Raze gamma
Raze gamma, radiație electromagnetică cu cea mai scurtă lungime de undă și cea mai mare energie.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Razele gamma sunt produse în dezintegrarea nucleelor atomice radioactive și în dezintegrarea anumitor particule subatomice. Definițiile general acceptate ale regiunilor de raze gamma și raze X din spectrul electromagnetic includ o anumită suprapunere a lungimilor de undă, radiațiile gamma având lungimi de undă care sunt, în general, mai mici de câteva zecimi de angstrom (10-10 metri), iar fotonii de raze gamma având energii mai mari de câteva zeci de mii de electroni-volți (eV). Nu există o limită superioară teoretică pentru energiile fotonilor de raze gamma și nici o limită inferioară pentru lungimile de undă ale razelor gamma; energiile observate în prezent se întind până la câteva trilioane de electronvolți – acești fotoni de energie extrem de mare sunt produși în surse astronomice prin mecanisme neidentificate în prezent.
Termenul de raze gamma a fost inventat de fizicianul britanic Ernest Rutherford în 1903, în urma unor studii timpurii asupra emisiilor nucleelor radioactive. La fel cum atomii au niveluri energetice discrete asociate cu diferite configurații ale electronilor care orbitează, nucleele atomice au structuri de niveluri energetice determinate de configurațiile protonilor și neutronilor care constituie nucleele. În timp ce diferențele de energie între nivelurile energetice atomice sunt de obicei cuprinse între 1 și 10-eV, diferențele de energie în nuclee se încadrează de obicei între 1 keV (mii de electronvolți) și 10-MeV (milioane de electronvolți). Atunci când un nucleu face o tranziție de la un nivel energetic ridicat la un nivel energetic inferior, se emite un foton pentru a transporta excesul de energie; diferențele dintre nivelurile energetice nucleare corespund lungimilor de undă ale fotonilor din regiunea razelor gamma.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)See all videos for this article
Când un nucleu atomic instabil se dezintegrează într-un nucleu mai stabil (vezi radioactivitate), nucleul „fiică” este uneori produs într-o stare excitată. Relaxarea ulterioară a nucleului „fiică” într-o stare de energie mai mică duce la emiterea unui foton de raze gamma. Spectroscopia cu raze gamma, care implică măsurarea precisă a energiilor fotonilor de raze gamma emiși de diferite nuclee, poate stabili structurile nivelurilor energetice nucleare și permite identificarea urmelor de elemente radioactive prin intermediul emisiilor de raze gamma. Razele gamma sunt, de asemenea, produse în procesul important de anihilare a perechilor, în care un electron și antiparticula sa, un pozitron, dispar și se creează doi fotoni. Fotonii sunt emiși în direcții opuse și trebuie să transporte fiecare 511 keV de energie – energia masei de repaus (a se vedea masa relativistă) a electronului și a pozitronului. Razele gamma pot fi, de asemenea, generate în dezintegrarea unor particule subatomice instabile, cum ar fi pionul neutru.
Fotonii de raze gamma, ca și omologii lor cu raze X, sunt o formă de radiație ionizantă; atunci când trec prin materie, ei își depun de obicei energia eliberând electroni din atomi și molecule. În intervalele de energie mai mici, un foton de raze gamma este adesea absorbit complet de un atom, iar energia razei gamma este transferată către un singur electron ejectat (a se vedea efectul fotoelectric). Este mai probabil ca razele gamma de energie mai mare să se împrăștie de la electronii atomici, depunând o fracțiune din energia lor în fiecare eveniment de împrăștiere (a se vedea efectul Compton). Metodele standard de detectare a razelor gamma se bazează pe efectele electronilor atomici eliberați în gaze, cristale și semiconductori (a se vedea măsurarea radiațiilor și contor cu scintilații).
Razele gamma pot interacționa și cu nucleele atomice. În procesul de producere a perechilor, un foton de raze gamma cu o energie care depășește de două ori energia masei de repaus a electronului (mai mare de 1,02 MeV), atunci când trece în apropierea unui nucleu, este transformat direct într-o pereche electron-pozitron (vezi fotografie). La energii și mai mari (mai mari de 10 MeV), o rază gamma poate fi absorbită direct de un nucleu, provocând ejectarea de particule nucleare (vezi fotodezintegrare) sau scindarea nucleului într-un proces cunoscut sub numele de fotofiziune.
Prin amabilitatea Lawrence Berkeley Laboratory, University of California, Berkeley
Aplicațiile medicale ale razelor gamma includ tehnica valoroasă de imagistică a tomografiei prin emisie de pozitroni (PET) și radioterapiile eficiente pentru tratarea tumorilor canceroase. În cadrul unei tomografii PET, se injectează în organism un produs farmaceutic radioactiv cu emisie de pozitroni de scurtă durată, ales datorită participării sale la un anumit proces fiziologic (de exemplu, funcționarea creierului). Positronii emiși se combină rapid cu electronii din apropiere și, prin anihilarea perechilor, dau naștere la două raze gamma de 511 keV care se deplasează în direcții opuse. După detectarea razelor gamma, o reconstrucție generată pe calculator a locațiilor emisiilor de raze gamma produce o imagine care evidențiază locația procesului biologic examinat.
Ca radiație ionizantă care pătrunde adânc, razele gamma provoacă modificări biochimice semnificative în celulele vii (a se vedea leziuni cauzate de radiații). Radioterapiile se folosesc de această proprietate pentru a distruge selectiv celulele canceroase în tumori mici localizate. Izotopii radioactivi sunt injectați sau implantați în apropierea tumorii; razele gamma care sunt emise în mod continuu de nucleele radioactive bombardează zona afectată și opresc dezvoltarea celulelor maligne.
Supravegherea aeriană a emisiilor de raze gamma de la suprafața Pământului caută minerale care conțin urme de elemente radioactive, cum ar fi uraniul și toriul. Spectroscopia de raze gamma aeriană și terestră este folosită pentru a sprijini cartografierea geologică, explorarea mineralelor și identificarea contaminării mediului. Razele gamma au fost detectate pentru prima dată din surse astronomice în anii 1960, iar astronomia cu raze gamma este în prezent un domeniu de cercetare bine stabilit. Ca și în cazul studiului razelor X astronomice, observațiile cu raze gamma trebuie să se facă deasupra atmosferei puternic absorbante a Pământului – de obicei cu ajutorul sateliților pe orbită sau al baloanelor de mare altitudine (vezi telescop: Telescoape cu raze gamma). Există multe surse astronomice de raze gamma intrigante și slab înțelese, inclusiv surse punctiforme puternice identificate provizoriu ca pulsari, quasari și rămășițe de supernove. Printre cele mai fascinante fenomene astronomice neexplicate se numără așa-numitele explozii de raze gamma – emisii scurte și extrem de intense de la surse care sunt aparent distribuite izotropic pe cer.
.