Гамма-лучи являются формой электромагнитного излучения, как и радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и микроволны. Гамма-лучи могут быть использованы для лечения рака, а гамма-всплески изучаются астрономами.
Электромагнитное (ЭМ) излучение передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр. Спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общими обозначениями являются радиоволны, микроволны, инфракрасный (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновское и гамма-излучение.
Гамма-лучи попадают в диапазон электромагнитного спектра выше мягкого рентгеновского излучения. Гамма-лучи имеют частоты, превышающие примерно 1018 циклов в секунду, или герц (Гц), и длины волн менее 100 пикометров (пм), или 4 x 10 ^ 9 дюймов. (Пикометр составляет одну триллионную часть метра.)
Гамма-лучи и жесткие рентгеновские лучи перекрывают спектр ЭМ, что может затруднить их дифференциацию. В некоторых областях, таких как астрофизика, в спектре проводится произвольная линия, где лучи с определенной длиной волны классифицируются как рентгеновские лучи, а лучи с более короткими длинами волн классифицируются как гамма-лучи. И гамма-лучи, и рентгеновские лучи имеют достаточно энергии, чтобы нанести ущерб живой ткани, но почти все космические гамма-лучи блокируются атмосферой Земли.
Открытие гамма-лучей
По данным Австралийского агентства по радиационной защите и ядерной безопасности (ARPANSA), гамма-лучи впервые были обнаружены в 1900 году французским химиком Полом Вилларом, когда он исследовал излучение от радия. Несколько лет спустя химик и физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд предложил название «гамма-лучи», следуя порядку альфа-лучей и бета-лучей - именам, данным другим частицам, которые были созданы в ходе ядерной реакции, - и названию «застрял» ,
Гамма-источники и эффекты
Гамма-лучи производятся в основном четырьмя различными ядерными реакциями: синтез, деление, альфа-распад и гамма-распад.
Ядерный синтез - это реакция, которая питает солнце и звезды. Это происходит в многоступенчатом процессе, в котором четыре протона, или ядра водорода, вынуждены при экстремальной температуре и давлении сливаться в ядро гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Полученное ядро гелия примерно на 0,7% менее массивное, чем четыре протона, которые вступили в реакцию. Эта разность масс преобразуется в энергию, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc ^ 2, причем около двух третей этой энергии испускается в виде гамма-лучей. (Остальные в форме нейтрино, которые являются чрезвычайно слабо взаимодействующими частицами с почти нулевой массой.) На более поздних стадиях жизни звезды, когда у нее заканчивается водородное топливо, она может образовывать все более массивные элементы в результате синтеза, до в том числе и с железом, но эти реакции производят уменьшающееся количество энергии на каждой стадии.
Другой знакомый источник гамма-излучения - ядерное деление. Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли определяет ядерное деление как расщепление тяжелого ядра на две примерно равные части, которые затем являются ядрами более легких элементов. В этом процессе, который включает столкновения с другими частицами, тяжелые ядра, такие как уран и плутоний, разбиваются на более мелкие элементы, такие как ксенон и стронций. Получающиеся в результате этих столкновений частицы могут затем воздействовать на другие тяжелые ядра, вызывая ядерную цепную реакцию. Энергия высвобождается, потому что объединенная масса полученных частиц меньше массы исходного тяжелого ядра. Эта разность масс преобразуется в энергию, согласно E = mc ^ 2, в виде кинетической энергии меньших ядер, нейтрино и гамма-лучей.
Другими источниками гамма-излучения являются альфа-распад и гамма-распад. Альфа-распад происходит, когда тяжелое ядро испускает ядро гелия-4, уменьшая его атомный номер на 2 и его атомный вес на 4. Этот процесс может оставить ядро с избыточной энергией, которая испускается в виде гамма-излучения. Гамма-распад происходит, когда в ядре атома слишком много энергии, что заставляет его испускать гамма-излучение, не изменяя его заряд или состав массы.
Гамма-терапия
Гамма-лучи иногда используются для лечения раковых опухолей в организме путем повреждения ДНК опухолевых клеток. Однако необходимо соблюдать осторожность, поскольку гамма-излучение также может повредить ДНК окружающих клеток здоровой ткани.
Один из способов максимизировать дозировку для раковых клеток при минимальном воздействии на здоровые ткани состоит в том, чтобы направить несколько пучков гамма-излучения от линейного ускорителя или линейного ускорителя на целевую область со многих разных направлений. Это принцип работы CyberKnife и Gamma Knife.
Радиохирургия Gamma Knife использует специализированное оборудование, чтобы фокусировать около 200 крошечных пучков излучения на опухоли или другой цели в мозге. По словам Клиники Мейо, каждый отдельный луч оказывает очень незначительное влияние на ткани мозга, через которые он проходит, но сильная доза излучения доставляется в точку, где пучки встречаются.
Гамма-астрономия
Одним из наиболее интересных источников гамма-излучения являются гамма-всплески (гамма-всплески). Это чрезвычайно энергичные события, которые длятся от нескольких миллисекунд до нескольких минут. Впервые они наблюдались в 1960-х годах, и теперь они наблюдаются где-то на небе примерно раз в день.
Гамма-всплески являются "самой энергичной формой света", согласно НАСА. Они сияют в сотни раз ярче, чем обычная сверхновая, и примерно в миллион триллионов раз ярче, чем солнце.
По словам Роберта Паттерсона, профессора астрономии в Университете штата Миссури, когда-то считалось, что гамма-всплески происходят с последних стадий испарения мини-черных дыр. В настоящее время считается, что они возникают при столкновениях компактных объектов, таких как нейтронные звезды. Другие теории связывают эти события с коллапсом сверхмассивных звезд с образованием черных дыр.
В любом случае GRB могут производить достаточно энергии, чтобы в течение нескольких секунд они могли затмить всю галактику. Поскольку атмосфера Земли блокирует большинство гамма-лучей, они видны только с высотных воздушных шаров и орбитальных телескопов.
Дальнейшее чтение:
