Rayo gamma

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 las ondas electromagnéticas de longitud de onda más corta, generalmente más cortas que las de los rayos X. Con frecuencias superiores a 30 exahercios (30 × 10 18  Hz ), imparte la mayor energía de fotones . Paul Villard , 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 (descubiertos por Henri Becquerel ) , rayos alfa y rayos beta en orden ascendente de poder de penetración.

Los rayos gamma de la desintegración radiactiva se encuentran en el rango de energía de unos pocos kiloelectronvoltios ( keV ) a aproximadamente 8 megaelectronvoltios (~ 8  MeV ), lo que corresponde a los niveles de energía típicos en núcleos con una vida útil razonablemente larga. 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 microquásar 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 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 .

Los rayos gamma y los rayos X son radiación electromagnética y, dado que se superponen en el espectro electromagnético , la terminología varía entre disciplinas científicas. En algunos campos de la física, se distinguen por su origen: los rayos gamma se crean por desintegración nuclear, mientras que los rayos X se originan fuera del núcleo. En astrofísica , los rayos gamma se definen convencionalmente por tener energías fotónicas superiores a 100  keV y son objeto de astronomía de rayos gamma , mientras que la radiación por debajo de 100 keV se clasifica como rayos X y es objeto de astronomía de rayos X.

Los rayos gamma son radiaciones ionizantes y, por lo tanto, son peligrosos 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 lo tanto, plantean un formidable desafío de protección contra las radiaciones , que requiere un blindaje fabricado con 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 además de los rayos gamma, que son absorbidos por 0,53 barras de atmósfera cuando penetran en la atmósfera.

Los rayos gamma no pueden reflejarse en un espejo y sus longitudes de onda son tan pequeñas que pasarán entre los átomos de un detector.

Los rayos gamma se emiten durante la fisión nuclear en explosiones nucleares.
Guía de la NASA sobre el espectro electromagnético que muestra la superposición de frecuencias entre los rayos X y los rayos gamma
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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 Área Grande (LAT) de Fermi .
Esquema de desintegración radiactiva de 60
Co
Espectro de emisión gamma de cobalto-60
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Los puntos rojos muestran algunos de los ~ 500 destellos de rayos gamma terrestres detectados diariamente por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi hasta 2010. Crédito: NASA / Goddard Space Flight Center.
Imagen de todo el cielo en 100 MeV o más rayos gamma como lo ve 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 están arriba y abajo del plano son quásares .
Una hipernova . Ilustración del artista que muestra la vida de una estrella masiva cuando la fusión nuclear convierte elementos más ligeros en más pesados. Cuando la fusión ya no genera suficiente presión para contrarrestar la gravedad, la estrella colapsa rápidamente para formar un agujero negro . En teoría, la energía puede liberarse durante el colapso a lo largo del eje de rotación para formar una explosión de rayos gamma de larga duración .
La radiación alfa consta de núcleos de helio y se detiene fácilmente con una hoja de papel. La radiación beta , que consta de electrones o positrones , es detenida por una placa de aluminio, pero la radiación gamma requiere protección con material denso como plomo u hormigón.
El coeficiente de absorción total de aluminio (número atómico 13) para los rayos gamma, representado frente a la energía gamma, y ​​las contribuciones de los tres efectos. Como es habitual, el efecto fotoeléctrico es mayor a bajas energías, la dispersión de Compton domina a energías intermedias y la producción de pares domina a altas energías.
El coeficiente de absorción total de plomo (número atómico 82) de los rayos gamma, representado frente a la energía gamma y las contribuciones de los tres efectos. Aquí, el efecto fotoeléctrico domina a baja energía. Por encima de 5 MeV, la producción de pares comienza a dominar.
Imagen de rayos gamma de un camión con dos polizones tomada con un VACIS (sistema de imágenes de vehículos y contenedores)
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 denominada rayos X "duros". Esta representación sigue la convención más antigua de distinguir por longitud de onda.
La Luna vista por el Observatorio de Rayos Gamma de Compton , en rayos gamma de más de 20 MeV. Estos son producidos por el bombardeo de rayos cósmicos de su superficie. El Sol, que no tiene una superficie similar de alto número atómico para actuar como objetivo de los rayos cósmicos, generalmente no puede verse en absoluto con estas energías, que son demasiado altas para emerger de reacciones nucleares primarias, como la fusión nuclear solar (aunque ocasionalmente la El sol produce rayos gamma por mecanismos de tipo ciclotrón , durante las erupciones solares ). Los rayos gamma suelen tener mayor energía que los rayos X. [30]