Razele gamma sunt o formă de radiație electromagnetică, la fel ca și undele radio, radiația infraroșie, radiația ultravioletă, razele X și microundele. Razele gamma pot fi folosite pentru tratarea cancerului, iar exploziile de raze gamma sunt studiate de astronomi.
Radiațiile electromagnetice (EM) sunt transmise sub formă de unde sau particule la diferite lungimi de undă și frecvențe. Această gamă largă de lungimi de undă este cunoscută sub numele de spectru electromagnetic. Spectrul este, în general, împărțit în șapte regiuni, în ordinea descreșterii lungimii de undă și a creșterii energiei și frecvenței. Denumirile comune sunt undele radio, microundele, infraroșu (IR), lumina vizibilă, ultravioletul (UV), razele X și razele gamma.
Razele gamma se încadrează în gama spectrului EM de deasupra razelor X moi. Razele gamma au frecvențe mai mari de aproximativ 10^19 cicluri pe secundă, sau hertz (Hz), și lungimi de undă mai mici de 100 picometri (pm), sau 4 x 10^9 inch. (Un picometru este o trilionime de metru.)
Razele gamma și razele X dure se suprapun în spectrul EM, ceea ce poate face dificilă diferențierea lor. În unele domenii, cum ar fi astrofizica, se trasează o linie arbitrară în spectru, unde razele care depășesc o anumită lungime de undă sunt clasificate ca raze X, iar razele cu lungimi de undă mai mici sunt clasificate ca raze gamma. Atât razele gamma, cât și razele X au suficientă energie pentru a provoca daune țesuturilor vii, dar aproape toate razele gamma cosmice sunt blocate de atmosfera Pământului.
Descoperirea razelor gamma
Razele gamma au fost observate pentru prima dată în 1900 de către chimistul francez Paul Villard, atunci când cerceta radiațiile provenite de la radiu, potrivit Agenției Australiene pentru Protecția împotriva Radiațiilor și Siguranță Nucleară (ARPANSA). Câțiva ani mai târziu, chimistul și fizicianul de origine neozeelandeză Ernest Rutherford a propus numele de „raze gamma”, urmând ordinea razelor alfa și beta – nume date altor particule care sunt create în timpul unei reacții nucleare – și numele a rămas.
Surse și efecte ale razelor gamma
Razele gamma sunt produse în principal de patru reacții nucleare diferite: fuziune, fisiune, dezintegrare alfa și dezintegrare gamma.
Fuziunea nucleară este reacția care alimentează soarele și stelele. Ea are loc printr-un proces în mai multe etape în care patru protoni, sau nuclee de hidrogen, sunt forțați, la temperaturi și presiuni extreme, să fuzioneze într-un nucleu de heliu, care cuprinde doi protoni și doi neutroni. Nucleul de heliu rezultat este cu aproximativ 0,7 % mai puțin masiv decât cei patru protoni care au intrat în reacție. Această diferență de masă este convertită în energie, conform faimoasei ecuații E=mc^2 a lui Einstein, aproximativ două treimi din această energie fiind emisă sub formă de raze gamma. (Restul este sub formă de neutrini, care sunt particule cu interacțiune extrem de slabă și masă aproape nulă). În ultimele etape ale vieții unei stele, când rămâne fără combustibil hidrogen, aceasta poate forma elemente din ce în ce mai masive prin fuziune, până la și inclusiv fier, dar aceste reacții produc o cantitate din ce în ce mai mică de energie în fiecare etapă.
O altă sursă cunoscută de raze gamma este fisiunea nucleară. Laboratorul Național Lawrence Berkeley definește fisiunea nucleară ca fiind scindarea unui nucleu greu în două părți aproximativ egale, care sunt apoi nuclee de elemente mai ușoare. În acest proces, care implică coliziuni cu alte particule, nucleele grele, cum ar fi uraniul și plutoniul, sunt sparte în elemente mai mici, cum ar fi xenon și stronțiu. Particulele rezultate în urma acestor coliziuni pot lovi apoi alte nuclee grele, declanșând o reacție nucleară în lanț. Energia este eliberată deoarece masa combinată a particulelor rezultate este mai mică decât masa nucleului greu inițial. Această diferență de masă este convertită în energie, conform E=mc^2, sub forma energiei cinetice a nucleelor mai mici, a neutrinilor și a razelor gamma.
Alte surse de raze gamma sunt dezintegrarea alfa și dezintegrarea gamma. Dezintegrarea alfa are loc atunci când un nucleu greu cedează un nucleu de heliu-4, reducându-i numărul atomic cu 2 și greutatea atomică cu 4. Acest proces poate lăsa nucleul cu un exces de energie, care este emisă sub forma unei raze gamma. Dezintegrarea gamma are loc atunci când există prea multă energie în nucleul unui atom, ceea ce face ca acesta să emită o rază gamma fără a-și schimba sarcina sau compoziția masică.
Terapie cu raze gamma
Razele gamma sunt uneori folosite pentru a trata tumorile canceroase din organism prin deteriorarea ADN-ului celulelor tumorale. Cu toate acestea, trebuie avută mare grijă, deoarece razele gamma pot deteriora, de asemenea, ADN-ul celulelor țesuturilor sănătoase din jur.
O modalitate de a maximiza doza pentru celulele canceroase, minimizând în același timp expunerea țesuturilor sănătoase, este de a direcționa mai multe fascicule de raze gamma de la un accelerator liniar, sau linac, asupra regiunii țintă din mai multe direcții diferite. Acesta este principiul de funcționare al terapiilor CyberKnife și Gamma Knife.
Radiochirurgia Gamma Knife utilizează un echipament specializat pentru a focaliza aproape 200 de fascicule minuscule de radiații asupra unei tumori sau a altei ținte din creier. Fiecare fascicul individual are un efect foarte mic asupra țesutului cerebral pe care îl traversează, dar o doză puternică de radiații este administrată în punctul în care fasciculele se întâlnesc, potrivit Mayo Clinic.
Astronomie cu raze gamma
Una dintre cele mai interesante surse de raze gamma sunt exploziile de raze gamma (GRB). Acestea sunt evenimente de energie extrem de mare care durează de la câteva milisecunde până la câteva minute. Ele au fost observate pentru prima dată în anii 1960, iar în prezent sunt observate undeva pe cer aproximativ o dată pe zi.
Bursele de raze gamma sunt „cea mai energetică formă de lumină”, potrivit NASA. Ele strălucesc de sute de ori mai strălucitoare decât o supernovă tipică și de aproximativ un milion de trilioane de ori mai strălucitoare decât soarele.
Potrivit lui Robert Patterson, profesor de astronomie la Universitatea de Stat din Missouri, se credea cândva că GRB-urile provin din ultimele etape de evaporare a unor mini-găuri negre. Acum se crede că acestea își au originea în coliziunile unor obiecte compacte, cum ar fi stelele neutronice. Alte teorii atribuie aceste evenimente colapsului unor stele supermasive pentru a forma găuri negre.
În ambele cazuri, GRBs pot produce suficientă energie încât, pentru câteva secunde, pot eclipsa o întreagă galaxie. Deoarece atmosfera Pământului blochează majoritatea razelor gamma, acestea sunt observate doar cu ajutorul baloanelor de mare altitudine și al telescoapelor aflate pe orbită.
Citește mai departe: