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Por: Carlos del Porto Blanco

La Física es como el sexo: seguro que da alguna compensación práctica, pero no es por eso por lo que la hacemos. Richard Phillips Feynman.

Los protagonistas de la columna de hoy constituyen la forma más poderosa de energía existente. Los rayos gamma son un tipo de radiación electromagnética con las longitudes de onda más cortas, generados por fenómenos astrofísicos de alta energía como explosiones de supernovas y núcleos de galaxias activas.

¿Qué son los Rayos Gamma?

La radiación gamma o rayos gamma es un tipo de radiación electromagnética, normalmente identificados por la letra griega minúscula ?, que se producen generalmente por elementos radiactivos o por procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. También se genera en fenómenos astrofísicos de gran violencia. Esos rayos son radiaciones que constituyen una porción del espectro electromagnético, que contiene toda la gama de ondas energéticas. Son la última sección del espectro y presentan las longitudes de onda más cortas y la mayor potencia entre los tipos de radiación. Esa energía mide exactamente el tamaño de un núcleo atómico en su sección más grande.

Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa (?) y la beta (?), estos serán objeto de próximas entregas, debido a la menor tendencia a interactuar con la materia. Esta radiación puede causar un grave daño al núcleo de las células, por lo cual son utilizados para esterilizar equipos médicos y alimentos. La radiación gamma se compone de fotones: esa es una diferencia sustancial de las partículas alfa que son núcleos de helio y la radiación beta que está compuesta de electrones. Los fotones gamma, al no estar dotados de masa, son menos ionizantes. En esas frecuencias, la descripción de los fenómenos de interacciones entre el campo electromagnético y la materia no puede ignorar la mecánica cuántica.

Los rayos gamma se distinguen de los rayos X por su origen: los rayos gamma se producen por transiciones nucleares o atómicas, mientras que los rayos X se producen por transiciones de energía debido a electrones que desde niveles de energía cuantificados externos entran en niveles de energía libre interna más.

Los rayos gamma fueron una de las últimas porciones del espectro electromagnético en ser descubierta. Se generan naturalmente en la Tierra como desintegración radiactiva y en el espacio como grandes episodios de fusión nuclear. Los científicos también los estudian en laboratorios mediante fisión nuclear. Debido a su increíblemente alto nivel energético, los rayos gamma tienen la capacidad única de atravesar muchos objetos, incluido el cuerpo humano. Por esa causa tienen el potencial de causar daños significativos a las personas cuando se exponen en cantidades concentradas. A pesar de los daños que ocasionan, la capacidad de los rayos gamma para atravesar objetos los hace ideales en varias aplicaciones. Por ejemplo, el tratamiento del cáncer, la obtención de imágenes nucleares y la observación del universo.

En su forma más común, los rayos gamma se producen durante la desintegración radiactiva. Eso sucede cuando el núcleo de un átomo se energiza demasiado y libera ese exceso de energía. La desintegración radiactiva puede ocurrir con el núcleo liberando parte de su composición (desintegración alfa) o sin ningún cambio (desintegración gamma). La desintegración radiactiva ocurre de forma aleatoria y puede tener lugar en cualquier tipo de átomo. A gran escala, los rayos gamma se generan durante la fusión nuclear. Ese es el proceso de obligar a cuatro protones a fusionarse utilizando una temperatura y presión muy altas, creando un núcleo completamente nuevo. El núcleo resultante tiene una masa menor que la masa total de los cuatro protones, lo que provoca un desequilibrio energético. Ese exceso de energía se emite en forma de rayos gamma, que alimentan objetos celestes masivos como las estrellas.

Debido a su naturaleza completamente aleatoria, es difícil crear consistentemente rayos gamma a través de la desintegración radiactiva o la fusión nuclear. Sin embargo, los científicos han descubierto que pueden producir artificialmente ese tipo de radiación mediante la fisión nuclear. Ese es el proceso de dividir el núcleo de un átomo en dos partes iguales. Los nuevos núcleos más pequeños tienen menos masa total que el núcleo original, lo que les permite producir energía gamma. Esto se puede lograr en aceleradores de partículas. Esas instalaciones concentran átomos entre sí a una velocidad muy alta, provocando que choquen entre ellos. La colisión resultante es suficiente para romperlos en pedazos más pequeños, provocando la reacción.

En Astrofísica se denomina GRB (gamma ray bursts) a fuentes de rayos gamma que duran unos segundos o pocas horas, secundados por un brillo decreciente en la fuente por rayos X durante algunos días. Ocurren en posiciones aleatorias del cielo. Su origen permanece todavía bajo discusión científica. En todo caso parecen constituir los fenómenos más energéticos del universo. Excepcionales son los rayos gamma de energía superior a los gigaelectronvoltios (GeV) que al incidir en la atmósfera producen miles de partículas (cascada atmosférica extensa), los cuales, como viajan a velocidades cercanas a la de la luz en el aire, generan radiación de Cherenkov. Esa radiación se detecta en la superficie de la Tierra mediante un telescopio Cherenkov.

Según la Agencia Australiana de Protección Radiológica y Seguridad Nuclear (ARPaNSA), “un rayo gamma es un paquete de energía electromagnética emitido por el núcleo de algunos radionucleidos tras la desintegración radiactiva. Los fotones gamma son los fotones más energéticos del espectro electromagnético”. La agencia gubernamental continúa definiendo la medición de rayos gamma como superior a 100 keV, lo que difiere del rango de 200 keV de la NASA. Eso se debe a que no existe una línea estricta que defina cada porción del espectro electromagnético. ARPaNSA describe con gran detalle las fuentes comunes de radiación gamma. Ese tipo de energía “se libera de muchos de los radioisótopos que se encuentran en la serie de desintegración de la radiación natural del uranio, el torio y el actinio, además de ser emitida por los radioisótopos naturales potasio-40 y carbono-14”.

Historia del descubrimiento de los rayos ganma.

La primera fuente de rayos gamma descubierta históricamente fue el proceso del decaimiento radiactivo llamado decaimiento gamma. En ese tipo de desintegración, un núcleo excitado emite un rayo gamma casi inmediatamente después de su formación (eso ahora se entiende como una transición isomérica nuclear. Ya en 1896, los científicos investigaban la radiactividad de los elementos a medida que se descomponían. Mientras estudiaba las características del radio, que producía diversos niveles de rayos alfa y beta, que presentaban masa, el químico francés Paul Villard describió en 1900 una radiación que era más poderosa que la descubierta antes.

La reacción de las sales de radio que escapan de una abertura se analizó a través de una fina lámina de plomo. Al pasar dos tipos de rayos, uno fue desviado por un campo magnético y el otro no. El rayo descargado mostró características que lo hacían exclusivo de los otros dos y fue nombrado gamma por su posición en el alfabeto griego, ya se habían descubierto los alfa como una forma menos penetrante de la radiación por Rutherford, en 1899 y los beta observados por primera vez como “radiactividad” por Henri Becquerel en 1896.

Sin embargo, Villard no consideró al nombrarlos que fueran un tipo fundamental diferente. La radiación de Villard fue reconocida en 1903 por Ernest Rutherford como un tipo fundamentalmente diferente de rayos, siendo además quien los nombró como “rayos gamma”, por analogía con los rayos alfa y beta que él mismo había diferenciado en 1899. Los rayos emitidos por los elementos radiactivos fueron nombrados en función del poder de penetrar diversos materiales, utilizando las tres primeras letras del alfabeto griego: rayos alfa, los menos penetrantes, seguido de los rayos beta y los rayos gamma, los más penetrantes. Rutherford también se dio cuenta de que los rayos gamma no eran desviados (o al menos, no desviados fácilmente) por un campo magnético, otra propiedad que los diferenciaba de los rayos alfa y beta.

Al principio se pensaba que los rayos gamma eran partículas con masa, como los rayos alfa y beta. Rutherford creía que podrían ser partículas beta extremadamente rápidas, pero la imposibilidad de desviarlos mediante un campo magnético indicaba que no tenían carga. En 1914, se observó que los rayos gamma se reflejaban en las superficies de cristal, demostrando que eran una radiación electromagnética. Rutherford y su compañero Edward Andrade midieron las longitudes de onda de los rayos gamma del radio, y encontraron que eran similares a las de los rayos X, pero con menor longitud de onda y (por ello) una frecuencia más alta. Eso fue finalmente reconocido al dárseles también más energía por fotón, tan pronto como ese último término fue aceptado. El decaimiento gamma fue entonces entendido como la emisión de un solo fotón gamma.

Utilización de los rayos ganma

La potencia de los rayos gamma los hace útiles para esterilización de equipo médico. Se utilizan para exterminar bacterias e insectos en productos alimentarios tales como carne, huevos y verduras. Debido a la capacidad de penetrar en los tejidos, los rayos gamma tienen un amplio espectro de usos médicos, tales como la realización de tomografías y los estudios de medicina nuclear. Sin embargo, por su condición de radiación ionizante, afecta el ADN, pueden provocar cambios moleculares lo que les otorga efectos cancerígenos.

A pesar de sus propiedades cancerígenas, los rayos gamma se utilizan para tratamiento de ciertos tipos de cáncer. En el procedimiento llamado cirugía gamma-knife, múltiples haces de rayos gamma concentrados se dirigen hacia células cancerosas. Los rayos se emiten desde distintos ángulos para focalizar la radiación en el tumor, a la vez que se minimiza el daño a los tejidos de alrededor. También se utilizan en medicina nuclear para realizar diagnósticos. Se utilizan muchos radioisótopos emisores de rayos gamma. Uno de ellos es el tecnecio 99m: 99mTc.

Fuentes de rayos gamma

Las fuentes naturales de rayos gamma en la Tierra incluyen la desintegración gamma de radioisótopos naturales como el potasio 40, y también como radiación secundaria de diversas interacciones atmosféricas con partículas de rayos cósmicos. Algunas fuentes naturales terrestres que producen rayos gamma y que no son de origen nuclear, son las descargas de rayos y los destellos de rayos gamma terrestres, que producen emisiones de alta energía a partir de tensiones naturales de alta energía.

Los rayos gamma son producidos por una serie de procesos astronómicos en los que se producen electrones de muy alta energía. Dichos electrones producen rayos gamma secundarios por los mecanismos de radiación de frenado, el efecto Compton inverso y la radiación de sincrotrón. Una gran parte de esos rayos gamma astronómicos son apantallados por la atmósfera terrestre.

Descubrimientos recientes

Los estudios aéreos de las emisiones de rayos gamma de la superficie de la Tierra buscan minerales que contengan elementos radiactivos traza, como el uranio y el torio. La espectroscopia de rayos gamma aérea y terrestre se utiliza para apoyar la cartografía geológica, la exploración de minerales y la identificación de la contaminación ambiental.

Los rayos gamma se detectaron por primera vez a partir de fuentes astronómicas en la década de 1960, y la astronomía de estos rayos es ahora un campo de investigación bien establecido. Al igual que con el estudio de los rayos X astronómicos, las observaciones de rayos gamma deben realizarse por encima de la atmósfera de la Tierra, que los absorbe fuertemente, por lo general con satélites en órbita o globos de gran altitud Hay muchas fuentes de rayos gamma astronómicos intrigantes y poco comprendidas, incluidas potentes fuentes puntuales identificadas provisionalmente como púlsares, cuásares y restos de supernova. Entre los fenómenos astronómicos inexplicados más fascinantes se encuentran los llamados estallidos de rayos gamma: emisiones breves y extremadamente intensas de fuentes que aparentemente están distribuidas de forma isótropa en el cielo.

Recientemente, se han logrado avances significativos en la detección y estudio de los rayos gamma. Utilizando telescopios Cherenkov y observatorios espaciales, se han observado fenómenos cósmicos que antes eran invisibles para los investigadores. Esos descubrimientos ayudan a comprender mejor el universo y los procesos que en él ocurren.

Referencias

 

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