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Luz de gama

Guía de la NASA sobre el espectro electromagnético que muestra la superposición de frecuencias entre los rayos X y los rayos gamma

Un rayo gamma , también conocido como radiación gamma (símbolo γ ), es una forma penetrante de radiación electromagnética que surge de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos . Consiste en ondas electromagnéticas de longitud de onda más corta , típicamente más cortas que las de los rayos X. Con frecuencias superiores a 30 exahercios (3 × 10 19  Hz ) y longitudes de onda inferiores a 10 picómetros (1 × 10 −11  m ), los fotones de rayos gamma tienen la energía fotónica más alta de cualquier forma de radiación electromagnética. Paul Villard , un 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 basándose en su penetración relativamente fuerte en la materia ; en 1900, ya había nombrado dos tipos menos penetrantes de radiación de desintegración (descubiertos por Henri Becquerel ) rayos alfa y rayos beta en orden ascendente de poder de penetración.

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

Las fuentes naturales de rayos gamma que se originan en la Tierra son en su mayoría resultado de la desintegración radiactiva y la radiación secundaria de las interacciones atmosféricas con partículas de rayos cósmicos . Sin embargo, existen otras fuentes naturales poco comunes, como los destellos de rayos gamma terrestres , que producen rayos gamma a partir de la acción de los electrones sobre el núcleo. Entre las fuentes artificiales de rayos gamma más notables se encuentran la fisión , como la que se produce en los reactores nucleares , y los experimentos de física de alta energía , como la desintegración de piones neutros y la fusión nuclear .

Los rangos de energía de los rayos gamma y los rayos X se superponen en el espectro electromagnético , por lo que la terminología para estas ondas electromagnéticas varía entre 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 objeto de la astronomía de rayos gamma , mientras que la radiación por debajo de 100 keV se clasifica como rayos X y es objeto de la astronomía de rayos X.

Los rayos gamma son radiaciones ionizantes y, por lo tanto, son peligrosos para la vida. Pueden causar mutaciones del ADN , cáncer y tumores y, en dosis altas, quemaduras y enfermedad por radiación . 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, plantean un desafío formidable en materia de protección radiológica , que requiere 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, excepto los rayos gamma.

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 desintegración, un núcleo excitado emite un rayo gamma casi inmediatamente después de su formación. [nota 1] 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 menos penetrante de radiación por Rutherford, en 1899. Sin embargo, Villard no consideró nombrarlos como un tipo fundamental diferente. [1] [2] Más tarde, en 1903, la radiación de Villard fue reconocida como de un tipo fundamentalmente diferente de los rayos nombrados previamente por Ernest Rutherford , quien nombró a los rayos de Villard "rayos gamma" por analogía con los rayos beta y alfa que Rutherford había diferenciado en 1899. [3] Los "rayos" emitidos por elementos radiactivos fueron nombrados en orden de su poder para penetrar varios materiales, utilizando las primeras tres letras del alfabeto griego: rayos alfa como los menos penetrantes, seguidos de los rayos beta, seguidos de los rayos gamma como los más penetrantes. Rutherford también notó que los rayos gamma no eran desviados (o al menos, no se desviaban fácilmente ) por un campo magnético, otra propiedad que los hacía diferentes a los rayos alfa y beta.

Al principio se pensó que los rayos gamma eran partículas con masa, como los rayos alfa y beta. Rutherford creyó inicialmente que podrían ser partículas beta extremadamente rápidas, pero su incapacidad para ser desviadas por un campo magnético indicó que no tenían carga. [4] En 1914, se observó que los rayos gamma se reflejaban en las superficies de los cristales, lo que demostró que eran radiación electromagnética. [4] Rutherford y su colaborador 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, una frecuencia más alta. Esto finalmente se reconoció como algo que les daba más energía por fotón , tan pronto como el último término se aceptó de forma generalizada. Entonces se entendió que una desintegración gamma generalmente emitía un fotón gamma.

Fuentes

Esta animación rastrea varios rayos gamma a través del espacio y el tiempo, desde su emisión en el chorro de un blazar distante hasta su llegada al Telescopio de Gran Área (LAT) de Fermi .

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 . Las fuentes terrestres naturales que producen rayos gamma incluyen rayos y destellos de rayos gamma terrestres , que producen emisiones de alta energía a partir de voltajes naturales de alta energía. [5] Los rayos gamma son producidos por una serie de procesos astronómicos en los que se producen electrones de muy alta energía. Dichos electrones producen rayos gamma secundarios por los mecanismos de bremsstrahlung , dispersión Compton inversa y radiación de sincrotrón . Una gran fracción de dichos rayos gamma astronómicos son filtrados por la atmósfera de la Tierra. Las fuentes artificiales notables de rayos gamma incluyen la fisión , como la que ocurre en los reactores nucleares , así como los experimentos de física de alta energía , como la desintegración de piones neutros 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 la denomina fuente radiactiva , fuente de isótopos o fuente de radiación, aunque estos términos más generales también se aplican a los dispositivos emisores de rayos alfa y beta. Las fuentes 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 se produzcan otras formas de desintegración, como la desintegración alfa o beta . Un núcleo radiactivo puede desintegrarse mediante la emisión de unalfaoβPartícula. El núcleo resultante suele quedar en un estado excitado. Luego puede decaer a un estado de menor energía emitiendo un fotón de rayos gamma, en un proceso llamado desintegración gamma.

La emisión de un rayo gamma desde un núcleo excitado normalmente requiere sólo 10 −12 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 es también un modo de relajación de muchos estados excitados de los núcleos atómicos después de otros tipos de desintegración radiactiva, como la desintegración beta, siempre que estos estados posean el componente necesario de espín nuclear . Cuando rayos gamma de alta energía, electrones o 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 desintegración tarda (al menos) entre 100 y 1000 veces más que el promedio de 10 −12 segundos. Estos núcleos excitados de vida relativamente larga se denominan isómeros nucleares y sus desintegraciones se denominan transiciones isoméricas . Estos 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. El proceso de transición isomérica es, por tanto, similar a cualquier emisión gamma, pero difiere en que involucra el o los estados excitados metaestables intermedios de los núcleos. Los estados metaestables suelen caracterizarse por un alto espín nuclear , que requiere un cambio de espín de varias unidades o más con la desintegración gamma, en lugar de una transición de una sola unidad que ocurre en solo 10 −12 segundos. La velocidad de desintegración gamma también se reduce cuando la energía de excitación del núcleo es pequeña. [6]

Un rayo gamma emitido desde cualquier tipo de estado excitado puede transferir su energía directamente a cualquier electrón , pero lo más probable es que lo haga 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 (sino que se puede pensar que un "rayo gamma virtual" media el proceso).

Esquemas de decaimiento

Esquema de desintegración radiactiva60
Co
Espectro de emisión gamma del cobalto-60

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.60Cose desintegra en excitación 60Nipor emisión de un electrón por desintegración beta0,31  MeV . Entonces el excitado60
Ni
se desintegra al estado fundamental (véase el modelo de capas nucleares ) 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 de241
Soy
Para formar237
Notario público
; a lo que sigue la emisión gamma. En algunos casos, el espectro de emisión gamma del núcleo hijo es bastante simple (por ejemplo,60
Co
/60
Ni
) mientras que en otros casos, como con (241
Soy
/237
Notario público
y192
Ir
/192
En
), el espectro de emisión gamma es complejo, lo que revela que existen una serie de niveles de energía nuclear.

Física de partículas

Los rayos gamma se producen en muchos procesos de física de partículas . Normalmente, los rayos gamma son productos de sistemas neutros que se desintegran mediante 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 que se aniquilan están en reposo, cada uno de los rayos gamma resultantes tiene una energía de ~ 511 keV y una frecuencia de ~1,24 × 10 20  Hz . De manera similar, un pión neutro se desintegra con mayor frecuencia en dos fotones. Muchos otros hadrones y bosones masivos también se desintegran electromagnéticamente. En consecuencia, los experimentos de física de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones , emplean un blindaje de radiación sustancial. [7] 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 están 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 desintegración gamma (véase el análisis de SN1987A ), pero la mayoría no.

Los fotones de fuentes astrofísicas que transportan energía en el rango de la radiación gamma suelen denominarse explícitamente radiación gamma. Además de las emisiones nucleares, suelen producirse por interacciones entre partículas subatómicas y partículas-fotones. Entre ellas se incluyen la aniquilación electrón-positrón , la desintegración de piones neutros , la radiación de frenado , la dispersión Compton inversa y la radiación sincrotrón .

Los puntos rojos muestran algunos de los ~500 destellos de rayos gamma terrestres detectados diariamente por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi hasta 2010. Crédito: NASA/Centro de Vuelo Espacial Goddard.

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 . [8]

Tormentas eléctricas 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 al chocar con los átomos de la atmósfera y ser ralentizados por ellos. Las tormentas eléctricas terrestres pueden emitir rayos gamma de hasta 100 MeV, que fueron descubiertos por observatorios espaciales. Esto aumenta la posibilidad de riesgos para la salud de los pasajeros y la tripulación de los aviones que vuelan en o cerca de nubes de tormenta. [9]

Erupciones solares

Las erupciones solares más efusivas emiten en todo el espectro electromagnético, incluidos los rayos gamma. La primera observación fiable se produjo en 1972. [ 10]

Rayos cósmicos

Los rayos gamma extraterrestres de alta energía incluyen el fondo de rayos gamma que se produce cuando los rayos cósmicos (ya sean electrones o protones de alta velocidad) chocan con la materia ordinaria, lo que produce rayos gamma de producción de pares a 511 keV. Por otra parte, la radiación de frenado se produce a energías de decenas de MeV o más cuando los electrones de los rayos cósmicos interactúan con núcleos de un número atómico suficientemente alto (véase la imagen de rayos gamma de la Luna cerca del final de este artículo, para ilustrarlo).

Imagen de todo el cielo en rayos gamma de 100 MeV o más, tal como los vio el instrumento EGRET a bordo de la nave espacial CGRO . Los puntos brillantes dentro del plano galáctico son púlsares, mientras que los que están por encima y por debajo del plano se cree que son cuásares .

Pulsares y magnetares

El cielo de rayos gamma (ver ilustración a la derecha) está dominado por la producción más común y de 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 enfocados de radiación, 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 rayos gamma más raras de estallidos de rayos gamma. Los púlsares tienen campos magnéticos relativamente duraderos que producen haces enfocados de partículas cargadas de velocidad relativista, que emiten rayos gamma (bremsstrahlung) cuando chocan con 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 (normalmente electrones) imparten energía a los fotones de baja energía impulsándolos a fotones de mayor energía. Este tipo de impactos de fotones sobre 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 suaves astronómicos , 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 cuásar y sometidos a dispersión Compton inversa, radiación de sincrotrón o 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 rayos que emergen de sus polos rotacionales. Cuando esos rayos 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 de diámetro). Tales fuentes de rayos gamma y X son las fuentes de alta intensidad más comúnmente visibles fuera de la galaxia de la Vía Láctea. No brillan en ráfagas (ver ilustración), sino de manera relativamente continua cuando se observan con telescopios de rayos gamma. La potencia de un cuásar típico es de unos 10 40 vatios, de los cuales una pequeña fracción es radiación gamma. La mayor parte del resto se emite en forma de ondas electromagnéticas de todas las frecuencias, incluidas las ondas de radio.

Una hipernova . Ilustración artística que muestra la vida de una estrella masiva a medida que la fusión nuclear convierte elementos más ligeros en otros más pesados. Cuando la fusión ya no genera suficiente presión para contrarrestar la gravedad, la estrella colapsa rápidamente y forma un agujero negro . En teoría, durante el colapso se puede liberar energía a lo largo del eje de rotación para formar un estallido de rayos gamma de larga duración .

Explosiones de rayos gamma

Las fuentes más intensas de rayos gamma son también las fuentes más intensas de cualquier tipo de radiación electromagnética conocida en la actualidad. Son las fuentes de rayos gamma de "ráfagas de larga duración" en astronomía ("largas" en este contexto, es decir, de unas pocas decenas de segundos), y son raras en comparación con las fuentes analizadas anteriormente. Por el contrario, se cree que las ráfagas de rayos gamma "cortas" de dos segundos o menos, que no están asociadas con supernovas, producen rayos gamma durante la colisión de pares de estrellas de neutrones, o una estrella de neutrones y un agujero negro . [11]

Los llamados estallidos de rayos gamma de larga duración producen una energía total de unos 10 44 julios (la misma cantidad de energía que el Sol producirá en toda su vida), pero en un período de sólo 20 a 40 segundos. Los rayos gamma representan aproximadamente el 50% de la energía total producida. Las hipótesis principales para el mecanismo de producción de estos rayos de radiación de máxima intensidad conocidas son la dispersión Compton inversa y la radiación sincrotrón de partículas cargadas de alta energía. Estos procesos ocurren cuando partículas cargadas relativistas abandonan la región del horizonte de sucesos de un agujero negro recién formado creado durante la explosión de una supernova. El haz de partículas que se mueve a velocidades relativistas se concentra durante unas pocas decenas de segundos en el campo magnético de la hipernova en explosión . La explosión de fusión de la hipernova impulsa la energía del proceso. Si el haz de luz, dirigido estrechamente, se dirige hacia la Tierra, brilla con frecuencias de rayos gamma con tal intensidad que puede detectarse incluso a distancias de hasta 10 mil millones de años luz, lo que está cerca del borde del universo visible .

Propiedades

Penetración de la materia

La radiación alfa está formada por núcleos de helio y se detiene fácilmente con una hoja de papel. La radiación beta , formada por electrones o positrones , se detiene con una placa de aluminio, pero la radiación gamma requiere protección con un material denso como el plomo o el hormigón.

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, en contraste con las partículas alfa , que pueden ser detenidas por papel o piel, y las partículas beta , que pueden ser protegidas por aluminio fino. Los rayos gamma se absorben mejor por materiales con altos números atómicos ( Z ) y alta densidad, que contribuyen al poder de detención total. Debido a esto, un escudo de plomo ( Z alto ) es un 20-30% mejor como escudo gamma que una masa igual de otro material de protección de bajo Z , 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 del 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 necesario, hecho del mismo material de blindaje. Los materiales para blindaje de rayos gamma se miden normalmente por el espesor necesario para reducir la intensidad de los rayos gamma a la mitad ( capa de valor medio o HVL). Por ejemplo, los rayos gamma que requieren 1 cm (0,4 pulgadas) de plomo para reducir su intensidad en un 50% también verán su intensidad reducida a la mitad con 4,1 cm de roca de granito , 6 cm (2,5 pulgadas) de hormigón o 9 cm (3,5 pulgadas) de tierra compactada . Sin embargo, la masa de esta cantidad de hormigón o tierra es solo un 20-30% mayor que la del plomo con la misma capacidad de absorción.

El uranio empobrecido se utiliza a veces como protección en fuentes portátiles de rayos gamma , debido a que la capa de valor medio es más pequeña en comparación con el plomo (alrededor de 0,6 veces el espesor de las fuentes de rayos gamma comunes, es decir, iridio-192 y cobalto-60) [12] y tiene un coste más económico en comparación con el tungsteno . [13]

En una central nuclear, el blindaje puede proporcionarse mediante 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" al aire daría lugar a niveles de radiación mucho más altos que si se mantuviera bajo el agua.

Interacción de la materia

Coeficiente de absorción total del aluminio (número atómico 13) para rayos gamma, representado gráficamente en función de la energía gamma, y ​​las contribuciones de los tres efectos. Como es habitual, el efecto fotoeléctrico es mayor a bajas energías, la dispersión Compton predomina a energías intermedias y la producción de pares predomina a altas energías.
Coeficiente de absorción total del plomo (número atómico 82) para rayos gamma, representado gráficamente en función de la energía gamma, y ​​las contribuciones de los tres efectos. Aquí, el efecto fotoeléctrico predomina a baja energía. Por encima de 5 MeV, la producción de pares empieza a predominar.

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 a 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 −1 , n el número de átomos por cm 3 del material (densidad atómica) y σ la sección transversal de absorción en cm 2 .

Al pasar a través de la materia, la radiación gamma se ioniza a través de tres procesos:

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

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

Interacción de la luz

Los rayos gamma de alta energía (desde 80 GeV hasta ~10 TeV ) que llegan desde cuásares distantes 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. [14] [15]

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. Al igual que 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 energética en el núcleo. En el caso de los rayos gamma, dicha resonancia se ve en la técnica de espectroscopia 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. La inmovilización de núcleos en ambos extremos de una interacción de resonancia gamma es necesaria para que no se pierda energía gamma en la energía cinética de los núcleos en retroceso en el extremo emisor o absorbente de una transición gamma. Tal pérdida de energía hace que la absorción de resonancia de rayos gamma falle. 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 energético en un segundo núcleo inmovilizado del mismo tipo.

Aplicaciones

Imagen de rayos gamma de un camión con dos polizones tomada con un VACIS (sistema de imágenes de vehículos y contenedores)

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

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

Los sensores industriales sin contacto suelen utilizar 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. [16] Los sensores de rayos gamma también se utilizan para medir los niveles de fluidos en las industrias del agua y el petróleo. [17] Normalmente, estos utilizan isótopos Co-60 o Cs-137 como fuente de radiación.

En Estados Unidos, se están empezando a utilizar detectores de rayos gamma como parte de la Container Security Initiative (CSI). Se anuncia que estas máquinas pueden escanear 30 contenedores por hora.

La radiación gamma se utiliza a menudo para matar organismos vivos, en un proceso denominado irradiación . Entre sus aplicaciones se encuentran la esterilización de equipos médicos (como alternativa a los autoclaves o a los medios químicos), la eliminación de bacterias que provocan la descomposición de muchos alimentos y la prevención de la germinación de frutas y verduras para mantener su frescura y sabor.

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

Los rayos gamma también se utilizan con fines diagnósticos en medicina nuclear en técnicas de imagen. Se utilizan varios radioisótopos emisores de rayos gamma diferentes. Por ejemplo, en una tomografía por emisión de positrones , un azúcar radiomarcado llamado fluorodesoxiglucosa emite positrones que son aniquilados por electrones, lo que produce pares de rayos gamma que resaltan el cáncer, ya que el cáncer a menudo tiene 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 radionúclido trazador se administra a un paciente, se puede utilizar una cámara gamma para formar una imagen de la distribución del radioisótopo detectando la radiación gamma emitida (véase también SPECT ). Dependiendo de qué molécula haya sido marcada con el trazador, estas técnicas se pueden emplear para diagnosticar una amplia gama de afecciones (por ejemplo, la propagación del cáncer a los huesos mediante una gammagrafía ósea ).

Efectos sobre la salud

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

Los niveles bajos de rayos gamma causan 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. La Comisión Internacional de Protección Radiológica dice: "En el rango de dosis baja, por debajo de aproximadamente 100 mSv, es científicamente plausible suponer que la incidencia de cáncer o efectos hereditarios aumentará en proporción directa a un aumento en la dosis equivalente en los órganos y tejidos relevantes" [18] : 51  Las dosis altas producen efectos deterministas , que es la gravedad del daño tisular agudo que es seguro que ocurrirá. Estos efectos se comparan con la cantidad física de dosis absorbida medida por la unidad gray (Gy). [18] : 61 

Efectos y respuesta corporal

Cuando la radiación gamma rompe las moléculas de ADN, una célula puede ser capaz de 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. [19]

Estudios han demostrado que la radiación gamma en dosis bajas puede ser suficiente para causar cáncer. [20] En un estudio con ratones, se les administró radiación gamma en dosis bajas relevante para humanos, con efectos genotóxicos 45 días después de una radiación gamma en dosis bajas continua, con aumentos significativos de daño cromosómico, lesiones de ADN y mutaciones fenotípicas en células sanguíneas de animales irradiados, cubriendo los tres tipos de actividad genotóxica. [20] Otro estudio estudió los efectos de la radiación gamma ionizante aguda en ratas, hasta 10 Gy , y que terminaron mostrando daño proteico oxidativo agudo, daño del ADN, carbonilación de troponina T cardíaca y miocardiopatía a largo plazo . [21]

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. [22] 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. [23] Existe un pequeño aumento en la dosis, debido a la radiación gamma de origen natural, alrededor de pequeñas partículas de materiales de alto número atómico en el cuerpo humano causado por el efecto fotoeléctrico. [24]

En comparación, la dosis de radiación de la radiografía de tórax (aproximadamente 0,06 mSv) es una fracción de la dosis de radiación de fondo anual natural. [25] Una TC de tórax proporciona de 5 a 8 mSv. Una tomografía computarizada (PET /TC) de cuerpo entero puede proporcionar de 14 a 32 mSv según el protocolo. [26] La dosis de la fluoroscopia del estómago es mucho mayor, aproximadamente 50 mSv (14 veces la dosis de fondo anual).

Una dosis única de exposición equivalente a todo el cuerpo aguda de 1 Sv (1000 mSv), o 1 Gy, causará síntomas leves de enfermedad por radiación aguda , como náuseas y vómitos; y una dosis de 2,0–3,5 Sv (2,0–3,5 Gy) causa síntomas más graves (es decir, náuseas, diarrea, pérdida de cabello, hemorragias e incapacidad para combatir infecciones), y causará la muerte en un número considerable de casos, alrededor del 10% al 35% sin tratamiento médico. Una dosis de 3–5 Sv (3–5 Gy) se considera aproximadamente la LD50 (o la dosis letal para el 50% de la población expuesta) para una exposición aguda a la radiación incluso con el tratamiento médico estándar. [27] [28] Una dosis superior a 5 Sv ( 5 Gy) conlleva una probabilidad creciente de muerte por encima del 50%. Por encima de 7,5–10 Sv (7,5–10 Gy) administrados a todo el cuerpo, incluso un tratamiento extraordinario, como un trasplante de médula ósea, no evitará la muerte del individuo expuesto (véase envenenamiento por radiación ). [29] (Sin embargo, se pueden administrar dosis mucho mayores que éstas a partes seleccionadas del cuerpo durante el curso de la radioterapia ).

En el caso de una exposición a dosis bajas, por ejemplo, entre los trabajadores nucleares, que reciben una dosis media anual de radiación de 19 mSv, [ aclaración necesaria ] el riesgo de morir de cáncer (excluyendo la leucemia ) aumenta 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 un 32 por ciento para los supervivientes del bombardeo atómico de Hiroshima y Nagasaki . [30]

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 denomina exposición, para la que se utilizó una unidad antigua, el röntgen , a partir de 1928. Esta ha sido reemplazada por el kerma , que ahora se utiliza principalmente para fines de calibración de instrumentos, pero no para el efecto de la dosis recibida. El efecto de la radiación gamma y otras radiaciones ionizantes sobre el tejido vivo está más estrechamente relacionado con la cantidad de energía depositada en el tejido que con la ionización del aire, y a partir de 1953 se han definido y desarrollado unidades y magnitudes radiométricas de reemplazo para la protección radiológica . Estas son:

Diferencias con los rayos X

La Luna , vista desde el Observatorio de Rayos Gamma Compton , en rayos gamma de más de 20 MeV. Estos son producidos por el bombardeo de rayos cósmicos de su superficie. El Sol, que no tiene una superficie similar de alto número atómico que actúe como objetivo de los rayos cósmicos, normalmente no puede verse en absoluto en estas energías, que son demasiado altas para surgir de reacciones nucleares primarias, como la fusión nuclear solar (aunque ocasionalmente el Sol produce rayos gamma por mecanismos de tipo ciclotrón , durante las erupciones solares ). Los rayos gamma suelen tener mayor energía que los rayos X. [31]

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 casi invariablemente tenía una longitud de onda más larga que la radiación (rayos gamma) emitida por núcleos radiactivos . [32] La literatura más antigua distinguía entre radiación X y gamma sobre la base de la longitud de onda, con radiación más corta que alguna longitud de onda arbitraria, como 10 −11  m, definida como rayos gamma. [33] 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 puede pensarse en términos de su energía, con los rayos gamma considerados como radiación electromagnética de mayor energía que los rayos X.

Sin embargo, como las fuentes artificiales actuales son capaces de 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 se superponen ahora por completo. Por lo tanto, los rayos gamma se suelen distinguir ahora 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. [32] [34] [35] [36] Las excepciones a esta convención se dan en astronomía, donde la desintegración gamma se observa en el resplandor de ciertas supernovas, pero la radiación procedente de procesos de alta energía que se sabe que implican otras fuentes de radiación distintas de la desintegración radiactiva todavía se clasifica como radiación gamma.

Por ejemplo, los rayos X de alta energía modernos 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 desintegración gamma nuclear . Uno de los isótopos emisores de rayos gamma más comunes utilizados en la medicina nuclear diagnóstica , 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 los aceleradores de partículas lineales. En la comunidad médica actual, todavía se respeta la convención de que la radiación producida por desintegración nuclear es el único tipo al que se hace referencia como 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 radiación de tipo bremsstrahlung ), [37] 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" (de hecho, esto sucede para la transición isomérica del isómero de energía extremadamente baja 229m Th ). [38] 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 se denomina "rayos gamma", y nunca 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 gamma y X de mayor energía se definen por su energía, ya que los procesos que los producen pueden ser inciertos y la energía de los fotones, no su origen, determina los detectores astronómicos necesarios. [39] Los fotones de alta energía que se producen en la naturaleza se conocen por procesos distintos a la desintegración nuclear, pero se siguen denominando radiación gamma. Un ejemplo son los "rayos gamma" de las descargas de rayos de 10 a 20 MeV, que se sabe que se producen por el mecanismo de bremsstrahlung.

Otro ejemplo son los estallidos de rayos gamma, que ahora se sabe que se producen a partir de procesos demasiado potentes para involucrar simples conjuntos de átomos que experimentan desintegración radiactiva. Esto es parte integral de la comprensión general de que muchos rayos gamma producidos en procesos astronómicos no son resultado de la desintegración radiactiva o la aniquilación de partículas, sino más bien de procesos no radiactivos similares a los rayos X. [ aclaración necesaria ] Aunque los rayos gamma de la astronomía a menudo provienen de eventos no radiactivos, se sabe específicamente que algunos rayos gamma en astronomía se originan de la desintegración gamma de núcleos (como lo demuestran sus espectros y su 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 desintegración del níquel-56 y el cobalto-56 recién hechos radiactivos . Sin embargo, la mayoría de los rayos gamma en astronomía surgen por otros mecanismos.

En la práctica, las energías de los rayos gamma se superponen con las de los rayos X, especialmente en la región de frecuencias más altas, conocida como rayos X "duros". Esta representación sigue la antigua convención de distinguir por longitud de onda.

Véase también

Notas explicativas

  1. ^ Ahora se entiende que una transición isomérica nuclear , sin embargo, puede producir una desintegración gamma inhibida con una vida media medible y mucho más larga.

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