Promienie gamma są formą promieniowania elektromagnetycznego, podobnie jak fale radiowe, promieniowanie podczerwone, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i mikrofale. Promienie gamma mogą być stosowane w leczeniu raka, a rozbłyski gamma są badane przez astronomów.
Promieniowanie elektromagnetyczne (EM) jest przenoszone falami lub cząsteczkami o różnych długościach fal i częstotliwościach. Ten szeroki zakres długości fal jest znany jako widmo elektromagnetyczne. Widmo jest ogólnie podzielone na siedem regionów w kolejności malejącej długości fali oraz rosnącej energii i częstotliwości. Typowe oznaczenia to fale radiowe, mikrofale, podczerwień (IR), światło widzialne, ultrafioletowe (UV), promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.
Promienie gamma mieszczą się w zakresie widma EM powyżej miękkich promieni rentgenowskich. Promienie gamma mają częstotliwości większe niż około 1018 cykli na sekundę, lub herców (Hz), i długości fali mniejsze niż 100 pikometrów (pm) lub 4 x 10 ^ 9 cali. (Pikometr to jedna bilionowa część metra).
Promienie gamma i twarde promieniowanie X pokrywają się w widmie EM, co może utrudniać ich różnicowanie. W niektórych dziedzinach, takich jak astrofizyka, w widmie rysowana jest dowolna linia, w której promienie powyżej określonej długości fali są klasyfikowane jako promienie X, a promienie o krótszych długościach fali są klasyfikowane jako promienie gamma. Zarówno promienie gamma, jak i rentgenowskie mają wystarczającą ilość energii, aby spowodować uszkodzenie żywej tkanki, ale prawie wszystkie kosmiczne promienie gamma są blokowane przez atmosferę ziemską.
Odkrycie promieni gamma
Według australijskiej Agencji Ochrony przed Promieniowaniem i Bezpieczeństwa Jądrowego (ARPANSA) promienie gamma zostały po raz pierwszy zaobserwowane w 1900 r. Przez francuskiego chemika Paula Villarda, gdy badał promieniowanie z radu. Kilka lat później urodzony w Nowej Zelandii chemik i fizyk Ernest Rutherford zaproponował nazwę „promienie gamma” zgodnie z kolejnością promieni alfa i beta - nazw nadanych innym cząsteczkom powstającym podczas reakcji jądrowej - i nazwa utknęła .
Źródła i efekty promieniowania gamma
Promienie gamma są wytwarzane głównie przez cztery różne reakcje jądrowe: fuzję, rozszczepienie, rozpad alfa i rozpad gamma.
Fuzja jądrowa to reakcja, która zasila słońce i gwiazdy. Występuje w wieloetapowym procesie, w którym cztery protony lub jądra wodoru są zmuszane w ekstremalnej temperaturze i ciśnieniu do stopienia się w jądro helu, które zawiera dwa protony i dwa neutrony. Powstałe jądro helu jest około 0,7 procent mniej masywne niż cztery protony, które weszły w reakcję. Ta różnica masy jest przekształcana w energię, zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E = mc ^ 2, przy czym około dwie trzecie tej energii jest emitowane jako promienie gamma. (Reszta ma postać neutrin, które są wyjątkowo słabo oddziałującymi cząsteczkami o prawie zerowej masie.) W późniejszych stadiach życia gwiazdy, kiedy skończy jej się paliwo wodorowe, może tworzyć coraz bardziej masywne pierwiastki poprzez fuzję, w górę do żelaza włącznie, ale reakcje te wytwarzają malejącą ilość energii na każdym etapie.
Innym znanym źródłem promieniowania gamma jest rozszczepienie jądrowe. Lawrence Berkeley National Laboratory definiuje rozszczepienie jądra atomowego jako podział ciężkiego jądra na dwie w przybliżeniu równe części, które są następnie zarodkami lżejszych pierwiastków. W tym procesie, który obejmuje zderzenia z innymi cząsteczkami, ciężkie jądra, takie jak uran i pluton, są rozkładane na mniejsze elementy, takie jak ksenon i stront. Powstałe cząstki z tych zderzeń mogą następnie uderzyć w inne ciężkie jądra, wywołując reakcję łańcuchową jądra. Energia jest uwalniana, ponieważ łączna masa powstałych cząstek jest mniejsza niż masa pierwotnego ciężkiego jądra. Ta różnica masy jest przekształcana na energię, zgodnie z E = mc ^ 2, w postaci energii kinetycznej mniejszych jąder, neutrin i promieni gamma.
Inne źródła promieniowania gamma to rozpad alfa i rozpad gamma. Rozpad alfa ma miejsce, gdy ciężkie jądro emituje jądro helu-4, zmniejszając jego liczbę atomową o 2 i masę atomową o 4. Proces ten może pozostawić jądro z nadmiarem energii, która jest emitowana w postaci promieniowania gamma. Rozpad gamma występuje, gdy w jądrze atomu znajduje się zbyt dużo energii, co powoduje, że emituje on promień gamma bez zmiany jego ładunku lub składu masy.
Terapia promieniami gamma
Promienie gamma są czasami stosowane w leczeniu nowotworów nowotworowych w organizmie poprzez uszkodzenie DNA komórek nowotworowych. Jednak należy zachować szczególną ostrożność, ponieważ promienie gamma mogą również uszkodzić DNA otaczających zdrowych komórek tkankowych.
Jednym ze sposobów maksymalizacji dawki komórek rakowych przy jednoczesnym zminimalizowaniu narażenia na zdrowe tkanki jest skierowanie wielu wiązek promieniowania gamma z akceleratora liniowego lub liniaka na region docelowy z wielu różnych kierunków. Jest to zasada działania terapii CyberKnife i Gamma Knife.
Radiochirurgia za pomocą noża gamma wykorzystuje specjalistyczny sprzęt do skupienia blisko 200 niewielkich wiązek promieniowania na guzie lub innym celu w mózgu. Każda pojedyncza wiązka ma bardzo niewielki wpływ na przechodzącą przez nią tkankę mózgową, ale silna dawka promieniowania jest dostarczana w punkcie, w którym wiązki się spotykają, zgodnie z Mayo Clinic.
Astronomia promieniowania gamma
Jednym z bardziej interesujących źródeł promieniowania gamma są rozbłyski gamma (GRB). Są to zdarzenia o bardzo wysokiej energii, które trwają od kilku milisekund do kilku minut. Po raz pierwszy zaobserwowano je w latach 60. XX wieku, a teraz obserwuje się je gdzieś na niebie mniej więcej raz dziennie.
Według NASA impulsy gamma są „najbardziej energetyczną formą światła”. Świecą setki razy jaśniej niż typowa supernowa i około miliona bilionów razy jaśniej niż słońce.
Według Roberta Pattersona, profesora astronomii na Missouri State University, kiedyś uważano, że GRB pochodzą z ostatnich etapów odparowywania mini czarnych dziur. Uważa się, że obecnie powstają one w zderzeniach zwartych obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe. Inne teorie przypisują te wydarzenia zawaleniu się supermasywnych gwiazd, tworząc czarne dziury.
W obu przypadkach GRB mogą wytworzyć wystarczającą ilość energii, która przez kilka sekund może przyćmić całą galaktykę. Ponieważ atmosfera ziemska blokuje większość promieni gamma, można je zobaczyć tylko z balonami na dużych wysokościach i orbitującymi teleskopami.
Dalsza lektura:
