Gamma-straal
Gamma-straal, elektromagnetische straling van de kortste golflengte en hoogste energie.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Gammastralen worden geproduceerd bij de desintegratie van radioactieve atoomkernen en bij het verval van bepaalde subatomaire deeltjes. De algemeen aanvaarde definities van de gamma- en röntgengebieden van het elektromagnetisch spectrum omvatten enige overlapping van golflengten, waarbij gammastraling golflengten heeft die over het algemeen korter zijn dan enkele tienden van een angstrom (10-10 meter) en gammastraalfotonen energieën hebben die groter zijn dan tienduizenden elektronvolts (eV). Er is geen theoretische bovengrens voor de energie van gammastraalfotonen en geen ondergrens voor de golflengte van gammastralen; de waargenomen energieën lopen momenteel op tot enkele triljoenen elektronvolt – deze fotonen met extreem hoge energie worden geproduceerd in astronomische bronnen door middel van nog niet geïdentificeerde mechanismen.
De term gammastraal werd in 1903 bedacht door de Britse natuurkundige Ernest Rutherford na vroege studies van de emissies van radioactieve kernen. Net zoals atomen discrete energieniveaus hebben die geassocieerd zijn met verschillende configuraties van de ronddraaiende elektronen, hebben atoomkernen structuren van energieniveaus die bepaald worden door de configuraties van de protonen en neutronen waaruit de kernen bestaan. Terwijl de energieverschillen tussen atomaire energieniveaus gewoonlijk in het 1- tot 10-eV-bereik liggen, vallen de energieverschillen in atoomkernen gewoonlijk in het 1-keV-bereik (duizend elektronvolt) tot het 10-MeV-bereik (miljoen elektronvolt). Wanneer een kern een overgang maakt van een hoog energieniveau naar een lager energieniveau, wordt een foton uitgezonden om de overtollige energie af te voeren; de verschillen in nucleaire energieniveaus komen overeen met foton-golflengten in het gamma-ray gebied.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Bekijk alle video’s bij dit artikel
Wanneer een onstabiele atoomkern vervalt in een stabielere kern (zie radioactiviteit), wordt de “dochter”-kern soms in een aangeslagen toestand geproduceerd. De daaropvolgende relaxatie van de dochterkern tot een lagere energietoestand resulteert in de emissie van een gammastraal foton. Met gammastralenspectroscopie, waarbij de energie van door verschillende kernen uitgezonden gammastralenfotonen nauwkeurig wordt gemeten, kunnen structuren van kernenergieniveaus worden vastgesteld en kunnen radioactieve sporenelementen worden geïdentificeerd aan de hand van hun gammastralingsemissies. Gammastralen worden ook geproduceerd in het belangrijke proces van paarannihilatie, waarbij een elektron en zijn antideeltje, een positron, verdwijnen en twee fotonen worden gecreëerd. De fotonen worden in tegengestelde richting uitgezonden en moeten elk 511 keV aan energie bevatten – de rustmassa-energie (zie relativistische massa) van het elektron en het positron. Gammastralen kunnen ook worden opgewekt bij het verval van sommige onstabiele subatomaire deeltjes, zoals de neutrale pion.
Gammastraalfotonen zijn, net als hun tegenhangers van röntgenstraling, een vorm van ioniserende straling; wanneer ze door materie gaan, geven ze hun energie gewoonlijk af door elektronen vrij te maken uit atomen en moleculen. Bij de lagere energiebereiken wordt een gammastraal foton vaak volledig geabsorbeerd door een atoom en wordt de energie van de gammastraal overgedragen op een enkel uitgeworpen elektron (zie foto-elektrisch effect). Gammastralen met een hogere energie hebben meer kans om te verstrooien van de atomaire elektronen, waarbij een fractie van hun energie in elke verstrooiing wordt afgezet (zie Compton-effect). Standaardmethoden voor de detectie van gammastralen zijn gebaseerd op de effecten van de vrijgekomen atomaire elektronen in gassen, kristallen en halfgeleiders (zie stralingsmeting en scintillatieteller).
Gammastralen kunnen ook interageren met atoomkernen. In het proces van paarproductie wordt een gammastraalfoton met een energie van meer dan tweemaal de rustmassa-energie van het elektron (meer dan 1,02 MeV), wanneer het in de buurt van een kern komt, rechtstreeks omgezet in een elektron-positronpaar (zie foto). Bij nog hogere energieën (meer dan 10 MeV) kan een gammastraal rechtstreeks door een kern worden geabsorbeerd, waardoor kerndeeltjes worden uitgeworpen (zie fotodisintegratie) of de kern wordt gesplitst in een proces dat bekend staat als fotofissie.
Met dank aan het Lawrence Berkeley Laboratory, Universiteit van Californië, Berkeley
Medische toepassingen van gammastralen zijn onder meer de waardevolle beeldvormingstechniek positronemissietomografie (PET) en doeltreffende bestralingstherapieën om kankergezwellen te behandelen. Bij een PET-scan wordt een kortlevend positronuitstotend radioactief farmaceuticum, dat is gekozen vanwege zijn rol in een bepaald fysiologisch proces (bv. hersenfunctie), in het lichaam geïnjecteerd. De uitgezonden positronen combineren zich snel met nabije elektronen en geven, door paarsgewijze annihilatie, aanleiding tot twee gammastralen van 511 kV die in tegengestelde richting bewegen. Na detectie van de gammastralen levert een computergegenereerde reconstructie van de plaatsen van de gammastraaluitstoot een beeld op dat de plaats van het onderzochte biologische proces duidelijk maakt.
Als ioniserende straling die diep doordringt, veroorzaken gammastralen aanzienlijke biochemische veranderingen in levende cellen (zie stralingsschade). Stralingstherapieën maken gebruik van deze eigenschap om kankercellen in kleine gelokaliseerde tumoren selectief te vernietigen. Radioactieve isotopen worden in de buurt van de tumor geïnjecteerd of geïmplanteerd; de gammastralen die continu door de radioactieve kernen worden uitgezonden, bombarderen het getroffen gebied en stoppen de ontwikkeling van de kwaadaardige cellen.
Surveys van gammastralen afkomstig van het aardoppervlak zoeken naar mineralen die sporen van radioactieve elementen bevatten, zoals uranium en thorium. Gammastralenspectroscopie vanuit de lucht en vanaf de grond wordt gebruikt ter ondersteuning van geologische kartering, de opsporing van mineralen en de identificatie van milieuverontreiniging. Gammastralen werden voor het eerst gedetecteerd vanuit astronomische bronnen in de jaren 1960, en gammastraling-astronomie is nu een gevestigd onderzoeksgebied. Net als bij de studie van astronomische röntgenstraling moeten waarnemingen aan gammastralen worden gedaan boven de sterk absorberende atmosfeer van de aarde – meestal met satellieten in een baan om de aarde of ballonnen op grote hoogte (zie telescoop: Gamma-ray telescopes). Er zijn veel intrigerende en slecht begrepen astronomische gammastraalbronnen, waaronder krachtige puntbronnen die voorlopig geïdentificeerd zijn als pulsars, quasars, en supernovarestanten. Tot de meest fascinerende onverklaarde astronomische verschijnselen behoren de zogenaamde gammastraaluitbarstingen – korte, extreem intense emissies van bronnen die schijnbaar isotroop aan de hemel verspreid zijn.