Razele gamma sunt o formă de radiație electromagnetică, la fel ca undele radio, radiația infraroșie, radiația ultravioletă, razele X și microundele. Razele gamma pot fi utilizate pentru tratarea cancerului, iar exploziile de raze gamma sunt studiate de către astronomi.
Radiația electromagnetică (EM) este transmisă sub formă de unde sau particule la lungimi de undă și frecvențe diferite. Această gamă largă de lungimi de undă poartă numele de spectru electromagnetic. Spectrul este împărțit, în general, în șapte zone, în ordinea scăderii lungimii de undă și a creșterii energiei și frecvenței. Denumirile obișnuite ale acestor zone sunt unde radio, microunde, infraroșu (IR), lumină vizibilă, ultraviolet (UV), raze X și raze gamma.
Razele gamma au frecvențe mai mari de 1019 cicluri pe secundă sau hertzi (Hz) și lungimi de undă mai mici de 100 de picometri (un picometru reprezintă o trilionime dintr-un metru), fiind situate în spectru imediat deasupra razelor X moi.
Razele gamma și razele X dure se suprapun în spectrul EM, ceea ce face dificilă diferențierea lor. În unele domenii, cum este astrofizica, este trasată o linie arbitrară în spectru la nivelul unei anumite lungimi de undă, deasupra căreia radiațiile sunt clasificate drept raze X, iar sub care ele sunt clasificate drept raze gamma. Atât razele X, cât și razele gamma au suficientă energie pentru a vătăma țesuturile vii, însă aproape toate razele gamma cosmice sunt blocate de atmosferă Pământului.
Descoperirea razelor gamma
Razele gamma au fost observate pentru prima dată în anul 1900 de către chimistul francez Paul Villard, atunci când investiga radiația emisă de radiu. Câțiva ani mai târziu, chimistul și fizicianul Ernest Rutherford a propus denumirea de ”raze gamma”, după a treia litera din alfabetul grecesc – denumirile de raze alfa și beta fuseseră deja atribuite altor particule create în timpul reacțiilor nucleare.
Surse de raze gamma și efectele acestora
Razele gamma sunt produse în principal prin patru reacții nucleare: fuziune, fisiune, dezintegrare alfa și dezintegrare gamma.
Fuziunea nucleară este reacția care alimentează stelele. Ea este procesul prin care patru protoni (sau nuclee de hidrogen) sunt forțați, în condiții extreme de temperatură și presiune, să fuzioneze într-un nucleu de heliu, care este alcătuit din doi potroni și doi neutroni. Nucleul de heliu rezultat este cu aproximativ 0,7% mai puțin masiv decât cei patru protoni care au inițiat reacția. Diferența de masă este convertită în energie, conform celebrei ecuații a lui Einstein, E=mc2, aproximativ două treimi din această energie fiind emisă sub formă de raze gamma. Restul energiei rezultă sub formă de neutrino, care sunt particule ce interacționează foarte slab și au masa aproape de zero. În ultimele stadii ale vieții unei stele, atunci când aceasta rămâne fără hidrogen, se pot forma elemente cu mase din ce în ce mai mari, inclusiv fier, însă aceste reacții produc mai puțină energie în fiecare etapă.
O altă sursă familiară de raze gamma este fisiunea nucleară, adică procesul prin care un nucleu greu este fragmentat în două părți aproximativ egale – nucleele a două elemente mai ușoare. În cadrul acestui proces, care implică o coliziune cu alte particule, nucleele grele, cum sunt cele de uraniu sau plutoniu, sunt scindate în elemente mai ușoare, cum sunt xenonul și stronțiul. Particulele rezultate în urma acestor coliziuni pot apoi lovi alte nuclee grele, declanșând o reacție nucleară în lanț. În urma reacții de fisiune rezultă energie deoarece masa combinată a particulelor nou formate este mai mică decât masa nucleului original greu. Diferența de masă este convertită în energie, conform ecuației lui Einstein, sub formă de energie cinetică (a nucleelor mai mici), neutrino și raze gamma.
Alte surse de raze gamma sunt dezintegrarea alfa și dezintegrarea gamma. Dezintegrarea alfa are loc atunci când un nucleu greu formează patru nuclee de heliu, reducându-și numărul atomic cu 2 și masa atomică cu 4. Acest procesă poate lăsa nucleul cu un exces de energie, care este emis sub formă de raze gamma. Dezintegrarea gamma are loc atunci când există prea multă energie în nucleul unui atom, ceea ce îl face să emită raze gamma fără a-și modifica sarcina electrică sau masa.
Explozie de raze gamma. | Ilustrație: NASA
Razele gamma în terapie
Razele gamma pot fi utilizate la tratarea tumorilor canceroase din corp, prin distrugerea ADN-ului celulelor tumorale. Totuși, sunt necesare măsuri de precuație, deoarece razele gamma pot afecta și ADN-ul celulelor din țesuturile sănătoase din jur.
O modalitate de a maximiza dozajul la nivelul celulelor canceroase și de a minimiza expunerea țesuturilor sănătoase este direcționarea, din mai multe direcții, a unor fascicule multiple de raze gamma dintr-un accelerator liniar înspre zona țintă. Acesta este principiul terapiilor Gamma Knife.
Radio chirurgia Gamma Knife folosește un echipament special pentru a focaliza aproape 200 de fascicule minuscule de radiații către o tumoare sau altă țintă din creier. Fiecare fascicul individual are un efect redus asupra țesutului nervos prin care trece, însă, la nivelul unde se întâlnesc toate fasciculele, doza de radiații este puternică.
Razele gamma în astronomie
Una dintre cele mai interesante surse de raze gamma sunt exploziile de raze gamma. Aceste sunt eveniment cu o intensitate energetică extremă, care durează de la câteva milisecunde până la câteva minute. Ele au fost observate pentru prima oară în ani 1960, dar acum pot fi văzute undeva pe cer aproape în fiecare zi.
Exploziile de raze gamma strălucesc de sute de ori mai puternic decât o supernovă tipică și de circa un milioan de trilioane de ori mai puternic decât soarele.
Potrivit profesorului de astronomie Robert Patterson de la Universitatea de Stat din Missouri (S.U.A.), inițial s-a crezut că exploziile de raze gamma provin de la ultimul stadiu de evaporare a mini-găurilor negre. Însă acum se crede că ele ăși au originea în coliziunile dintre obiecte compacte, așa cum sunt stelele neutronice. Alte teorii atribuie aceste evenimente colapsului unor stele supermasive care se transformă în găuri negre.
În orice caz, exploziile de raze gamma produc suficientă energie încât, în doar câteva secunde, să depășească în strălucire întreaga galaxie în care se află. Deoarece atmosfera Pământului blochează majoritatea razelor gamma, acestea pot fi observate doar cu ajutorul baloanelor de altitudine înaltă sau al telescoapelor de pe orbită.
Sursa: Live Science