Raios gama
Raios gama, radiação electromagnética do menor comprimento de onda e maior energia.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Raios gama são produzidos na desintegração de núcleos atômicos radioativos e na decadência de certas partículas subatômicas. As definições comumente aceitas das regiões de raios gama e raios X do espectro eletromagnético incluem alguma sobreposição de comprimentos de onda, com radiação de raios gama tendo comprimentos de onda geralmente mais curtos que alguns décimos de um angstrom (10-10 metros) e fótons de raios gama tendo energias que são maiores que dezenas de milhares de elétrons volts (eV). Não existe um limite teórico superior para as energias dos fótons de raios gama e nenhum limite inferior para os comprimentos de onda de raios gama; as energias observadas atualmente se estendem até alguns trilhões de elétrons volts – esses fótons de energia extremamente alta são produzidos em fontes astronômicas através de mecanismos atualmente não identificados.
O termo raio gama foi cunhado pelo físico britânico Ernest Rutherford em 1903, após estudos iniciais das emissões de núcleos radioativos. Assim como os átomos têm níveis discretos de energia associados a diferentes configurações dos elétrons em órbita, os núcleos atômicos têm estruturas de nível de energia determinadas pelas configurações dos prótons e nêutrons que constituem os núcleos. Enquanto as diferenças de energia entre os níveis de energia atômica estão tipicamente na faixa de 1- a 10-eV, as diferenças de energia nos núcleos geralmente caem na faixa de 1-keV (mil elétrons-volts) a 10-MeV (milhões de elétrons-volts). Quando um núcleo faz uma transição de um nível de alta energia para um nível de baixa energia, um fóton é emitido para transportar o excesso de energia; as diferenças de nível de energia nuclear correspondem aos comprimentos de onda dos fótons na região da radiação gama.
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Quando um núcleo atômico instável decai para um núcleo mais estável (veja radioatividade), o núcleo “filha” às vezes é produzido em estado excitado. O subsequente relaxamento do núcleo filhas para um estado de menor energia resulta na emissão de um fotão de raios gama. A espectroscopia de raios gama, envolvendo a medição precisa das energias dos fótons de raios gama emitidos por diferentes núcleos, pode estabelecer estruturas a nível de energia nuclear e permite a identificação de elementos radioativos vestigiais através de suas emissões de raios gama. Os raios gama também são produzidos no importante processo de aniquilação de pares, no qual um elétron e sua antipartícula, um positron, desaparecem e dois fótons são criados. Os fótons são emitidos em direções opostas e cada um deve carregar 511 keV de energia – a energia da massa de repouso (ver massa relativista) do elétron e do positron. Os raios gama também podem ser gerados na decomposição de algumas partículas subatômicas instáveis, tais como o pioneiro neutro.
Fótons de raios X, como seus homólogos de raios X, são uma forma de radiação ionizante; quando passam através da matéria, geralmente depositam sua energia liberando elétrons de átomos e moléculas. Nas faixas de energia mais baixas, um fotão de raios gama é muitas vezes completamente absorvido por um átomo e a energia dos raios gama é transferida para um único electrão ejectado (ver efeito fotoeléctrico). Os raios gama de energia mais elevados são mais susceptíveis de se dispersarem a partir dos electrões atómicos, depositando uma fracção da sua energia em cada evento de dispersão (ver efeito Compton). Métodos padrão para a detecção de raios gama são baseados nos efeitos dos elétrons atômicos liberados em gases, cristais e semicondutores (ver medição de radiação e contador de cintilação).
Raios gama também podem interagir com núcleos atômicos. No processo de produção de pares, um fotão de raios gama com uma energia superior ao dobro da energia de massa restante do electrão (superior a 1,02 MeV), ao passar próximo de um núcleo, é directamente convertido num par electrão-positrão (ver fotografia). Em energias ainda mais elevadas (superiores a 10 MeV), um raio gama pode ser directamente absorvido por um núcleo, provocando a ejecção de partículas nucleares (ver fotodisintegração) ou a divisão do núcleo num processo conhecido como fotofissão.
Cortesia do Laboratório Lawrence Berkeley, Universidade da Califórnia, Berkeley
As aplicações medicinais dos raios gama incluem a valiosa técnica de imagem de tomografia por emissão de pósitrons (PET) e terapias de radiação eficazes para tratar tumores cancerígenos. Em uma tomografia PET, um fármaco radioativo pósitrônico de curta duração, escolhido devido à sua participação em um processo fisiológico particular (por exemplo, a função cerebral), é injetado no corpo. Os pósitrons emitidos rapidamente se combinam com elétrons próximos e, através da aniquilação de pares, dão origem a dois raios gama de 511-keV que viajam em direções opostas. Após a detecção dos raios gama, uma reconstrução gerada por computador das localizações das emissões de raios gama produz uma imagem que realça a localização do processo biológico a ser examinado.
Como uma radiação ionizante profundamente penetrante, os raios gama causam alterações bioquímicas significativas nas células vivas (ver lesão por radiação). As terapias por radiação fazem uso desta propriedade para destruir seletivamente células cancerosas em pequenos tumores localizados. Isótopos radioativos são injetados ou implantados perto do tumor; raios gama que são continuamente emitidos pelo núcleo radioativo bombardeiam a área afetada e interrompem o desenvolvimento das células malignas.
Levantamentos aéreos das emissões de raios gama da superfície terrestre em busca de minerais contendo elementos radioativos vestigiais, tais como urânio e tório. A espectroscopia aérea e terrestre de raios gama é empregada para apoiar o mapeamento geológico, exploração mineral e identificação de contaminação ambiental. Os raios gama foram detectados pela primeira vez a partir de fontes astronômicas nos anos 60, e a astronomia de raios gama é hoje um campo de pesquisa bem estabelecido. Tal como no estudo dos raios X astronómicos, as observações de raios gama devem ser feitas acima da atmosfera fortemente absorvente da Terra – tipicamente com satélites em órbita ou balões de alta altitude (ver telescópio: telescópios de raios gama). Existem muitas fontes de raios gama intrigantes e mal compreendidas, incluindo poderosas fontes pontuais, tentadamente identificadas como pulsares, quasares e restos de supernovas. Entre os fenômenos astronômicos mais fascinantes e inexplicáveis estão os chamados raios gama, as emissões extremamente intensas de fontes aparentemente isotrópicas distribuídas no céu.