Gammastrahlen sind eine Form elektromagnetischer Strahlung, ebenso wie Radiowellen, Infrarotstrahlung, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Mikrowellen. Gammastrahlen können zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden, und Gammastrahlen werden von Astronomen untersucht.
Elektromagnetische (EM) Strahlung wird in Wellen oder Partikeln mit unterschiedlichen Wellenlängen und Frequenzen übertragen. Dieser breite Wellenlängenbereich ist als elektromagnetisches Spektrum bekannt. Das Spektrum ist im Allgemeinen in sieben Regionen unterteilt, um die Wellenlänge zu verringern und Energie und Frequenz zu erhöhen. Die gebräuchlichen Bezeichnungen sind Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot (IR), sichtbares Licht, Ultraviolett (UV), Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Gammastrahlen fallen in den Bereich des EM-Spektrums über weichen Röntgenstrahlen. Gammastrahlen haben Frequenzen von mehr als etwa 1.018 Zyklen pro Sekunde oder Hertz (Hz) und Wellenlängen von weniger als 100 Pikometern (pm) oder 4 x 10 ^ 9 Zoll. (Ein Pikometer ist ein Billionstel Meter.)
Gammastrahlen und harte Röntgenstrahlen überlappen sich im EM-Spektrum, was es schwierig machen kann, sie zu unterscheiden. In einigen Bereichen wie der Astrophysik wird im Spektrum eine beliebige Linie gezogen, in der Strahlen über einer bestimmten Wellenlänge als Röntgenstrahlen und Strahlen mit kürzeren Wellenlängen als Gammastrahlen klassifiziert werden. Sowohl Gammastrahlen als auch Röntgenstrahlen haben genug Energie, um lebendes Gewebe zu schädigen, aber fast alle kosmischen Gammastrahlen werden von der Erdatmosphäre blockiert.
Entdeckung von Gammastrahlen
Gammastrahlen wurden erstmals 1900 vom französischen Chemiker Paul Villard beobachtet, als er nach Angaben der australischen Agentur für Strahlenschutz und nukleare Sicherheit (ARPANSA) die Strahlung von Radium untersuchte. Einige Jahre später schlug der in Neuseeland geborene Chemiker und Physiker Ernest Rutherford den Namen "Gammastrahlen" in der Reihenfolge von Alphastrahlen und Betastrahlen vor - Namen, die anderen Teilchen gegeben wurden, die während einer Kernreaktion entstehen - und der Name blieb erhalten .
Gammastrahlenquellen und -effekte
Gammastrahlen werden hauptsächlich durch vier verschiedene Kernreaktionen erzeugt: Fusion, Spaltung, Alpha-Zerfall und Gamma-Zerfall.
Kernfusion ist die Reaktion, die Sonne und Sterne antreibt. Es tritt in einem mehrstufigen Prozess auf, bei dem vier Protonen oder Wasserstoffkerne unter extremer Temperatur und extremem Druck gezwungen werden, zu einem Heliumkern zu verschmelzen, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Der resultierende Heliumkern ist etwa 0,7 Prozent weniger massereich als die vier Protonen, die in die Reaktion eingegangen sind. Diese Massendifferenz wird nach Einsteins berühmter Gleichung E = mc ^ 2 in Energie umgewandelt, wobei etwa zwei Drittel dieser Energie als Gammastrahlen emittiert werden. (Der Rest liegt in Form von Neutrinos vor, bei denen es sich um extrem schwach wechselwirkende Teilchen mit nahezu null Masse handelt.) In den späteren Lebensphasen eines Sterns, in denen ihm der Wasserstoff als Brennstoff ausgeht, kann er durch Fusion zunehmend massereichere Elemente bilden zu und einschließlich Eisen, aber diese Reaktionen erzeugen in jeder Stufe eine abnehmende Energiemenge.
Eine weitere bekannte Quelle für Gammastrahlen ist die Kernspaltung. Das Lawrence Berkeley National Laboratory definiert die Kernspaltung als die Aufteilung eines schweren Kerns in zwei ungefähr gleiche Teile, die dann Kerne leichterer Elemente sind. Bei diesem Prozess, bei dem es zu Kollisionen mit anderen Partikeln kommt, werden schwere Kerne wie Uran und Plutonium in kleinere Elemente wie Xenon und Strontium zerlegt. Die aus diesen Kollisionen resultierenden Partikel können dann andere schwere Kerne treffen und eine Kernkettenreaktion auslösen. Energie wird freigesetzt, weil die kombinierte Masse der resultierenden Teilchen geringer ist als die Masse des ursprünglichen schweren Kerns. Diese Massendifferenz wird gemäß E = mc ^ 2 in Form der kinetischen Energie der kleineren Kerne, Neutrinos und Gammastrahlen in Energie umgewandelt.
Andere Quellen für Gammastrahlen sind Alpha-Zerfall und Gamma-Zerfall. Alpha-Zerfall tritt auf, wenn ein schwerer Kern einen Helium-4-Kern abgibt und seine Ordnungszahl um 2 und sein Atomgewicht um 4 verringert. Dieser Prozess kann den Kern mit überschüssiger Energie verlassen, die in Form einer Gammastrahlung emittiert wird. Gamma-Zerfall tritt auf, wenn sich im Kern eines Atoms zu viel Energie befindet, wodurch es einen Gammastrahl emittiert, ohne seine Ladung oder Massenzusammensetzung zu ändern.
Gammastrahlentherapie
Gammastrahlen werden manchmal verwendet, um Krebstumoren im Körper zu behandeln, indem die DNA der Tumorzellen beschädigt wird. Es ist jedoch große Vorsicht geboten, da Gammastrahlen auch die DNA der umgebenden gesunden Gewebezellen schädigen können.
Eine Möglichkeit, die Dosierung für Krebszellen zu maximieren und gleichzeitig die Exposition gegenüber gesundem Gewebe zu minimieren, besteht darin, mehrere Gammastrahlen von einem Linearbeschleuniger oder Linac aus vielen verschiedenen Richtungen auf die Zielregion zu richten. Dies ist das Funktionsprinzip von CyberKnife- und Gamma Knife-Therapien.
Die Gammamesser-Radiochirurgie verwendet spezielle Geräte, um nahezu 200 winzige Strahlen auf einen Tumor oder ein anderes Ziel im Gehirn zu fokussieren. Jeder einzelne Strahl hat nur sehr geringe Auswirkungen auf das Gehirngewebe, das er durchläuft, aber laut Mayo Clinic wird an der Stelle, an der sich die Strahlen treffen, eine starke Strahlungsdosis abgegeben.
Gammastrahlenastronomie
Eine der interessantesten Quellen für Gammastrahlen sind Gammastrahlen-Bursts (GRBs). Dies sind extrem energiereiche Ereignisse, die von einigen Millisekunden bis zu mehreren Minuten dauern. Sie wurden erstmals in den 1960er Jahren beobachtet und werden heute etwa einmal am Tag irgendwo am Himmel beobachtet.
Gammastrahlen sind laut NASA "die energiereichste Form von Licht". Sie leuchten hunderte Male heller als eine typische Supernova und ungefähr eine Million Billionen Mal so hell wie die Sonne.
Laut Robert Patterson, Professor für Astronomie an der Missouri State University, wurde angenommen, dass GRBs einst aus den letzten Phasen der Verdunstung von Mini-Schwarzen Löchern stammten. Es wird angenommen, dass sie aus Kollisionen kompakter Objekte wie Neutronensternen stammen. Andere Theorien führen diese Ereignisse auf den Zusammenbruch supermassiver Sterne zu Schwarzen Löchern zurück.
In beiden Fällen können GRBs genug Energie produzieren, um für einige Sekunden eine ganze Galaxie zu überstrahlen. Da die Erdatmosphäre die meisten Gammastrahlen blockiert, werden sie nur mit Ballons in großer Höhe und umlaufenden Teleskopen gesehen.
Weiterführende Literatur:
