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Emisión de un rayo gamma ( γ ) desde un núcleo atómico. Un rayo gamma , también conocido como radiación gamma (símbolo γ ), es una forma penetrante de radiación electromagnética...

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Emisión de un rayo gamma ( γ ) desde un núcleo atómico.

Un rayo gamma , también conocido como radiación gamma (símbolo γ ), es una forma penetrante de radiación electromagnética que surge de interacciones de alta energía como la desintegración radiactiva de núcleos atómicos o eventos astronómicos como las erupciones solares. La radiación gamma de menor energía se superpone al extremo superior de la radiación de rayos X ; se distinguen por sus diferentes orígenes. Los fotones de rayos gamma tienen energía fotónica en el extremo inferior de 10 4 eV a 10 7 eV; los rayos gamma de ultra alta energía tienen energías superiores a 10 14 eV. [ 1 ] : 12 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 nombró a esta radiación rayos gamma basándose en su penetración relativamente fuerte de la materia ; En 1900, ya había nombrado dos tipos de radiación de desintegración menos penetrantes (descubierta por Henri Becquerel ), los rayos alfa y los rayos beta, en orden ascendente de poder de penetración.

Los rayos gamma provenientes de la desintegración radiactiva se encuentran en el rango de energía de diez kiloelectronvoltios ( keV) a 10 megaelectronvoltios (MeV), [ 1 ] correspondientes a los niveles de energía típicos en núcleos con vidas medias razonablemente largas. El espectro de energía de los rayos gamma puede utilizarse para identificar los radionúclidos en desintegración mediante espectroscopia gamma . Se han observado rayos gamma de muy alta energía en el rango de 100 a 1000 teraelectronvoltios (TeV) provenientes de fuentes astronómicas 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 proveniente 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 por la acción de los electrones sobre el núcleo. Entre las fuentes artificiales notables de rayos gamma se incluyen la fisión , como la que ocurre en los reactores nucleares , y los experimentos de física de altas energías , como la desintegración del pión neutro 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 las distintas 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 con energías fotónicas superiores a 100  keV y son objeto de la astronomía de rayos gamma , mientras que la radiación inferior a 100  keV se clasifica como rayos X y es objeto de la astronomía de rayos X.

Los rayos gamma son radiación ionizante y, por lo tanto, peligrosos para la vida. Pueden causar mutaciones en el ADN , cáncer y tumores , y en dosis altas, quemaduras y síndrome de irradiación aguda . Debido a su gran poder de penetración, pueden dañar la médula ósea y los órganos internos. A diferencia de los rayos alfa y beta, atraviesan fácilmente muchos materiales comunes, lo que supone un desafío considerable para la protección radiológica , requiriendo blindajes hechos 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 descubierta fue el proceso de desintegración radiactiva denominado desintegración gamma . En este tipo de desintegración, un núcleo excitado emite un rayo gamma casi inmediatamente después de su formación. 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 potente que los tipos de rayos del radio descritos anteriormente, entre los que se incluían los rayos beta, denominados por primera vez "radiactividad" por Henri Becquerel en 1896, y los rayos alfa, descubiertos como una forma de radiación menos penetrante por Rutherford en 1899. Sin embargo, Villard no consideró denominarlos como un tipo fundamental diferente. [ 2 ] [ 3 ] Más tarde, en 1903, Ernest Rutherford reconoció que la radiación de Villard era de un tipo fundamentalmente diferente de los rayos previamente nombrados , y los denominó "rayos gamma" por analogía con los rayos beta y alfa que Rutherford había diferenciado en 1899. [ 4 ] Los "rayos" emitidos por elementos radiactivos se nombraron en orden de su poder de penetración en diversos materiales, utilizando las tres primeras letras del alfabeto griego: rayos alfa como los menos penetrantes, seguidos de rayos beta, seguidos de rayos gamma como los más penetrantes. Rutherford también observó que los rayos gamma no eran desviados (o al menos, no fácilmente desviados) por un campo magnético, otra propiedad que los diferenciaba de los rayos alfa y beta.

Inicialmente se pensó que los rayos gamma eran partículas con masa, como los rayos alfa y beta. Rutherford creyó que podrían ser partículas beta extremadamente rápidas, pero el hecho de que no se desviaran por un campo magnético indicaba que no tenían carga. En 1914, se observó que los rayos gamma se reflejaban en superficies de cristales, lo que demostró que eran radiación electromagnética. [ 5 ] 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, mayor frecuencia. Esto se reconoció finalmente como una mayor energía por fotón , una vez que este último término se generalizó. A partir de 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 los rayos y los destellos de rayos gamma terrestres , que producen emisiones de alta energía a partir de voltajes naturales de alta energía. [ 6 ] 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 sincrotrón . Una gran fracción de estos rayos gamma astronómicos son filtrados por la atmósfera terrestre. Las fuentes artificiales notables de rayos gamma incluyen la fisión , como la que ocurre en los reactores nucleares , así como experimentos de física de alta energía , como la desintegración del pión neutro y la fusión nuclear .

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

Desintegración radiactiva (desintegración gamma)

Los rayos gamma se producen durante la desintegración gamma, que normalmente ocurre después de otras formas de desintegración, como la alfa o la beta . Un núcleo radiactivo puede desintegrarse mediante la emisión de una partícula α o β . El núcleo hijo resultante suele quedar en un estado excitado. Posteriormente, puede desintegrarse a un estado de menor energía emitiendo un fotón gamma, en un proceso denominado desintegración gamma.

La emisión de un rayo gamma desde un núcleo excitado generalmente requiere solo 10⁻¹² segundos . La desintegración gamma también puede ocurrir después de 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 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, electrones o protones de alta energía 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 , constituyen un tema en física nuclear llamado espectroscopia gamma . La formación de rayos gamma fluorescentes es un subtipo rápido de desintegración gamma radiactiva.

En ciertos casos, el estado excitado nuclear 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 . Dichos núcleos tienen vidas medias más fáciles de medir, y los isómeros nucleares raros pueden permanecer en su estado excitado durante minutos, horas, días o, en ocasiones, mucho más tiempo, antes de emitir un rayo gamma. Por lo tanto, el proceso de transición isomérica es similar a cualquier emisión gamma, pero se diferencia en que involucra el o los estados excitados metaestables intermedios de los núcleos. Los estados metaestables suelen caracterizarse por un alto espín nuclear , lo 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 tasa de desintegración gamma también se ralentiza cuando la energía de excitación del núcleo es pequeña. [ 7 ]

Un rayo gamma emitido desde cualquier estado excitado puede transferir su energía directamente a cualquier electrón , pero con mayor probabilidad a uno de los electrones de la capa K del átomo, provocando su expulsión, 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 gamma como partícula intermedia (más bien, se puede considerar que un "rayo gamma virtual" media en el proceso).

Esquemas de desintegración

Esquema de desintegración radiactiva del 60Co
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. Primero, 60Co se desintegra en estado excitado 60Ni por emisión de desintegración beta de un electrón de0,31 MeV  . Luego, el excitado 60El 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 . Esta trayectoria se sigue el 99,88% de las veces:

Otro ejemplo es la desintegración alfa del 241Voy a formar 237Np ; seguido de emisión gamma. En algunos casos, el espectro de emisión gamma del núcleo hijo es bastante simple, (por ejemplo, 60Co / 60Ni ) mientras que en otros casos, como con ( 241Am / 237Np y 192Ir / 192En el caso del Pt , el espectro de emisión gamma es complejo, lo que revela que existe una serie de niveles de energía nuclear.

Física de partículas

Los rayos gamma se producen en muchos procesos de la física de partículas . Típicamente, los rayos gamma son productos de sistemas neutros que se desintegran a través de interacciones electromagnéticas (en lugar de una interacción débil o fuerte ). Por ejemplo, en una aniquilación electrón-positrón , los productos habituales son dos fotones de rayos gamma. Si el electrón y el positrón 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 . Por el contrario, los rayos gamma por encima de 1022 keV pueden interactuar con los núcleos mediante la producción de pares de un electrón y un positrón. [ 8 ] De manera similar, un pión neutro se desintegra con mayor frecuencia en dos fotones. Muchos otros hadrones y bosones masivos también se desintegran electromagnéticamente. Por consiguiente, los experimentos de física de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones , emplean un blindaje de radiación sustancial. [ 9 ] Debido a que las partículas subatómicas tienen en su mayoría 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 la 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 con la energía de Planck sería un rayo gamma.

Otras fuentes

Se sabe que algunos rayos gamma en astronomía provienen de la desintegración gamma (véase la discusión sobre SN1987A ), pero la mayoría no.

Los fotones procedentes de fuentes astrofísicas que transportan energía en el rango de la radiación gamma se denominan explícitamente radiación gamma. Además de las emisiones nucleares, suelen producirse por interacciones entre partículas subatómicas y entre partículas y fotones. Entre estas interacciones 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 aproximadamente 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 método para generar fotones de GeV utilizando láseres como excitadores mediante una interacción controlada entre la cascada y el atrapamiento radiativo anómalo . [ 10 ]

Tormentas eléctricas terrestres

Las tormentas eléctricas pueden producir un breve pulso de radiación gamma llamado destello gamma terrestre . Se cree que estos rayos gamma se producen por campos eléctricos estáticos de alta intensidad que aceleran los electrones, los cuales luego producen rayos gamma por bremsstrahlung al colisionar con los átomos de la atmósfera y ser frenados por ellos. Las tormentas eléctricas terrestres pueden emitir rayos gamma de hasta 100 MeV, un fenómeno detectado por observatorios espaciales. Esto plantea la posibilidad de riesgos para la salud de los pasajeros y la tripulación de las aeronaves que vuelan dentro o cerca de nubes de tormenta. [ 11 ]

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. [ 12 ]

rayos cósmicos

Los rayos gamma extraterrestres de alta energía incluyen la radiación gamma de fondo producida cuando los rayos cósmicos (ya sean electrones o protones de alta velocidad) colisionan con la materia ordinaria, generando rayos gamma de producción de pares a 511 keV. Por otro lado, 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 número atómico suficientemente alto (véase la imagen de rayos gamma de la Luna cerca del final de este artículo, a modo de ilustración).

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

Púlsares y magnetares

El cielo de rayos gamma (véase la ilustración de la derecha) está dominado por la producción más común y a largo plazo de rayos gamma que emanan de los púlsares dentro de la Vía Láctea. Las fuentes del resto del cielo son principalmente cuásares . Se cree que los púlsares son estrellas de neutrones con campos magnéticos que producen haces de radiación enfocados, y son mucho menos energéticos, más comunes y fuentes mucho más cercanas (típicamente solo se ven en nuestra propia galaxia) que los cuásares o las fuentes más raras de estallidos de rayos gamma. Los púlsares tienen campos magnéticos relativamente longevos que producen haces enfocados de partículas cargadas a velocidad relativista, que emiten rayos gamma (bremsstrahlung) cuando chocan con el gas o el polvo en su medio cercano y se desaceleran. Este es un mecanismo similar a la producción de fotones de alta energía en las máquinas de radioterapia de megavoltaje (véase bremsstrahlung ). Dispersión Compton inversa , en la que partículas cargadas (generalmente electrones) imparten energía a fotones de baja energía impulsándolos a fotones de mayor energía. El impacto 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 intenso ( magnetares ), que se cree que producen repetidores de rayos gamma suaves astronómicos , son otra fuente de radiación gamma de larga duración alimentada por estrellas.

Cuásares y galaxias activas

Se cree que los rayos gamma más potentes provenientes 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 sincrotrón o bremsstrahlung, son la fuente probable de los rayos gamma de estos objetos. Se piensa que un agujero negro supermasivo en el centro de dichas galaxias proporciona la fuente de energía que destruye estrellas intermitentemente y concentra las partículas cargadas resultantes en haces que emergen de sus polos de rotación. Cuando estos haces interactúan con gas, polvo y fotones de menor energía, producen rayos X y rayos gamma. Se sabe que estas fuentes fluctúan con duraciones de unas pocas semanas, lo que sugiere su tamaño relativamente pequeño (menos de unas pocas semanas luz 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 (véase la ilustración), sino de forma relativamente continua cuando se observan con telescopios de rayos gamma. La potencia de un cuásar típico es de aproximadamente 10⁴⁰ vatios , de los cuales una pequeña fracción corresponde a radiación gamma. Gran 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 mientras la fusión nuclear convierte elementos ligeros en otros más pesados. Cuando la fusión ya no genera suficiente presión para contrarrestar la gravedad, la estrella colapsa rápidamente para formar un agujero negro . Teóricamente, durante el colapso se puede liberar energía a lo largo del eje de rotación para formar una explosión de rayos gamma de larga duración .

Estallidos de rayos gamma

Las fuentes más intensas de rayos gamma son también las fuentes más intensas de cualquier tipo de radiación electromagnética conocidas hasta la fecha. Se trata de las fuentes de rayos gamma de "ráfaga de larga duración" en astronomía ("larga" en este contexto, significa unas pocas decenas de segundos), y son raras en comparación con las fuentes mencionadas 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 de una estrella de neutrones y un agujero negro . [ 13 ]

Las llamadas explosiones de rayos gamma de larga duración producen una energía total de aproximadamente 10⁴⁴ julios (tanta energía como la que producirá el Sol en toda su vida), pero en un período de tan solo 20 a 40 segundos. Los rayos gamma representan aproximadamente el 50% de la energía total. Las principales hipótesis sobre el mecanismo de producción de estos haces de radiación de máxima 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 durante una explosión de supernova. El haz de partículas que se mueven a velocidades relativistas se enfoca durante unas decenas de segundos por el campo magnético de la hipernova en explosión . La explosión de fusión de la hipernova impulsa la energía del proceso. Si el haz, dirigido con precisión, apunta hacia la Tierra, emite rayos gamma con tal intensidad que puede detectarse incluso a distancias de hasta 10 mil millones de años luz, lo que se acerca al límite del universo visible .

Propiedades

Penetración de la materia

La radiación alfa , compuesta por núcleos de helio , se detiene fácilmente con una hoja de papel. La radiación beta , compuesta por electrones o positrones , se detiene con una placa de aluminio, pero la radiación gamma requiere protección mediante materiales densos como plomo u hormigón.

Debido a su naturaleza penetrante, los rayos gamma requieren grandes cantidades de masa de blindaje para reducirlos a niveles que no sean dañinos para las células vivas, a diferencia de las partículas alfa , que pueden ser detenidas por papel o piel, y las partículas beta , que pueden ser blindadas por aluminio delgado. Los rayos gamma se absorben mejor en materiales con números atómicos ( Z ) altos y alta densidad, lo que contribuye a la capacidad de frenado total. Por ello, un blindaje de plomo (con un Z alto ) es entre un 20 % y un 30 % mejor como blindaje gamma que una masa equivalente de un material de blindaje con un Z bajo , como aluminio, hormigón, agua o tierra; la principal ventaja del plomo no reside en su menor peso, sino en 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 de alfa o beta, pero no ofrecen protección contra la radiación gamma de fuentes externas.

Cuanto mayor sea la energía de los rayos gamma, más grueso deberá ser el blindaje fabricado con el mismo material. Los materiales para blindar los rayos gamma se miden normalmente por el espesor necesario para reducir su intensidad a la mitad ( capa hemirreductora 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 por 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 blindaje en fuentes portátiles de rayos gamma , debido a su capa de semirreducción más pequeña en comparación con el plomo (alrededor de 0,6 veces el espesor de las fuentes comunes de rayos gamma, es decir, Iridio-192 y Cobalto-60) [ 14 ] y a su menor coste en comparación con el tungsteno . [ 15 ]

En una central nuclear, el blindaje puede proporcionarse mediante acero y hormigón en el recipiente de contención de presión y partículas, mientras que el agua protege las barras de combustible de la radiación durante su almacenamiento o transporte al núcleo del reactor. La pérdida de agua o la extracción de un conjunto de combustible caliente al aire provocaría niveles de radiación mucho mayores que cuando se mantiene sumergido.

Interacción de la materia

Coeficiente de absorción total del aluminio (número atómico 13) para rayos gamma, representado 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 en función de la energía gamma, y ​​las contribuciones de los tres efectos. En este caso, el efecto fotoeléctrico predomina a bajas energías. Por encima de 5 MeV, la producción de pares comienza 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 mismo. La absorción total muestra una disminución exponencial de la intensidad con la distancia a la superficie incidente.

I(incógnita)=I0⋅mi−μincógnita{\displaystyle I(x)=I_{0}\cdot e^{-\mu x}}

donde x es el espesor del material desde la superficie incidente, μ = nσ es el coeficiente de absorción, medido en cm⁻¹ , n es el número de átomos por cm³ del material (densidad atómica) y σ es la sección transversal de absorción en cm² . [ 16 ] : 280

Al pasar a través de la materia, la radiación gamma ioniza mediante varios procesos diferentes: [ 16 ]

  • Efecto fotoeléctrico : Este describe el caso en el que un fotón gamma interactúa con un electrón atómico y le transfiere su energía, provocando la expulsión de dicho electrón del átomo. La energía cinética del fotoelectrón resultante es igual a la energía del fotón gamma incidente menos la energía que originalmente unía el electrón al átomo (energía de enlace). El efecto fotoeléctrico es el mecanismo dominante de transferencia de energía para fotones de rayos X y rayos gamma con energías inferiores a 50 keV (mil electronvoltios), pero su importancia disminuye considerablemente a energías más elevadas.
  • Dispersión Compton : Se trata de una interacción en la que un fotón gamma incidente pierde suficiente energía al interactuar con un electrón atómico como para provocar su eyección. El remanente de la energía del fotón original se emite como un nuevo fotón gamma de menor energía, cuya dirección de emisión difiere de la del fotón incidente; de ​​ahí el término "dispersión". La probabilidad de dispersión Compton disminuye al aumentar la energía del fotón. Se considera el principal mecanismo de absorción de los rayos gamma en el rango de energía intermedio de 100 keV a 10 MeV. Es relativamente independiente del número atómico del material absorbente, razón por la cual los materiales muy densos, como el plomo, solo ofrecen una protección ligeramente mejor, en proporción a su peso , que los materiales menos densos.
  • Producción de pares : Esto se hace posible con energías gamma superiores a 1,02 MeV, y se vuelve importante como mecanismo de absorción a energías superiores a 5 MeV (véase la ilustración de la derecha para el plomo). Mediante la interacción con el campo eléctrico de un núcleo, la energía del fotón incidente se convierte en la masa de un par electrón-positrón. Cualquier energía gamma que exceda la masa en reposo equivalente de las dos partículas (que sume al menos 1,02 MeV) aparece como energía cinética del par y en el retroceso del núcleo emisor. Al final del alcance del positrón , este se combina con un electrón libre, y ambos se aniquilan, y la masa total de estos dos se convierte entonces en dos fotones gamma de al menos 0,51 MeV de energía cada uno (o superior según la energía cinética de las partículas aniquiladas).
  • Reacción fotonuclear : el rayo gamma excita el núcleo a un estado de alta energía que luego se desintegra mediante la eyección de partículas subatómicas o fotofisión nuclear .

Los electrones secundarios (y/o positrones) producidos en cualquiera de estos tres procesos suelen tener energía suficiente para generar una gran cantidad de ionización por sí mismos.

interacción de la luz

Los rayos gamma de alta energía (de 80 GeV a ~10 TeV ) provenientes de cuásares lejanos se utilizan para estimar la luz de fondo extragaláctica en el universo: los rayos de mayor energía interactúan más fácilmente con los fotones de la luz de fondo y, por lo tanto, la densidad de la luz de fondo puede estimarse analizando los espectros de rayos gamma incidentes. [ 17 ] [ 18 ]

Espectroscopia gamma

La espectroscopia gamma estudia las transiciones energéticas en los núcleos atómicos, generalmente asociadas a la absorción o emisión de rayos gamma. Al igual que en la espectroscopia óptica (véase el efecto Franck-Condon ), la absorción de rayos gamma por un núcleo es especialmente probable (es decir, se observan picos en una resonancia) cuando la energía del rayo gamma coincide con la de una transición energética en el núcleo. En el caso de los rayos gamma, dicha resonancia se observa en la técnica de espectroscopia Mössbauer . En el efecto Mössbauer , la estrecha resonancia de absorción para la absorción nuclear de rayos gamma se puede lograr 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 evitar la pérdida de energía gamma debido a la energía cinética de los núcleos que retroceden, ya sea en el extremo emisor o en el absorbente de una transición gamma. Dicha pérdida de energía provoca que la absorción de rayos gamma por resonancia falle. Sin embargo, cuando los rayos gamma emitidos transportan prácticamente 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 sistema VACIS (sistema de imágenes de vehículos y contenedores).

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

Los cambios moleculares inducidos por rayos gamma también pueden utilizarse para alterar las propiedades de las piedras semipreciosas , y a menudo se emplean 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, química, alimentaria, de jabones y detergentes, y de pulpa y papel, para la medición de niveles, densidad y espesores. [ 19 ] Los sensores de rayos gamma también se utilizan para medir los niveles de fluidos en las industrias del agua y del petróleo. [ 20 ] Por lo general, estos utilizan isótopos de 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, por sus siglas en inglés). 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 . Entre sus aplicaciones se incluyen la esterilización de equipos médicos (como alternativa a los autoclaves o los métodos químicos), la eliminación de bacterias que causan 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 destruyen las células cancerosas. En la radiocirugía con bisturí gamma , se dirigen múltiples haces concentrados de rayos gamma al tumor para eliminar 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 emplean diversos radioisótopos emisores de rayos gamma. Por ejemplo, en una tomografía por emisión de positrones (PET), un azúcar radiomarcado llamado fluorodesoxiglucosa emite positrones que son aniquilados por electrones, produciendo pares de rayos gamma que resaltan el cáncer, ya que este suele tener una tasa metabólica más alta que los tejidos circundantes. El emisor de rayos gamma más común 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 radionúclido trazador a un paciente, se puede utilizar una gammacámara para formar una imagen de la distribución del radioisótopo mediante la detección de la radiación gamma emitida (véase también SPECT ). Dependiendo de la molécula marcada con el trazador, estas técnicas pueden emplearse para diagnosticar una amplia gama de afecciones (por ejemplo, la propagación del cáncer a los huesos mediante gammagrafía ósea ).

Efectos sobre la salud

Los rayos gamma causan daño a nivel celular y son penetrantes, provocando daños difusos en todo el cuerpo. 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 afirma: «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 incremento en la dosis equivalente en los órganos y tejidos relevantes» [ 21 ] : 51 (La unidad mSv es mili- Seivert ). Las dosis altas producen efectos deterministas , que son la gravedad del daño tisular agudo que seguramente ocurrirá. Estos efectos se comparan con la magnitud física de la dosis absorbida, medida en gray (Gy). [ 21 ] : 61

Efectos y respuesta del cuerpo

Cuando la radiación gamma rompe las moléculas de ADN, una célula puede reparar el material genético dañado, dentro de ciertos límites. Sin embargo, un estudio de Rothkamm y Lobrich sobre la radiación de rayos X 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. [ 22 ]

Estudios han demostrado que la radiación gamma de baja dosis puede ser suficiente para causar cáncer. [ 23 ] En un estudio con ratones, se les administró radiación gamma de baja dosis relevante para humanos, con efectos genotóxicos 45 días después de la radiación gamma continua de baja dosis, con aumentos significativos de daño cromosómico, lesiones de ADN y mutaciones fenotípicas en las células sanguíneas de los animales irradiados, abarcando los tres tipos de actividad genotóxica. [ 23 ] Otro estudio investigó los efectos de la radiación gamma ionizante aguda en ratas, hasta 10 Gy , y que terminaron mostrando daño oxidativo agudo de proteínas, daño de ADN, carbonilación de troponina T cardíaca y cardiomiopatía a largo plazo . [ 24 ]

Evaluación de riesgos

La radiación gamma natural en el Reino Unido representa aproximadamente el 13 % de la dosis de radiación promedio. [ 25 ] 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. [ 26 ] Podría haber un pequeño aumento en la dosis alrededor de pequeñas partículas de uranio empobrecido si estas ingresan al cuerpo humano desde municiones gastadas, causado por los efectos incrementados de la radiación gamma natural. [ 27 ]

En comparación, la dosis de radiación de una radiografía de tórax (aproximadamente 0,06 mSv) es una fracción de la dosis anual de radiación de fondo natural. [ 28 ] Una TC de tórax administra de 5 a 8 mSv. Una tomografía por emisión de positrones /TC de cuerpo entero puede administrar de 14 a 32 mSv dependiendo del protocolo. [ 29 ] La dosis de una fluoroscopia de estómago es mucho mayor, aproximadamente 50 mSv (14 veces la radiación de fondo anual).

Una dosis única de exposición aguda equivalente a todo el cuerpo 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, caída del cabello, hemorragias e incapacidad para combatir infecciones), y causará la muerte en un número considerable de casos, aproximadamente del 10% al 35% sin tratamiento médico. Una dosis de 3–5 Sv (3–5 Gy) se considera aproximadamente la LD 50 (o la dosis letal para el 50% de la población expuesta) para una exposición aguda a la radiación incluso con tratamiento médico estándar. [ 30 ] [ 31 ] Una dosis superior a 5 Sv (5 Gy) conlleva una probabilidad creciente de muerte por encima del 50%. Con dosis superiores a 7,5–10 Sv (7,5–10 Gy) en todo el cuerpo, incluso tratamientos extraordinarios, como los trasplantes de médula ósea, no evitarán la muerte de la persona expuesta (véase envenenamiento por radiación ). [ 32 ] (Sin embargo, durante la radioterapia se pueden administrar dosis mucho mayores a partes específicas del cuerpo ).

Para exposiciones de baja dosis, por ejemplo, entre los trabajadores nucleares, que reciben una dosis de radiación anual promedio de 19 mSv, el riesgo de morir de cáncer (excluyendo la leucemia ) aumenta 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 . [ 33 ]

Unidades de medida y exposición

La siguiente tabla muestra las cantidades de radiación en unidades del SI y en unidades que no pertenecen al SI:

La medida del efecto ionizante de los rayos gamma y X en aire seco se denomina exposición, para la cual se utilizó una unidad antigua, el röntgen , desde 1928. Esta ha sido reemplazada por el kerma , que ahora se utiliza principalmente para la calibración de instrumentos, pero no para medir el efecto de la dosis recibida. El efecto de los rayos gamma y otras radiaciones ionizantes sobre el tejido vivo está más 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 magnitudes radiométricas de reemplazo para la protección radiológica . Estas son:

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

Distinción de los rayos X

La Luna , vista por el Observatorio de Rayos Gamma Compton , emite rayos gamma de más de 20 MeV. Estos se producen por el bombardeo de rayos cósmicos sobre su superficie. El Sol, que no posee una superficie similar de alto número atómico que actúe como blanco para los rayos cósmicos, generalmente no puede observarse 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 mediante mecanismos de tipo ciclotrón durante las erupciones solares ). Los rayos gamma suelen tener mayor energía que los rayos X. [ 34 ]

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 mayor que la radiación (rayos gamma) emitida por los núcleos radiactivos . [ 35 ] La literatura antigua distinguía entre radiación X y gamma en función de la longitud de onda, definiendo como rayos gamma la radiación con una longitud de onda menor que una longitud de onda arbitraria, como 10 −11 m. [ 36 ] Dado que la energía de los fotones es proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda, esta distinción anterior entre rayos X y rayos gamma también puede entenderse en términos de su energía, considerando que los rayos gamma son radiación electromagnética de mayor energía que los rayos X. 

Sin embargo, dado que las fuentes artificiales actuales ahora pueden duplicar cualquier radiación electromagnética que se origine en el núcleo, así como energías mucho más altas, las longitudes de onda características de las fuentes de rayos gamma radiactivos frente a otros tipos ahora se superponen completamente. Por lo tanto, los rayos gamma ahora generalmente se distinguen 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. [ 35 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] Existen excepciones a esta convención en astronomía, donde la desintegración gamma se observa en el resplandor posterior de ciertas supernovas, pero la radiación de procesos de alta energía que se sabe que involucran otras fuentes de radiación distintas 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 del cáncer con megavoltaje suelen tener mayor energía (de 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 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 lineales 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 al que se denomina radiación "gamma".

Debido a esta amplia superposición en rangos de energía, en física los dos tipos de radiación electromagnética ahora a menudo se definen por su origen: los rayos X son emitidos por electrones (ya sea en orbitales fuera del núcleo, o mientras son acelerados para producir radiación de tipo bremsstrahlung ), [ 40 ] mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo o por medio de otras desintegraciones de partículas o eventos de aniquilación. No hay 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 ). [ 41 ] 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 considera que todos los rayos gamma son de origen nuclear) se incumple con frecuencia.

En astronomía, los rayos gamma y X de alta energía se definen por su energía, ya que los procesos que los producen pueden ser inciertos y la energía del fotón, no su origen, determina los detectores astronómicos necesarios. [ 42 ] En la naturaleza se producen fotones de alta energía que se sabe que son generados por procesos distintos a la desintegración nuclear, pero que aún se denominan radiación gamma. Un ejemplo son los "rayos gamma" de las descargas eléctricas de rayos, de 10 a 20 MeV, que se sabe que son producidos 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 forma parte de la comprensión general de que muchos rayos gamma producidos en procesos astronómicos no resultan de la desintegración radiactiva o la aniquilación de partículas, sino de procesos no radiactivos similares a los rayos X. Aunque los rayos gamma en 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 vida media de emisión). Un ejemplo clásico es el de la supernova SN 1987A , que emite un resplandor residual de fotones de rayos gamma proveniente de la desintegración del níquel-56 y el cobalto-56 radiactivos recién formados . Sin embargo, la mayoría de los rayos gamma en astronomía se originan por otros mecanismos.

En la práctica, las energías de los rayos gamma se superponen con el rango de los rayos X, especialmente en la región de alta frecuencia conocida como rayos X "duros". Esta representación sigue la convención anterior de distinguirlos por longitud de onda.

Véase también

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