Należy jednak zachować szczególną ostrożność, ponieważ promieniowanie gamma może również uszkodzić DNA otaczających zdrowych komórek tkanek.
Jednym ze sposobów na zmaksymalizowanie dawki dla komórek nowotworowych przy jednoczesnym zminimalizowaniu narażenia zdrowych tkanek jest skierowanie wielu wiązek promieniowania gamma z akceleratora liniowego lub linaku na obszar docelowy z wielu różnych kierunków. Jest to zasada działania terapii CyberKnife i Gamma Knife.
Radiochirurgia Gamma Knife wykorzystuje specjalistyczny sprzęt do skupienia blisko 200 maleńkich wiązek promieniowania na guzie lub innym celu w mózgu. Każda pojedyncza wiązka ma bardzo mały wpływ na tkankę mózgową, przez którą przechodzi, ale silna dawka promieniowania jest dostarczana w punkcie, w którym wiązki się spotykają, według Mayo Clinic.
Astronomia promieniowania gamma
Jednym z bardziej interesujących źródeł promieniowania gamma są wybuchy promieniowania gamma (GRB). Są to niezwykle wysokoenergetyczne zdarzenia, które trwają od kilku milisekund do kilku minut. Po raz pierwszy zaobserwowano je w latach sześćdziesiątych XX wieku, a obecnie obserwuje się je gdzieś na niebie mniej więcej raz dziennie.
Wybuchy promieniowania gamma są „najbardziej energetyczną formą światła”, jak podaje NASA. Świecą setki razy jaśniej niż typowa supernowa i około milion trylionów razy jaśniej niż Słońce.
Według Roberta Pattersona, profesora astronomii na Uniwersytecie Stanowym Missouri, kiedyś sądzono, że GRB pochodzą z ostatnich etapów parowania mini czarnych dziur. Obecnie uważa się, że powstają one w wyniku zderzeń zwartych obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe. Inne teorie przypisują te zdarzenia zapadaniu się supermasywnych gwiazd w celu utworzenia czarnych dziur.
W obu przypadkach, GRB mogą wytwarzać tyle energii, że przez kilka sekund mogą przyćmić całą galaktykę. Ponieważ ziemska atmosfera blokuje większość promieniowania gamma, można je zobaczyć tylko za pomocą balonów na dużych wysokościach i orbitujących teleskopów.
Dalsza lektura: