Rayos Gamma

En Física nuclear, los rayos gamma, a menudo referidos por la correspondiente letra griega en minúsculas γ, son la radiación electromagnética producida por la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos. Son radiaciones de muy alta frecuencia y se encuentran entre las más peligrosas para los seres humanos, al igual que todas las radiaciones ionizantes. El peligro surge del hecho de que son ondas de alta energía capaces de dañar irreparablemente las moléculas que componen las células, llevándolas a desarrollar mutaciones genéticas o incluso la muerte. En la Tierra podemos observar fuentes naturales de Rayos gamma tanto en la descomposición de los radionucleidos como en las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera; más raramente incluso los rayos producen esta radiación.

Las primeras fuentes de rayos gamma se observaron en la desintegración gamma, un proceso en el que un núcleo excitado decae emitiendo esta radiación justo después de la formación. El PRIMERO en observarlos fue Paul Villard, un químico y físico francés, en 1900 mientras estudiaba la radiación emitida por la radio. Ulrich Villard entendió que esta radiación era más penetrante que otras observadas en la radio, como los rayos beta (observados por Henri Becquerel en 1896) o los rayos alfa (observados por Ernest Rutherford en 1899). Sin embargo, Villard no nombró esta radiación con un nombre diferente. La radiación Gamma fue reconocida como una radiación fundamental diferente por Rutherford en 1903 y fue nombrada después de la tercera letra del alfabeto griego, que sigue a Alfa y beta. Además de la mayor capacidad de penetración de los rayos gamma, Rutherford también señaló que estos últimos no fueron desviados por el campo magnético. Los rayos Gamma fueron pensados inicialmente como partículas (el propio Rutherford pensó que eran partículas beta muy rápidas), pero varias observaciones, como la reflexión en la superficie de un cristal (1914), mostraron que eran radiación electromagnética. Rutherford y su colaborador Edward Andrade midieron por primera vez la longitud de onda de los rayos gamma emitidos por la radio, obteniendo valores más bajos que los rayos beta, por lo tanto una frecuencia más alta. Los rayos Gamma en las desintegraciones nucleares se emiten en forma de un solo fotón.

Normalmente la frecuencia de esta radiación es mayor que 10 20 Hz, por lo tanto, tiene una energía superior a 100 keV y una longitud de onda inferior a 3x10 -13 m, mucho menor que el diámetro de un átomo. También se han estudiado las interacciones que involucran rayos gamma de energía de TeV a PeV. En astronomía los rayos gamma se definen de acuerdo con su energía y hay rayos gamma de más de 10 TeV, una frecuencia mayor que la de cualquier desintegración radiactiva. Los rayos Gamma son más penetrantes que la radiación producida por otras formas de desintegración radiactiva, a saber, la desintegración alfa y la desintegración beta, debido a la menor tendencia a interactuar con la materia. En estas frecuencias, la descripción de los fenómenos de las interacciones entre el campo electromagnético y la materia no se puede separar de la mecánica cuántica : en esta última, aquellos que transportan una energía igual a: los rayos gamma se distinguen de los rayos X a su fuente: el rango se produce por transiciones, nucleares o subatómicas, mientras que los rayos X se producen por transiciones de energía debido a los electrones a los niveles de energía cuantificado externo entrar en más niveles internos de energía libre La radiación Gamma se compone de fotones : esta es una diferencia sustancial de la radiación alfa que se compone de núcleos de helio y la radiación beta que se compone de electrones; los fotones, al no estar dotados de masa, son menos ionizantes. Dado que es posible que algunas transiciones electrónicas excedan las energías de algunas transiciones nucleares, la frecuencia de los rayos X más energéticos puede ser mayor que la de los rayos gamma menos energéticos. De hecho, sin embargo, ambas son ondas electromagnéticas, al igual que las ondas de radio y la luz. Las emisiones de los rayos gamma son de interés científico en aceleradores partículas naturales, que pueden ser los restos de supernovas de los sistemas binarios de alta energía compuestos por estrellas normales y objetos compactos como estrellas de neutrones o agujeros negros, y núcleos galácticos activos, que contienen en sus agujeros negros centrales (masas de hasta varios millones de masas solares). Para su estudio, se inició el experimento GLAST, un telescopio en órbita sensible a la radiación gamma. Además de GLAST, Hay varios observatorios de la Tierra Čerenkov que son capaces de capturar indirectamente rayos gamma de muy altas energías, incluso más altas que las que GLAST puede detectar, procedentes de las regiones más activas del universo.

El blindaje de rayos Γ requiere materiales mucho más gruesos que los necesarios para proteger las partículas α y β que pueden ser bloqueadas por una simple hoja de papel (α) o una delgada placa de metal (β). Los rayos Gamma son mejor absorbidos por materiales con un alto número atómico y alta densidad : de hecho, si para reducir la intensidad de un rayo gamma en un 50% se necesita 1 cm de plomo, el mismo efecto es con 6 cm de cemento o 9 cm de tierra prensada. Los materiales de blindaje se miden típicamente de acuerdo con el grosor requerido para reducir a la mitad la intensidad de la radiación. Por supuesto, cuanto mayor es la energía de los fotones, mayor es el espesor del blindaje requerido. Por lo tanto, se necesitan pantallas gruesas para proteger a los seres humanos, ya que los rayos gamma y los rayos X producen efectos como quemaduras, formas de cáncer y mutaciones genéticas. Por ejemplo, en las plantas de energía nuclear para blindaje, el acero y el cemento se utilizan en el recipiente de contención de partículas, y el agua proporciona blindaje contra la radiación producida durante el almacenamiento de barras de combustible o durante el transporte del núcleo del reactor.

Cuando un rayo gamma pasa a través de la materia, la probabilidad de absorción es proporcional al grosor de la capa, la densidad del material y la sección transversal de absorción. Se observa que la intensidad de absorción total disminuye exponencialmente con la distancia desde la superficie de incidencia: donde x es el espesor del material desde la superficie incidente, μ = n σ es el coeficiente de absorción, medido en cm-1, n es el número de átomos por cm 3 (densidad atómica) y σ es la sección de impacto medida en cm 2. En términos de ionización, la radiación gamma interactúa con la materia de tres maneras principales: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la producción de pares electrón - positrón. Efecto fotoeléctrico: ocurre cuando un fotón gamma interactúa con un electrón, tendencialmente interno, orbitando un átomo y transfiere toda su energía a él, lo que resulta en la expulsión del electrón del átomo. La energía cinética del "fotoelectrón" resultante es igual a la energía del fotón gamma incidente menos la energía de enlace del electrón. El efecto fotoeléctrico es el mecanismo principal para la interacción de fotones gamma y X por debajo de 50 keV (miles de electronvoltios), pero es mucho menos importante a energías más altas. Dispersión de Compton: un fotón gamma incidente expulsa un electrón de un átomo, similar al caso anterior, pero la energía adicional del fotón se convierte en un nuevo fotón gamma menos energético, con una dirección diferente del fotón original (dispersión, para esto el término dispersión). La probabilidad de dispersión de Compton disminuye con el aumento de la energía fotónica. Este es el principal mecanismo para la absorción de rayos gamma en el rango de energías "medias" , entre 100 keV y 10 MeV, donde cae la mayor parte de la radiación gamma producida por una explosión nuclear. El mecanismo es relativamente independiente del número atómico del material absorbente. Producción de pares: interactuando con el campo electromagnético del núcleo, la energía del fotón incidente se convierte en la masa de un par electrón / positrón (un positrón es un electrón cargado positivamente). La energía en exceso de la masa en reposo de las dos partículas (1,02 MeV) aparece como la energía cinética del par y el núcleo. El electrón del par, generalmente llamado electrón secundario, es muy ionizante. El positrón tiene una vida corta: se recombina dentro de 10 -8 segundos con un electrón libre, dando vida a un par de fotones gamma con una energía de 0.51 MeV cada uno emitido a 180° para cumplir con el principio de conservación del momento. La recombinación de partículas y antipartículas se llama aniquilación. Este mecanismo se hace posible con energías superiores a 1,02 MeV y se convierte en un importante mecanismo de absorción con energías superiores a 5 MeV. Los electrones secundarios producidos en uno de estos tres mecanismos a menudo tienen suficiente energía para ionizarse también. Además, los rayos gamma, especialmente los de alta energía, pueden interactuar con los núcleos atómicos emitiendo partículas (fotodisintegración) o posiblemente produciendo fisión nuclear (fotofisión).

Los rayos gamma de alta energía (80 GeV a ~10 TEV) de cuásares muy distantes se utilizan para estimar la luz de fondo extragaláctica a menudo conocida como EBL. Esta radiación, que no debe confundirse con la radiación de fondo cósmico, se debe tanto a toda la radiación acumulada en el Universo durante la formación de estrellas como a los núcleos galácticos activos. Los rayos de alta energía interactúan con los fotones de la luz extragaláctica de fondo y de la estimación de su atenuación la densidad de la luz de fondo también se puede deducir mediante el análisis del espectro de los rayos gamma entrantes.

En el pasado, la distinción entre rayos X y rayos gamma se basaba en la energía: los rayos gamma se consideraban una radiación electromagnética de alta energía. Sin embargo, los rayos X modernos producidos por aceleradores lineales para el tratamiento del cáncer a menudo tienen una energía más alta (de 4 a 25 Mev) que la de los rayos gamma clásicos producidos por desintegración nuclear. El tecnecio-99m, uno de los isótopos emisores de rayos gamma más comunes utilizados en Medicina nuclear, produce radiación a la misma energía (140 keV) que una máquina de diagnóstico de rayos X, pero mucho menor que la de los fotones terapéuticos de un acelerador lineal. Hoy en día en la comunidad médica se sigue respetando la Convención de que la radiación producida por la desintegración nuclear es el único tipo de radiación llamada gamma. Debido a la superposición de los intervalos de energía hoy en la física, los dos tipos de radiación se definen de acuerdo con su origen: los rayos X son emitidos por electrones (tanto de los orbitales como de bremsstrahlung), mientras que los rayos gamma son producidos por núcleos, por eventos de desintegración de partículas o por eventos de aniquilación. Dado que no hay un límite inferior para la energía de los fotones producidos por reacciones de desintegración nuclear, el ultravioleta, por ejemplo, también podría llamarse rayos gamma. La única Convención de denominación que todavía se respeta universalmente es que la radiación electromagnética que sabemos que es de origen nuclear siempre se define como "rayos gamma" y nunca como rayos X. Sin embargo, en física y astronomía, esta Convención a menudo se rompe. En astronomía la radiación electromagnética se define por la energía, ya que el proceso que la produce puede ser incierto mientras que la energía de los fotones se determina por detectores astronómicos. Debido a esta incertidumbre en cuanto al origen, en astronomía hablamos de rayos gamma incluso después de eventos no radiactivos. En cambio, la supernova SN 1987A, que emite rayos gamma de la desintegración de níquel-56 y cobalto-56, es un caso Astronómico de Evento radiactivo. En la literatura astronómica tiende a escribir ''rayos gamma'' con un guion, a diferencia de los rayos α O β. Esta notación pretende enfatizar el origen no nuclear de la mayoría de los rayos gamma astronómicos.

La medición del efecto ionizante de los rayos gamma toma el nombre de la exposición, y se mide de varias maneras: sin embargo, el efecto de los rayos gamma y otras radiaciones ionizantes sobre los tejidos vivos están mucho más relacionados con la cantidad de energía depositada que con la oficina. La energía también se denomina dosis absorbida: dado que las distintas radiaciones producen diferentes efectos biológicos, se prefiere utilizar otra unidad de medida para la dosis absorbida por los tejidos biológicos, que se denomina dosis equivalente. La dosis equivalente tiene las mismas dimensiones físicas que la dosis absorbida, en el sentido de que se obtiene de la dosis absorbida multiplicándola por una cantidad adimensional, factor de riesgo que depende del tipo de radiación ionizante. De hecho, los diversos tejidos biológicos tienen una radiosensibilidad diferente, por lo que los efectos de la radiación se caracterizan mejor por la dosis efectiva que utiliza la misma unidad de medida que la dosis equivalente, el sievert, pero agrega un elemento multiplicativo adimensional adicional que depende del tejido en cuestión. En cuanto a los efectos sobre el cuerpo, cuando la radiación gamma descompone la molécula de ADN, la célula puede ser capaz de reparar, dentro de límites, el material genético dañado. Un estudio de Rothkamm y Lobrich mostró que este proceso de reparación funciona bien después de la exposición a dosis altas, pero es más lento en el caso de exposiciones cortas.

Los rayos Gamma a menudo se producen junto con otras formas de radiación como Alfa y beta. Cuando un núcleo emite una partícula α O β, el núcleo resultante está en un estado excitado. Puede moverse a un nivel de energía más estable mediante la emisión de un fotón gamma, de la misma manera que un electrón puede moverse a un nivel más bajo mediante la emisión de un fotón óptico. Este proceso se llama "desintegración gamma" . Un proceso de este tipo normalmente tiene tiempos característicos de 10 - 12 s y también puede tener lugar después de una reacción nuclear como fisión, fusión o captura de neutrones. En algunos casos, estos estados excitados pueden ser más estables que el promedio (se llaman estados de excitación metaestables) y su descomposición puede tomar al menos 100 o 1000 veces más tiempo. Estos núcleos excitados particularmente de larga vida se llaman isómeros nucleares, y su desintegración se llama Transición isomérica. Para algunos de ellos también es fácil medir el medio tiempo ya que logran permanecer en estos estados excitados durante minutos, horas, días y ocasionalmente mucho más. Estos estados también se caracterizan por un alto giro nuclear. La velocidad de desintegración gamma también se ralentiza si la energía de excitación es baja. Aquí hay un ejemplo de producción de Rayos gamma: primero un núcleo de cobalto - 60 decae en un níquel-60 excitado a través de la desintegración beta emitiendo un electrón a 0.31 MeV. Luego el níquel-60 decae en el estado fundamental emitiendo rayos gamma en sucesión a 1.17 MeV seguido de 1.33 MeV. Este es el camino seguido en el 99,88% de los casos: ν ¯ y {\displaystyle {\bar {\nu}} _ {e}} es la antineutrina electrónica. En algunos casos, el espectro de emisión gamma es bastante simple, mientras que en otros casos también puede ser muy complejo.

Los fotones de fuentes astrofísicas que transportan una energía presente en el rango gamma se denominan radiación gamma. Estos son a menudo producidos por partículas subatómicas o por interacciones partícula - fotón, como la aniquilación electrón - positrón, decaimiento de piones neutros, bremsstrahlung y/o radiación sincrotrón. Las llamadas explosiones "duraderas" producen una energía de 10 44 Julios (la misma energía que nuestro Sol produce en toda su vida) en un tiempo de solo 20-40 segundos. De esta cantidad de energía liberada, los rayos gamma representan aproximadamente el 50%. Las principales hipótesis con respecto a este mecanismo de explosión son la dispersión de Compton y la radiación sincrotrón debido a partículas cargadas de alta energía. Estos procesos se activan cuando las partículas cargadas relativistas abandonan el horizonte de eventos del agujero negro recién formado. El haz de partículas se concentra durante unas pocas decenas de segundos por el campo magnético de la hipernova en explosión. Si el rayo apunta hacia la Tierra y oscila con una cierta intensidad, también se puede detectar a distancias de diez mil millones de años luz, muy cerca del borde del universo visible.

Dado que la desintegración beta se acompaña de la emisión de un neutrino, que lleva una cantidad variable de energía, el espectro de emisión beta no tiene líneas agudas. Esto implica que no es posible describir los diferentes niveles de energía del núcleo usando solo energías de desintegración beta. La espectroscopia Gamma es el estudio de la transición energética de un núcleo atómico, una transición que generalmente se asocia con la absorción o emisión de un rayo gamma. Como en la espectroscopia óptica (principio de Franck-Condon), la absorción de un rayo gamma por un núcleo es mucho más probable cuando la energía del rayo está cerca de la energía de Transición. En este caso se puede ver la resonancia a través de la técnica de mössbauer. En el efecto Mössbauer se puede obtener resonancia de absorción gamma de núcleos atómicos físicamente inmovilizados en un cristal. La inmovilización del átomo es necesaria para que la energía gamma no se pierda debido al retroceso. Sin embargo, cuando un átomo emite rayos gamma que transportan sustancialmente toda la energía atómica, es suficiente excitar a un segundo átomo inmovilizado al mismo estado de energía.

Los rayos Gamma proporcionan mucha información sobre los fenómenos más energéticos del universo. Dado que gran parte de la radiación es absorbida por la atmósfera terrestre, los instrumentos de detección están montados en globos o satélites de gran altitud, como el Telescopio Espacial de rayos Gamma Fermi, que nos proporciona nuestra única imagen del universo de Rayos gamma. La naturaleza energética de los rayos gamma los ha hecho útiles para la esterilización de equipos médicos, ya que matan fácilmente las bacterias a través de un proceso llamado irradiación. Esta capacidad bactericida también los hace útiles en la esterilización de envases de alimentos. Los rayos Gamma se utilizan para algunas pruebas diagnósticas de medicina nuclear, como la tomografía por emisión de positrones (TEP). Las dosis absorbidas en estos casos se consideran de bajo peligro, en vista del beneficio aportado por la información que proporciona el examen. En la PET, se usa a menudo fluorodeoxiglucosa, un azúcar radiactivo, que emite positrones que se aniquilan con electrones produciendo pares de rayos gamma que resaltan el cáncer (ya que las células cancerosas a menudo tienen una tasa metabólica más alta que los tejidos circundantes). El emisor más común utilizado en medicina es el isómero nuclear tecnecio-99m, ya que emite radiación del mismo rango de energía que los rayos X de diagnóstico. Otro procedimiento médico para tratar el cáncer es la "cirugía gamma con bisturí" , en la que haces de rayos gamma se dirigen desde diferentes ángulos para concentrar la radiación y minimizar el daño al tejido circundante. Los cambios inducidos por rayos Gamma también se pueden usar para alterar las propiedades de las piedras semipreciosas, por ejemplo, para cambiar el topacio a topacio azul. La irradiación por rayos gamma, también son objeto de cultivares de interés en los alimentos, con el fin de inducir mutaciones genéticas de mejora en su genoma, de esta manera, por ejemplo, en el trigo se obtienen características de resistencia a la adversidad luego transfundidas a la intersección con la variedad Croesus, como resultado del trabajo de genetistas en el Centro de Casaccia CNEN, ahora Enea.

En Gran Bretaña, la exposición natural al aire libre oscila entre 0,1 y 0,5 µSv / h, con un aumento en sitios contaminados conocidos. La exposición Natural a los rayos gamma varía de 1 a 2 mSv por año; la radiación promedio recibida en un año por un ciudadano estadounidense es de 3.6 mSv. La dosis aumenta ligeramente debido al aumento de la radiación gamma natural alrededor de las partículas de material de alto número atómico presente en el cuerpo humano, un aumento debido al efecto fotoeléctrico. En comparación, la dosis de radiación de una radiografía de tórax (0,06 mSv) es una fracción de la dosis anual natural. Una TC de tórax emite de 5 a 8 mSv, mientras que una PET total emite de 14 a 32 mSv dependiendo del protocolo. La dosis emitida por una fluoroscopia al estómago es mucho mayor, alrededor de 50 mSv. Una sola exposición a una dosis de 1 Sv causa ligeros cambios en la sangre, mientras que una dosis de 2, 0 - 3, 5 Sv puede causar náuseas, pérdida de cabello, sangrado e incluso la muerte en un porcentaje considerable de los casos (sin atención médica del 10% al 35%). Una dosis de 5 Sv (5 Gy) se considera aproximadamente LD 50 {\displaystyle _ {50}} (dosis letal para el 50% de la población expuesta) incluso con tratamiento médico estándar. Una dosis superior a 5 Sv provoca una probabilidad creciente de muerte superior al 50%. La exposición de 7,5-10 Sv en todo el cuerpo resulta en la muerte del individuo, incluso si se somete a un tratamiento médico extraordinario, como el trasplante de médula ósea; sin embargo, algunas partes del cuerpo también pueden estar expuestas a dosis más altas durante terapias particulares (radioterapia). Para la exposición a dosis bajas, por ejemplo entre los trabajadores nucleares que reciben una dosis media anual de 19 mSv, se estima que el riesgo de muerte por cáncer aumenta en un 2% (excluyendo la leucemia); en comparación, el riesgo de muerte por cáncer para los sobrevivientes de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki aumenta en un 32%.

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