Rayo gamma

Un rayo gamma, también conocido como radiación gamma (símbolo γ o ), es una forma penetrante de radiación electromagnética que surge de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos. Consiste en las ondas electromagnéticas de longitud de onda más corta, típicamente más cortas que las de los rayos X. Con frecuencias superiores a 30 exahercios (30 × 10 Hz), imparte la energía fotónica más alta. Paul Villard, químico y físico francés, descubrió la radiación gamma en 1900 mientras estudiaba la radiación emitida por el radio. En 1903, Ernest Rutherford denominó a esta radiación rayos gamma en función de su penetración relativamente fuerte en la materia; en 1900 ya había nombrado dos tipos menos penetrantes de radiación de decaimiento (descubiertos por Henri Becquerel) rayos alfa y rayos beta en orden ascendente de poder de penetración.

Los rayos gamma de la desintegración radiactiva están en el rango de energía de unos pocos kiloelectronvoltios (keV) a aproximadamente 8 megaelectronvoltios (MeV), lo que corresponde a los niveles de energía típicos en los núcleos con una vida útil razonablemente larga. El espectro de energía de los rayos gamma se puede utilizar para identificar los radionucleidos en descomposición mediante espectroscopia gamma. Se han observado rayos gamma de muy alta energía en el rango de 100 a 1000 teraelectronvoltios (TeV) de fuentes como el microquásar Cygnus X-3.

Las fuentes naturales de rayos gamma que se originan en la Tierra son principalmente el resultado de la desintegración radiactiva y la radiación secundaria de las interacciones atmosféricas con las partículas de rayos cósmicos. Sin embargo, existen otras fuentes naturales raras, como los destellos de rayos gamma terrestres, que producen rayos gamma a partir de la acción de los electrones sobre el núcleo. Las fuentes artificiales notables de rayos gamma incluyen la fisión, como la que ocurre en los reactores nucleares, y los experimentos de física de alta energía, como la descomposición del pión neutro y la fusión nuclear.

Los rayos gamma y los rayos X son radiación electromagnética y, dado que se superponen en el espectro electromagnético, la terminología varía entre las disciplinas científicas. En algunos campos de la física, se distinguen por su origen: los rayos gamma se crean por desintegración nuclear, mientras que los rayos X se originan fuera del núcleo. En astrofísica, los rayos gamma se definen convencionalmente como aquellos que tienen energías de fotones superiores a 100 keV y son el tema de la astronomía de rayos gamma, mientras que la radiación por debajo de 100 keV se clasifica como rayos X y es el tema de la astronomía de rayos X.

Los rayos gamma son radiación ionizante y, por lo tanto, son peligrosos para la vida. Debido a su alto poder de penetración, pueden dañar la médula ósea y los órganos internos. A diferencia de los rayos alfa y beta, atraviesan fácilmente el cuerpo y, por lo tanto, representan un desafío formidable para la protección contra la radiación, que requiere un blindaje hecho de materiales densos como el plomo o el hormigón. En la Tierra, la magnetosfera protege la vida de la mayoría de los tipos de radiación cósmica letal distintos de los rayos gamma, que son absorbidos por 0,53 bares de la atmósfera cuando penetran en la atmósfera.

Los rayos gamma no pueden ser reflejados por un espejo y sus longitudes de onda son tan pequeñas que pasarán entre los átomos en un detector.

Historia del descubrimiento

La primera fuente de rayos gamma que se descubrió fue el proceso de desintegración radiactiva llamado desintegración gamma. En este tipo de descomposición, un núcleo excitado emite un rayo gamma casi inmediatamente después de su formación. Paul Villard, un químico y físico francés, descubrió la radiación gamma en 1900, mientras estudiaba la radiación emitida por el radio. Villard sabía que la radiación que describía era más potente que los tipos de rayos del radio descritos anteriormente, que incluían los rayos beta, señalados por primera vez como "radiactividad" por Henri Becquerel en 1896, y los rayos alfa, descubiertos como una forma de radiación menos penetrante por Rutherford, en 1899. Sin embargo, Villard no consideró nombrarlos como un tipo fundamental diferente.Más tarde, en 1903, Ernest Rutherford reconoció que la radiación de Villard era de un tipo fundamentalmente diferente de los rayos previamente nombrados, quien denominó a los rayos de Villard "rayos gamma" por analogía con los rayos beta y alfa que Rutherford había diferenciado en 1899. Los "rayos Los "emitidos por elementos radiactivos fueron nombrados en orden de su poder para penetrar varios materiales, utilizando las tres primeras letras del alfabeto griego: rayos alfa como los menos penetrantes, seguidos de rayos beta, seguidos de rayos gamma como los más penetrantes. Rutherford también notó que los rayos gamma no eran desviados (o al menos, no eran desviados fácilmente) por un campo magnético, otra propiedad que los diferenciaba de los rayos alfa y beta.

Primero se pensó que los rayos gamma eran partículas con masa, como los rayos alfa y beta. Rutherford inicialmente creyó que podrían ser partículas beta extremadamente rápidas, pero el hecho de que un campo magnético no las desviara indicaba que no tenían carga. En 1914, se observó que los rayos gamma se reflejaban en las superficies de los cristales, lo que demostró que se trataba de radiación electromagnética. Rutherford y su compañero de trabajo Edward Andrade midieron las longitudes de onda de los rayos gamma del radio y descubrieron que eran similares a los rayos X, pero con longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, de mayor frecuencia. Eventualmente se reconoció que esto les daba más energía por fotón, tan pronto como el último término fue generalmente aceptado. Entonces se entendió que una desintegración gamma normalmente emite un fotón gamma.

Fuentes

Las fuentes naturales de rayos gamma en la Tierra incluyen la desintegración gamma de radioisótopos naturales como el potasio-40, y también como radiación secundaria de varias interacciones atmosféricas con partículas de rayos cósmicos. Algunas fuentes naturales terrestres raras que producen rayos gamma que no son de origen nuclear son los rayos y los destellos de rayos gamma terrestres, que producen emisiones de alta energía a partir de voltajes naturales de alta energía. Los rayos gamma son producidos por una serie de procesos astronómicos en los que se producen electrones de muy alta energía. Tales electrones producen rayos gamma secundarios por los mecanismos de bremsstrahlung, dispersión Compton inversa y radiación sincrotrón. Una gran fracción de estos rayos gamma astronómicos son filtrados por la atmósfera de la Tierra. Las fuentes artificiales notables de rayos gamma incluyen la fisión, como ocurre en los reactores nucleares, así como los experimentos de física de alta energía, como la descomposición del pión neutro y la fusión nuclear.

Una muestra de material emisor de rayos gamma que se utiliza para irradiar o generar imágenes se conoce como fuente gamma. También se denomina fuente radiactiva, fuente de isótopos o fuente de radiación, aunque estos términos más generales también se aplican a los dispositivos emisores alfa y beta. Las fuentes de rayos gamma suelen estar selladas para evitar la contaminación radiactiva y se transportan con un blindaje pesado.

Desintegración radiactiva (desintegración gamma)

Los rayos gamma se producen durante la desintegración gamma, que normalmente ocurre después de que ocurren otras formas de desintegración, como la desintegración alfa o beta. Un núcleo radiactivo puede decaer por la emisión de unαoβpartícula. El núcleo hijo que resulta generalmente se deja en un estado excitado. Luego puede decaer a un estado de menor energía emitiendo un fotón de rayos gamma, en un proceso llamado decaimiento gamma.

La emisión de un rayo gamma desde un núcleo excitado normalmente requiere solo 10 segundos. La desintegración gamma también puede seguir a reacciones nucleares como la captura de neutrones, la fisión nuclear o la fusión nuclear. La desintegración gamma también es un modo de relajación de muchos estados excitados de los núcleos atómicos que siguen a otros tipos de desintegración radiactiva, como la desintegración beta, siempre que estos estados posean el componente necesario del espín nuclear. Cuando los rayos gamma de alta energía, los electrones o los protones bombardean materiales, los átomos excitados emiten rayos gamma "secundarios" característicos, que son productos de la creación de estados nucleares excitados en los átomos bombardeados. Tales transiciones, una forma de fluorescencia gamma nuclear, forman un tema en la física nuclear llamado espectroscopia gamma. La formación de rayos gamma fluorescentes es un subtipo rápido de desintegración gamma radiactiva.

En ciertos casos, el estado nuclear excitado que sigue a la emisión de una partícula beta u otro tipo de excitación, puede ser más estable que el promedio, y se denomina estado excitado metaestable, si su decaimiento toma (al menos) 100 a 1000 veces más tiempo. que el promedio 10segundos. Estos núcleos excitados de vida relativamente larga se denominan isómeros nucleares y sus desintegraciones se denominan transiciones isoméricas. Dichos núcleos tienen vidas medias que son más fáciles de medir, y los isómeros nucleares raros pueden permanecer en su estado excitado durante minutos, horas, días o, en ocasiones, mucho más tiempo, antes de emitir un rayo gamma. Por lo tanto, el proceso de transición isomérica es similar a cualquier emisión gamma, pero se diferencia en que involucra los estados excitados metaestables intermedios de los núcleos. Los estados metaestables a menudo se caracterizan por un alto espín nuclear, lo que requiere un cambio en el espín de varias unidades o más con el decaimiento gamma, en lugar de una transición de una sola unidad que ocurre en solo 10 segundos. La tasa de desintegración gamma también se ralentiza cuando la energía de excitación del núcleo es pequeña.

Un rayo gamma emitido desde cualquier tipo de estado excitado puede transferir su energía directamente a cualquier electrón, pero lo más probable es que a uno de los electrones de la capa K del átomo, lo que hace que sea expulsado de ese átomo, en un proceso generalmente denominado efecto fotoeléctrico. (Los rayos gamma externos y los rayos ultravioleta también pueden causar este efecto). El efecto fotoeléctrico no debe confundirse con el proceso de conversión interna, en el que no se produce un fotón de rayos gamma como partícula intermedia (más bien, se puede pensar que un "rayo gamma virtual" media en el proceso).

Esquemas de descomposición

Un ejemplo de producción de rayos gamma debido a la desintegración de radionúclidos es el esquema de desintegración del cobalto-60, como se ilustra en el diagrama adjunto. Primero,Codecae a emocionadoNipor emisión de desintegración beta de un electrón de0,31 MeV. Entonces el emocionadoNidecae al estado fundamental (ver modelo de capa nuclear) emitiendo rayos gamma en sucesión de 1,17 MeV seguidos de1,33 MeV. Este camino se sigue el 99,88% del tiempo:

Otro ejemplo es la desintegración alfa deSoyformarNotario público; seguida de emisión gamma. En algunos casos, el espectro de emisión gamma del núcleo hijo es bastante simple (por ejemplo,Co/Ni) mientras que en otros casos, como con (Soy/Notario públicoyir/punto), el espectro de emisión gamma es complejo, lo que revela que existen una serie de niveles de energía nuclear.

Partículas fisicas

Los rayos gamma se producen en muchos procesos de física de partículas. Por lo general, los rayos gamma son productos de sistemas neutros que se desintegran a través de interacciones electromagnéticas (en lugar de una interacción débil o fuerte). Por ejemplo, en una aniquilación electrón-positrón, los productos habituales son dos fotones de rayos gamma. Si el electrón y el positrón aniquiladores están en reposo, cada uno de los rayos gamma resultantes tiene una energía de ~ 511 keV y una frecuencia de ~1,24 × 10 Hz. De manera similar, un pión neutro generalmente se desintegra en dos fotones. Muchos otros hadrones y bosones masivos también se desintegran electromagnéticamente. Los experimentos de física de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones, emplean una protección sustancial contra la radiación. Debido a que las partículas subatómicas en su mayoría tienen longitudes de onda mucho más cortas que los núcleos atómicos, los rayos gamma de la física de partículas son generalmente varios órdenes de magnitud más energéticos que los rayos gamma de desintegración nuclear. Dado que los rayos gamma se encuentran en la parte superior del espectro electromagnético en términos de energía, todos los fotones de energía extremadamente alta son rayos gamma; por ejemplo, un fotón que tenga la energía de Planck sería un rayo gamma.

Otras fuentes

Se sabe que algunos rayos gamma en astronomía surgen de la descomposición gamma (ver discusión de SN1987A), pero la mayoría no.

Los fotones de fuentes astrofísicas que transportan energía en el rango de la radiación gamma a menudo se denominan explícitamente radiación gamma. Además de las emisiones nucleares, a menudo son producidas por interacciones de partículas subatómicas y partículas-fotones. Estos incluyen la aniquilación de electrones y positrones, el decaimiento de piones neutros, bremsstrahlung, dispersión inversa de Compton y radiación de sincrotrón.

Fuentes de laboratorio

En octubre de 2017, científicos de varias universidades europeas propusieron un medio para fuentes de fotones GeV utilizando láseres como excitadores a través de una interacción controlada entre la cascada y el atrapamiento radiativo anómalo.

Tormentas terrestres

Las tormentas eléctricas pueden producir un breve pulso de radiación gamma llamado destello de rayos gamma terrestres. Se cree que estos rayos gamma son producidos por campos eléctricos estáticos de alta intensidad que aceleran los electrones, que luego producen rayos gamma por bremsstrahlung cuando chocan con los átomos en la atmósfera y son frenados por ellos. Los rayos gamma de hasta 100 MeV pueden ser emitidos por tormentas eléctricas terrestres y fueron descubiertos por observatorios espaciales. Esto aumenta la posibilidad de riesgos para la salud de los pasajeros y la tripulación en aeronaves que vuelan en o cerca de nubes tormentosas.

Erupciones solares

Las erupciones solares más efusivas se emiten en todo el espectro EM, incluidos los rayos γ. La primera observación segura ocurrió en 1972.

Rayos cósmicos

Los rayos gamma extraterrestres de alta energía incluyen el fondo de rayos gamma producido cuando los rayos cósmicos (ya sean electrones o protones de alta velocidad) chocan con la materia ordinaria, produciendo rayos gamma de producción de pares a 511 keV. Alternativamente, el bremsstrahlung se produce a energías de decenas de MeV o más cuando los electrones de rayos cósmicos interactúan con núcleos de número atómico suficientemente alto (ver la imagen de rayos gamma de la Luna cerca del final de este artículo, como ilustración).

Pulsares y magnetares

El cielo de rayos gamma (vea la ilustración a la derecha) está dominado por la producción más común y a más largo plazo de rayos gamma que emanan de los púlsares dentro de la Vía Láctea. Las fuentes del resto del cielo son en su mayoría cuásares. Se cree que los púlsares son estrellas de neutrones con campos magnéticos que producen haces de radiación enfocados, y son fuentes mucho menos energéticas, más comunes y mucho más cercanas (normalmente se ven solo en nuestra propia galaxia) que los cuásares o las fuentes de explosión de rayos gamma más raras. de rayos gamma. Los púlsares tienen campos magnéticos de vida relativamente larga que producen haces enfocados de partículas cargadas de velocidad relativista, que emiten rayos gamma (bremsstrahlung) cuando golpean gas o polvo en su medio cercano y se desaceleran. Este es un mecanismo similar a la producción de fotones de alta energía en máquinas de radioterapia de megavoltaje (ver bremsstrahlung). Dispersión Compton inversa, en la que las partículas cargadas (generalmente electrones) imparten energía a los fotones de baja energía y los impulsan a fotones de mayor energía. Tales impactos de fotones en haces de partículas cargadas relativistas es otro posible mecanismo de producción de rayos gamma. Las estrellas de neutrones con un campo magnético muy alto (magnetares), que se cree que producen repetidores gamma astronómicos suaves, son otra fuente de radiación gamma alimentada por estrellas de vida relativamente larga.

Cuásares y galaxias activas

Se cree que los rayos gamma más potentes de cuásares muy distantes y galaxias activas más cercanas tienen una fuente de producción de rayos gamma similar a un acelerador de partículas. Los electrones de alta energía producidos por el quásar y sujetos a la dispersión Compton inversa, la radiación de sincrotrón o el bremsstrahlung son la fuente probable de los rayos gamma de esos objetos. Se cree que un agujero negro supermasivo en el centro de tales galaxias proporciona la fuente de energía que destruye estrellas de forma intermitente y enfoca las partículas cargadas resultantes en haces que emergen de sus polos de rotación. Cuando esos haces interactúan con gas, polvo y fotones de menor energía, producen rayos X y rayos gamma. Se sabe que estas fuentes fluctúan con duraciones de unas pocas semanas, lo que sugiere su tamaño relativamente pequeño (menos de unas pocas semanas luz). Estas fuentes de rayos X y gamma son las fuentes de alta intensidad más comúnmente visibles fuera de nuestra galaxia. No brillan en ráfagas (ver ilustración), sino de forma relativamente continua cuando se observan con telescopios de rayos gamma. La potencia de un cuásar típico es de aproximadamente 10vatios, una pequeña fracción de la cual es radiación gamma. Gran parte del resto se emite como ondas electromagnéticas de todas las frecuencias, incluidas las ondas de radio.

Estallidos de rayos gamma

Las fuentes más intensas de rayos gamma son también las fuentes más intensas de cualquier tipo de radiación electromagnética actualmente conocida. Son las fuentes de rayos gamma de "ráfaga de larga duración" en astronomía ("largas" en este contexto, lo que significa unas pocas decenas de segundos), y son raras en comparación con las fuentes discutidas anteriormente. Por el contrario, se cree que los estallidos de rayos gamma "cortos" de dos segundos o menos, que no están asociados con supernovas, producen rayos gamma durante la colisión de pares de estrellas de neutrones, o una estrella de neutrones y un agujero negro.

Los llamados estallidos de rayos gamma de larga duración producen una salida de energía total de alrededor de 10julios (la cantidad de energía que producirá nuestro Sol en toda su vida) pero en un período de solo 20 a 40 segundos. Los rayos gamma son aproximadamente el 50% de la producción total de energía. Las hipótesis principales para el mecanismo de producción de estos haces de radiación de mayor intensidad conocida son la dispersión inversa de Compton y la radiación de sincrotrón de partículas cargadas de alta energía. Estos procesos ocurren cuando las partículas cargadas relativistas abandonan la región del horizonte de eventos de un agujero negro recién formado creado durante la explosión de una supernova. El haz de partículas que se mueven a velocidades relativistas se enfoca durante unas decenas de segundos por el campo magnético de la hipernova en explosión. La explosión de fusión de la hipernova impulsa la energía del proceso. Si el rayo de dirección estrecha apunta hacia la Tierra,

Propiedades

Penetración de la materia

Debido a su naturaleza penetrante, los rayos gamma requieren grandes cantidades de masa de protección para reducirlos a niveles que no sean dañinos para las células vivas, a diferencia de las partículas alfa, que pueden detenerse con papel o piel, y las partículas beta, que pueden protegerse. por aluminio delgado. Los rayos gamma son mejor absorbidos por materiales con números atómicos altos (Z) y alta densidad, que contribuyen al poder de frenado total. Debido a esto, un escudo de plomo (Z alto) es 20-30% mejor como escudo gamma que una masa igual de otro Z bajo.material de protección, como aluminio, hormigón, agua o tierra; La principal ventaja del plomo no es su menor peso, sino su compacidad debido a su mayor densidad. La ropa protectora, las gafas y los respiradores pueden proteger contra el contacto interno o la ingestión de partículas emisoras alfa o beta, pero no brindan protección contra la radiación gamma de fuentes externas.

Cuanto mayor sea la energía de los rayos gamma, más grueso será el blindaje fabricado con el mismo material de blindaje. Los materiales para proteger los rayos gamma se miden típicamente por el espesor requerido para reducir la intensidad de los rayos gamma a la mitad (la capa de valor medio o HVL). Por ejemplo, los rayos gamma que requieren 1 cm (0,4″) de plomo para reducir su intensidad en un 50 % también verán reducida su intensidad a la mitad por 4,1 cm de roca de granito, 6 cm (2½″) de hormigón o 9 cm (3½″) de tierra compactada. Sin embargo, la masa de esta cantidad de hormigón o suelo es solo un 20-30% mayor que la del plomo con la misma capacidad de absorción. El uranio empobrecido se usa para blindaje en fuentes portátiles de rayos gamma, pero aquí los ahorros en peso sobre el plomo son mayores,como una fuente portátil es muy pequeña en relación con el blindaje requerido, el blindaje se parece hasta cierto punto a una esfera. El volumen de una esfera depende del cubo del radio; por lo tanto, una fuente con su radio reducido a la mitad tendrá su volumen (y peso) reducido por un factor de ocho, lo que compensará con creces la mayor densidad del uranio (además de reducir el volumen). En una planta de energía nuclear, el blindaje puede ser proporcionado por acero y hormigón en el recipiente de contención de partículas y presión, mientras que el agua proporciona un blindaje contra la radiación de las barras de combustible durante el almacenamiento o el transporte al núcleo del reactor. La pérdida de agua o la eliminación de un conjunto de combustible "caliente" en el aire daría como resultado niveles de radiación mucho más altos que cuando se mantiene bajo el agua.

Interacción de la materia

Cuando un rayo gamma atraviesa la materia, la probabilidad de absorción es proporcional al espesor de la capa, la densidad del material y la sección transversal de absorción del material. La absorción total muestra una disminución exponencial de la intensidad con la distancia desde la superficie incidente:

donde x es el espesor del material desde la superficie incidente, μ= n σ es el coeficiente de absorción, medido en cm, n el número de átomos por cm del material (densidad atómica) y σ la sección transversal de absorción en cm.

A medida que atraviesa la materia, la radiación gamma se ioniza a través de tres procesos:

• El efecto fotoeléctrico: describe el caso en el que un fotón gamma interactúa y transfiere su energía a un electrón atómico, provocando la expulsión de ese electrón del átomo. La energía cinética del fotoelectrón resultante es igual a la energía del fotón gamma incidente menos la energía que unió originalmente el electrón al átomo (energía de enlace). El efecto fotoeléctrico es el mecanismo dominante de transferencia de energía para fotones de rayos X y rayos gamma con energías por debajo de 50 keV (mil electronvoltios), pero es mucho menos importante a energías más altas.
• Dispersión de Compton: esta es una interacción en la que un fotón gamma incidente pierde suficiente energía en un electrón atómico para provocar su eyección, y el resto de la energía del fotón original se emite como un nuevo fotón gamma de menor energía cuya dirección de emisión es diferente a la de el fotón gamma incidente, de ahí el término "dispersión". La probabilidad de dispersión Compton disminuye al aumentar la energía de los fotones. Se cree que es el principal mecanismo de absorción de rayos gamma en el rango de energía intermedia de 100 keV a 10 MeV. Es relativamente independiente del número atómico del material absorbente, razón por la cual los materiales muy densos como el plomo son sólo modestamente mejores escudos, por peso, que los materiales menos densos.
• Producción de pares: Esto se hace posible con energías gamma superiores a 1,02 MeV, y adquiere importancia como mecanismo de absorción a energías superiores a 5 MeV (véase la ilustración de la derecha, para el plomo). Por interacción con el campo eléctrico de un núcleo, la energía del fotón incidente se convierte en la masa de un par electrón-positrón. Cualquier energía gamma que exceda la masa equivalente en reposo de las dos partículas (que totalice al menos 1,02 MeV) aparece como la energía cinética del par y en el retroceso del núcleo emisor. Al final del rango del positrón, se combina con un electrón libre, y los dos se aniquilan, y la masa completa de estos dos se convierte luego en dos fotones gamma de al menos 0,51 MeV de energía cada uno (o más según la energía cinética de las partículas aniquiladas).

Los electrones secundarios (y/o positrones) producidos en cualquiera de estos tres procesos frecuentemente tienen suficiente energía para producir ellos mismos mucha ionización.

Además, los rayos gamma, en particular los de alta energía, pueden interactuar con los núcleos atómicos y provocar la expulsión de partículas en fotodesintegración o, en algunos casos, incluso fisión nuclear (fotofisión).

Interacción de luz

Los rayos gamma de alta energía (de 80 GeV a ~10 TeV) que llegan de cuásares lejanos se utilizan para estimar la luz de fondo extragaláctica en el universo: los rayos de mayor energía interactúan más fácilmente con los fotones de luz de fondo y, por lo tanto, la densidad de la luz de fondo se puede estimar analizando los espectros de rayos gamma entrantes.

Espectroscopia gamma

La espectroscopia gamma es el estudio de las transiciones energéticas en los núcleos atómicos, que generalmente están asociadas con la absorción o emisión de rayos gamma. Como en la espectroscopia óptica (ver efecto Franck-Condon), la absorción de rayos gamma por un núcleo es especialmente probable (es decir, picos en una "resonancia") cuando la energía del rayo gamma es la misma que la de una transición de energía en el núcleo. En el caso de los rayos gamma, tal resonancia se ve en la técnica de espectroscopia de Mössbauer. En el efecto Mössbauer, la absorción de resonancia estrecha para la absorción gamma nuclear se puede lograr con éxito inmovilizando físicamente los núcleos atómicos en un cristal. Se requiere la inmovilización de los núcleos en ambos extremos de una interacción de resonancia gamma para que no se pierda energía gamma por la energía cinética de los núcleos que retroceden en el extremo emisor o absorbente de una transición gamma. Tal pérdida de energía hace que falle la absorción de resonancia de rayos gamma. Sin embargo, cuando los rayos gamma emitidos transportan esencialmente toda la energía de la desexcitación nuclear atómica que los produce, esta energía también es suficiente para excitar el mismo estado de energía en un segundo núcleo inmovilizado del mismo tipo.

Aplicaciones

Los rayos gamma brindan información sobre algunos de los fenómenos más energéticos del universo; sin embargo, son absorbidos en gran parte por la atmósfera de la Tierra. Los instrumentos a bordo de globos de gran altitud y misiones satelitales, como el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, brindan nuestra única vista del universo en rayos gamma.

Los cambios moleculares inducidos por rayos gamma también se pueden usar para alterar las propiedades de las piedras semipreciosas y, a menudo, se usan para cambiar el topacio blanco en topacio azul.

Los sensores industriales sin contacto comúnmente usan fuentes de radiación gamma en las industrias de refinación, minería, productos químicos, alimentos, jabones y detergentes, y pulpa y papel, para la medición de niveles, densidad y espesores. Los sensores de rayos gamma también se utilizan para medir los niveles de fluidos en las industrias del agua y el petróleo. Por lo general, estos utilizan isótopos Co-60 o Cs-137 como fuente de radiación.

En los EE. UU., los detectores de rayos gamma comienzan a usarse como parte de la Iniciativa de seguridad de contenedores (CSI). Se anuncia que estas máquinas pueden escanear 30 contenedores por hora.

La radiación gamma se usa a menudo para matar organismos vivos, en un proceso llamado irradiación. Las aplicaciones de esto incluyen la esterilización de equipos médicos (como una alternativa a los autoclaves o medios químicos), la eliminación de bacterias causantes de caries de muchos alimentos y la prevención de la germinación de frutas y verduras para mantener la frescura y el sabor.

A pesar de sus propiedades cancerígenas, los rayos gamma también se usan para tratar algunos tipos de cáncer, ya que los rayos también matan las células cancerosas. En el procedimiento llamado cirugía con bisturí gamma, múltiples haces concentrados de rayos gamma se dirigen al crecimiento para matar las células cancerosas. Los rayos se dirigen desde diferentes ángulos para concentrar la radiación en el crecimiento y minimizar el daño a los tejidos circundantes.

Los rayos gamma también se utilizan con fines de diagnóstico en medicina nuclear en técnicas de imagen. Se utilizan varios radioisótopos emisores de rayos gamma diferentes. Por ejemplo, en una tomografía PET, un azúcar radiomarcado llamado fluorodesoxiglucosa emite positrones que son aniquilados por electrones, produciendo pares de rayos gamma que resaltan el cáncer, ya que este suele tener una tasa metabólica más alta que los tejidos circundantes. El emisor gamma más común utilizado en aplicaciones médicas es el isómero nuclear tecnecio-99m, que emite rayos gamma en el mismo rango de energía que los rayos X de diagnóstico. Cuando este marcador de radionúclido se administra a un paciente, se puede usar una cámara gamma para formar una imagen de la distribución del radioisótopo mediante la detección de la radiación gamma emitida (ver también SPECT). Dependiendo de qué molécula haya sido marcada con el trazador,

Efectos en la salud

Los rayos gamma provocan daños a nivel celular y son penetrantes, provocando daños difusos por todo el organismo. Sin embargo, son menos ionizantes que las partículas alfa o beta, que son menos penetrantes.

Los niveles bajos de rayos gamma provocan un riesgo estocástico para la salud, que para la evaluación de la dosis de radiación se define como la probabilidad de inducción de cáncer y daño genético. Las dosis altas producen efectos deterministas, que es la gravedad del daño tisular agudo que seguramente ocurrirá. Estos efectos se comparan con la cantidad física dosis absorbida medida por la unidad gray (Gy).

Respuesta del cuerpo

Cuando la radiación gamma rompe las moléculas de ADN, una célula puede reparar el material genético dañado, dentro de ciertos límites. Sin embargo, un estudio de Rothkamm y Lobrich ha demostrado que este proceso de reparación funciona bien después de una exposición a dosis altas, pero es mucho más lento en el caso de una exposición a dosis bajas.

Evaluación de riesgos

La exposición natural al aire libre en el Reino Unido varía de 0,1 a 0,5 µSv/h con un aumento significativo alrededor de sitios nucleares y contaminados conocidos. La exposición natural a los rayos gamma es de aproximadamente 1 a 2 mSv por año, y la cantidad total promedio de radiación recibida en un año por habitante en los EE. UU. es de 3,6 mSv. Hay un pequeño aumento en la dosis, debido a la radiación gamma natural, alrededor de pequeñas partículas de materiales de alto número atómico en el cuerpo humano causado por el efecto fotoeléctrico.

En comparación, la dosis de radiación de la radiografía de tórax (alrededor de 0,06 mSv) es una fracción de la dosis de radiación de fondo natural anual. Una tomografía computarizada de tórax administra de 5 a 8 mSv. Una tomografía PET/TC de cuerpo entero puede generar de 14 a 32 mSv según el protocolo. La dosis de fluoroscopia del estómago es mucho más alta, aproximadamente 50 mSv (14 veces el fondo anual).

Una dosis aguda de exposición única equivalente a todo el cuerpo de 1 Sv (1000 mSv) provoca ligeros cambios en la sangre, pero 2,0 a 3,5 Sv (2,0 a 3,5 Gy) provoca un síndrome muy grave de náuseas, caída del cabello y hemorragia, y provocará la muerte en un número considerable de casos, alrededor del 10% al 35% sin tratamiento médico. Una dosis de 5 Sv (5 Gy) se considera aproximadamente la LD ₅₀ (dosis letal para el 50 % de la población expuesta) para una exposición aguda a la radiación incluso con tratamiento médico estándar. Una dosis superior a 5 Sv (5 Gy) aumenta la probabilidad de muerte por encima del 50 %. Por encima de 7,5 a 10 Sv (7,5 a 10 Gy) en todo el cuerpo, incluso un tratamiento extraordinario, como los trasplantes de médula ósea, no evitará la muerte del individuo expuesto (ver envenenamiento por radiación).(Sin embargo, se pueden administrar dosis mucho mayores a partes seleccionadas del cuerpo durante la radioterapia).

Para la exposición a dosis bajas, por ejemplo entre los trabajadores nucleares, que reciben una dosis de radiación anual promedio de 19 mSv, el riesgo de morir de cáncer (excluyendo la leucemia) aumenta en un 2 por ciento. Para una dosis de 100 mSv, el aumento del riesgo es del 10 por ciento. En comparación, el riesgo de morir de cáncer aumentó en un 32 por ciento para los sobrevivientes del bombardeo atómico de Hiroshima y Nagasaki.

Unidades de medida y exposición

La siguiente tabla muestra las cantidades de radiación en unidades SI y no SI:

La medida del efecto ionizante de los rayos gamma y X en el aire seco se llama exposición, para la cual se usó una unidad heredada, el röntgen desde 1928. Esto ha sido reemplazado por kerma, que ahora se usa principalmente para propósitos de calibración de instrumentos pero no para efecto de la dosis recibida. El efecto de la radiación gamma y otras radiaciones ionizantes en el tejido vivo está más estrechamente relacionado con la cantidad de energía depositada en el tejido que con la ionización del aire, y desde 1953 en adelante se han definido y desarrollado unidades y cantidades radiométricas de reemplazo para la protección contra la radiación. Estos son:

• El gray (Gy), es la unidad SI de dosis absorbida, que es la cantidad de energía de radiación depositada en el material irradiado. Para la radiación gamma, esto es numéricamente equivalente a la dosis equivalente medida por el sievert, que indica el efecto biológico estocástico de los bajos niveles de radiación en el tejido humano. El factor de conversión de ponderación de radiación de dosis absorbida a dosis equivalente es 1 para gamma, mientras que las partículas alfa tienen un factor de 20, lo que refleja su mayor efecto ionizante sobre el tejido.
• El rad es la unidad CGS en desuso para la dosis absorbida y el rem es la unidad CGS en desuso de la dosis equivalente, utilizada principalmente en los EE. UU.

Distinción de los rayos X

La distinción convencional entre rayos X y rayos gamma ha cambiado con el tiempo. Originalmente, la radiación electromagnética emitida por los tubos de rayos X tenía casi invariablemente una longitud de onda más larga que la radiación (rayos gamma) emitida por los núcleos radiactivos. La literatura más antigua distinguía entre radiación X y gamma sobre la base de la longitud de onda, con una radiación más corta que alguna longitud de onda arbitraria, como 10 m, definida como rayos gamma. Dado que la energía de los fotones es proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda, esta distinción pasada entre rayos X y rayos gamma también se puede considerar en términos de su energía, y los rayos gamma se consideran radiación electromagnética de mayor energía que los rayos X. -rayos.

Sin embargo, dado que las fuentes artificiales actuales ahora pueden duplicar cualquier radiación electromagnética que se origine en el núcleo, así como energías mucho más altas, las longitudes de onda características de las fuentes de rayos gamma radiactivos frente a otros tipos ahora se superponen por completo. Por lo tanto, los rayos gamma ahora se distinguen generalmente por su origen: los rayos X son emitidos por definición por electrones fuera del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo. Las excepciones a esta convención ocurren en astronomía, donde la desintegración gamma se ve en el resplandor residual de ciertas supernovas, pero la radiación de procesos de alta energía que se sabe que involucran otras fuentes de radiación además de la desintegración radiactiva todavía se clasifica como radiación gamma.

Por ejemplo, los rayos X modernos de alta energía producidos por aceleradores lineales para el tratamiento de megavoltaje en el cáncer a menudo tienen una energía más alta (4 a 25 MeV) que la mayoría de los rayos gamma clásicos producidos por la descomposición gamma nuclear. Uno de los isótopos emisores de rayos gamma más comunes utilizados en medicina nuclear de diagnóstico, el tecnecio-99m, produce radiación gamma de la misma energía (140 keV) que la producida por las máquinas de rayos X de diagnóstico, pero de energía significativamente menor que los fotones terapéuticos de rayos lineales. aceleradores de partículas En la comunidad médica actual, todavía se respeta la convención de que la radiación producida por la desintegración nuclear es el único tipo denominado radiación "gamma".

Debido a esta amplia superposición en los rangos de energía, en física los dos tipos de radiación electromagnética ahora se definen a menudo por su origen: los rayos X son emitidos por electrones (ya sea en orbitales fuera del núcleo o mientras se aceleran para producir rayos de tipo bremsstrahlung). radiación), mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo o por medio de otras desintegraciones de partículas o eventos de aniquilación. No existe un límite inferior para la energía de los fotones producidos por reacciones nucleares y, por lo tanto, los fotones ultravioleta o de menor energía producidos por estos procesos también se definirían como "rayos gamma". La única convención de nomenclatura que todavía se respeta universalmente es la regla de que la radiación electromagnética que se sabe que es de origen nuclear atómico siempre esdenominados "rayos gamma", y nunca como rayos X. Sin embargo, en física y astronomía, la convención inversa (que todos los rayos gamma se consideran de origen nuclear) se viola con frecuencia.

En astronomía, los rayos X y gamma de mayor energía se definen por la energía, ya que los procesos que los producen pueden ser inciertos y la energía del fotón, no el origen, determina los detectores astronómicos necesarios. Los fotones de alta energía ocurren en la naturaleza y se sabe que son producidos por procesos distintos a la desintegración nuclear, pero aún se los conoce como radiación gamma. Un ejemplo son los "rayos gamma" de descargas de rayos de 10 a 20 MeV, y se sabe que son producidos por el mecanismo bremsstrahlung.

Otro ejemplo son los estallidos de rayos gamma, que ahora se sabe que se producen a partir de procesos demasiado poderosos para involucrar simples colecciones de átomos que experimentan una descomposición radiactiva. Esto es parte integral de la comprensión general de que muchos rayos gamma producidos en procesos astronómicos no son el resultado de la desintegración radiactiva o la aniquilación de partículas, sino de procesos no radiactivos similares a los rayos X.Aunque los rayos gamma de la astronomía a menudo provienen de eventos no radiactivos, se sabe específicamente que algunos rayos gamma en la astronomía se originan a partir de la descomposición gamma de los núcleos (como lo demuestran sus espectros y la vida media de emisión). Un ejemplo clásico es el de la supernova SN 1987A, que emite un "resplandor" de fotones de rayos gamma a partir de la descomposición del níquel-56 y el cobalto-56 radiactivos recién fabricados. La mayoría de los rayos gamma en astronomía, sin embargo, surgen por otros mecanismos.