Gamma-strålar är en form av elektromagnetisk strålning, liksom radiovågor, infraröd strålning, ultraviolett strålning, röntgenstrålar och mikrovågor. Gamma-strålar kan användas för att behandla cancer, och gamma-ray bursts studeras av astronomer.
Elektromagnetisk (EM) strålning överförs i vågor eller partiklar vid olika våglängder och frekvenser. Detta breda våglängdsområde är känt som det elektromagnetiska spektrumet. Spektrumet är vanligtvis uppdelat i sju regioner i följd av minskande våglängd och ökande energi och frekvens. De vanliga beteckningarna är radiovågor, mikrovågor, infraröd (IR), synligt ljus, ultraviolett (UV), röntgenstrålar och gammastrålar.
Gamma-strålar faller inom intervallet för EM-spektrumet ovanför mjuka röntgenstrålar. Gamma-strålar har frekvenser större än cirka 1 018 cykler per sekund, eller hertz (Hz), och våglängder på mindre än 100 bildpunkter (pm), eller 4 x 10 ^ 9 tum. (En bildmätare är en biljard meter.)
Gamma-strålar och hårda röntgenstrålar överlappar varandra i EM-spektrumet, vilket kan göra det svårt att differentiera dem. I vissa fält, såsom astrofysik, dras en godtycklig linje i spektrumet där strålar över en viss våglängd klassificeras som röntgenstrålar och strålar med kortare våglängder klassificeras som gammastrålar. Både gammastrålar och röntgenstrålar har tillräckligt med energi för att orsaka skada på levande vävnad, men nästan alla kosmiska gammastrålar blockeras av jordens atmosfär.
Upptäckt av gammastrålar
Gamma-strålar observerades först 1900 av den franska kemisten Paul Villard när han undersökte strålning från radium, enligt den australiensiska strålskydds- och kärnsäkerhetsbyrån (ARPANSA). Några år senare föreslog Nya Zeeland-född kemist och fysiker Ernest Rutherford namnet "gammastrålar", efter ordningen av alfastrålar och betastrålar - namn som ges till andra partiklar som skapas under en kärnreaktion - och namnet fastnat .
Gamma-ray källor och effekter
Gamma-strålar produceras främst av fyra olika kärnreaktioner: fusion, fission, alfa-sönderfall och gamma-sönderfall.
Kärnfusion är reaktionen som driver solen och stjärnorna. Det förekommer i en flerstegsprocess där fyra protoner, eller vätekärnor, tvingas under extrem temperatur och tryck att smälta in i en heliumkärna, som består av två protoner och två neutroner. Den resulterande heliumkärnan är cirka 0,7 procent mindre massiv än de fyra protonerna som gick in i reaktionen. Denna massskillnad omvandlas till energi enligt Einsteins berömda ekvation E = mc ^ 2, med ungefär två tredjedelar av den energin som släpps ut som gammastrålar. (Resten är i form av neutrino, som är extremt svagt samverkande partiklar med nästan nollmassa.) I de senare stadierna av en stjärns livslängd, när den slutar på vätebränsle, kan den bilda allt mer massiva element genom fusion, upp till och med järn, men dessa reaktioner producerar en minskande mängd energi i varje steg.
En annan känd källa till gammastrålar är kärnklyvning. Lawrence Berkeley National Laboratory definierar kärnklyvning som delning av en tung kärna i två ungefär lika stora delar, som sedan är kärnor i lättare element. I denna process, som involverar kollisioner med andra partiklar, bryts tunga kärnor, såsom uran och plutonium, i mindre element, såsom xenon och strontium. De resulterande partiklarna från dessa kollisioner kan sedan påverka andra tunga kärnor och sätta upp en kärnkraftsreaktion. Energi frigörs eftersom de resulterande partiklarnas kombinerade massa är mindre än massan i den ursprungliga tunga kärnan. Denna massdifferens konverteras till energi, enligt E = mc ^ 2, i form av kinetisk energi från de mindre kärnorna, neutrinoerna och gammastrålarna.
Andra källor till gammastrålar är alfa-förfall och gamma-sönderfall. Alfa-förfall inträffar när en tung kärna avger en helium-4-kärna, vilket reducerar sitt atomantal med 2 och dess atomvikt med 4. Denna process kan lämna kärnan med överskott av energi, som avges i form av en gammastråle. Gamma-sönderfall inträffar när det finns för mycket energi i en atomkärnan, vilket gör att den avger en gammastråle utan att ändra dess laddning eller masskomposition.
Gamma-ray terapi
Gamma-strålar används ibland för att behandla cancertumörer i kroppen genom att skada tumörcells DNA. Men stor försiktighet måste tas, eftersom gammastrålar också kan skada DNA i omgivande friska vävnadsceller.
Ett sätt att maximera doseringen till cancerceller och samtidigt minimera exponeringen för friska vävnader är att rikta flera gammastrålar från en linjär accelerator, eller linac, till målområdet från många olika riktningar. Detta är driftsprincipen för behandlingar med CyberKnife och Gamma Knife.
Gamma Knife strålkirurgi använder specialutrustning för att fokusera nära 200 små strålar strålar på en tumör eller annat mål i hjärnan. Varje enskild stråle har mycket liten effekt på hjärnvävnaden som den passerar genom, men en stark dos av strålning levereras vid den punkt där strålarna möts, enligt Mayo Clinic.
Gamma-ray astronomi
En av de mer intressanta källorna till gammastrålar är gammastrålar (GRB). Det är extremt högenergihändelser som pågår från några millisekunder till flera minuter. De observerades först på 1960-talet, och de observeras nu någonstans på himlen ungefär en gång om dagen.
Gamma-ray bursts "den mest energiska formen av ljus", enligt NASA. De lyser hundratals gånger ljusare än en typisk supernova och ungefär en miljon biljon gånger så ljus som solen.
Enligt Robert Patterson, professor i astronomi vid Missouri State University, troddes en gång GRB att komma från de sista stadierna av förångning av svarta hål. De tros nu ha sitt ursprung i kollisioner av kompakta föremål som neutronstjärnor. Andra teorier tillskriver dessa händelser till kollaps av supermassiva stjärnor för att bilda svarta hål.
I båda fallen kan GRB producera tillräckligt med energi för att de under några sekunder kan överträffa en hel galax. Eftersom jordens atmosfär blockerar de flesta gammastrålar, ses de endast med höga höjdballonger och kretsande teleskop.
Vidare läsning:
