I raggi gamma sono una forma di radiazione elettromagnetica, così come le onde radio, le radiazioni infrarosse, le radiazioni ultraviolette, i raggi X e le microonde. I raggi gamma possono essere usati per curare il cancro e gli scoppi di raggi gamma sono studiati dagli astronomi.
La radiazione elettromagnetica (EM) viene trasmessa in onde o particelle a diverse lunghezze e frequenze d'onda. Questa vasta gamma di lunghezze d'onda è nota come spettro elettromagnetico. Lo spettro è generalmente diviso in sette regioni in ordine decrescente di lunghezza d'onda e aumento di energia e frequenza. Le denominazioni comuni sono onde radio, microonde, infrarossi (IR), luce visibile, ultravioletti (UV), raggi X e raggi gamma.
I raggi gamma rientrano nell'intervallo dello spettro EM al di sopra dei raggi X morbidi. I raggi gamma hanno frequenze maggiori di circa 1.018 cicli al secondo, o hertz (Hz) e lunghezze d'onda inferiori a 100 picometri (pm) o 4 x 10 ^ 9 pollici. (Un picometro è un trilionesimo di metro.)
I raggi gamma e i raggi X duri si sovrappongono nello spettro EM, il che può rendere difficile differenziarli. In alcuni campi, come l'astrofisica, viene tracciata una linea arbitraria nello spettro in cui i raggi sopra una certa lunghezza d'onda sono classificati come raggi X e i raggi con lunghezze d'onda più brevi sono classificati come raggi gamma. Sia i raggi gamma che i raggi X hanno energia sufficiente per causare danni ai tessuti viventi, ma quasi tutti i raggi gamma cosmici sono bloccati dall'atmosfera terrestre.
Scoperta dei raggi gamma
I raggi gamma furono osservati per la prima volta nel 1900 dal chimico francese Paul Villard quando stava studiando le radiazioni dal radio, secondo l'Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (ARPANSA). Alcuni anni dopo, il chimico e fisico nato in Nuova Zelanda Ernest Rutherford propose il nome di "raggi gamma", seguendo l'ordine dei raggi alfa e beta - nomi dati ad altre particelle che si creano durante una reazione nucleare - e il nome rimase .
Sorgenti ed effetti di raggi gamma
I raggi gamma sono prodotti principalmente da quattro diverse reazioni nucleari: fusione, fissione, decadimento alfa e decadimento gamma.
La fusione nucleare è la reazione che alimenta il sole e le stelle. Si verifica in un processo a più fasi in cui quattro protoni, o nuclei di idrogeno, sono costretti a temperatura e pressione estreme a fondersi in un nucleo di elio, che comprende due protoni e due neutroni. Il nucleo di elio risultante è circa lo 0,7 per cento in meno di massa rispetto ai quattro protoni che sono entrati nella reazione. Quella differenza di massa viene convertita in energia, secondo la famosa equazione di Einstein E = mc ^ 2, con circa due terzi di quell'energia emessa come raggi gamma. (Il resto è sotto forma di neutrini, che sono particelle che interagiscono in modo estremamente debole con una massa quasi nulla.) Nelle fasi successive della vita di una stella, quando si esaurisce il carburante a idrogeno, può formare elementi sempre più massicci attraverso la fusione, al ferro compreso, ma queste reazioni producono una quantità decrescente di energia in ogni fase.
Un'altra fonte familiare di raggi gamma è la fissione nucleare. Lawrence Berkeley National Laboratory definisce la fissione nucleare come la scissione di un nucleo pesante in due parti approssimativamente uguali, che sono quindi nuclei di elementi più leggeri. In questo processo, che comporta collisioni con altre particelle, i nuclei pesanti, come l'uranio e il plutonio, vengono scomposti in elementi più piccoli, come lo xeno e lo stronzio. Le particelle risultanti da queste collisioni possono quindi avere un impatto su altri nuclei pesanti, innescando una reazione a catena nucleare. L'energia viene rilasciata perché la massa combinata delle particelle risultanti è inferiore alla massa del nucleo pesante originale. Tale differenza di massa viene convertita in energia, secondo E = mc ^ 2, sotto forma di energia cinetica dei nuclei più piccoli, dei neutrini e dei raggi gamma.
Altre fonti di raggi gamma sono il decadimento alfa e il decadimento gamma. Il decadimento alfa si verifica quando un nucleo pesante emana un nucleo di elio-4, riducendo il suo numero atomico di 2 e il suo peso atomico di 4. Questo processo può lasciare il nucleo con energia in eccesso, che viene emessa sotto forma di raggi gamma. Il decadimento gamma si verifica quando c'è troppa energia nel nucleo di un atomo, causando l'emissione di un raggio gamma senza modificarne la carica o la composizione di massa.
Terapia a raggi gamma
I raggi gamma sono talvolta usati per trattare i tumori cancerosi nel corpo danneggiando il DNA delle cellule tumorali. Tuttavia, è necessario prestare molta attenzione, poiché i raggi gamma possono anche danneggiare il DNA delle cellule dei tessuti sani circostanti.
Un modo per massimizzare il dosaggio alle cellule tumorali minimizzando l'esposizione a tessuti sani è di dirigere più fasci di raggi gamma da un acceleratore lineare, o linac, sulla regione bersaglio da molte direzioni diverse. Questo è il principio di funzionamento delle terapie CyberKnife e Gamma Knife.
La radiochirurgia Gamma Knife utilizza apparecchiature specializzate per focalizzare quasi 200 minuscoli fasci di radiazioni su un tumore o un altro bersaglio nel cervello. Ogni singolo raggio ha un effetto molto limitato sul tessuto cerebrale che attraversa, ma una forte dose di radiazioni viene erogata nel punto in cui i raggi si incontrano, secondo la Mayo Clinic.
Astronomia a raggi gamma
Una delle fonti più interessanti di raggi gamma sono i lampi di raggi gamma (GRB). Questi sono eventi ad altissima energia che durano da pochi millisecondi a diversi minuti. Furono osservati per la prima volta negli anni '60 e ora sono osservati da qualche parte nel cielo circa una volta al giorno.
I lampi di raggi gamma sono "la forma di luce più energetica", secondo la NASA. Brillano centinaia di volte più luminosi di una tipica supernova e circa un milione di miliardi di volte più luminosi del sole.
Secondo Robert Patterson, professore di astronomia alla Missouri State University, una volta si pensava che i GRB provenissero dalle ultime fasi di evaporazione dei mini buchi neri. Ora si ritiene che provengano da collisioni di oggetti compatti come le stelle di neutroni. Altre teorie attribuiscono questi eventi al collasso delle stelle supermassicci per formare buchi neri.
In entrambi i casi, i GRB possono produrre abbastanza energia che, per alcuni secondi, possono eclissare un'intera galassia. Poiché l'atmosfera terrestre blocca la maggior parte dei raggi gamma, sono visti solo con palloni ad alta quota e telescopi in orbita.
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