Raggi gamma

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raggi gamma

I raggi gamma (spesso indicati con la lettera greca gamma, γ) sono una forma energetica di radiazione elettromagnetica prodotta dalla radioattività o da altri processi nucleari o subatomici, come l'annichilazione elettrone-positrone. I raggi gamma sono più penetranti sia della radiazione alpha sia della radiazione beta, ma sono meno ionizzanti. I raggi gamma si distinguono dai raggi X per la loro origine: i gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, mentre gli X sono prodotti da transizione energetiche dovute ad elettroni in rapido movimento. Poiché è possibile per alcune transizioni elettroniche superare le energie di alcune transizioni nucleari, i raggi X più energetici si sovrappongono con i raggi gamma più deboli.

Uno schermo per raggi γ richiede una massa notevole. Per ridurre del 50% l'intensità di un raggio gamma occorrono 1 cm di piombo, 6 cm di cemento o 9 cm di materiale pressato.

I raggi gamma di un fallout nucleare sarebbero i maggiori responsabili di perdite di vite umane nell'eventualità di una guerra nucleare. Uno schermo appropriato ridurrebbe la perdita di vite di almeno 1000 volte.

Come detto, i raggi gamma sono meno ionizzanti di quelli alfa o beta. Nonostante ciò, occorrono schermi più spessi per la protezione degli esseri umani. I raggi gamma producono effetti simili a quelli dei raggi X come ustioni, cancri e mutazioni genetiche.

Interesse scientifico rivestono le emissioni di raggi gamma presso gli acceleratori naturali di particelle quali possono essere i resti di supernovae ad alta energia. Per il loro studio infatti è stato avviato l'esperimento del GLAST, un telescopio orbitante sensibile alle energie gamma.

[modifica] Interazioni con la materia

In termini di ionizzazione, la radiazione gamma interagisce con la materia in tre modi principali: l'effetto fotoelettrico, lo scattering Compton e la produzione di coppie elettrone-positrone.

Effetto fotoelettrico: occorre quando un fotone gamma interagisce con un elettrone orbitante attorno ad un atomo e gli trasferisce tutta la sua energia, col risultato di espellere l'elettrone dall'atomo. L'energia cinetica del "fotoelettrone" risultante è uguale all'energia del fotone gamma incidente meno l'energia di legame dell'elettrone. Si pensa che l'effetto fotoelettrico sia il meccanismo principale per l'interazione dei fotoni gamma e X al di sotto dei 50 keV (migliaia di elettronvolt), ma che sia molto meno importante ad energie più alte.

Scattering Compton: un fotone gamma incidente espelle un elettrone da un atomo, in modo simile al caso precedente, ma l'energia addizionale del fotone viene convertita in un nuovo fotone gamma, meno energetico, con una direzione diversa dal fotone originale. La probabilità dello scattering Compton diminuisce con l'aumentare dell'energia del fotone. Si pensa che questo sia il meccanismo principale per l'assorbimento dei raggi gamma nell'intervallo di energie "medie", tra 100 keV e 10 MeV (milioni di elettronvolt), dove va a ricadere la maggior parte della radiazione gamma prodotta da un'esplosione nucleare. Il meccanismo è relativamente indipendente dal numero atomico del materiale assorbente.

Produzione di coppie: interagendo con la forza coulombiana del nucleo, l'energia del fotone incidente è convertita nella massa di una coppia elettrone/positrone (un positrone è un elettrone carico positivamente). L'energia eccedente la massa a riposo delle due particelle (1.02 MeV) appare come energia cinetica della coppia e del nucleo. L'elettrone della coppia, in genere chiamato elettrone secondario, è molto ionizzante. Il positrone avrà vita breve: si ricombina entro 10^-8 secondi con un elettrone libero. L'intera massa delle due particelle viene quindi convertita in due fotoni gamma con un'energia di 0.51 MeV ciascuno.

I raggi gamma sono spesso prodotti insieme ad altre forme di radiazione come quella alfa e beta. Quando un nucleo emette una particella α o β, il nucleo risultante si trova a volte in uno stato eccitato. Può passare ad un livello energetico più stabile emettendo un fotone gamma, nello stesso modo in cui un elettrone può passare ad un livello più basso emettendo un fotone ottico.

Raggi gamma, raggi X, luce visibile e radiazione ultravioletta sono tutte forme di radiazione elettromagnetica. L'unica differenza è la frequenza e quindi l'energia dei fotoni. I raggi gamma sono i più energetici.

Ecco un esempio di generazione di raggi gamma:

Prima un nucleo di cobalto-60 decade in un nichel-60 eccitato attraverso il decadimento beta:

${}^{60}\hbox{Co}\;\to\;{}^{60}\hbox{Ni}^{*}\;+e^{-}+\nu_e$

dove ν_e è il neutrino elettronico, poi il nichel-60 passa al suo stato di energia minima emettendo un raggio gamma:

${}^{60}\hbox{Ni}^{*}\;\to\;{}^{60}\hbox{Ni}\;+\gamma$

[modifica] Utilizzi

La natura energetica dei raggi gamma li ha resi utili per la sterilizzazione delle apparecchiature mediche, perché uccidono facilmente i batteri. Sono inoltre usati per uccidere i batteri nelle confezioni alimentari perché si conservino più a lungo.

Nonostante possano produrre il cancro, i raggi gamma sono usati per curare alcune forme cancerogene. Fasci di raggi gamma concentrati vengono mandati contro il cancro da diverse direzioni, per ucciderne le cellule. I fasci sono fatti partire con differenti angoli in modo che si incrocino sull'area interessata, minimizzando il danno ai tessuti circostanti.