Raggio gamma
Raggio gamma, radiazione elettromagnetica della lunghezza d’onda più corta e della massima energia.
Encyclopædia Britannica, Inc.
I raggi gamma sono prodotti nella disintegrazione dei nuclei atomici radioattivi e nel decadimento di alcune particelle subatomiche. Le definizioni comunemente accettate delle regioni dei raggi gamma e dei raggi X dello spettro elettromagnetico includono alcune sovrapposizioni di lunghezza d’onda, con la radiazione gamma che ha lunghezze d’onda che sono generalmente più corte di alcuni decimi di angstrom (10-10 metri) e fotoni di raggi gamma che hanno energie che sono maggiori di decine di migliaia di elettronvolt (eV). Non esiste un limite superiore teorico alle energie dei fotoni gamma e nessun limite inferiore alle lunghezze d’onda dei raggi gamma; le energie osservate attualmente si estendono fino a qualche trilione di elettronvolt – questi fotoni ad altissima energia sono prodotti in fonti astronomiche attraverso meccanismi attualmente non identificati.
Il termine raggio gamma fu coniato dal fisico britannico Ernest Rutherford nel 1903 in seguito ai primi studi sulle emissioni dei nuclei radioattivi. Proprio come gli atomi hanno livelli di energia discreti associati a diverse configurazioni degli elettroni orbitanti, i nuclei atomici hanno strutture di livelli di energia determinati dalle configurazioni dei protoni e dei neutroni che costituiscono i nuclei. Mentre le differenze di energia tra i livelli di energia atomici sono tipicamente nell’intervallo da 1 a 10-eV, le differenze di energia nei nuclei di solito cadono nell’intervallo da 1keV (mille elettronvolt) a 10-MeV (milioni di elettronvolt). Quando un nucleo fa una transizione da un livello di alta energia a un livello di energia inferiore, viene emesso un fotone per trasportare l’energia in eccesso; le differenze di livello energetico nucleare corrispondono a lunghezze d’onda dei fotoni nella regione dei raggi gamma.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Vedi tutti i video per questo articolo
Quando un nucleo atomico instabile decade in un nucleo più stabile (vedi radioattività), il nucleo “figlio” viene talvolta prodotto in uno stato eccitato. Il successivo rilassamento del nucleo figlio in uno stato di energia inferiore porta all’emissione di un fotone a raggi gamma. La spettroscopia a raggi gamma, che comporta la misurazione precisa delle energie dei fotoni gamma emessi da diversi nuclei, può stabilire le strutture dei livelli energetici nucleari e permette l’identificazione di elementi radioattivi in tracce attraverso le loro emissioni di raggi gamma. I raggi gamma sono anche prodotti nell’importante processo di annichilazione di coppia, in cui un elettrone e la sua antiparticella, un positrone, svaniscono e vengono creati due fotoni. I fotoni sono emessi in direzioni opposte e devono portare ciascuno 511 keV di energia, l’energia della massa a riposo (vedi massa relativistica) dell’elettrone e del positrone. I raggi gamma possono anche essere generati nel decadimento di alcune particelle subatomiche instabili, come il pione neutro.
I fotoni gamma, come le loro controparti a raggi X, sono una forma di radiazione ionizzante; quando attraversano la materia, di solito depositano la loro energia liberando elettroni da atomi e molecole. Alle gamme di energia più basse, un fotone gamma è spesso completamente assorbito da un atomo e l’energia del raggio gamma viene trasferita ad un singolo elettrone espulso (vedi effetto fotoelettrico). I raggi gamma ad alta energia hanno maggiori probabilità di disperdersi dagli elettroni atomici, depositando una frazione della loro energia in ogni evento di scattering (vedi effetto Compton). I metodi standard per la rilevazione dei raggi gamma si basano sugli effetti degli elettroni atomici liberati nei gas, nei cristalli e nei semiconduttori (vedi misurazione della radiazione e contatore a scintillazione).
I raggi gamma possono anche interagire con i nuclei atomici. Nel processo di produzione di coppie, un fotone gamma con un’energia superiore al doppio dell’energia di massa a riposo dell’elettrone (maggiore di 1,02 MeV), quando passa vicino a un nucleo, è direttamente convertito in una coppia elettrone-positrone (vedi fotografia). Ad energie ancora più alte (maggiori di 10 MeV), un raggio gamma può essere direttamente assorbito da un nucleo, causando l’espulsione di particelle nucleari (vedi fotodisintegrazione) o la scissione del nucleo in un processo noto come fotofissione.
Per gentile concessione del Lawrence Berkeley Laboratory, Università della California, Berkeley
Le applicazioni mediche dei raggi gamma includono la preziosa tecnica di imaging della tomografia a emissione di positroni (PET) e le efficaci radioterapie per trattare i tumori cancerosi. In una scansione PET, un farmaco radioattivo emettitore di positroni di breve durata, scelto per la sua partecipazione a un particolare processo fisiologico (ad esempio, la funzione cerebrale), viene iniettato nel corpo. I positroni emessi si combinano rapidamente con gli elettroni vicini e, attraverso l’annichilazione di coppia, danno origine a due raggi gamma 511-keV che viaggiano in direzioni opposte. Dopo il rilevamento dei raggi gamma, una ricostruzione generata dal computer delle posizioni delle emissioni di raggi gamma produce un’immagine che evidenzia la posizione del processo biologico in esame.
Come radiazione ionizzante profondamente penetrante, i raggi gamma causano significativi cambiamenti biochimici nelle cellule viventi (vedi danno da radiazione). Le radioterapie sfruttano questa proprietà per distruggere selettivamente le cellule cancerose in piccoli tumori localizzati. Gli isotopi radioattivi sono iniettati o impiantati vicino al tumore; i raggi gamma che sono continuamente emessi dai nuclei radioattivi bombardano l’area interessata e arrestano lo sviluppo delle cellule maligne.
Indagini aeree delle emissioni di raggi gamma dalla superficie terrestre cercano minerali contenenti tracce di elementi radioattivi come uranio e torio. La spettroscopia a raggi gamma aerea e terrestre viene impiegata per supportare la mappatura geologica, l’esplorazione mineraria e l’identificazione della contaminazione ambientale. I raggi gamma sono stati rilevati per la prima volta da fonti astronomiche negli anni ’60, e l’astronomia a raggi gamma è ora un campo di ricerca ben consolidato. Come per lo studio dei raggi X astronomici, le osservazioni dei raggi gamma devono essere effettuate al di sopra dell’atmosfera fortemente assorbente della Terra, tipicamente con satelliti orbitanti o palloni aerostatici ad alta quota (vedi telescopio: Telescopi per raggi gamma). Ci sono molte sorgenti astronomiche di raggi gamma intriganti e poco conosciute, incluse potenti sorgenti puntiformi identificate provvisoriamente come pulsar, quasar e resti di supernova. Tra i fenomeni astronomici inspiegabili più affascinanti ci sono i cosiddetti gamma-ray burst, emissioni brevi ed estremamente intense da sorgenti che sono apparentemente distribuite isotropicamente nel cielo.