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Rayos gamma Definición y funciones

rayos gamma
Rayos gamma Definición y funciones
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Los rayos gamma (también llamados radiación gamma), denotados por la letra griega minúscula gamma ( γ o{\ displaystyle \ gamma}), están penetrando la radiación electromagnética de un tipo que surge de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos . Consiste en fotones en el rango más alto observado de energía de fotones . Paul Villard, químico y físico francés , descubrió la radiación gamma en 1900 mientras estudiaba la radiación emitida por el radio.

En 1903, Ernest Rutherford llamó a esta radiación rayos gamma . Rutherford había descubierto previamente otros dos tipos de desintegración radiactiva, a los que denominó rayos alfa y rayos beta .

La descomposición de un núcleo atómico desde un estado de alta energía a un estado de energía inferior, un proceso llamado desintegración gamma, produce radiación gamma.

Los rayos gamma ionizan átomos (son radiación ionizante ) y, por lo tanto, son biológicamente peligrosos.

Se observan fuentes naturales de rayos gamma en la Tierra en la desintegración gamma de los radionucleidos y la radiación secundaria de las interacciones atmosféricas con partículas de rayos cósmicos . Existen raras fuentes terrestres naturales, como los rayos y los rayos gamma terrestres , que producen rayos gamma no de origen nuclear.

Además, los rayos gamma son producidos por una serie de procesos astronómicos en los que se producen electrones de muy alta energía, que a su vez causan rayos gamma secundarios a través de bremsstrahlung, dispersión de Compton inversa y radiación sincrotrón.. Sin embargo, una gran parte de tales rayos gamma astronómicos son filtrados por la atmósfera de la Tierra y solo pueden ser detectados por una nave espacial.

Los rayos gamma se producen por fusión nuclear en estrellas, incluido el Sol (como el ciclo CNO ), pero se absorben o se dispersan inelásticamente por el material estelar, reduciendo su energía, antes de escapar y no son observables desde la Tierra como rayos gamma.

Los rayos gamma normalmente tienen energías superiores a 100  k eV y, por lo tanto, tienen frecuencias superiores a 10 exahertz (o> 10 19 Hz) y longitudes de onda inferiores a 10 picómetros (10 -11  m), que es menor que el diámetro de un átomo. Sin embargo, esta no es una definición estricta, sino más bien una descripción general de los procesos naturales.

La radiación electromagnética de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos se conoce como “rayos gamma” sin importar su energía, por lo que no hay menorlímite a la energía gamma derivada de la desintegración radiactiva. Esta radiación comúnmente tiene una energía de unos pocos cientos keV , y casi siempre menos de 10  MeV .

En astronomía, los rayos gamma se definen por su energía y no es necesario especificar ningún proceso de producción. Las erupciones solares emiten rayos gamma de interacciones nucleares, como la línea de 2.223 MeV de captura de neutrones, pero también el continuo que se extiende a las energías GeV. Las energías de los rayos gamma de fuentes astronómicas más distantes y poderosas van incluso más allá, a más de 10 TeV, una energía demasiado grande como resultado de la desintegración radiactiva. Un ejemplo notable son las ráfagas extremadamente poderosas de radiación de alta energía llamadas ráfagas de rayos gamma de larga duración , de energías superiores a las que puede producir la desintegración radiactiva. Se cree que estas ráfagas de rayos gamma se deben al colapso de las estrellas llamadas hipernovas .

Muchas representaciones comunes del espectro electromagnético muestran que los rayos gamma son más altos en energía (por lo tanto, son de mayor frecuencia y más pequeños en longitud de onda) que los rayos X. Históricamente, esto permitió una clara distinción entre los rayos X y los rayos gamma. Hoy en día, la literatura de investigación a menudo describe fotones dependiendo de su fuente.

Si bien los astrónomos generalmente se atienen a la convención histórica (a menudo se desconoce la fuente o el mecanismo de producción de la radiación), la literatura de física a menudo usa el término históricamente asociado con el método de producción. Por ejemplo, un grupo de científicos podría describir un fotón de 1 MeV como un rayo gamma, mientras que otro grupo usaría el término rayos X.

¿Qué son los rayos gamma?

Los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética, al igual que las ondas de radio, la radiación infrarroja, la radiación ultravioleta, los rayos X y las microondas. Los rayos gamma se pueden usar para tratar el cáncer y los astrónomos estudian las ráfagas de rayos gamma.

La radiación electromagnética (EM) se transmite en ondas o partículas a diferentes longitudes de onda y frecuencias. Esta amplia gama de longitudes de onda se conoce como  espectro electromagnético . Ese espectro generalmente se divide en siete regiones en orden de longitud de onda decreciente y aumento de energía y frecuencia. Las designaciones comunes son ondas de radio, microondas, infrarrojos (IR), luz visible, ultravioleta (UV), rayos X y rayos gamma.

Los rayos gamma caen en el rango del espectro EM por encima de  los rayos X blandos . Los rayos gamma tienen frecuencias superiores a aproximadamente 10 18  ciclos por segundo, o hertzios (Hz), y longitudes de onda de menos de 100 picómetros (pm) o 4 × 10 -9  pulgadas. (Un picómetro equivale a un trillón de un metro). Ocupan la misma región del espectro EM que los rayos X duros. La única diferencia entre ellos es su origen: los rayos X se producen acelerando los electrones, mientras que los rayos gamma son producidos por los núcleos atómicos.

 

Los rayos gamma se observaron por primera vez en 1900 por el químico francés Paul Villard cuando estaba investigando la radiación del radio, según la  NASA. Unos años más tarde, el químico y físico nacido en Nueva Zelanda Ernest Rutherford propuso el nombre de “rayos gamma”, siguiendo el orden de los rayos alfa y los rayos beta, nombres dados a otras partículas observadas a partir de la radiación nuclear, y el nombre se estancó.

Los rayos gamma se producen principalmente por cuatro reacciones nucleares diferentes: fusión , fisión , desintegración alfa y desintegración gamma . La fusión nuclear es la reacción que impulsa el sol y las estrellas. Ocurre en un proceso de varios pasos en el que cuatro protones, o núcleos de hidrógeno, se ven obligados, bajo una temperatura y presión extremas, a fusionarse en un núcleo de helio, que comprende dos protones y dos neutrones.

El núcleo de helio resultante es aproximadamente un 0,7 por ciento menos masivo que los cuatro protones que entraron en la reacción. Esa diferencia de masa se convierte en energía de acuerdo con la famosa ecuación E  =  mc 2 de Einstein , con aproximadamente dos tercios de esa energía emitida como rayos gamma.

(El resto está en forma de  neutrinos , que son partículas que interactúan extremadamente débilmente con una masa casi nula). En las etapas posteriores de la vida de una estrella, cuando se agota el combustible de hidrógeno, puede formar elementos cada vez más masivos a través de la fusión hasta e incluyendo hierro, pero estas reacciones producen una cantidad decreciente de energía en cada etapa.

Otra fuente familiar de rayos gamma es la fisión nuclear. El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley define la fisión nuclear como “la división de un núcleo pesado en dos partes aproximadamente iguales (que son núcleos de elementos más ligeros), acompañado de la liberación de una cantidad relativamente grande de energía en forma de energía cinética de las dos partes y en forma de emisión de neutrones y rayos gamma “.

En este proceso, los núcleos pesados, como el uranio y el plutonio, se rompen en elementos más pequeños, como el xenón y el estroncio, en colisiones con otras partículas. Las partículas resultantes de estas colisiones pueden luego impactar otros núcleos pesados, estableciendo una reacción en cadena nuclear. La energía se libera porque la masa combinada de las partículas resultantes es menor que la masa del núcleo pesado original. E  =  mc 2  en forma de energía cinética de los núcleos, neutrinos y rayos gamma más pequeños.

Otras fuentes de rayos gamma son la desintegración alfa y la desintegración gamma. La desintegración alfa ocurre cuando un núcleo pesado emite un núcleo de helio-4, reduciendo su número atómico en 2 y su peso atómico en 4. Este proceso puede dejar el núcleo con un exceso de energía, que se emite en forma de rayos gamma. La desintegración gamma ocurre cuando hay demasiada energía en el núcleo de un átomo, lo que hace que emita un rayo gamma sin cambiar su carga o composición de masa.

Los rayos gamma a veces se usan para tratar tumores cancerosos en el cuerpo al dañar el ADN de las células tumorales. Sin embargo, se debe tener mucho cuidado ya que los rayos gamma también pueden dañar el ADN de las células sanas circundantes. Una forma de maximizar la dosificación a las células cancerosas mientras se minimiza la exposición a los tejidos sanos es dirigir múltiples haces de rayos gamma desde un acelerador lineal, o linac, a la región diana desde muchas direcciones diferentes.

Este es el principio de funcionamiento de  CyberKnife  y Gamma Knife. De acuerdo con el  sitio web de Mayo Clinic”En la radiocirugía de Gamma Knife, el equipo especializado enfoca cerca de 200 rayos diminutos de radiación en un tumor u otro objetivo. Aunque cada haz tiene muy poco efecto en el tejido cerebral que atraviesa, se administra una fuerte dosis de radiación al sitio donde todos los rayos se encuentran “.

Una de las fuentes más interesantes de rayos gamma son las explosiones de rayos gamma (GRB). Estos son eventos de muy alta energía que duran solo de unos pocos milisegundos a varios minutos. Primero se observaron en la década de 1960, y ahora se observan en algún lugar del cielo una vez al día.

“Durante mucho tiempo, se creía que los GRB debían provenir de nuestra propia galaxia” ,  dice el sitio web de la  Universidad de California en Berkeley . “Parecía imposible que pudieran estar mucho más distantes: para que una explosión de rayos gamma proviniera de una galaxia distante, tendría que ser increíblemente poderosa para explicar su brillo observado”. Ahora sabemos que la mayoría de los GRB realmente provienen de galaxias que están a más de 100 millones a miles de millones de años luz de distancia.

De acuerdo con Robert Patterson, profesor de astronomía en la Universidad Estatal de Missouri, en un tiempo se pensó que los GRB provenían de las últimas etapas de la evaporación de los mini agujeros negros. Ahora se cree que se originan en colisiones de objetos compactos como estrellas de neutrones.

Otras teorías atribuyen estos eventos al colapso de las estrellas supermasivas para formar agujeros negros. En cualquier caso, los GRB pueden producir suficiente energía que, durante unos segundos, pueden eclipsar a toda una galaxia. Debido a que la atmósfera de la Tierra bloquea la mayoría de los rayos gamma, las observaciones se realizan normalmente utilizando globos de gran altitud y telescopios en órbita.

DETECTANDO RAYOS GAMMA

A diferencia de la luz óptica y los rayos X, los rayos gamma no pueden ser capturados y reflejados por los espejos. Las longitudes de onda de rayos gamma son tan cortas que pueden atravesar el espacio dentro de los átomos de un detector.

Los detectores de rayos gamma generalmente contienen bloques de cristal densamente empaquetados. A medida que los rayos gamma pasan, chocan con los electrones en el cristal. Este proceso se denomina dispersión Compton, en la que un rayo gamma golpea un electrón y pierde energía, similar a lo que sucede cuando una bola blanca golpea una bola ocho. Estas colisiones crean partículas cargadas que pueden ser detectadas por el sensor.

COMPOSICIÓN DE PLANETAS

Los científicos pueden usar rayos gamma para determinar los elementos en otros planetas. El Espectrómetro de Rayos Gamma (GRS) de Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry y Ranging (MESSENGER) puede medir los rayos gamma emitidos por los núcleos de átomos en la superficie del planeta Mercurio que son golpeados por los rayos cósmicos.

 Cuando son golpeados por los rayos cósmicos, los elementos químicos en los suelos y las rocas emiten firmas de energía que se identifican de forma única en forma de rayos gamma. Estos datos pueden ayudar a los científicos a buscar elementos geológicamente importantes como hidrógeno, magnesio, silicio, oxígeno, hierro, titanio, sodio y calcio.

El espectrómetro de rayos gamma del Mars Odyssey Orbiter de la NASA detecta y mapea estas firmas, como este mapa (abajo) que muestra las concentraciones de hidrógeno de los suelos de la superficie marciana.

Un mapa de color de Marte que muestra la distribución de hidrógeno mediante el mapeo del límite inferior de la fracción de masa de agua.
Crédito: NASA / Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio
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Rayos gamma
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Rayos gamma
Descripción
Los rayos gamma es un tipo de radiación electromagnética de alta frecuencia producido generalmente por elementos radiactivos procesos, subatómicas tal como una aniquilación par de una de positrones y electrones. Este tipo de radiación muy energética también se produce en fenómenos astrofísicos de gran violencia.
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