Οι ακτίνες γάμμα είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως είναι τα ραδιοκύματα, η υπέρυθρη ακτινοβολία, η υπεριώδης ακτινοβολία, οι ακτίνες Χ και τα μικροκύματα. Οι ακτίνες γάμμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θεραπεία του καρκίνου, και οι εκρήξεις των ακτίνων γάμμα μελετώνται από τους αστρονόμους.
Η ηλεκτρομαγνητική (EM) ακτινοβολία μεταδίδεται σε κύματα ή σωματίδια σε διαφορετικά μήκη κύματος και συχνότητες. Αυτή η ευρεία περιοχή των μηκών κύματος είναι γνωστή ως ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Το φάσμα γενικά διαιρείται σε επτά περιοχές με τη σειρά της μείωσης του μήκους κύματος και της αύξησης της ενέργειας και της συχνότητας. Οι κοινές ονομασίες είναι τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, το υπέρυθρο (IR), το ορατό φως, οι υπεριώδεις ακτίνες (UV), οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα.
Οι ακτίνες γάμμα εμπίπτουν στην περιοχή του φάσματος EM πάνω από μαλακές ακτίνες Χ. Οι ακτίνες γάμμα έχουν συχνότητες μεγαλύτερες από περίπου 1.018 κύκλους ανά δευτερόλεπτο ή χερτς (Hz) και μήκη κύματος κάτω των 100 πικομέτρων (pm) ή 4x109 ίντσες. (Ένα picometer είναι ένα τρισεκατομμύριο ενός μέτρου.)
Οι ακτίνες γάμμα και οι σκληρές ακτίνες Χ αλληλεπικαλύπτονται στο φάσμα EM, γεγονός που μπορεί να δυσχεράνει τη διαφοροποίησή τους. Σε μερικά πεδία, όπως είναι η αστροφυσική, τραβιέται μια αυθαίρετη γραμμή στο φάσμα όπου οι ακτίνες πάνω από ένα ορισμένο μήκος κύματος ταξινομούνται ως ακτίνες Χ και ακτίνες με μικρότερα μήκη κύματος ταξινομούνται ως ακτίνες γάμμα. Και οι ακτίνες γάμμα και ακτίνες Χ έχουν αρκετή ενέργεια για να προκαλέσουν βλάβη στον ζωντανό ιστό, αλλά σχεδόν όλες οι κοσμικές ακτινοβολίες γάμμα εμποδίζονται από την ατμόσφαιρα της Γης.
Ανακάλυψη των ακτίνων γάμμα
Οι ακτίνες γάμμα παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 1900 από το γαλλικό φαρμακοποιό Paul Villard όταν ερεύνησε την ακτινοβολία από ραδισμό, σύμφωνα με την Αυστραλιανή Υπηρεσία Ακτινοπροστασίας και Πυρηνικής Ασφάλειας (ARPANSA). Λίγα χρόνια αργότερα, ο χημικός και φυσικός της Νέας Ζηλανδίας Ernest Rutherford πρότεινε το όνομα "ακτινοβολίες γάμμα", ακολουθώντας τη σειρά των ακτίνων άλφα και των βήτα - ονόματα που δόθηκαν σε άλλα σωματίδια που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής αντίδρασης - και το όνομα κολλήθηκε .
Πηγές και επιδράσεις ακτίνων γ
Οι ακτίνες γάμμα παράγονται κυρίως από τέσσερις διαφορετικές πυρηνικές αντιδράσεις: σύντηξη, σχάση, άλφα αποσύνθεση και διάσπαση γάμμα.
Η πυρηνική σύντηξη είναι η αντίδραση που εξουσιάζει τον ήλιο και τα αστέρια. Εμφανίζεται σε μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων στην οποία τέσσερα πρωτόνια ή πυρήνες υδρογόνου αναγκάζονται κάτω από ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις για να συντηχθούν σε ένα πυρήνα ηλίου, ο οποίος περιλαμβάνει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Ο προκύπτων πυρήνας ηλίου είναι περίπου 0,7 τοις εκατό λιγότερο μαζικό από τα τέσσερα πρωτόνια που πήγαν στην αντίδραση. Αυτή η διαφορά μαζών μετατρέπεται σε ενέργεια, σύμφωνα με τη διάσημη εξίσωση Einstein E = mc ^ 2, με περίπου τα δύο τρίτα αυτής της ενέργειας που εκπέμπεται ως ακτίνες γάμμα. (Τα υπόλοιπα έχουν τη μορφή νετρίνων, τα οποία είναι εξαιρετικά ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με σχεδόν μηδενική μάζα.) Στα μεταγενέστερα στάδια της ζωής ενός αστεριού, όταν εξαντλείται το καύσιμο υδρογόνου, μπορεί να σχηματίσει όλο και πιο μαζικά στοιχεία μέσω σύντηξης, έως και τον σίδηρο, αλλά αυτές οι αντιδράσεις παράγουν μια μειούμενη ποσότητα ενέργειας σε κάθε στάδιο.
Μια άλλη γνωστή πηγή ακτίνων γάμμα είναι η πυρηνική σχάση. Το Εθνικό Εργαστήριο του Lawrence Berkeley ορίζει την πυρηνική σχάση ως τη διάσπαση ενός βαριδιού πυρήνα σε δύο σχεδόν ίσα μέρη, τα οποία είναι τότε πυρήνες ελαφρύτερων στοιχείων. Σε αυτή τη διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει συγκρούσεις με άλλα σωματίδια, βαριές πυρήνες, όπως το ουράνιο και το πλουτώνιο, διασπώνται σε μικρότερα στοιχεία, όπως το ξένον και το στροντίου. Τα προκύπτοντα σωματίδια από αυτές τις συγκρούσεις μπορούν στη συνέχεια να επιδράσουν σε άλλους βαρείς πυρήνες, δημιουργώντας μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Η ενέργεια απελευθερώνεται επειδή η συνδυασμένη μάζα των σωματιδίων που προκύπτουν είναι μικρότερη από τη μάζα του αρχικού βαρύ πυρήνα. Αυτή η διαφορά μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια, σύμφωνα με το E = mc ^ 2, με τη μορφή κινητικής ενέργειας των μικρότερων πυρήνων, νετρίνων και ακτίνων γάμμα.
Άλλες πηγές ακτίνων γάμμα είναι άλφα αποσύνθεση και διάσπαση γάμμα. Η άλφα αποσύνθεση συμβαίνει όταν ένας βαρύς πυρήνας εκπέμπει έναν πυρήνα ηλίου-4, μειώνοντας τον ατομικό του αριθμό κατά 2 και το ατομικό του βάρος κατά 4. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αφήσει τον πυρήνα με περίσσεια ενέργειας, η οποία εκπέμπεται με τη μορφή ακτινών γάμμα. Η αποσύνθεση γάμμα συμβαίνει όταν υπάρχει υπερβολική ενέργεια στον πυρήνα ενός ατόμου, προκαλώντας την εκπομπή ακτίνων γάμμα χωρίς αλλαγή της φόρτισης ή της μαζικής σύνθεσής του.
Θεραπεία ακτίνων γ
Οι ακτίνες γάμμα μερικές φορές χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία καρκινικών όγκων στο σώμα με την καταστροφή του DNA των κυττάρων του όγκου. Ωστόσο, πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή, επειδή οι ακτινοβολίες γάμμα μπορούν επίσης να βλάψουν το DNA των γύρω υγιή κύτταρα ιστού.
Ένας τρόπος να μεγιστοποιηθεί η δοσολογία σε καρκινικά κύτταρα ελαχιστοποιώντας την έκθεση σε υγιείς ιστούς είναι να κατευθύνει πολλαπλές δέσμες ακτίνων-γ από έναν γραμμικό επιταχυντή ή linac στην περιοχή στόχο από πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας των θεραπειών CyberKnife και Gamma Knife.
Η ακτινοχειρουργική Gamma Knife χρησιμοποιεί εξειδικευμένο εξοπλισμό για να εστιάσει κοντά σε 200 μικροσκοπικές δέσμες ακτινοβολίας σε όγκο ή άλλο στόχο στον εγκέφαλο. Κάθε μεμονωμένη δέσμη έχει πολύ μικρή επίδραση στον εγκεφαλικό ιστό που διέρχεται, αλλά μια ισχυρή δόση ακτινοβολίας παραδίδεται στο σημείο όπου συναντώνται οι δέσμες, σύμφωνα με την Mayo Clinic.
Αστρονομία ακτίνων γ
Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες πηγές ακτίνων γάμμα είναι οι εκρήξεις ακτίνων-γ (GRBs). Αυτά είναι γεγονότα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας που διαρκούν από μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου έως μερικά λεπτά. Παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1960 και τώρα παρατηρούνται κάπου στον ουρανό περίπου μία φορά την ημέρα.
Οι εκρήξεις ακτίνων γκαμών είναι "η πιο ενεργητική μορφή φωτός", σύμφωνα με τη NASA. Θα λάμψουν εκατοντάδες φορές πιο φωτεινή από μια τυπική σουπερνόβα και περίπου εκατομμύριο-τρισεκατομμύρια φορές τόσο φωτεινή όσο ο ήλιος.
Σύμφωνα με τον Robert Patterson, καθηγητή αστρονομίας στο κρατικό πανεπιστήμιο του Μιζούρι, οι GRBs κάποτε θεωρούνταν ότι προέρχονταν από τα τελευταία στάδια της εξατμίσεως μίνι μαύρων τρυπών. Τώρα πιστεύεται ότι προέρχονται από συγκρούσεις συμπαγών αντικειμένων όπως αστέρια νετρονίων. Άλλες θεωρίες αποδίδουν αυτά τα γεγονότα στην κατάρρευση των υπερμεγέθων αστεριών για να σχηματίσουν μαύρες τρύπες.
Και στις δύο περιπτώσεις, τα GRBs μπορούν να παράγουν αρκετή ενέργεια που, για μερικά δευτερόλεπτα, μπορεί να πυρπολήσει ολόκληρο τον γαλαξία. Επειδή η ατμόσφαιρα της Γης αποκλείει τις περισσότερες ακτινοβολίες γάμμα, παρατηρούνται μόνο με μπαλόνια υψηλού υψομέτρου και τηλεσκοπικά σε τροχιά.
Περαιτέρω ανάγνωση:
