Лучевая терапия и космические вспышки: что мы знаем о гамма-лучах?

Гамма-лучи — это форма электромагнитного излучения, равно как и радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи. Гамма-лучами считаются электромагнитные волны с частотой более 10¹⁹ герц (Гц), и длиной волны менее 10^-10 метра.

Гамма-лучи и жесткое рентгеновское излучение перекрываются в электромагнитном спектре, и их бывает трудно различить. И гамма-лучи, и рентгеновские лучи обладают достаточной энергией, чтобы нанести ущерб живым тканям, но почти все космические гамма-лучи блокируются атмосферой Земли.

Гамма-лучи можно использовать для лечения рака, а гамма-всплески изучают астрономы.

Открытие гамма-лучей

Гамма-лучи были впервые обнаружены в 1900 году французским химиком Полем Вилларом, когда он исследовал излучение радия. Несколько лет спустя химик и физик из Новой Зеландии Эрнест Резерфорд предложил название «гамма-лучи», поскольку гамма — третья буква греческого алфавита,  а первые две уже были заняты альфа-лучами и бета-лучами. Название прижилось.

Источники и эффекты гамма-излучения

Гамма-лучи образуются в основном в результате четырех различных ядерных реакций: слияния (синтеза), деления, альфа-распада и гамма-распада.

Ядерный синтез — это реакция, которая происходит на Солнце и других звездах. Она реализуется в многоступенчатом процессе, в котором четыре протона или ядра водорода при экстремальной температуре и давлении вынуждены слиться в ядро ​​гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Получающееся в результате ядро ​​гелия примерно на 0,7% менее массивно, чем четыре протона, которые вступили в реакцию. Эта разница масс преобразуется в энергию, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc², причем около двух третей этой энергии излучается в виде гамма-лучей. Остальное излучается в виде нейтрино — слабо взаимодействующих частиц с почти нулевой массой.

Другой известный источник гамма-лучей — это деление ядер: разделение тяжелого ядра на две примерно равные части, которые являются ядрами более легких элементов. В этом процессе, который включает столкновения с другими частицами, тяжелые ядра, такие как уран и плутоний, разбиваются на более мелкие элементы, такие как ксенон и стронций. Частицы, образующиеся в результате этих столкновений, могут затем столкнуться с другими тяжелыми ядрами, инициируя цепную ядерную реакцию. Энергия высвобождается, потому что общая масса образующихся частиц меньше массы исходного тяжелого ядра. Эта разница масс также преобразуется в энергию, согласно E = mc², в форме кинетической энергии меньших ядер, нейтрино и гамма-лучей.

Альфа-распад происходит, когда тяжелое ядро ​​испускает ядро ​​гелия-4 (альфа-частицу), уменьшая этим свой атомный номер на 2 и атомный вес на 4. Этот процесс может оставить ядро ​​с избыточной энергией, которая испускается в виде гамма-излучения.

Гамма-распад происходит, когда ядро атома поглощает избыток энергии, приходя в возбужденное состояние, а затем испускает его в виде гамма-кванта, без изменения своего заряда или массового состава.

На фото: художественное изображение гамма-всплеска. 

Применение гамма излучения

Гамма-лучевая терапия

Гамма-лучи используются для лечения раковых опухолей: излучение повреждает ДНК опухолевых клеток, что препятствует их размножению. Однако при этом гамма-лучи заодно могут повредить и ДНК здоровых клеток.

Один из способов уменьшить влияние на здоровые ткани при максимальном воздействии на опухоль — это одновременно направить на «цель» несколько (до 200) относительно слабых пучков гамма-лучей под разными углами. Эти  методы лечения называются CyberKnife и Gamma Knife (кибер-нож или гамма-нож). Каждый отдельный луч незначительное влияет на здоровую ткань, через которую проходит, но зато в точке, где лучи встречаются, их суммарное воздействие оказывается достаточно сильным.

Гамма-астрономия

Космические гамма-всплески (GRB) — это мощные, но очень короткие, длящиеся всего несколько секунд, вспышки света, в сотни раз ярче типичных сверхновых и примерно в 10¹⁸ раз ярче Солнца.

Одно время считалось, что гамма-всплески возникают на последних стадиях испарения черных мини-дыр. Но в настоящее время большинство астрономов склоняются к тому, что эти всплески возникают в результате столкновений компактных массивных объектов, таких, как нейтронные звезды. Другие теории связывают эти события с коллапсом сверхмассивных звезд с образованием черных дыр.

В любом случае гамма-всплески могут производить достаточно энергии, чтобы на несколько секунд превзойти по сумме излучаемой энергии целую галактику. Но, поскольку атмосфера Земли блокирует большую часть гамма-лучей, их можно зафиксировать только с помощью высотных аэростатов и орбитальных телескопов.

На главном фото: изображение всего неба в гамма-свете, созданное на основе двухлетних наблюдений Fermi, космического гамма-телескопа NASA. 

Читайте также:

Астрофизики разгадали загадку космических гамма-лучей, которые исходят из пустоты

NASA опубликовало новую подборку «музыки космоса»