Rayos gamma
Rayos gamma, radiación electromagnética de la más corta longitud de onda y de la más alta energía.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Los rayos gamma se producen en la desintegración de los núcleos atómicos radiactivos y en la desintegración de ciertas partículas subatómicas. Las definiciones comúnmente aceptadas de las regiones de los rayos gamma y de los rayos X del espectro electromagnético incluyen un cierto solapamiento de longitudes de onda, ya que la radiación de rayos gamma tiene longitudes de onda que son generalmente más cortas que unas pocas décimas de un angstrom (10-10 metros) y los fotones de rayos gamma tienen energías que son mayores que decenas de miles de electronvoltios (eV). No existe un límite superior teórico para las energías de los fotones de rayos gamma ni un límite inferior para las longitudes de onda de los rayos gamma; las energías observadas en la actualidad se extienden hasta unos pocos billones de electronvoltios; estos fotones de energía extremadamente alta se producen en fuentes astronómicas a través de mecanismos actualmente no identificados.
El término rayo gamma fue acuñado por el físico británico Ernest Rutherford en 1903 tras los primeros estudios de las emisiones de los núcleos radiactivos. Al igual que los átomos tienen niveles de energía discretos asociados a diferentes configuraciones de los electrones en órbita, los núcleos atómicos tienen estructuras de niveles de energía determinadas por las configuraciones de los protones y neutrones que constituyen los núcleos. Mientras que las diferencias de energía entre los niveles de energía atómicos suelen estar en el rango de 1 a 10 eV, las diferencias de energía en los núcleos suelen estar en el rango de 1 keV (mil voltios de electrones) a 10 MeV (millones de voltios de electrones). Cuando un núcleo hace una transición de un nivel de alta energía a un nivel de menor energía, se emite un fotón para transportar el exceso de energía; las diferencias de nivel de energía nuclear corresponden a longitudes de onda de fotones en la región de los rayos gamma.
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Cuando un núcleo atómico inestable decae en un núcleo más estable (ver radiactividad), el núcleo «hijo» se produce a veces en un estado excitado. La posterior relajación del núcleo hijo a un estado de menor energía da lugar a la emisión de un fotón de rayos gamma. La espectroscopia de rayos gamma, que implica la medición precisa de las energías de los fotones de rayos gamma emitidos por diferentes núcleos, puede establecer estructuras de niveles de energía nuclear y permite la identificación de elementos radiactivos traza a través de sus emisiones de rayos gamma. Los rayos gamma también se producen en el importante proceso de aniquilación de pares, en el que un electrón y su antipartícula, un positrón, desaparecen y se crean dos fotones. Los fotones se emiten en direcciones opuestas y deben llevar cada uno 511 keV de energía -la energía de la masa en reposo (véase masa relativista) del electrón y del positrón. Los rayos gamma también pueden generarse en la desintegración de algunas partículas subatómicas inestables, como el pión neutro.
Los fotones de rayos gamma, al igual que sus homólogos de rayos X, son una forma de radiación ionizante; cuando atraviesan la materia, suelen depositar su energía liberando electrones de los átomos y las moléculas. En los rangos de energía más bajos, un fotón de rayos gamma suele ser absorbido completamente por un átomo y la energía del rayo gamma se transfiere a un solo electrón expulsado (véase efecto fotoeléctrico). Los rayos gamma de mayor energía son más propensos a dispersarse de los electrones atómicos, depositando una fracción de su energía en cada evento de dispersión (ver efecto Compton). Los métodos estándar para la detección de los rayos gamma se basan en los efectos de los electrones atómicos liberados en gases, cristales y semiconductores (véase medición de la radiación y contador de centelleo).
Los rayos gamma también pueden interactuar con los núcleos atómicos. En el proceso de producción de pares, un fotón de rayos gamma con una energía superior al doble de la energía de masa en reposo del electrón (superior a 1,02 MeV), al pasar cerca de un núcleo, se convierte directamente en un par electrón-positrón (ver fotografía). A energías aún mayores (superiores a 10 MeV), un rayo gamma puede ser absorbido directamente por un núcleo, provocando la eyección de partículas nucleares (véase fotodisgregación) o la división del núcleo en un proceso conocido como fotofisión.
Cortesía del Laboratorio Lawrence Berkeley, de la Universidad de California, Berkeley
Las aplicaciones médicas de los rayos gamma incluyen la valiosa técnica de imagen de la tomografía por emisión de positrones (PET) y las eficaces radioterapias para tratar tumores cancerosos. En una PET, se inyecta en el cuerpo un fármaco radiactivo de corta duración que emite positrones, elegido por su participación en un proceso fisiológico concreto (por ejemplo, la función cerebral). Los positrones emitidos se combinan rápidamente con los electrones cercanos y, mediante la aniquilación de pares, dan lugar a dos rayos gamma de 511 keV que viajan en direcciones opuestas. Tras la detección de los rayos gamma, una reconstrucción generada por ordenador de las localizaciones de las emisiones de rayos gamma produce una imagen que resalta la localización del proceso biológico que se está examinando.
Como radiación ionizante profundamente penetrante, los rayos gamma causan cambios bioquímicos significativos en las células vivas (véase lesión por radiación). Las radioterapias aprovechan esta propiedad para destruir selectivamente las células cancerosas en pequeños tumores localizados. Se inyectan o implantan isótopos radiactivos cerca del tumor; los rayos gamma que emiten continuamente los núcleos radiactivos bombardean la zona afectada y detienen el desarrollo de las células malignas.
Los estudios aéreos de las emisiones de rayos gamma de la superficie de la Tierra buscan minerales que contengan trazas de elementos radiactivos como el uranio y el torio. La espectroscopia de rayos gamma aérea y terrestre se emplea para apoyar la cartografía geológica, la exploración de minerales y la identificación de la contaminación ambiental. Los rayos gamma se detectaron por primera vez a partir de fuentes astronómicas en la década de 1960, y la astronomía de rayos gamma es ahora un campo de investigación bien establecido. Al igual que el estudio de los rayos X astronómicos, las observaciones de los rayos gamma deben realizarse por encima de la atmósfera de la Tierra, que absorbe mucho, normalmente con satélites en órbita o globos de gran altitud (véase telescopio: telescopios de rayos gamma). Hay muchas fuentes astronómicas de rayos gamma intrigantes y poco conocidas, entre ellas potentes fuentes puntuales identificadas provisionalmente como púlsares, cuásares y restos de supernovas. Entre los fenómenos astronómicos inexplicables más fascinantes se encuentran los llamados estallidos de rayos gamma: emisiones breves y extremadamente intensas procedentes de fuentes aparentemente distribuidas de forma isotrópica en el cielo.