I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche che hanno elevata frequenza e pertanto elevata energia. Infatti energia e frequenza sono grandezze direttamente proporzionali secondo l’equazione E = hν dove E è l’energia della radiazione, ν è la sua frequenza e h è la costante di Plank che vale 6.62607015 · 10-34 m2 kg / s. Poiché la lunghezza d’onda è inversamente proporzionale alla frequenza i raggi gamma hanno una piccola lunghezza d’onda.
I raggi gamma hanno una frequenza tra 1020 e 1024 Hz e una lunghezza d’onda inferiore a 10-11 m e pertanto possono, in un piccolo range, sovrapporsi ai raggi X che hanno una frequenza tra 1017 e 1020 Hz e una lunghezza d’onda compresa tra 10-9 m e 10-12 m.
La classificazione di raggio gamma o raggio X dipende solo dalla sua origine e non dalla sua energia. Qualsiasi radiazione elettromagnetica emessa da un nucleo è chiamata raggio gamma mentre se la radiazione ha origine nei gusci di elettroni atomici, si parla di raggi X.
A causa della loro elevata energia, i raggi gamma possono penetrare facilmente nella materia e sono in grado di attraversare diverse tipologie di materiali, inclusi i tessuti umani e spessi strati di piombo o cemento.
La radiazione ha una duplice natura, quella di un’onda e quella di una particella con massa nulla a riposo e viaggia alla velocità della luce. Fu Albert Einstein che per primo dimostrò la duplice natura della radiazione elettromagnetica quando spiegò l’effetto fotoelettrico.
Fonti di raggi gamma
I raggi gamma sono emessi da molti radioisotopi come il potassio 40 e nella serie del decadimento dell’uranio 238 e del torio 232 a seguito di decadimento gamma in cui non viene espulsa dal nucleo alcuna particella carica ma rilasciata una forma ad alta energia di radiazione elettromagnetica costituita da raggi gamma.
Pertanto in questo decadimento non si verifica una variazione del numero di massa o numero atomico mentre cambia solo l’energia dell’atomo poiché il raggio gamma non ha carica né ha una massa associata. Affinché un nucleo subisca il decadimento gamma, deve trovarsi in uno stato energetico eccitato.
Infatti i protoni e neutroni si trovano in stati energetici discreti all’interno del nucleo, in modo analogo agli stati eccitati che gli elettroni possono occupare negli atomi. Pertanto, se un protone o un neutrone all’interno del nucleo passa a uno stato eccitato, generalmente in seguito a un decadimento alfa o beta, il nuovo nucleo rilascia energia per consentire al protone o al neutrone di tornare allo stato fondamentale secondo la reazione:
A*→ A + raggio gamma
dove A* è il nucleo eccitato e A è il nucleo allo stato fondamentale
Sono prodotti dagli oggetti più caldi ed energetici dell’universo, come le stelle di neutroni e le pulsar, le esplosioni di supernova e le regioni intorno ai buchi neri e presenti nei raggi cosmici che consistono principalmente di protoni, ma contengono anche altre particelle cariche come elettroni o nuclei, fotoni ad alta energia come raggi gamma e neutrini.
Usi dei raggi gamma
I raggi gamma sono utilizzati in campo medico nella radioterapia, nell’industria per la sterilizzazione e disinfezione e nella spettroscopia. Grazie alla loro azione penetrante garantiscono una sterilizzazione profonda uccidendo batteri e patogeni contenuti negli alimenti offrendo il vantaggio di essere utilizzabili per tutti i tipi di cibo sia secco che umido o congelato.
Trovano utilizzo per la sterilizzazione di strumenti chirurgici in quanto sono in grado di disgregare il DNA batterico impedendo ai microrganismi ogni ulteriore divisione e riproduzione. Sono usati in medicina nucleare come la tomografia a emissione di positroni e la tomografia a emissione di fotone singolo in qualità di traccianti quando si iniettano radioisotopi.
Sono usati nella spettroscopia a raggi gamma che è tecnica analitica rapida e non distruttiva e può essere utilizzata per identificare vari isotopi radioattivi in un campione e studiare la struttura nucleare, le reazioni nucleari, nella ricerca spaziale come il rilevamento dell’acqua sui pianeti, per l’analisi elementare e isotopica nel sistema solare e, in particolare, la luna e Marte.
I raggi gamma costituiscono un valido supporto per gli astronomi per studiare fenomeni come, ad esempio, le stelle che esplodono, le collisioni celesti, la materia che cade nei buchi neri e pertanto consentono una maggiore comprensione dell’Universo.
Storia dei raggi gamma
La scoperta di radiazioni elettromagnetiche ad alta energia avvenne in Germania nel 1895 con la scoperta dei raggi X. L’anno successivo il fisico francese Henri Becquerel scoprì la radioattività naturale osservando che i sali di uranio emettono spontaneamente una radiazione penetrante che può essere registrata su una lastra fotografica.
La scoperta della radioattività nel 1896 portò a una serie di indagini più approfondite e tra il 1898 e il 1899, il fisico Ernest Rutherford, nell’ambito dei suoi studi sulla radioattività determinò che esistevano almeno due tipi di radiazioni, che chiamò alfa e beta come le prime due lettere dell’alfabeto greco.
La scoperta delle radiazioni alfa consentì a Rutherford di eseguire un esperimento i cui risultati vennero pubblicati in nel 1911 che gli consentì di elaborare il modello atomico di Rutherford detto modello planetario.
Nel 1900 il chimico e fisico francese Paul Villard scoprì i raggi gamma nell’ambito dei suoi studi sulle radiazioni emesse dal radio, elemento scoperto da Marie Sklodowska Curie insieme al marito Pierre Curie nel 1898, ottenuto dalla pechblenda, minerale che è una delle maggiori fonti di uranio.
Nel 1903, Ernest Rutherford chiamò questa radiazione gamma in base alla sua forte penetrazione nella materia; nel 1900 aveva già nominato due tipi meno penetranti di radiazione ovvero i raggi alfa e raggi beta in ordine crescente di potere penetrante.