Un raggio gamma (γ) è una radiazione elettromagnetica altamente penetrante e ionizzante, che deriva dal decadimento radioattivo dei nuclei atomici. I raggi gamma sono costituiti dai fotoni più energetici dello spettro elettromagnetico, con la frequenza più alta e la lunghezza d'onda più corta.
Sono onde elettromagnetiche ad alta energia capaci di danneggiare le molecole che compongono le cellule, portandole a sviluppare mutazioni genetiche o addirittura alla morte. Sulla Terra possiamo osservare sorgenti naturali di raggi gamma sia nel decadimento dei radionuclidi, sia nelle interazioni dei raggi cosmici con l'atmosfera; più raramente anche i fulmini producono questa radiazione.
La lettera greca minuscola γ (Gamma) è generalmente usata come simbolo di formula per un fotone di qualsiasi energia e origine.
Storia e scoperta
Le prime sorgenti di raggi gamma furono osservate nel decadimento gamma, processo in cui un nucleo eccitato decade emettendo questa radiazione appena dopo la formazione. Il primo a osservarli fu Paul Villard, chimico e fisico francese, nel 1900 mentre studiava la radiazione emessa dal radio. Villard capì che questa radiazione era più penetrante delle altre osservate nel radio, come i raggi beta (osservati da Henri Becquerel nel 1896) o i raggi alfa (osservati da Ernest Rutherford nel 1899). Villard comunque non nominò questa radiazione con un nome differenteMichael F. L'Annunziata, Radioactivity: introduction and history, Elsevier BV, Amsterdam 2007, Olanda, pp.55–58, ISBN 978-0-444-52715-8.
La radiazione gamma fu riconosciuta come una differente radiazione fondamentale da Rutherford nel 1903 e venne così chiamata con la terza lettera dell'alfabeto greco, che segue alfa e beta. Oltre alla maggiore capacità penetrante dei raggi gamma, Rutherford notò anche che quest'ultimi non venivano deflessi dal campo magnetico. Inizialmente i raggi gamma vennero pensati come particelle (Rutherford stesso pensava si trattasse di particelle beta molto veloci), ma varie osservazioni, come la riflessione sulla superficie di un cristallo (1914), dimostrarono che si trattava di una radiazione elettromagnetica.
Rutherford e il suo collaboratore Edward Andrade misurarono per primi la lunghezza d'onda dei raggi gamma emessi dal radio, ottenendo valori inferiori a quelli dei raggi beta, perciò una più alta frequenza. I raggi gamma nei decadimenti nucleari vengono emessi sotto forma di singolo fotone.
Caratteristiche e proprietà
Normalmente, la frequenza di questa radiazione è maggiore di 1018 Hz, dunque possiede un'energia oltre i 10 keV ed una lunghezza d'onda minore di ~ 10−10 m (~100 pm), paragonabile al diametro di un atomo.
Sono state studiate anche interazioni che coinvolgevano raggi gamma di energia da TeV a PeV. In astronomia i raggi gamma sono definiti in base alla loro energia ed esistono raggi gamma anche di più di 10 TeV, una frequenza maggiore di quella proveniente da qualsiasi decadimento radioattivo.
I raggi gamma sono più penetranti della radiazione prodotta dalle altre forme di decadimento radioattivo, ovvero decadimento alfa e decadimento beta, a causa della minor tendenza a interagire con la materia. La radiazione gamma è composta da fotoni: questa è una differenza sostanziale dalla radiazione alfa che è composta da nuclei di elio e dalla radiazione beta che è composta da elettroni; i fotoni, non essendo dotati di massa, sono meno ionizzanti. A queste frequenze, la descrizione dei fenomeni delle interazioni fra campo elettromagnetico e materia non può prescindere dalla meccanica quantistica: in quest'ultima, i quanti trasportano un'energia pari a:
dove è la costante di Planck pari a .
I raggi gamma si distinguono dai raggi X per la loro origine: i gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, mentre i raggi X sono prodotti da transizioni energetiche dovute a elettroni che da livelli energetici quantizzati esterni vanno in livelli energetici liberi più interni. Poiché è possibile per alcune transizioni elettroniche superare le energie di alcune transizioni nucleari, la frequenza di raggi X più energetici può essere maggiore di quella di raggi gamma meno energetici. Di fatto però entrambi sono onde elettromagnetiche, così come lo sono le onde radio e la luce.
Le emissioni di raggi gamma rivestono interesse scientifico presso gli acceleratori naturali di particelle, quali possono essere i resti di supernove ad alta energia, sistemi binari composti da stelle normali e oggetti compatti quali stelle di neutroni o buchi neri e nuclei galattici attivi, che contengono al loro centro buchi neri supermassivi (masse fino a diversi milioni di masse solari). Per il loro studio è stato avviato l'esperimento GLAST, un telescopio orbitante sensibile alle radiazioni gamma. Oltre a GLAST, esistono diversi osservatori terrestri Čerenkov che sono in grado di captare in maniera indiretta raggi gamma di energie elevatissime, ancora più elevate di quelle che può rilevare GLAST, che provengono dalle regioni più attive dell'universo.
Schermatura La schermatura dei raggi γ richiede materiali molto più spessi di quelli necessari per schermare particelle α e β che possono essere bloccate da un semplice foglio di carta (α) o da una lastra sottile metallica (β). I raggi gamma vengono assorbiti meglio dai materiali con un alto numero atomico e con alta densità: infatti, se per ridurre del 50% l'intensità di un raggio gamma occorre 1 cm di piombo, lo stesso effetto si ha con 6 cm di cemento o 9 cm di terra pressata. I materiali per la schermatura sono in genere misurati in base allo spessore richiesto per dimezzare l'intensità della radiazione. Ovviamente maggiore è l'energia dei fotoni, maggiore è lo spessore della schermatura richiesta. Occorrono quindi schermi spessi per la protezione degli esseri umani, poiché i raggi gamma e i raggi X producono effetti come ustioni, forme di cancro e mutazioni genetiche. Ad esempio nelle centrali nucleari per la schermatura si usano l'acciaio e il cemento nel recipiente di contenimento e l'acqua fornisce una schermatura dalla radiazione prodotta durante la conservazione delle barre di combustibile.
Interazioni con la materia
Quando un raggio gamma attraversa la materia, la probabilità di assorbimento è proporzionale allo spessore dello strato, alla densità del materiale e alla sezione trasversale di assorbimento. Si osserva che l'assorbimento totale ha un'intensità esponenzialmente decrescente con la distanza dalla superficie di incidenza:
dove x è lo spessore del materiale della superficie incidente, μ=nσ è il coefficiente di assorbimento, misurata in cm-1, n è il numero di atomi per cm3 (densità atomica) e σ è la sezione d'urto totale misurata in cm2.
In termini di ionizzazione, la radiazione gamma interagisce con la materia in tre modi principali: l'effetto fotoelettrico, l'effetto Compton e la produzione di coppie elettrone-positrone.
Effetto fotoelettrico: avviene quando un fotone gamma interagisce con un elettrone, tendenzialmente interno, orbitante attorno a un atomo e gli trasferisce tutta la sua energia, col risultato di espellere l'elettrone dall'atomo. L'energia cinetica del "fotoelettrone" risultante è uguale all'energia del fotone gamma incidente meno l'energia di legame dell'elettrone. L'effetto fotoelettrico è il meccanismo principale per l'interazione dei fotoni gamma e X al di sotto dei 50 keV (migliaia di elettronvolt), ma è molto meno importante ad energie più alte.
Scattering Compton: un fotone gamma incidente espelle un elettrone da un atomo, in modo simile al caso precedente, ma l'energia addizionale del fotone viene convertita in un nuovo fotone gamma, meno energetico, con una direzione diversa dal fotone originale. La probabilità dello scattering Compton diminuisce con l'aumentare dell'energia del fotone. Questo è il meccanismo principale per l'assorbimento dei raggi gamma nell'intervallo di energie "medie", tra 100 keV e 10 MeV, dove va a ricadere la maggior parte della radiazione gamma prodotta da un'esplosione nucleare. Il meccanismo è relativamente indipendente dal numero atomico del materiale assorbente.
Produzione di coppie: interagendo con il campo elettromagnetico del nucleo, l'energia del fotone incidente è convertita nella massa di una coppia elettrone/positrone (un positrone è un elettrone carico positivamente). L'energia eccedente la massa a riposo delle due particelle (1,02 MeV) appare come energia cinetica della coppia e del nucleo. L'elettrone della coppia, in genere chiamato elettrone secondario, è molto ionizzante. Il positrone ha vita breve: si ricombina entro 10−8 secondi con un elettrone libero, dando vita a una coppia di fotoni gamma con un'energia da 0,51 MeV ciascuno emessi a 180° in modo da soddisfare il principio di conservazione della quantità di moto. La ricombinazione di particella e antiparticella si chiama annichilazione. Questo meccanismo diventa possibile con energie maggiori di 1,02 MeV e diventa un importante meccanismo di assorbimento con energie maggiori di 5 MeV.
Gli elettroni secondari prodotti in uno di questi tre meccanismi spesso hanno abbastanza energia per ionizzare anch'essi. In più i raggi gamma, specialmente quelli ad alta energia, possono interagire con i nuclei atomici emettendo particelle (fotodisintegrazione) o eventualmente producendo fissione nucleare (fotofissione).
La formula dell’attenuazione precedente è valida se è possibile trascurare che un fotone, diffuso per effetto Compton, arrivi nel volume di interesse (rivelatore, individuo...) altrimenti va corretta inserendo il fattore di build-up (B):
Il fattore di build-up dipende dall’energia della radiazione incidente, dal tipo di materiale che attraversa e dalla geometria di incidenza. Il calcolo di questi fattori richiede di risolvere l’equazione di Boltzmann o l’uso di codici che sfruttano il metodo Montecarlo, è tuttavia possibile trovare in letteratura i valori del fattore di Build-up per i casi più comuniUS National Council on Radiation Protection and Measurements – NCRP Report No. 147 2004. Bethesda, Maryland, USA, NCRP.
Interazione con la luce I raggi gamma ad alta energia (da 80 GeV a ~10 TeV) provenienti da quasar molto distanti vengono usati per stimare la luce extragalattica di fondo indicata spesso con l'acronimo EBL. Questa radiazione, da non confondersi con la radiazione cosmica di fondo, è dovuta sia a tutta la radiazione accumulata nell'universo durante la formazione delle stelle sia a causa dei nuclei galattici attivi. I raggi ad alta energia interagiscono con i fotoni della luce extragalattica di fondo e dalla stima della loro attenuazione può essere dedotta la densità di luce di fondo anche analizzando lo spettro dei raggi gamma in arrivo. A. Domínguez et. al. All the Light There Ever Was, Scientific American 312, 38-43 (2015)
Convenzioni di denominazioni e sovrapposizioni nella terminologia
In passato la distinzione tra raggi X e raggi gamma era basata sull'energia: veniva considerata raggio gamma una radiazione elettromagnetica ad alta energia. Tuttavia i moderni raggi X prodotti da acceleratori lineari per il trattamento del cancro hanno spesso energia maggiore (dai 4 ai 25 Mev) di quella dei classici raggi gamma prodotti dal decadimento nucleare. Il tecnezio-99m, uno dei più comuni isotopi emettitori di raggi gamma usati nella medicina nucleare, produce radiazione alla stessa energia (140 keV) di una macchina diagnostica a raggi X, ma molto minore di quella dei fotoni terapeutici di un acceleratore lineare. Oggi nella comunità medica la convenzione che la radiazione prodotta dal decadimento nucleare è l'unico tipo di radiazione chiamato gamma è ancora rispettata.