Los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética, al igual que las ondas de radio, la radiación infrarroja, la radiación ultravioleta, los rayos X y las microondas. Los rayos gamma pueden utilizarse para tratar el cáncer y los astrónomos estudian las explosiones de rayos gamma.
La radiación electromagnética (EM) se transmite en forma de ondas o partículas a diferentes longitudes de onda y frecuencias. Esta amplia gama de longitudes de onda se conoce como espectro electromagnético. El espectro se divide generalmente en siete regiones en orden de longitud de onda decreciente y energía y frecuencia crecientes. Las denominaciones comunes son ondas de radio, microondas, infrarrojos (IR), luz visible, ultravioleta (UV), rayos X y rayos gamma.
Los rayos gamma se sitúan en el rango del espectro EM por encima de los rayos X blandos. Los rayos gamma tienen frecuencias superiores a unos 10^19 ciclos por segundo, o hercios (Hz), y longitudes de onda inferiores a 100 picómetros (pm), o 4 x 10^9 pulgadas. (Un picómetro es la trillonésima parte de un metro.)
Los rayos gamma y los rayos X duros se solapan en el espectro EM, lo que puede dificultar su diferenciación. En algunos campos, como la astrofísica, se traza una línea arbitraria en el espectro donde los rayos por encima de una determinada longitud de onda se clasifican como rayos X y los rayos con longitudes de onda más cortas se clasifican como rayos gamma. Tanto los rayos gamma como los rayos X tienen suficiente energía para causar daños en los tejidos vivos, pero casi todos los rayos gamma cósmicos son bloqueados por la atmósfera terrestre.
Descubrimiento de los rayos gamma
Los rayos gamma fueron observados por primera vez en 1900 por el químico francés Paul Villard cuando investigaba la radiación procedente del radio, según la Agencia Australiana de Protección Radiológica y Seguridad Nuclear (ARPANSA). Unos años más tarde, el químico y físico neozelandés Ernest Rutherford propuso el nombre de «rayos gamma», siguiendo el orden de los rayos alfa y los rayos beta -nombres dados a otras partículas que se crean durante una reacción nuclear- y el nombre se mantuvo.
Fuentes y efectos de los rayos gamma
Los rayos gamma son producidos principalmente por cuatro reacciones nucleares diferentes: la fusión, la fisión, la desintegración alfa y la desintegración gamma.
La fusión nuclear es la reacción que impulsa el sol y las estrellas. Se produce en un proceso de varios pasos en el que cuatro protones, o núcleos de hidrógeno, son forzados bajo una temperatura y presión extremas a fusionarse en un núcleo de helio, que comprende dos protones y dos neutrones. El núcleo de helio resultante es aproximadamente un 0,7% menos masivo que los cuatro protones que entraron en la reacción. Esa diferencia de masa se convierte en energía, según la famosa ecuación de Einstein E=mc^2, y unos dos tercios de esa energía se emiten en forma de rayos gamma. (El resto es en forma de neutrinos, que son partículas de interacción extremadamente débil con masa casi nula). En las últimas etapas de la vida de una estrella, cuando se le acaba el combustible de hidrógeno, puede formar elementos cada vez más masivos a través de la fusión, hasta llegar al hierro, pero estas reacciones producen una cantidad decreciente de energía en cada etapa.
Otra fuente conocida de rayos gamma es la fisión nuclear. El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley define la fisión nuclear como la división de un núcleo pesado en dos partes aproximadamente iguales, que luego son núcleos de elementos más ligeros. En este proceso, que implica colisiones con otras partículas, los núcleos pesados, como el uranio y el plutonio, se rompen en elementos más pequeños, como el xenón y el estroncio. Las partículas resultantes de estas colisiones pueden chocar con otros núcleos pesados, poniendo en marcha una reacción nuclear en cadena. Se libera energía porque la masa combinada de las partículas resultantes es menor que la masa del núcleo pesado original. Esa diferencia de masa se convierte en energía, según E=mc^2, en forma de energía cinética de los núcleos más pequeños, neutrinos y rayos gamma.
Otras fuentes de rayos gamma son la desintegración alfa y la desintegración gamma. La desintegración alfa se produce cuando un núcleo pesado emite un núcleo de helio-4, reduciendo su número atómico en 2 y su peso atómico en 4. Este proceso puede dejar al núcleo con un exceso de energía, que se emite en forma de rayos gamma. La desintegración gamma se produce cuando hay un exceso de energía en el núcleo de un átomo, lo que hace que emita un rayo gamma sin que cambie su composición de carga o masa.
Terapia de rayos gamma
Los rayos gamma se utilizan a veces para tratar tumores cancerosos en el cuerpo dañando el ADN de las células tumorales. Sin embargo, hay que tener mucho cuidado, porque los rayos gamma también pueden dañar el ADN de las células de los tejidos sanos circundantes.
Una forma de maximizar la dosis a las células cancerosas y minimizar la exposición a los tejidos sanos es dirigir múltiples haces de rayos gamma desde un acelerador lineal, o linac, hacia la región objetivo desde muchas direcciones diferentes. Este es el principio de funcionamiento de las terapias CyberKnife y Gamma Knife.
La radiocirugía con Gamma Knife utiliza un equipo especializado para enfocar cerca de 200 diminutos haces de radiación sobre un tumor u otro objetivo en el cerebro. Cada haz individual tiene muy poco efecto sobre el tejido cerebral que atraviesa, pero se administra una fuerte dosis de radiación en el punto en que los haces se unen, según la Clínica Mayo.
Astronomía de rayos gamma
Una de las fuentes más interesantes de rayos gamma son las explosiones de rayos gamma (GRB). Se trata de eventos de altísima energía que duran desde unos pocos milisegundos hasta varios minutos. Se observaron por primera vez en la década de 1960, y ahora se observan en algún lugar del cielo aproximadamente una vez al día.
Los estallidos de rayos gamma son «la forma más energética de la luz», según la NASA. Brillan cientos de veces más que una supernova típica y alrededor de un millón de trillones de veces más que el sol.
Según Robert Patterson, profesor de astronomía de la Universidad Estatal de Missouri, antes se pensaba que los GRBs procedían de las últimas etapas de evaporación de mini agujeros negros. Ahora se cree que se originan en colisiones de objetos compactos, como las estrellas de neutrones. Otras teorías atribuyen estos eventos al colapso de estrellas supermasivas para formar agujeros negros.
En cualquiera de los casos, los GRBs pueden producir suficiente energía que, durante unos segundos, pueden eclipsar a toda una galaxia. Como la atmósfera de la Tierra bloquea la mayoría de los rayos gamma, sólo se ven con globos de gran altitud y telescopios en órbita.
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