Gammastrålar är en form av elektromagnetisk strålning, liksom radiovågor, infraröd strålning, ultraviolett strålning, röntgenstrålar och mikrovågor. Gammastrålar kan användas för att behandla cancer, och gammastrålar studeras av astronomer.
Elektromagnetisk (EM) strålning överförs i vågor eller partiklar vid olika våglängder och frekvenser. Detta breda spektrum av våglängder kallas det elektromagnetiska spektrumet. Spektrumet är i allmänhet indelat i sju regioner i ordning med minskande våglängd och ökande energi och frekvens. De vanligaste beteckningarna är radiovågor, mikrovågor, infrarött (IR), synligt ljus, ultraviolett (UV), röntgenstrålar och gammastrålar.
Gammastrålar faller i området av EM-spektrumet ovanför mjuka röntgenstrålar. Gammastrålar har frekvenser som är större än cirka 10^19 cykler per sekund, eller hertz (Hz), och våglängder som är mindre än 100 pikometer (pm), eller 4 x 10^9 tum. (En pikometer är en trilliondel av en meter.)
Gammastrålar och hårda röntgenstrålar överlappar varandra i EM-spektrumet, vilket kan göra det svårt att skilja dem åt. Inom vissa områden, t.ex. astrofysik, dras en godtycklig linje i spektrumet där strålar över en viss våglängd klassificeras som röntgenstrålar och strålar med kortare våglängder klassificeras som gammastrålar. Både gammastrålar och röntgenstrålar har tillräckligt med energi för att skada levande vävnad, men nästan all kosmisk gammastrålning blockeras av jordens atmosfär.
Upptäckten av gammastrålning
Gammastrålning observerades för första gången år 1900 av den franske kemisten Paul Villard när han undersökte strålning från radium, enligt Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (ARPANSA). Några år senare föreslog den nyzeeländske kemisten och fysikern Ernest Rutherford namnet ”gammastrålar”, som följer ordningen för alfa- och betastrålar – namn som ges till andra partiklar som skapas under en kärnreaktion – och namnet fastnade.
Gammastrålningskällor och effekter
Gammastrålning produceras främst av fyra olika kärnreaktioner: fusion, fission, alfatillfällning och gammatillfällning.
Kärnfusion är den reaktion som driver solen och stjärnorna. Den sker i en process i flera steg där fyra protoner, eller vätekärnor, tvingas under extrem temperatur och tryck att smälta samman till en heliumkärna, som består av två protoner och två neutroner. Den resulterande heliumkärnan är ungefär 0,7 procent mindre massiv än de fyra protoner som gick in i reaktionen. Denna massadifferens omvandlas till energi enligt Einsteins berömda ekvation E=mc^2, och ungefär två tredjedelar av denna energi avges som gammastrålar. (Resten är i form av neutriner, som är extremt svagt interagerande partiklar med nästan noll massa). I de senare skedena av en stjärnas livstid, när vätgasbränslet tar slut, kan den bilda allt mer massiva grundämnen genom fusion, upp till och med järn, men dessa reaktioner producerar en minskande mängd energi i varje skede.
En annan välkänd källa till gammastrålning är kärnklyvning. Lawrence Berkeley National Laboratory definierar kärnklyvning som uppdelningen av en tung kärna i två ungefär lika stora delar, som sedan är kärnor av lättare grundämnen. I denna process, som inbegriper kollisioner med andra partiklar, bryts tunga kärnor, t.ex. uran och plutonium, till mindre grundämnen, t.ex. xenon och strontium. Partiklarna från dessa kollisioner kan sedan träffa andra tunga kärnor och sätta igång en kedjereaktion. Energi frigörs eftersom den sammanlagda massan av de resulterande partiklarna är mindre än massan av den ursprungliga tunga kärnan. Denna massadifferens omvandlas till energi, enligt E=mc^2, i form av kinetisk energi hos de mindre atomkärnorna, neutriner och gammastrålar.
Andra källor till gammastrålar är alfasönderfall och gammasönderfall. Alfasönderfall inträffar när en tung kärna avger en helium-4-kärna, vilket minskar dess atomnummer med 2 och dess atomvikt med 4. Denna process kan lämna kärnan med överskottsenergi, som avges i form av en gammastråle. Gammasönderfall inträffar när det finns för mycket energi i en atomkärna, vilket gör att den avger en gammastråle utan att dess laddning eller massasammansättning förändras.
Gammastrålbehandling
Gammastrålar används ibland för att behandla cancertumörer i kroppen genom att skada tumörcellernas DNA. Stor försiktighet måste dock iakttas, eftersom gammastrålar även kan skada DNA i omgivande friska vävnadsceller.
Ett sätt att maximera dosen till cancercellerna och samtidigt minimera exponeringen av friska vävnader är att rikta flera gammastrålar från en linjäraccelerator, eller linac, mot målområdet från många olika håll. Detta är funktionsprincipen för CyberKnife- och Gamma Knife-behandlingar.
Gamma Knife radiokirurgi använder specialiserad utrustning för att fokusera nära 200 små strålstrålar på en tumör eller ett annat mål i hjärnan. Varje enskild stråle har mycket liten effekt på den hjärnvävnad den passerar genom, men en stark stråldos levereras i den punkt där strålarna möts, enligt Mayo Clinic.
Gammastrålningsastronomi
En av de mer intressanta källorna till gammastrålar är gammastrålningsutbrott (GRBs). Dessa är extremt högenergihändelser som varar från några millisekunder till flera minuter. De observerades för första gången på 1960-talet, och de observeras nu någonstans på himlen ungefär en gång om dagen.
Gammastrålningsutbrott är ”den mest energirika formen av ljus”, enligt NASA. De lyser hundratals gånger starkare än en typisk supernova och ungefär en miljon triljon gånger så starkt som solen.
Enligt Robert Patterson, professor i astronomi vid Missouri State University, trodde man en gång i tiden att GRBs kom från de sista stadierna av avdunstande mini svarta hål. Nu tror man att de uppstår i kollisioner mellan kompakta objekt som neutronstjärnor. Andra teorier tillskriver dessa händelser till kollapsen av supermassiva stjärnor för att bilda svarta hål.
I båda fallen kan GRBs producera tillräckligt med energi för att under några sekunder överglänsa en hel galax. Eftersom jordens atmosfär blockerar de flesta gammastrålar kan de bara ses med hjälp av ballonger på hög höjd och teleskop i omloppsbana.
Fortsatt läsning: