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 ondas electromagnéticas de longitud de onda más corta, normalmente más cortas que las de los rayos X. Con frecuencias superiores a 30 exahercios (3 × 10 19 Hz ), imparte la mayor energía fotónica . 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 debido a su penetración relativamente fuerte en la materia ; En 1900 ya había nombrado dos tipos menos penetrantes de radiación de desintegración (descubiertas por Henri Becquerel ): rayos alfa y rayos beta en orden ascendente de poder de penetración.
Los rayos gamma procedentes de la desintegración radiactiva tienen una energía que oscila entre unos pocos kiloelectronvoltios ( keV ) y aproximadamente 8 megaelectronvoltios ( MeV ), lo que corresponde a los niveles de energía típicos de los núcleos con vidas razonablemente largas. 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 microcuásar 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 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 desintegración de piones neutros y la fusión nuclear .
Tanto los rayos gamma como los rayos X son radiación electromagnética y, dado que se superponen en el espectro electromagnético , la terminología varía según las disciplinas científicas. En algunos campos de la física [ especificar ] , 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 tanto, peligrosas 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 tanto, plantean un formidable desafío de protección radiológica , que requiere blindaje fabricado con materiales densos como plomo u hormigón. En la Tierra , la magnetosfera protege la vida de la mayoría de los tipos de radiación cósmica letal además de los rayos gamma.
La primera fuente de rayos gamma descubierta 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 , 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 poderosa que los tipos de rayos de radio descritos anteriormente, que incluían los rayos beta, identificados 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 se planteó nombrarlos como un tipo fundamental diferente. [1] [2] Más tarde, en 1903, Ernest Rutherford reconoció que la radiación de Villard era de un tipo fundamentalmente diferente de los rayos previamente nombrados , 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 diversos materiales, utilizando las tres primeras letras del alfabeto griego: los rayos alfa como los menos penetrantes, seguidos de los rayos beta, seguidos de Los rayos gamma son los más penetrantes. Rutherford también observó 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.
Al principio 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 no fueran 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 demuestra que eran radiación electromagnética. [4] Rutherford y su compañero de trabajo Edward Andrade midieron las longitudes de onda de los rayos gamma a partir del radio y descubrieron que eran similares a los rayos X , pero con longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, con mayor frecuencia. Finalmente se reconoció que esto les daba más energía por fotón , tan pronto como este último término fue generalmente aceptado. Entonces se entendió que una desintegración gamma normalmente emitía un fotón gamma.
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 diversas 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 se producen mediante una serie de procesos astronómicos en los que se producen electrones de muy alta energía. Dichos electrones producen rayos gamma secundarios mediante los mecanismos de bremsstrahlung , dispersión Compton inversa y radiación sincrotrón . Una gran fracción de estos rayos gamma astronómicos son apantallados por la atmósfera terrestre. Las fuentes artificiales notables de rayos gamma incluyen la fisión , como ocurre en los reactores nucleares , así como 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 obtener imágenes se conoce como fuente gamma. También se le llama 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 gamma suelen estar selladas para evitar la contaminación radiactiva y transportadas con un blindaje pesado.
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 desintegrarse por la emisión de unαobpartícula. El núcleo hijo resultante suele quedar en un estado excitado. Luego puede descomponerse 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 los 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. Estas transiciones, una forma de fluorescencia gamma nuclear , forman un tema de 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) de 100 a 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 se pueden medir más fácilmente, 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 difiere en que involucra los estados excitados metaestables intermedios de los núcleos. Los estados metaestables a menudo se caracterizan por un alto espín nuclear , que requiere un cambio en el espín de varias unidades o más con desintegración gamma, en lugar de una transición de una sola unidad que ocurre en sólo 10-12 segundos . La velocidad de desintegración gamma también se ralentiza cuando la energía de excitación del núcleo es pequeña. [5]
Un rayo gamma emitido desde cualquier tipo de estado excitado puede transferir su energía directamente a cualquier electrón , pero muy probablemente a uno de los electrones de la capa K del átomo, provocando 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).
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,60Codecae a excitado 60Nipor desintegración beta, emisión de un electrón de0,31 MeV . Entonces los emocionados60
Ni
decae al estado fundamental (ver modelo de capa nuclear ) emitiendo rayos gamma en sucesión de 1,17 MeV seguido de1,33 MeV . Este camino se sigue el 99,88% de las veces:
Otro ejemplo es la desintegración alfa de241
Soy
formar237
Notario público
; a lo que le sigue la emisión gamma. En algunos casos, el espectro de emisión gamma del núcleo hijo es bastante simple (p. ej.60
Co
/60
Ni
) mientras que en otros casos, como con (241
Soy
/237
Notario público
y192
ir
/192
punto
), el espectro de emisión gamma es complejo, lo que revela que existen una serie de niveles de energía nuclear.
Los rayos gamma se producen en muchos procesos de la física de partículas . Normalmente, los rayos gamma son productos de sistemas neutros que se desintegran mediante interacciones electromagnéticas (en lugar de una interacción fuerte o débil ). 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 × 1020Hz . _ _ De manera similar, un pión neutro suele desintegrarse en dos fotones. Muchos otros hadrones y bosones masivos también se desintegran electromagnéticamente. En consecuencia , los experimentos de física de altas energías, como el Gran Colisionador de Hadrones , emplean una importante protección contra la radiación. [6] 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 cima 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.
Se sabe que unos pocos rayos gamma en astronomía surgen de la desintegración gamma (ver discusión de SN1987A ), pero la mayoría no.
Los fotones de fuentes astrofísicas que transportan energía en el rango de radiación gamma a menudo se denominan explícitamente radiación gamma. Además de las emisiones nucleares, a menudo son producidas por interacciones entre partículas subatómicas y entre partículas y fotones. Entre ellos se incluyen la aniquilación electrón-positrón , la desintegración del pión neutro , la bremsstrahlung , la dispersión Compton inversa y la radiación sincrotrón .
En octubre de 2017, científicos de varias universidades europeas propusieron un medio para generar fuentes de fotones GeV utilizando láseres como excitadores mediante una interacción controlada entre la cascada y la captura radiativa anómala . [7]
Las tormentas eléctricas pueden producir un breve pulso de radiación gamma llamado destello de rayos gamma terrestre . 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 de la atmósfera y son frenados por ellos. Las tormentas terrestres pueden emitir rayos gamma de hasta 100 MeV y fueron descubiertos por observatorios espaciales. Esto plantea la posibilidad de riesgos para la salud de los pasajeros y la tripulación de aviones que vuelan dentro o cerca de nubes de tormenta. [8]
Las erupciones solares más efusivas se emiten en todo el espectro EM, incluidos los rayos γ. La primera observación segura ocurrió en 1972 . [9]
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, produciendo rayos gamma de producción de pares a 511 keV. Alternativamente, los bremsstrahlung se producen a energías de decenas de MeV o más cuando los electrones de los rayos cósmicos interactúan con núcleos de número atómico suficientemente alto (ver imagen de rayos gamma de la Luna cerca del final de este artículo, como ilustración).
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 púlsares dentro de la Vía Láctea. Las fuentes del resto del cielo son en su mayoría quásares . 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 vistas sólo en nuestra propia galaxia) que los quásares o las fuentes más raras de explosiones de rayos gamma. 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 chocan con gas o polvo en su medio cercano y se desaceleran. Se trata de 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 partículas cargadas (generalmente electrones) imparten energía a 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 astronómicos suaves , son otra fuente de radiación gamma alimentada por estrellas de vida relativamente larga.
Se cree que los rayos gamma más potentes provenientes de quásares 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 sujetos a la dispersión Compton inversa, radiación 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 intermitentemente las estrellas y concentra las partículas cargadas resultantes en haces que emergen de sus polos de rotación. 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). Estas fuentes de rayos gamma y X son las fuentes de alta intensidad más comúnmente visibles fuera de la Vía Láctea. 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 unos 10 a 40 vatios, una pequeña fracción de la cual es radiación gamma. Gran parte del resto se emite en forma de ondas electromagnéticas de todas las frecuencias, incluidas las ondas de radio.
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 "ráfagas de larga duración" en astronomía ("largas" en este contexto, es decir, unas pocas decenas de segundos), y son raras en comparación con las fuentes analizadas anteriormente. Por el contrario, se cree que las explosiones "cortas" de rayos gamma, 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 . [10]
Los llamados estallidos de rayos gamma de larga duración producen una producción total de energía de unos 10 44 julios (cuánta energía producirá el Sol en toda su vida), pero en un período de sólo 20 a 40 segundos. Los rayos gamma representan aproximadamente el 50% de la producción total de energía. Las principales hipótesis sobre el mecanismo de producción de estos haces de radiación de mayor intensidad conocidos 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 mueven a velocidades relativistas es enfocado durante unas pocas 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, dirigido estrechamente, apunta hacia la Tierra, brilla en 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 .
Debido a su naturaleza penetrante, los rayos gamma requieren grandes cantidades de masa protectora 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 fino. Los rayos gamma son mejor absorbidos por materiales con alto número atómico ( Z ) y alta densidad, que contribuyen al poder de frenado total. Debido a esto, un blindaje de plomo ( Z alto ) es entre un 20 y un 30 % mejor como blindaje gamma que una masa igual de otro material de blindaje de Z bajo , 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 protectoras 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 generalmente se miden 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 pulgadas) de plomo para reducir su intensidad en un 50% también verán su intensidad reducida a la mitad en 4,1 cm (0,4 pulgadas ) 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 sólo entre un 20 y un 30 % mayor que la del plomo con la misma capacidad de absorción. El uranio empobrecido se utiliza como blindaje en fuentes portátiles de rayos gamma , pero aquí el ahorro de peso respecto al plomo es mayor, ya que una fuente portátil es muy pequeña en relación con el blindaje requerido, por lo que 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 verá su volumen (y peso) reducido en un factor de ocho, lo que compensará con creces la mayor densidad del uranio (además de reducir su volumen). [ se necesita aclaración ] En una planta de energía nuclear, el acero y el hormigón pueden proporcionar protección en el recipiente de contención de partículas y presión, mientras que el agua proporciona protección contra la radiación de las barras de combustible durante el almacenamiento o transporte al núcleo del reactor. La pérdida de agua o la eliminación de un elemento combustible "caliente" al aire daría como resultado niveles de radiación mucho más altos que cuando se mantienen bajo el agua.
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 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 −1 , n el número de átomos por cm 3 del material (densidad atómica) y σ la sección transversal de absorción en cm2 . _
Al atravesar la materia, la radiación gamma se ioniza mediante tres procesos:
Los electrones secundarios (y/o positrones) producidos en cualquiera de estos tres procesos frecuentemente 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, lo que resulta en la expulsión de partículas en fotodesintegración o, en algunos casos, incluso en fisión nuclear ( fotofisión ).
Los rayos gamma de alta energía (de 80 GeV a ~10 TeV ) que llegan desde quásares 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. [11] [12]
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, alcanza un máximo 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, dicha resonancia se observa en la técnica de la espectroscopia de Mössbauer . En el efecto Mössbauer, la absorción de resonancia estrecha para la absorción nuclear gamma se puede lograr con éxito inmovilizando físicamente los núcleos atómicos en un cristal. La inmovilización de los núcleos en ambos extremos de una interacción de resonancia gamma es necesaria para que no se pierda energía gamma con la energía cinética de los núcleos en retroceso, ya sea en el extremo emisor o absorbente de una transición gamma. Esta pérdida de energía provoca 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 energético en un segundo núcleo inmovilizado del mismo tipo.
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 misiones de globos y satélites 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 gamma también se pueden utilizar para alterar las propiedades de las piedras semipreciosas y, a menudo, se utilizan para convertir 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 medir niveles, densidad y espesores. [13] Los sensores de rayos gamma también se utilizan para medir los niveles de fluidos en las industrias del agua y el petróleo. [14] Por lo general, estos utilizan isótopos Co-60 o Cs-137 como fuente de radiación.
En Estados Unidos, los detectores de rayos gamma están empezando a utilizarse 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 utiliza a menudo para matar organismos vivos, en un proceso llamado irradiación . Las aplicaciones de esto incluyen la esterilización de equipos médicos (como alternativa a los autoclaves o medios químicos), la eliminación de bacterias que causan la descomposición 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 utilizan para tratar algunos tipos de cáncer , ya que los rayos también matan las células cancerosas. En el procedimiento llamado cirugía con bisturí gamma , se dirigen múltiples haces concentrados de rayos gamma 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 exploración PET , un azúcar radiomarcado llamado fluorodesoxiglucosa emite positrones que son aniquilados por electrones, produciendo 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 se administra este trazador de radionúclido a un paciente, se puede utilizar una cámara gamma para formar una imagen de la distribución del radioisótopo detectando la radiación gamma emitida (ver también SPECT ). Dependiendo de qué molécula se haya marcado 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 ).
Los rayos gamma causan daño a nivel celular y son penetrantes, provocando daños difusos por todo el cuerpo. 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. La Comisión Internacional de Protección Radiológica dice: "En el rango de dosis bajas, 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 de la dosis equivalente en los órganos y órganos pertinentes". tejidos" [15] : 51 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 absorbida y la dosis medida en la unidad grey (Gy). [15] : 61
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. [dieciséis]
La exposición natural al aire libre en el Reino Unido oscila entre 0,1 y 0,5 µSv/h, con un aumento significativo en torno a emplazamientos nucleares y contaminados conocidos. [17] 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. [18] Hay un pequeño aumento en la dosis, debido a la radiación gamma que ocurre naturalmente, alrededor de pequeñas partículas de materiales de alto número atómico en el cuerpo humano causado por el efecto fotoeléctrico. [19]
En comparación, la dosis de radiación de la radiografía de tórax (aproximadamente 0,06 mSv) es una fracción de la dosis anual de radiación de fondo natural. [20] Una TC de tórax genera de 5 a 8 mSv. Una exploración PET /CT de cuerpo completo puede generar de 14 a 32 mSv según el protocolo. [21] La dosis de la fluoroscopia del estómago es mucho mayor, aproximadamente 50 mSv (14 veces el fondo anual).
Una dosis única de exposición aguda equivalente a todo el cuerpo de 1 Sv (1000 mSv), o 1 Gy, provocará síntomas leves de enfermedad aguda por radiación , como náuseas y vómitos; y una dosis de 2,0 a 3,5 Sv (2,0 a 3,5 Gy) provoca síntomas más graves (es decir, náuseas, diarrea, caída del cabello, hemorragia e incapacidad para combatir infecciones) y provocará la muerte en un número considerable de casos (alrededor del 10%). hasta el 35% sin tratamiento médico. Una dosis de 5 Sv [22] (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, ni siquiera un tratamiento extraordinario, como los trasplantes de médula ósea, evitará la muerte del individuo expuesto (ver envenenamiento por radiación ). [23] (Sin embargo, se pueden administrar dosis mucho mayores que éstas en partes seleccionadas del cuerpo durante el curso de la radioterapia ).
Para la exposición a dosis bajas, por ejemplo entre los trabajadores nucleares, que reciben una dosis de radiación promedio anual de 19 mSv, [ se necesita aclaración ] 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 supervivientes del bombardeo atómico de Hiroshima y Nagasaki . [24]
La siguiente tabla muestra 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 utilizó una unidad heredada, 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 desde 1953 se han definido y desarrollado unidades y cantidades radiométricas de reemplazo para la protección radiológica . Estos son:
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 . [26] 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. [27] 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 considerarse en términos de su energía, considerándose los rayos gamma como radiación electromagnética de mayor energía. que los rayos X.
Sin embargo, dado que las fuentes artificiales actuales ahora 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 radiactivas de rayos gamma frente a las de otros tipos ahora se superponen completamente. Así, los rayos gamma ahora se suelen distinguir 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. [26] [28] [29] [30] Se producen excepciones a esta convención en astronomía, donde se observa desintegración gamma en el resplandor 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 desintegración gamma nuclear . Uno de los isótopos emisores de rayos gamma más comunes utilizados en la 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 una energía significativamente menor que la de los fotones terapéuticos de las emisiones 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 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), [31] 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 con la transición isomérica de los fotones de energía extremadamente baja). isómero 229m Th ). [32] 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, con frecuencia se viola la convención inversa (que todos los rayos gamma se consideran de origen nuclear).
En astronomía, los rayos gamma y los rayos X de mayor energía se definen por la energía, ya que los procesos que los producen pueden ser inciertos y la energía de los fotones, no el origen, determina los detectores astronómicos necesarios. [33] En la naturaleza se encuentran fotones de alta energía que se sabe que se producen mediante procesos distintos a la desintegración nuclear, pero que todavía se conocen como radiación gamma. Un ejemplo son los "rayos gamma" de las descargas de rayos de 10 a 20 MeV, que se sabe que se producen mediante el mecanismo de 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 sufren desintegración radiactiva. Esto es parte integrante 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 más bien de procesos no radiactivos similares a los rayos X. [ se necesita aclaración ] 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 a partir de la desintegración gamma de los 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 procedentes de la desintegración del níquel-56 y el cobalto-56 radiactivos recién formados . Sin embargo, la mayoría de los rayos gamma en astronomía surgen por otros mecanismos.
