Raze gamma

În fizica nucleară razele gamma, adesea menționate cu litera greacă minusculă corespunzătoare γ, sunt radiațiile electromagnetice produse de decăderea radioactivă a nucleilor atomici .

Acestea au o frecvență foarte mare a radiațiilor și sunt printre cele mai periculoase pentru oameni, la fel ca toate radiațiile ionizante . Pericolul vine din faptul că sunt atât de mari de energie încât pot deteriora iremediabil moleculele care alcătuiesc celulele, determinându-le să dezvolte mutații genetice sau chiar moartea .

Pe Pământ putem observa surse naturale ale ambelor raze gamma în decăderea radionuclizilor în ambele interacțiuni ale razelor cosmice cu atmosfera ; mai rar chiar și fulgerul produce această radiație.

Istorie și descoperire

Ernest Rutherford la Universitatea McGill în 1905

Prima sursă de raze gamma a fost observată în intervalul de descompunere , 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 radio . Ulrich Villard a realizat că această radiație a fost observată în cel mai pătrunzător dintre alte radiouri, 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 menționat 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 a treia literă greacă, care urmează alfa și beta ^[3] . În plus față de capacitatea mai mare de penetrare a razelor gamma, Rutherford a observat, de asemenea, că acestea din urmă nu au fost deviate de câmpul magnetic . Inițial, razele gamma au fost considerate particule (Rutherford a crezut că este vorba de particule beta foarte rapide), dar o serie de observații, cum ar fi reflexia de pe suprafața unui cristal (1914) ^[4] , au arătat că este vorba de un dispozitiv electromagnetic. radiații . ^[4]

Rutherford și colaboratorul său Edward Andrade au măsurat prima lungime de undă a razelor gamma emise de radio, obținând valori mai mici decât cele ale razelor beta, deci o frecvență mai mare . Razele gamma din dezintegrarea nucleară sunt emise sub forma unui singur foton .

Caracteristici și proprietăți

Luna văzută din gama Compton Gamma Ray Observatory de peste 20 MeV. Acestea sunt produse prin bombardarea razelor cosmice la suprafață ^[5] .

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

Razele gamma sunt radiații mai penetrante 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 compusă din fotoni : aceasta este o diferență substanțială față de radiația alfa care este formată din nuclei de heliu și radiația beta care este compusă din electroni ; fotonii , deoarece nu au masă, sunt mai puțin ionizanti . La aceste frecvențe, descrierea fenomenelor de interacțiune dintre câmpul electromagnetic și materie nu poate fi separată de mecanica cuantică : în aceasta din urmă, mulți purtând 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 deosebesc de razele X pentru originea lor: gama este produsă prin tranziții nucleare sau subatomice, în timp ce razele X sunt produse prin tranziții de energie datorate electronilor care, prin niveluri de energie cuantificate externe, variază în niveluri de energie liberă mai interne. Deoarece este posibil ca unele tranziții electronice să depășească energiile unor tranziții nucleare, frecvența razelor X cu mai multă energie 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 rândul acceleratoarelor de particule naturale, care pot fi rămășițele compușilor binari supernoi cu energie ridicată din sisteme stelare normale și obiecte compacte precum stelele de neutroni și găurile negre și nucleele galactice active, care conțin găurile centrale ale acestora. negrii supermasivi (mase de până la câteva milioane de mase solare). Pentru studiul lor a fost inițiat experimentul GLAST , un telescop orbitant sensibil la radiațiile gamma. În plus față de GLAST, există mai mulți observatori terestri Cerenkov care sunt capabili să detecteze într-o manieră indirectă o gamă de raze cu energii mari, încă mai mari decât cele care pot detecta GLAST, care provin din cele mai active regiuni ale universului .

Scutire

Protecția razelor γ necesită materiale mult mai groase decât cele necesare pentru ecranarea particulelor α și β care pot fi blocate de o foaie simplă de hârtie (α) sau de o placă metalică subțire (β). Razele gamma sunt mai bine absorbite de materialele cu un număr atomic ridicat 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 energia fotonilor este mai mare, cu atât este mai mare grosimea ecranului necesar. Au nevoie de ecrane atât de groase pentru protecția ființelor umane, deoarece razele gamma și razele X produc efecte precum arsuri , cancere și mutații genetice . De exemplu, în centralele nucleare de protecție folosind oțel și beton în vasul de izolare a particulelor și a apei, acesta asigură o protecție împotriva radiațiilor produse în timpul depozitării tijelor 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 suprafeței incidente a materialului, μ = σ n 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-pozitroni .

Efect fotoelectric : apare atunci când o gamă de fotoni interacționează cu un electron , practic interior, care orbitează în jurul unui atom și îi transferă toată energia, rezultând expulzarea electronului din atom. L ' energia cinetică a "fotoelectronului" rezultată este egală cu energia fotonului incident gamma mai puțin l' energia de legare a electronului. Efectul fotoelectric este principalul mecanism 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 energiei în gama de raze gamma „medii”, între 100 keV și 10 MeV , unde merge la reflux 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 electron / pozitron (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 foarte 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 .

Produsele secundare de electroni dintr-unul dintre aceste trei mecanisme au adesea suficientă energie pentru a se ioniza și ele. În mai multe raze gamma, în special cele cu energie ridicată, ele pot interacționa cu nucleii atomici care emit particule ( fotodisintegrare ) sau posibil producând fisiune nucleară (fotofissione).

Interacțiunea cu lumina

Razele gamma cu energie ridicată (de la 80 GeV la ~ 10 TeV ) din quasar depărtate sunt folosite pentru a estima lumina de fundal extragalactică adesea indicată cu acronimul EBL. Această radiație, care nu trebuie confundată cu fundalul cosmic cu microunde , se datorează atât întregii radiații acumulate în univers în timpul formării stelelor se datorează nucleelor galactice active . Razele de mare energie interacționează cu fotonii luminii de fundal extragalactic și estimarea atenuării lor poate fi dedusă densitatea luminii de fundal analizând și spectrul 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: era considerată o radiație electromagnetică cu rază gamma la energie ridicată. Cu toate acestea, razele X moderne produse de acceleratorii liniari pentru tratamentul cancerului au adesea mai multă energie (de la 4 la 25 MeV ) decât razele gamma clasice produse de dezintegrarea nucleară . Tehniciul-99m , unul dintre cei mai frecvenți izotopi care emit raze gamma utilizate în medicina nucleară, radiația produce aceeași energie (140 keV ) a unei mașini de diagnosticare în raze X , dar mult mai mică decât cea a fotonilor terapeutici ai unui accelerator liniar. Astăzi este încă respectat acordul din comunitatea medicală conform căruia radiațiile produse de dezintegrarea nucleară sunt singurul tip de radiații numite gamma.

Datorită suprapunerii actualelor intervale energetice în fizică, cele două tipuri de radiații sunt definite în funcție de originea lor: razele X sunt emise de electroni (ambii din orbitalii pentru ambele bremsstrahlung ) ^{[11] în} timp ce razele gamma sunt produse de nuclee din evenimente de descompunere a particulelor sau evenimente de anihilare . Deoarece nu există o limită inferioară pentru energia fotonilor produsă de reacțiile de dezintegrare nucleară , de asemenea, ultravioletul , de exemplu, ar putea fi definit 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 SN 1987A

În astronomie , radiația electromagnetică este definită de „ energie , deoarece procesul care le-a produs poate fi incert, în timp ce energia fotonilor este determinată de detectoarele astronomice ^[13] . Din cauza acestei incertitudini cu privire la origine, în astronomie suntem numiți raze gamma, chiar și după un eveniment non-radioactiv. În schimb, supernova SN 1987A , care emite flare gamma provenind din decăderea nichelului-56 și a cobaltului-56 , este un caz de eveniment radioactiv astronomic.

În literatura astronomică tinde să scrie „raze gamma” cu o 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.

Poziția este mult încărcată ionizată se produce, 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 care este utilizată pentru a crea 1 coulomb de încărcare pentru fiecare polaritate în 1 We kilogram de materie.
- Röntgen (R) este unitatea de măsură din sistemul CGS pentru expunere, cu care reprezintă cantitatea necesară pentru a crea 1 esu de încărcare pentru fiecare polaritate în 1 centimetru de cub de aer uscat; 1 röntgen = 2,58x10 ^-4 C / kg.
Doza absorbită este cantitatea de energie eliberată de fascicul în material, 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 a sistemului CGS învechită, echivalentă numeric cu 0,01 jouli pe 1 kilogram de materie (100 rad = 1 Gy).

Doza echivalentă este un rafinament al dozei, obținut prin multiplicarea acesteia 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 o măsură a unităților de doză echivalente din SI , pentru că razele gamma fiind factorul de pericol al unuia coincide cu doza absorbită în gri.
- Rem este o unitate de măsură a sistemului CGS învechită pentru doza echivalentă, pentru că razele gamma sunt echivalente numeric cu doza absorbită în rads; 1 Sv = 100 rem.
Doza eficientă este un rafinament suplimentar al dozei: Deoarece multe țesuturi biologice au radiosensibilitate diferită, pentru a caracteriza mai bine efectele radiațiilor înmulțește încă un factor de risc suplimentar care depinde de țesutul afectat. Unitățile de măsură sunt aceleași: sievert și rem. ^[14]

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

Dezintegrarea radioactivă

Diagrama de descompunere cobalt -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, emițând o gamă de fotoni , în același mod în care un electron se poate deplasa la un nivel inferior emițând un foton optic. Acest proces se numește „ dezintegrarea gamma ”.

Un proces de acest fel , în mod normal are momente caracteristice 10 ^-12 s și poate să apară după o reacție nucleară , cum ar fi fisiunea , fuziunea sau capturarea neutroni . În unele cazuri, aceste stări excitate pot fi mai stabile decât media (sunt definite stări de excitare metastabile ) și decăderea lor poate necesita cel puțin 100 de ori sau de 1000 de ori mai mare. Acești nuclei excitați cu o durată de viață deosebită sunt numiți izomeri nucleari, iar degradarea lor se numește tranziție izomerică . Pentru unii dintre ei este ușor să măsoare timpul de înjumătățire, deoarece pot rămâne în aceste stări excitate minute, ore, zile și, ocazional, mult mai mult. Aceste stări sunt, de asemenea, caracterizate de o putere nucleară cu rotație ridicată. Viteza decăderii gamma este, de asemenea, redusă dacă energia de excitație este mică. ^[16]

Iată un exemplu de producție de raze gamma:

Înainte ca un nucleu cobalt-60 să se descompună într-un nichel-60 energizat prin decăderea beta prin emiterea unui electron la 0,31 MeV . Apoi nichelul-60 se descompune în starea fundamentală prin emiterea razelor gamma succesiv la 1,17 MeV urmată 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 „ electronul antineutrino” . 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 de transportare a energiei prezente în gama sunt denumiți radiații-gamma. Acestea sunt adesea produse de interacțiuni subatomice ale particulelor sau de foton particule, cum ar fi, de exemplu, electron de anihilare - pozitron , de la decăderea pionului neutru, de la bremsstrahlung și / sau de radiația sincrotronului .

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 „ flash-uri terestre ”. Se crede că aceste raze gamma sunt produse de intensitatea câmpului electrostatic ridicat, care accelerează electronii, apoi încetinit de coliziuni cu alți atomi prezenți în atmosferă . Furtunile pot genera raze gamma de intensitate de până la 100 MeV . Acestea ar putea reprezenta un risc pentru sănătatea pasagerilor și a echipajului de la bordul aeronavei care zboară în zone de interes ^[17] .

razele cosmice : universul lui Nell, razele gamma de mare energie includ și cele ale produselor inferioare atunci când razele cosmice ( protoni sau electroni cu viteză mare) se ciocnesc cu materia obișnuită provocând o producție de câteva radiații de 511 keV . Alternativ, atunci când razele cosmice interacționează cu nuclee cu număr atomic ridicat, are bremsstrahlung care produce energii de zeci de MeV .

Imaginați întregul cer pentru raze gamma cu energii mai mari de 100 MeV, așa cum este văzut de instrumentul EGRET de la bordul telescopului spațial GRO . Punctele luminoase din planul galactic sunt pulsare, în timp ce cele de deasupra sau dedesubt sunt considerate a fi quasare .

Pulsar și magnetar : pulsarul sunt stele de neutroni cu un câmp magnetic care produce un fascicul concentrat de radiații. Aceste obiecte stelare au un câmp magnetic relativ durabil, care produce fascicule de particule încărcate cu viteză relativistă; particule care, la impactul cu gaz sau praf în imediata vecinătate, sunt decelerate prin emiterea razelor gamma. Un alt mecanism de producție a radiațiilor este magnetarul (stea de neutroni cu un câmp magnetic foarte intens) despre care credeți că reprezintă repetitoarele astronomice ale razelor gamma slabe.

Quasar și galaxii active : se crede că cele mai intense raze gamma, provenind din quasar foarte îndepărtat și din galaxiile active din apropiere, au un mecanism de producție similar cu cel al acceleratorilor de particule . Se pare că găurile supermasive negre prezente în centrul acestor galaxii reprezintă arcuri puternice care distrug intermitent stelele și concentrează particulele încărcate rezultând fascicule care ies din polii lor. Când aceste grinzi interacționează cu gaz, praf sau fotoni pentru a produce raze X și raze gamma cu energie redusă. Aceste surse fluctuează cu o perioadă de câteva săptămâni. Aceste obiecte reprezintă mecanismul cel mai frecvent văzut 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 nu suficientă 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.

Exploziile razelor gamma sunt cele mai puternice surse ale fiecărui tip de radiație electromagnetică . Cele de lungă durată sunt foarte rare în comparație cu sursele enumerate mai sus; dimpotrivă, credem că acestea pe termen scurt produc raze gamma în timpul coliziunii unei perechi de stele de neutroni sau o stea- neutron și o gaură neagră . 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 intense de emisii de raze X. ^[19]

Aceste explozii pe termen lung produc o energie de 10 ⁴⁴ jouli (aceeași energie pe care o produce Soarele nostru în toată viața sa) într-un timp de doar 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 cu sarcini mari de energie. Aceste procese sunt activate atunci când particulele încărcate relativiste părăsesc orizontul de evenimente al găurii negre abia formate. Fasciculul de particule este concentrat la câteva zeci de secunde de câmpul magnetic al hipernovei care explodează. Dacă fasciculul este îndreptat spre Pământ și oscilează cu o anumită intensitate, poate fi detectat și la distanțe de zece miliarde de ani lumină , foarte aproape de marginea universului vizibil.

Spectroscopie gamma

Deoarece dezintegrarea beta este însoțită de emisia unui neutrino , care transportă o cantitate variabilă de energie , spectrul de emisie beta nu are linii ascuțite. Acest lucru înseamnă că nu puteți descrie diferitele niveluri de energie ale nucleului folosind doar energia decăderii beta .

Spectroscopia gamma este studiul energiei de tranziție a unui nucleu atomic , 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 fasciculului este aproape de energia de tranziție. În acest caz, puteți vedea rezonanța prin tehnica Mössbauer . Efectul lui Nell ' Mössbauer, domeniul de absorbție a rezonanței poate fi obținut prin nuclei 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 majoritatea 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 imaginea noastră unică 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, întrucât distrug 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 diagnostic ale 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 fluorodeoxiglucoză , un zahăr radioactiv, care emite pozitroni care se anihilează cu electroni producând perechi de raze gamma care arată cancerul (adesea deoarece celulele tumorale au o rată metabolică mai mare a țesuturilor din jur). Cel mai comun emițător utilizat în medicină este „ izomerul nuclear al tehneciului-99m , deoarece emite radiații din aceeași gamă de energie pentru diagnosticarea cu raze X. 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