Raze gamma

În fizica nucleară , razele gamma , adesea indicate cu litera greacă minusculă corespunzătoare γ, sunt radiații electromagnetice produse de decăderea radioactivă a nucleelor atomice .

Sunt radiații de înaltă frecvență și sunt printre cele mai periculoase pentru oameni, ca toate radiațiile ionizante . Pericolul derivă din faptul că sunt unde cu energie ridicată capabile să afecteze iremediabil moleculele care alcătuiesc celulele, ducându-le să dezvolte mutații genetice sau chiar la moarte .

Pe Pământ putem observa surse naturale de raze gamma atât în decăderea radionuclizilor, cât și în interacțiunile razelor cosmice cu atmosfera ; mai rar chiar și fulgerul produce această radiație.

Istorie și descoperire

Ernest Rutherford la Universitatea McGill în 1905

Primele surse de raze gamma au fost observate în dezintegrarea gamma , un proces în care un nucleu excitat se descompune prin emiterea acestei radiații imediat după formare. Primul care i-a observat a fost Paul Villard , chimist și fizician francez, în 1900, în timp ce studia radiațiile emise de radiu . Ulrich Villard a înțeles că această radiație a fost mai pătrunzătoare decât altele observate în radiu, cum ar fi razele beta (observate de Henri Becquerel în 1896) sau razele alfa (observate de Ernest Rutherford în 1899). Cu toate acestea, Villard nu a denumit această radiație cu un nume diferit ^[1] ^[2] .

Radiația gamma a fost recunoscută ca o radiație fundamentală diferită de Rutherford în 1903 și a fost numită după a treia literă a alfabetului grecesc, care urmează alfa și beta ^[3] . Pe lângă capacitatea de penetrare mai mare a razelor gamma, Rutherford a observat, de asemenea, că acestea din urmă nu au fost deviate de câmpul magnetic . Razele gamma au fost considerate inițial ca particule (Rutherford însuși a crezut că sunt particule beta foarte rapide), dar diferite observații, cum ar fi reflexia de pe suprafața unui cristal (1914) ^[4] , au arătat că este vorba de radiație electromagnetică . ^[4]

Rutherford și colaboratorul său Edward Andrade au măsurat mai întâi lungimea de undă a razelor gamma emise de radiu, obținând valori mai mici decât cele ale razelor beta, deci o frecvență mai mare . Razele gamma din dezintegrările nucleare sunt emise sub forma unui singur foton .

Caracteristici și proprietăți

Luna văzută de la Observatorul Compton Gamma Ray cu raze gamma de peste 20 MeV. Acestea sunt produse de bombardamente cu raze cosmice pe suprafața sa ^[5] .

În mod normal, frecvența acestei radiații este mai mare de 10 ²⁰ Hz, prin urmare are o energie de peste 100 keV și o lungime de undă mai mică de 3x10 ⁻¹³ m, mult mai mică decât diametrul unui atom . Au fost de asemenea studiate interacțiunile care implică energia razelor gamma de la TeV la PeV ^[6] . În astronomie , razele gamma sunt definite în funcție de energia lor și există, de asemenea, raze gamma mai mari de 10 TeV , o frecvență mai mare decât cea care provine din orice dezintegrare radioactivă ^[7] .

Razele gamma sunt mai penetrante decât radiațiile produse de alte forme de dezintegrare radioactivă, și anume decăderea alfa și decăderea beta , datorită tendinței mai mici de a interacționa cu materia. Radiația gamma este formată din fotoni : aceasta este o diferență substanțială față de radiația alfa care este formată din nuclei de heliu și radiația beta care este alcătuită din electroni ; fotonii , neavând masă, sunt mai puțin ionizante . La aceste frecvențe, descrierea fenomenelor interacțiunilor dintre câmpul electromagnetic și materie nu poate ignora mecanica cuantică : în aceasta din urmă, cuantele poartă o energie egală cu:

E_{\gamma }=h\nu \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,con\,\,h=6,62617\times 10^{-34}\,J\cdot s

{\ displaystyle E _ {\ gamma} = h \ nu \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \ , cu \, \, h = 6.62617 \ ori 10 ^ {- 34} \, J \ cdot s}

{\ displaystyle E _ {\ gamma} = h \ nu \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, , cu \, \, h = 6.62617 \ ori 10 ^ {- 34} \, J \ cdot s}

Constanta lui Planck . ^[8]

Razele gamma se disting de razele X prin originea lor: gama este produsă prin tranziții nucleare sau, în orice caz, subatomice, în timp ce razele X sunt produse prin tranziții de energie datorită electronilor care din nivelurile externe de energie cuantificată intră în mai multe niveluri interne de energie liberă. Deoarece este posibil ca unele tranziții electronice să depășească energiile unor tranziții nucleare, frecvența razelor X mai energice poate fi mai mare decât cea a razelor gamma mai puțin energetice. De fapt, însă, ambele sunt unde electromagnetice, la fel și undele radio și lumina.

Emisiile de raze gamma prezintă interes științific în acceleratoarele de particule naturale, cum ar fi rămășițele supernovei cu energie ridicată, sistemele binare compuse din stele normale și obiecte compacte, cum ar fi stelele de neutroni sau găurile negre și nucleii galactici activi, care conțin tot centrul lor masiv găuri negre (mase de până la câteva milioane de mase solare). Pentru studiul lor, a fost început experimentul GLAST , un telescop orbitant sensibil la radiațiile gamma. În plus față de GLAST, există mai multe observatoare terestre Čerenkov care sunt capabile să captureze indirect raze gamma de energii foarte mari, chiar mai mari decât cele pe care GLAST le poate detecta, care provin din cele mai active regiuni ale universului .

Scutire

Protecția cu raze requires necesită materiale mult mai groase decât cele necesare pentru a proteja particulele α și β care pot fi blocate de o simplă foaie de hârtie (α) sau o placă metalică subțire (β). Razele gamma sunt mai bine absorbite de materialele cu un număr atomic mare și densitate mare: de fapt, dacă este necesar 1 cm de plumb pentru a reduce intensitatea unei raze gamma cu 50%, același efect are loc cu 6 cm de beton sau 9 cm de pământ presat. Materialele de protecție sunt de obicei măsurate prin grosimea necesară pentru a reduce la jumătate intensitatea radiației. Evident, cu cât este mai mare energia fotonică , cu atât este mai mare grosimea ecranului necesar. Prin urmare, sunt necesare ecrane groase pentru protecția oamenilor, deoarece razele gamma și razele X produc efecte precum arsuri , forme de cancer și mutații genetice . De exemplu, în centralele nucleare se utilizează oțel și ciment în vasul de izolare a particulelor pentru protecție, iar apa asigură protecție împotriva radiațiilor produse în timpul depozitării tijei de combustibil sau în timpul transportului miezului reactorului.

Interacțiuni cu materia

Ciclul CNO

Când o rază gamma trece prin materie, probabilitatea de absorbție este proporțională cu grosimea stratului, densitatea materialului și secțiunea transversală de absorbție. Se observă că absorbția totală are o intensitate exponențial descrescătoare cu distanța de la suprafața incidenței:

I(x)=I_{0}\cdot e^{-\mu x}

{\ displaystyle I (x) = I_ {0} \ cdot e ^ {- \ mu x}}

{\ displaystyle I (x) = I_ {0} \ cdot e ^ {- \ mu x}}

unde x este grosimea materialului suprafeței incidente, μ = n σ este coeficientul de absorbție , măsurat în cm ^-1 , n este numărul de atomi pe cm ³ (densitatea atomică) și σ este secțiunea transversală măsurată în cm ² .

În ceea ce privește ionizarea , radiația gamma interacționează cu materia în trei moduri principale: efectul fotoelectric , efectul Compton și producerea de perechi electron-pozitron .

Efect fotoelectric : apare atunci când un foton gamma interacționează cu un electron , practic intern, care orbitează în jurul unui atom și îi transferă toată energia acestuia, având ca rezultat expulzarea electronului din atom. Energia cinetică a „fotoelectronului” rezultat este egală cu energia fotonului gamma incident minus energia de legare a electronului. Efectul fotoelectric este mecanismul principal pentru interacțiunea fotonilor gamma și X sub 50 keV (mii de electroni volți ), dar este mult mai puțin important la energiile superioare.

Compton de împrăștiere : un foton gamma incident expulzează un electron dintr-un atom, similar cu cazul anterior, dar energia suplimentară a fotonului este convertită într-un foton gamma nou, mai puțin energetic, cu o direcție diferită de fotonul original (dispersie, pentru aceasta este termenul împrăștiere). Probabilitatea împrăștierii Compton scade odată cu creșterea energiei fotonice. Acesta este principalul mecanism de absorbție a razelor gamma în domeniul energiilor „medii”, între 100 keV și 10 MeV , unde se încadrează cea mai mare parte a radiației gamma produse de o explozie nucleară. Mecanismul este relativ independent de numărul atomic al materialului absorbant.

Producția de perechi : interacționând cu câmpul electromagnetic al nucleului , energia fotonului incident este convertită în masa unei perechi de electroni / pozitroni (un pozitron este un electron încărcat pozitiv). Energia care depășește masa de repaus a celor două particule (1,02 MeV) apare ca energia cinetică a perechii și a nucleului. Electronul perechii, numit de obicei electron secundar, este extrem de ionizant. Pozitronul are o durată scurtă de viață: se recombină în decurs de 10 ⁻⁸ secunde cu un electron liber, dând viață unei perechi de fotoni gamma cu o energie de 0,51 MeV emise fiecare la 180 ° pentru a satisface principiul conservării cantității de mișcare . Recombinarea particulelor și a antiparticulelor se numește anihilare . Acest mecanism devine posibil cu energii mai mari de 1,02 MeV și devine un mecanism important de absorbție cu energii mai mari de 5 MeV .

Electronii secundari produși într-unul dintre aceste trei mecanisme au adesea suficientă energie pentru a se ioniza și. În plus, razele gamma, în special cele cu energie ridicată, pot interacționa cu nucleii atomici emițând particule ( fotodisintegrare ) sau posibil producând fisiune nucleară (fotofisiune).

Interacțiunea cu lumina

Razele gamma de mare energie (80 GeV până la ~ 10 TeV ) de la quasarele foarte îndepărtate sunt utilizate pentru a estima lumina de fundal extragalactică la care se face referire adesea prin acronimul EBL . Această radiație, care nu trebuie confundată cu radiația cosmică de fond , se datorează atât tuturor radiațiilor acumulate în univers în timpul formării stelelor, cât și datorită nucleelor galactice active . Razele de mare energie interacționează cu fotonii luminii de fundal extragalactic și din estimarea atenuării lor densitatea luminii de fundal poate fi dedusă și prin analiza spectrului razelor gamma de intrare. ^[9] ^[10]

Convenții de denumire și suprapuneri în terminologie

Un accelerator liniar utilizat în radioterapie

În trecut, distincția dintre razele X și razele gamma se baza pe energie: o radiație electromagnetică de mare energie a fost considerată o rază gamma. Cu toate acestea, razele X moderne produse de acceleratorii lineari pentru tratamentul cancerului au adesea o energie mai mare (de la 4 la 25 Mev ) decât cea a razelor gamma clasice produse de dezintegrarea nucleară . Technetium-99m , unul dintre cei mai frecvenți izotopi cu emisie de gamma utilizată în medicina nucleară, produce radiații la aceeași energie (140 keV ) ca o mașină de diagnosticare cu raze X , dar mult mai mică decât cea a fotonilor terapeutici ai unui accelerator liniar. Astăzi, în comunitatea medicală, este încă respectată convenția conform căreia radiațiile produse de dezintegrarea nucleară sunt singurul tip de radiații numite gamma.

Datorită suprapunerii intervalelor de energie din fizică astăzi, cele două tipuri de radiații sunt definite în funcție de originea lor: razele X sunt emise de electroni (atât din orbital , cât și de bremsstrahlung ) ^{[11] în} timp ce razele gamma sunt produse de nuclee , prin evenimente de descompunere a particulelor sau prin evenimente de anihilare . Deoarece nu există o limită inferioară pentru energia fotonilor produsă de reacțiile nucleare , chiar și razele ultraviolete , de exemplu, ar putea fi definite ca raze gamma ^[12] . Singura convenție de denumire care este încă respectată universal este aceea că radiația electromagnetică despre care știm că este de origine nucleară este întotdeauna definită ca „rază gamma” și niciodată ca rază X. Cu toate acestea, în fizică și astronomie, această convenție este adesea încălcată.

Supernova SN1987A

În astronomie , radiațiile electromagnetice sunt definite de energie , deoarece procesul care le-a produs poate fi incert, în timp ce energia fotonilor este determinată de detectoarele astronomice ^[13] . Datorită acestei incertitudini privind originea, în astronomie vorbim de raze gamma chiar și după evenimente non-radioactive. Pe de altă parte, supernova SN 1987A , care emite raze gamma din decăderea nichelului-56 și a cobaltului-56 , este un caz astronomic al unui eveniment radioactiv.

În literatura astronomică există tendința de a scrie „raze gamma” cu cratimă, spre deosebire de razele α sau β . Această notație este menită să sublinieze originea non-nucleară a majorității razelor gamma astronomice.

Interacțiuni biologice

Măsurarea efectului ionizant al razelor gamma se măsoară prin diferite cifre de merit.

Expunerea este cantitatea de sarcină ionizată produsă, în unități de masă.
- Coulombul pe kilogram (C / kg) este unitatea de măsură din sistemul internațional de unități (SI) de expunere la radiații, este cantitatea de radiație necesară pentru a crea 1 coulomb de încărcare pentru fiecare polaritate în 1 kilogram de materie.
- Röntgen (R) este unitatea de măsură din sistemul CGS pentru expunere, care reprezintă cantitatea necesară pentru a crea 1 esu de încărcare pentru fiecare polaritate în 1 centimetru cub de aer uscat; 1 röntgen = 2,58x10 ^-4 C / kg.
Doza absorbită este cantitatea de energie eliberată de rază în materie, pe unitate de masă; prin urmare, cu corectarea cuvenită, este cel mai indicativ parametru pentru măsurarea deteriorării unei raze asupra materiei biologice.
- Gri (Gy), care este echivalent cu joule per kilogram (J / kg), este unitatea de măsură a dozei absorbite în SI , corespunde cantității de radiație necesară pentru a depune 1 joule de energie pe 1 kilogram de fiecare tip de materie.
- Rad este o unitate de măsură învechită a sistemului CGS , echivalent numeric cu 0,01 jouli pe 1 kilogram de materie (100 rad = 1 Gy).

Doza echivalentă este un rafinament al dozei, obținut prin înmulțirea acestuia cu un factor de pericol adimensional, bazat pe tipul de radiație: pentru razele gamma, este 1, în timp ce este diferit pentru razele alfa și foarte mare de exemplu pentru n raze. Mărimea dozei echivalente este aceeași cu doza, dar pentru a nu fi confundată este măsurată cu alte unități de măsură:
- Sievertul (Sv) este unitatea de măsură a dozei echivalente în SI , pentru razele gamma fiind factorul de pericol egal cu unul, coincide cu doza absorbită în gri.
- Rem este o unitate de măsură învechită a sistemului CGS pentru doza echivalentă, pentru razele gamma este echivalentă numeric cu doza absorbită în rad; 1 Sv = 100 rem.
Doza eficientă este un rafinament suplimentar al dozei: întrucât diferitele țesuturi biologice au o radiosensibilitate diferită, pentru a caracteriza mai bine efectele radiațiilor, se înmulțește un factor de risc suplimentar care depinde de țesutul în cauză. Unitățile de măsură sunt aceleași: sievert și rem. ^[14]

În ceea ce privește efectele asupra corpului, atunci când radiația gamma sparge molecula ADN , celula poate fi capabilă să repare, în limite, materialul genetic deteriorat. Un studiu realizat de Rothkamm și Lobrich a arătat că acest proces de reparare funcționează bine după expunerea la doze mari, dar este mai lent în cazul expunerilor scurte ^[15] .

Dezintegrarea radioactivă

Schema de descompunere a cobaltului -60

Razele gamma sunt adesea produse împreună cu alte forme de radiații, cum ar fi alfa și beta. Când un nucleu emite o particulă α sau β , nucleul rezultat se află într-o stare excitată . Poate trece la un nivel de energie mai stabil prin emiterea unui foton gamma, în același mod în care un electron poate trece la un nivel inferior prin emiterea unui foton optic. Acest proces se numește „ dezintegrare gamma ”.

Un proces de acest gen are în mod normal timpi caracteristici de ^10-12 sec și poate apărea și după o reacție nucleară, cum ar fi fisiunea , fuziunea sau captarea neutronilor . În unele cazuri, aceste stări excitate pot fi mai stabile decât media (se numesc stări de excitare metastabile ) și decăderea lor poate dura de cel puțin 100 sau 1000 de ori mai mult. Acești nuclei excitați cu o durată de viață deosebită sunt numiți izomeri nucleari, iar degradarea lor se numește tranziție izomerică . Unora dintre ei le este ușor să măsoare timpul de înjumătățire, deoarece pot rămâne în aceste stări excitate minute, ore, zile și, ocazional, multe altele. Aceste stări se caracterizează și printr-o rotație nucleară ridicată. Rata de descompunere gamma este, de asemenea, încetinită dacă energia de excitație este scăzută. ^[16]

Iată un exemplu de producție de raze gamma:

Mai întâi, un nucleu de cobalt-60 se descompune într-un nichel-60 excitat prin degradare beta, emițând un electron la 0,31 MeV . Apoi, nichelul-60 se descompune în starea fundamentală emitând raze gamma succesiv la 1,17 MeV urmat de 1,33 MeV . Aceasta este calea urmată în 99,88% din cazuri:

{}_{27}^{60}{\hbox{Co}}\rightarrow {}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}^{*}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}

{\ displaystyle {} _ {27} ^ {60} {\ hbox {Co}} \ rightarrow {} _ {28} ^ {60} {\ hbox {Ni}} ^ {*} + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}

{} ^ {60} _ {27} \ hbox {Co} \ rightarrow {} ^ {60} _ {28} \ hbox {Ni} ^ {*} + e ^ - + \ bar {\ nu} _e

{}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}^{*}\;\to \;{}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}\;+\gamma

{\ displaystyle {} _ {28} ^ {60} {\ hbox {Ni}} ^ {*} \; \ to \; {} _ {28} ^ {60} {\ hbox {Ni}} \; + \ gamma}

{} ^ {60} _ {28} \ hbox {Ni} ^ {*} \; \ to \; {} ^ {60} _ {28} \ hbox {Ni} \; + \ gamma

unde este ${\bar {\nu }}_{e}$ ${\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$ ${\ bar {\ nu}} _ {e}$ este antineutrinul electronic . În unele cazuri, spectrul de emisii gamma este destul de simplu, în timp ce în alte cazuri poate fi, de asemenea, foarte complex.

Surse de raze gamma non-nucleare

Fotonii din surse astrofizice care transportă o energie prezentă în intervalul gamma se numesc radiații gamma. Acestea sunt adesea produse de particule subatomice sau interacțiuni particule- fotoni, cum ar fi anihilarea electron - pozitroni , dezintegrarea pionului neutru, radiația bremsstrahlung și / sau sincrotronul .

Redați fișierul media

Punctele roșii indică unele dintre cele ~ 500 de explozii de raze gamma terestre detectate zilnic de telescopul spațial cu raze gamma Fermi până în 2010

Furtuni terestre : Furtunile pot produce impulsuri scurte de radiații gamma, care sunt numite „ pâlpâiri pământești ”. Se crede că aceste raze gamma sunt produse de intensitatea ridicată a câmpului electrostatic care accelerează electronii, apoi încetinit de coliziuni cu ceilalți atomi prezenți în atmosferă . Furtunile pot genera raze gamma de intensitate de până la 100 MeV . Acestea ar putea reprezenta un risc pentru sănătate pentru pasagerii și echipajul de la bordul aeronavelor care zboară în zonele de interes ^[17] .

raze cosmice : în univers , razele gamma de mare energie includ și cele de fundal produse atunci când razele cosmice ( protoni sau electroni de mare viteză) se ciocnesc cu materia obișnuită provocând o producție de cuplu de radiație de 511 keV . Alternativ, atunci când razele cosmice interacționează cu nuclee cu un număr atomic ridicat, există bremsstrahlung care produce energii de zeci de MeV .

Imagine a întregului cer cu raze gamma cu energii mai mari de 100 MeV, văzută de instrumentul EGRET la bordul telescopului spațial GRO . Punctele luminoase de pe planul galactic sunt pulsare, în timp ce cele de deasupra sau dedesubt sunt considerate a fi quasare .

Pulsarii și magnetari : pulsarii sunt neutronice stele cu un câmp magnetic care produce un fascicul concentrat de radiație. Aceste obiecte stelare au un câmp magnetic relativ durabil, care produce fascicule de particule încărcate la viteze relativiste; particule care, la impactul cu gaz sau praf în imediata vecinătate, sunt decelerate prin emiterea razelor gamma. Un alt mecanism de producție a radiațiilor sunt magnetarii (stele de neutroni cu un câmp magnetic foarte intens) despre care se crede că reprezintă repetori astronomici ai razelor gamma slabe.

Cvasarele și galaxiile active : Se crede că cele mai intense raze gamma de la cvasarele foarte îndepărtate și galaxiile active din apropiere au un mecanism de producție similar cu cel al acceleratorilor de particule . Găurile negre supermasive din centrul acestor galaxii par a fi surse puternice care distrug intermitent stelele și concentrează particulele încărcate rezultate în fascicule care ies din polii lor. Când aceste grinzi interacționează cu gaz, praf sau fotoni cu energie redusă, produc raze X și raze gamma. Aceste surse fluctuează cu o perioadă de câteva săptămâni. Aceste obiecte reprezintă cel mai frecvent văzut mecanism de producere a razelor gamma în afara galaxiei noastre și strălucesc cu relativă continuitate. Puterea unui quasar tipic este de 10 ⁴⁰ wați, din care doar o mică parte este radiație gamma; restul este emis sub formă de unde electromagnetice de orice frecvență (inclusiv unde radio ).

O ilustrare artistică care arată viața unei stele masive. Când fuziunea nucleară generează o presiune insuficientă pentru a echilibra gravitația , steaua se prăbușește rapid, creând o gaură neagră . Teoretic energia poate fi eliberată în timpul prăbușirii de-a lungul axei de rotație formând o explozie de lungă durată.

Explozii cu raze gamma : sunt cele mai puternice surse ale oricărui tip de radiație electromagnetică . Cele de lungă durată sunt foarte rare în comparație cu sursele enumerate mai sus; dimpotrivă, se crede că cele de scurtă durată produc raze gamma în timpul coliziunii unei perechi de stele de neutroni sau a unei stele de neutroni și a unei găuri negre . Acestea din urmă durează câteva secunde sau mai puțin și au o energie mai mică decât exploziile de lungă durată. ^[18] Au fost observate și evenimente neobișnuite, precum cele înregistrate în 2011 de satelitul Swift , în care exploziile au fost foarte intense și neregulate. Aceste evenimente au durat o zi și au fost urmate de luni de emisii intense de raze X. ^[19]

Așa-numitele explozii de „durată lungă” produc o energie de 10 ⁴⁴ jouli (aceeași energie pe care o produce Soarele nostru în întreaga sa viață) într-un timp de numai 20-40 de secunde. Din această cantitate de energie eliberată, razele gamma reprezintă aproximativ 50%. Principalele ipoteze cu privire la acest mecanism de explozie sunt împrăștierea Compton și radiația sincrotronă datorată particulelor încărcate de energie mare. Aceste procese sunt activate atunci când particulele încărcate relativiste părăsesc orizontul de evenimente al găurii negre nou formate. Fasciculul de particule este concentrat timp de câteva zeci de secunde de câmpul magnetic al hipernovei care explodează. Dacă fasciculul este îndreptat spre Pământ și oscilează cu o anumită intensitate, acesta poate fi detectat chiar și la distanțe de zece miliarde de ani lumină , foarte aproape de marginea universului vizibil.

Spectroscopie gamma

Deoarece descompunerea beta este însoțită de emisia unui neutrino , care transportă o cantitate variabilă de energie , spectrul de emisie beta nu are linii ascuțite. Aceasta înseamnă că nu este posibil să se descrie diferitele niveluri de energie ale miezului folosind doar energiile de dezintegrare beta .

Spectroscopia gamma este studiul tranziției energetice a unui nucleu atomic , o tranziție care este în general asociată cu absorbția sau emisia unei raze gamma. Ca și în spectroscopia optică ( principiul Franck-Condon ), absorbția unei raze gamma de către un nucleu este mult mai probabilă atunci când energia razei este apropiată de energia de tranziție. În acest caz, rezonanța poate fi văzută prin tehnica Mössbauer . În efectul Mössbauer, rezonanța absorbției gamma poate fi obținută din nucleii atomici imobilizați fizic într-un cristal . Imobilizarea atomului este necesară pentru ca energia gamma să nu se piardă din cauza reculului. Cu toate acestea, atunci când un atom emite raze gamma care transportă substanțial toată energia atomică, este suficient să se excite un al doilea atom imobilizat în aceeași stare energetică.

Utilizări

Razele gamma oferă o mulțime de informații despre cele mai energice fenomene ale universului . Deoarece cea mai mare parte a radiației este absorbită de atmosfera Pământului , instrumentele de detectare sunt montate la bordul baloanelor de mare altitudine sau al sateliților , cum ar fi telescopul spațial cu raze gamma Fermi , oferindu-ne singura noastră imagine a universului de raze. gamă.

Raze gamma utilizate la vamă în SUA

Natura energetică a razelor gamma le-a făcut utile pentru sterilizarea echipamentelor medicale, deoarece ucid cu ușurință bacteriile printr-un proces numit iradiere. Această capacitate bactericidă le face utile și în sterilizarea pachetelor alimentare.

Razele gamma sunt utilizate pentru unele teste de diagnosticare a medicinei nucleare , cum ar fi tomografia cu emisie de pozitroni (PET). Dozele absorbite în aceste cazuri sunt considerate a nu fi foarte periculoase, în comparație cu beneficiul adus de informațiile furnizate de test. În PET, se folosește adesea fludeoxiglucoza , un zahăr radioactiv, care emite pozitroni care anihilează cu electroni producând perechi de raze gamma care evidențiază cancerul (deoarece celulele canceroase au adesea o rată metabolică mai mare decât țesuturile din jur). Cel mai comun emițător utilizat în medicină este izomerul nuclear de tehneziu-99m , deoarece emite radiații de aceeași gamă de energie ca și raze X de diagnostic. Un'altra procedura medica per il trattamento del cancro è la 'chirurgia a coltello-Gamma' in cui i fasci di raggi gamma vengono indirizzati da angoli diversi per concentrare la radiazione e per minimizzare il danno al tessuto circostante.

I cambiamenti indotti dai raggi gamma possono essere anche usati per alterare le proprietà di pietre semi-preziose, ad esempio per cambiare il topazio in topazio blu.

A irradiazione mediante raggi gamma sono anche sottoposte cultivar di interesse agroalimentare, per indurre mutazioni genetiche migliorative nel loro genoma : in questo modo, ad esempio, nel grano si sono ottenute caratteristiche di resistenza alle avversità poi trasfuse per incrocio nella varietà Creso , a seguito del lavoro dei genetisti del Centro della Casaccia CNEN , ora ENEA ^[20] .

Valutazione dei rischi

In Gran Bretagna l'esposizione naturale all'aria aperta varia da 0,1 a 0,5 μSv/h con un aumento presso i siti contaminati noti ^[21] . L'esposizione naturale ai raggi gamma va da 1 a 2 mSv all'anno; la radiazione media ricevuta in un anno da un cittadino USA è di 3,6 mSv ^[22] . La dose aumenta leggermente a causa dell'incremento della radiazione gamma naturale intorno alle particelle di materiale di alto numero atomico presenti nel corpo umano, incremento dovuto all'effetto fotoelettrico. ^[23]

In confronto la dose di radiazione di una radiografia al petto (0,06 mSv) è una frazione della dose annuale naturale ^[24] . Una TC al torace emette da 5 a 8 mSv, mentre una PET total body emette da 14 a 32 mSv a seconda del protocollo. ^[25] La dose emessa da una fluoroscopia allo stomaco è molto maggiore, intorno a 50 mSv.

Una singola esposizione a una dose di 1 Sv causa dei lievi cambiamenti nel sangue mentre una dose di 2,0-3,5 Sv può causare nausea, perdita di capelli, emorragie e anche la morte in una apprezzabile percentuale dei casi (senza cure mediche dal 10% al 35%). Una dose di 5 Sv ^[26] (5 Gy) è considerata approssimativamente la LD $_{50}$ $_{50}$ $_{50}$ (dose letale per il 50% della popolazione esposta) anche con un trattamento medico standard. Una dose superiore a 5 Sv causa una crescente probabilità di morte maggiore al 50%. Un'esposizione di 7,5-10 Sv su tutto il corpo provoca la morte dell'individuo anche se sottoposto a un trattamento medico straordinario come il trapianto di midollo osseo ; tuttavia alcune parti del corpo possono essere esposte anche a dosi maggiori durante particolari terapie ( radioterapia ).

Per l'esposizione a basse dosi, ad esempio tra i lavoratori nucleari che ricevono una dose media annuale di 19 mSv, viene stimato che il rischio di morte per cancro aumenti del 2% (esclusa la leucemia ); in confronto il rischio di morte per cancro per i sopravvissuti dei bombardamenti atomici di Hiroshima e Nagasaki è aumentato del 32% ^[27] .

Note

^ P. Villard, Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium , in Comptes rendus , vol. 130, 1900, pp. 1010-1012. "Sur le rayonnement du radium,"
^ Michael F. L'Annunziata, Radioactivity: introduction and history , Elsevier BV, Amsterdam 2007, Olanda, pp.55–58, ISBN 978-0-444-52715-8
^ E. Rutherford, The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium , in Philosophical Magazine , vol. 5, 1903, pp. 177-187, DOI : 10.1086/318321 .
^ ^a ^b Rays and Particles , su galileo.phys.virginia.edu . URL consultato il 27 agosto 2013 .
^ CGRO SSC >> EGRET Detection of Gamma Rays from the Moon , su heasarc.gsfc.nasa.gov . URL consultato l'8 novembre 2011 .
^ M. Ahlers, K. Murase, Probing the Galactic origin of the IceCube excess with gamma rays , 2014, pp. 1-14, DOI : 10.1086/318321 .
^ F. Aharonian, J. Akhperjanian, J. Barrio, K. Bernlohr, H. Borst, H. Bojahr, O. Bolz, J. Contreras, J. Cortina, S.Denninghoff, V. Fonseca, J. Gonzalez, N. Gotting, G. Heinzelmann, G. Hermann, A. Heusler, W. Hofmann, D. Horns, C. Iserlohe, A. Ibarra, I. Jung, R. Kankanyan, M. Kestel, J. Kettler, A. Kohnle, A. Konopelko, H. Kornmeyer, D. Kranich, H. Krawczynski, H. Lampeitl, The TeV Energy Spectrum of Markarian 501 Measured with the Stereoscopic Telescope System of HEGRA durante il 1998 e il 1999 , in The Astrophysical Journal , vol. 546, 2001, pp. 898-902.
^ C. Mencuccini e V. Silvestrini, Fisica II - Elettromagnetismo e Ottica , Liguori Editore, Quarta edizione italiana 2006.
^ RK Bock, Very-High-Energy Gamma Rays from a Distant Quasar: How Transparent Is the Universe? , in The Astrophysical Journal , vol. 320, 2008, pp. 1752-1754, Bibcode : 2008Sci...320.1752M , DOI : 10.1126/science.1157087 .
^ A. Domínguez et. al. All the Light There Ever Was , Scientific American 312, 38-43 (2015)
^ "La radiazione di Bremsstrahlung" è "la radiazione di frenamento", nel senso specifico di deviazione di un elettrone dalla sua traiettoria: Raymond A Serway, College Physics , Belmont, CA, Brooks Cole, 2009, p. 876 , ISBN 978-0-03-023798-0 .
^ Webb, OF, Shaw, RW, Cooper, SP, Young, JP, Spontaneous Ultraviolet Emission from ²³³ Uranium/ ²²⁹ Thorium Samples , in Physical Review Letters , vol. 82, n. 6, 1999, pp. 1109-1111, Bibcode : 1999PhRvL..82.1109S , DOI : 10.1103/PhysRevLett.82.1109 .
^ Gamma-Ray Telescopes & Detectors , su imagine.gsfc.nasa.gov , NASA GSFC. URL consultato il 22 novembre 2011 .
^ prof. Batignani, Appunti per Fisica3 .
^ K. Rothkamm, M. Löbrich, Evidence for a lack of DNA double-strand break repair in human cells exposed to very low x-ray doses , in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , vol. 100, 2003, pp. 5057-5062, Bibcode : 2003PNAS..100.5057R , DOI : 10.1073/pnas.0830918100 .
^ Gamma decay review Archiviato il 5 aprile 2014 in Internet Archive . Accessed Sept. 29, 2014
^ J. Smith, DM Smith, Deadly Rays From Clouds , in Scientific American , vol. 307, 2012, pp. 55-59, DOI : 10.1038/scientificamerican0812-54 .
^ NASA - In a Flash NASA Helps Solve 35-year-old Cosmic Mystery Announcement of first close study of a short gamma-ray burst.
^ SB Cenko, N. Gehrels, Divoratore di soli, distruttore di mondi. , in Le Scienze , vol. 586, giugno 2017, pp. 26-33.
^ Bozzini, A.; Mosconi, C., Creso - a new durum wheat of interesting agronomic features , in Genetica Agraria , vol. 30, n. 2, settembre 1976, pp. 153-162.
^ ENVIRONMENT AGENCY UK Radioactivity in Food and the Environment , 2012
^ United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Annex E: Medical radiation exposures – Sources and Effects of Ionizing – 1993, p. 249, New York, UN
^ JE Pattison, RP Hugtenburg, S. Green, Enhancement of natural background gamma-radiation dose around uranium microparticles in the human body , in Journal of the Royal Society Interface , vol. 7, 2009, pp. 603-611, DOI : 10.1098/rsif.2009.0300 .
^ US National Council on Radiation Protection and Measurements – NCRP Report No. 93 – pp 53–55, 1987. Bethesda, Maryland, USA, NCRP
^ PET/CT total radiation dose calculations. ( PDF ), su radiology.rsna.org . URL consultato l'8 novembre 2011 (archiviato dall' url originale il 23 gennaio 2013) .
^ "Lethal dose" , NRC Glossary (October 18, 2011)
^ E. Cardis, Risk of cancer after low doses of ionising radiation: retrospective cohort study in 15 countries , in BMJ , vol. 331, 2005, p. 77, DOI : 10.1136/bmj.38499.599861.E0 .

Voci correlate

Altri progetti

Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su raggi gamma

Collegamenti esterni

( EN ) Raggi gamma / Raggi gamma (altra versione) , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controllo di autorità	Thesaurus BNCF 27385 · LCCN ( EN ) sh85052990 · GND ( DE ) 4019205-2 · NDL ( EN , JA ) 00562232

Portale Elettromagnetismo : accedi alle voci di Wikipedia che trattano di elettromagnetismo

[1] P. Villard, Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium , in Comptes rendus , vol. 130, 1900, pp. 1010-1012. "Sur le rayonnement du radium,"

[2] Michael F. L'Annunziata, Radioactivity: introduction and history , Elsevier BV, Amsterdam 2007, Olanda, pp.55–58, ISBN 978-0-444-52715-8

[3] E. Rutherford, The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium , in Philosophical Magazine , vol. 5, 1903, pp. 177-187, DOI : 10.1086/318321 .

[RaP-4] Rays and Particles , su galileo.phys.virginia.edu . URL consultato il 27 agosto 2013 .

[5] CGRO SSC >> EGRET Detection of Gamma Rays from the Moon , su heasarc.gsfc.nasa.gov . URL consultato l'8 novembre 2011 .

[6] M. Ahlers, K. Murase, Probing the Galactic origin of the IceCube excess with gamma rays , 2014, pp. 1-14, DOI : 10.1086/318321 .

[7] F. Aharonian, J. Akhperjanian, J. Barrio, K. Bernlohr, H. Borst, H. Bojahr, O. Bolz, J. Contreras, J. Cortina, S.Denninghoff, V. Fonseca, J. Gonzalez, N. Gotting, G. Heinzelmann, G. Hermann, A. Heusler, W. Hofmann, D. Horns, C. Iserlohe, A. Ibarra, I. Jung, R. Kankanyan, M. Kestel, J. Kettler, A. Kohnle, A. Konopelko, H. Kornmeyer, D. Kranich, H. Krawczynski, H. Lampeitl, The TeV Energy Spectrum of Markarian 501 Measured with the Stereoscopic Telescope System of HEGRA durante il 1998 e il 1999 , in The Astrophysical Journal , vol. 546, 2001, pp. 898-902.

[8] C. Mencuccini e V. Silvestrini, Fisica II - Elettromagnetismo e Ottica , Liguori Editore, Quarta edizione italiana 2006.

[9] RK Bock, Very-High-Energy Gamma Rays from a Distant Quasar: How Transparent Is the Universe? , in The Astrophysical Journal , vol. 320, 2008, pp. 1752-1754, Bibcode : 2008Sci...320.1752M , DOI : 10.1126/science.1157087 .

[10] A. Domínguez et. al. All the Light There Ever Was , Scientific American 312, 38-43 (2015)

[11] "La radiazione di Bremsstrahlung" è "la radiazione di frenamento", nel senso specifico di deviazione di un elettrone dalla sua traiettoria: Raymond A Serway, College Physics , Belmont, CA, Brooks Cole, 2009, p. 876 , ISBN 978-0-03-023798-0 .

[Shaw-12] Webb, OF, Shaw, RW, Cooper, SP, Young, JP, Spontaneous Ultraviolet Emission from ²³³ Uranium/ ²²⁹ Thorium Samples , in Physical Review Letters , vol. 82, n. 6, 1999, pp. 1109-1111, Bibcode : 1999PhRvL..82.1109S , DOI : 10.1103/PhysRevLett.82.1109 .

[13] Gamma-Ray Telescopes & Detectors , su imagine.gsfc.nasa.gov , NASA GSFC. URL consultato il 22 novembre 2011 .

[14] rof. Batignani, Appunti per Fisica3 .

[15] K. Rothkamm, M. Löbrich, Evidence for a lack of DNA double-strand break repair in human cells exposed to very low x-ray doses , in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , vol. 100, 2003, pp. 5057-5062, Bibcode : 2003PNAS..100.5057R , DOI : 10.1073/pnas.0830918100 .

[16] Gamma decay review Archiviato il 5 aprile 2014 in Internet Archive . Accessed Sept. 29, 2014

[17] J. Smith, DM Smith, Deadly Rays From Clouds , in Scientific American , vol. 307, 2012, pp. 55-59, DOI : 10.1038/scientificamerican0812-54 .

[18] NASA - In a Flash NASA Helps Solve 35-year-old Cosmic Mystery Announcement of first close study of a short gamma-ray burst.

[19] SB Cenko, N. Gehrels, Divoratore di soli, distruttore di mondi. , in Le Scienze , vol. 586, giugno 2017, pp. 26-33.

[20] Bozzini, A.; Mosconi, C., Creso - a new durum wheat of interesting agronomic features , in Genetica Agraria , vol. 30, n. 2, settembre 1976, pp. 153-162.

[21] ENVIRONMENT AGENCY UK Radioactivity in Food and the Environment , 2012

[22] United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Annex E: Medical radiation exposures – Sources and Effects of Ionizing – 1993, p. 249, New York, UN

[23] JE Pattison, RP Hugtenburg, S. Green, Enhancement of natural background gamma-radiation dose around uranium microparticles in the human body , in Journal of the Royal Society Interface , vol. 7, 2009, pp. 603-611, DOI : 10.1098/rsif.2009.0300 .

[24] US National Council on Radiation Protection and Measurements – NCRP Report No. 93 – pp 53–55, 1987. Bethesda, Maryland, USA, NCRP

[25] PET/CT total radiation dose calculations. ( PDF ), su radiology.rsna.org . URL consultato l'8 novembre 2011 (archiviato dall' url originale il 23 gennaio 2013) .

[26] "Lethal dose" , NRC Glossary (October 18, 2011)

[27] E. Cardis, Risk of cancer after low doses of ionising radiation: retrospective cohort study in 15 countries , in BMJ , vol. 331, 2005, p. 77, DOI : 10.1136/bmj.38499.599861.E0 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11] în

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

V · D · M Spettro elettromagnetico
Raggi gamma · Raggi X · Ultravioletto · Luce visibile · Infrarosso · Microonde · Onde radio (Ordinato in base alla frequenza , in ordine decrescente)
Spettro visibile	Rosso · Arancione · Giallo · Verde · Ciano · Blu · Violetto
Onde radio	ELF · SLF · ULF · VLF · LF · MF · HF · VHF · UHF · SHF · EHF · THF
Microonde	L · S · C · X · Ku · K · Ka · Q · U · V · E · W · F · D
Lunghezza d'onda	Onde lunghe · Onde medie · Onde corte · Microonde

V · D · M Processi nucleari
Decadimento radioattivo	Decadimento alfa ( particella α ) · Decadimento beta ( particella β ) · Raggi gamma ( fotone ) · Emissione di neutroni · Emissione di protoni · Fissione spontanea · Processo tre alfa
Nucleosintesi	Cattura neutronica · processo r · processo s · Cattura protonica · Processo p