0345. Vorrei conoscere cosa sono e quali sono le applicazioni dei raggi gamma

Vorrei conoscere cosa sono e quali sono le applicazioni dei raggi gamma. (Tina) (2155_3134_5515,1)

I raggi γ (gamma, lettera greca) sono una forma di radiazione elettromagnetica , come la luce visibile, ma molto più energetica, e, come tale, sono quindi costituiti da fotoni, quanti elementari di radiazione elettromagnetica, privi di carica elettrica. Se raggi γ si fanno passare dentro un campo magnetico, diretto perpendicolarmente alla loro direzione di moto, non subiranno alcuna deviazione, contrariamente ai raggi α, carichi positivamente e raggi β, carichi negativamente, che saranno deviati rispettivamente a sinistra o a destra del campo. I raggi γ, in quanto neutri, interagiscono meno con la materia rispetto ai raggi α e β e sono pertanto più penetranti. Per fermarli occorrono materiali di notevole densità o alto peso atomico , come il piombo o cemento (1 cm di piombo= 6 cm di cemento), e di spessore crescente al crescere della loro energia. I raggi γ hanno energie altissime, anche dell’ordine di TeV (1 TeV= 10¹² elettronVolt ) che è migliaia di miliardi di volte l’energia della luce visibile (2-3 eV), ed hanno uno spettro di energia molto esteso, superiormente non limitato. Questo vuol dire che si possono avere fotoni di energia che superano ogni limite. In pratica però un limite superiore all’energia di questi fotoni è imposto dalla sorgente che li produce, la quale ha sempre un’energia finita. Riportiamo in figura 1 uno schema dello spettro della radiazione elettromagnetica, dove, colorata in rosso scuro, è mostrata la banda della radiazione gamma. Per una migliore comprensione dello spettro si ricorda che l’energia E dei fotoni è direttamente proporzionale alla frequenza di vibrazione ν dell’onda elettromagnetica associata al fotone od inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda λ , secondo l’espressione E=hν =hc/λ, dove h è la costante di Plank e c è la velocità della luce.

Fig. 1: Spettro elettromagnetico. A destra, la banda dei raggi gamma, colorata in rosso scuro.

Nella parte inferiore dello spettro elettromagnetico i raggi γ si confondono e si sovrappongono con i raggi X, fotoni di più bassa energia. Le due forme di radiazioni sono però la stessa cosa e la sovrapposizione è dovuta alla loro differente origine.

Come si producono i raggi gamma?

I raggi γ, sono prodotti nelle reazioni nucleari, come nei nuclei instabili (radionuclidi), che decadono nel tempo in nuclei stabili, e sub-nucleari, come nell’annichilazione di coppie particella-antiparticella o decadimenti di particelle elementari. I raggi X sono causati invece dall’eccitazione o dall’espulsione degli elettroni degli orbitali atomici. È possibile che transizioni elettroniche atomiche abbiano un’energia superiore dell’energia di transizioni nucleari, per cui raggi X più energetici emessi dagli atomi si sovrappongono a raggi gamma più deboli emessi dai nuclei. In ognuno di questi casi, però, sia che si tratti di diseccitazione nucleare o diseccitazione atomica, sono prodotti fotoni di una sola ben determinata energia, che costituiscono una riga di emissione di energia definita dal salto energetico tra lo stato eccitato e lo stato stabile. Più righe di emissioni formano uno spettro di righe. Tra i più noti, e comunemente usati, radionuclidi, che emettono righe γ, ci sono: il Cobalto 60 (60Co), che ha due righe fotoniche di energia 1.17 MeV (1 MeV= 106 eV) e 1.33 MeV, il Cesio 137 (137Cs), che ha una riga a 670 keV (1 keV=103 eV) e l’Iodio 131 (131I), che ha una riga a 360 keV. È possibile però produrre uno spettro continuo di raggi X e γ, ricorrendo ad un differente meccanismo, che usa elettroni (o positroni) in rapido movimento. Più precisamente, si può ottenere uno spettro continuo di radiazione, facendo perdere energia per frenamento ad un fascio di elettroni (anche di energia relativistica), che colpiscono un bersaglio di materia. Lo spettro continuo, che si ottiene, può andare da zero fino ad un massimo di energia, definito dalla velocità dell’elettrone. E poiché in questo caso i fotoni hanno tutti la stessa origine, la distinzione tra raggi X e raggi γ perde significato. Tuttavia, rimane nell’uso chiamare raggi X i fotoni di più bassa energia e raggi γ quelli di più alta energia. Esempi di spettro continuo del tipo descritto si hanno nelle sorgenti radiogeni, usati nei laboratori industriali e medici, nei quali però c’è sempre sovrapposta una o più righe di emissioni caratteristiche del materiale-bersaglio usato (vedi fig. 2), o in alcune stelle.

Fig. 2: Spettro continuo di emissione di radiazione da un bersaglio di Molibdeno con sovrapposte le due righe di emissione atomiche Ka, di energia 17.44 keV, e Kb, di energia 19.61 keV, caratteristiche del materiale [3].

Analogamente, si ottiene uno spettro continuo, facendo perdere energia per cambiamento di direzione ad un fascio di elettroni (relativistici), che si muovono in un’orbita circolare attorno un campo magnetico esterno ortogonale al loro piano di moto. Ciò accade nelle sorgenti di luce di sincrotrone [25] dei laboratori terrestri o nelle stelle e galassie dell’universo. A tale scopo, riportiamo in fig. 3 la distribuzione angolare dell’emissione continua della radiazione di sincrotrone di un elettrone costretto a muoversi in un’orbita circolare da un campo magnetico B esterno perpendicolare al suo piano di moto. Notiamo come in (a) l’emissione della radiazione di un elettrone non relativistico ha la forma di toro e rassomiglia all’emissione di un dipolo elettrico oscillante (radiazione diretta trasversalmente alla direzione di moto istantaneo della particella). In (b) l’emissione della radiazione dell’elettrone relativistico è concentrata in uno stretto cono diretto lungo la direzione della velocità istantanea dell’elettrone e diretta nello stesso verso di questa velocità. Anche qui lo spettro continuo, che si ottiene, ha un massimo che dipende dall’energia dell’elettrone e che può produrre raggi X molto energetici o γ. In (c) è rappresentato un elettrone relativistico che viaggia all’interno di un intensissimo campo magnetico B, come accade in alcuni corpi celesti. L'elettrone in questo caso percorre un'orbita elicoidale ed essendo soggetto ad accelerazione centripeta, emette radiazione di sincrotrone nella stessa direzione e verso della velocità dell’elettrone, radiazione la cui lunghezza d'onda dipende dall'intensità del campo magnetico, dalla massa e dalla velocità dell’elettrone. Lo spettro continuo dell’emissione, in questo caso, può variare dalle onde radio ai raggi γ molto energetici.

Fig. 3: Distribuzione angolare della radiazione di sincrotrone. (a), elettrone non relativistico in orbita circolare attorno a [4]. (b), elettrone relativistico in orbita circolare attorno a B (sorgente di sincrotrone di laboratorio) [4]. (c) elettrone relativistico in orbita a spirale attorno a B (sorgente di sincrotrone celeste) [2].

Un terzo modo di produrre raggi γ è di ionizzare un gas portandolo ad altissima temperatura (gas di plasma), come si può avere in laboratorio usando l’energia di un laser o come si può osservare in certe sorgenti celesti. In queste ultime, la materia è espulsa verso l’esterno per esplosione della stella, ipernova, ad energie relativistiche, scontrandosi con il mezzo interstellare. Dall’urto si crea una ‘palla di fuoco’, costituita da un plasma di ioni ad altissima temperatura, che emette potenti lampi di radiazione γ (Gamma Ray Burst).

Quali sono le applicazioni dei raggi gamma?

I raggi γ hanno molte applicazioni, che interessano vasti campi dell’attività umana. Essi vanno dalla ricerca scientifica (fisica, chimica, biologia, medicina) alla medicina (diagnostica medica, medicina nucleare), dall’ingegneria alle applicazioni industriali. Questo grande uso è dovuto al loro largo spettro di energia ed alla loro buona penetrazione nella materia. Infatti, è a tutti noto l’applicazione di radiazione X-γ per il controllo antiterroristico mediante radioscopia degli oggetti all’interno dei bagagli che se ne fa negli aeroporti. Allo stesso modo, usando radiografia o radioscopia a raggi X-γ, si fa un controllo non distruttivo della qualità dei prodotti meccanici industriali, osservando la loro struttura interna ed evidenziandone i difetti. Applicazioni di questo tipo si hanno, ad esempio, nel controllo dei pezzi fusi di leghe leggere, nel controllo di saldature, nel controllo di coperture per pneumatici, nel controllo di montaggi sigillati. Raggi γ sono usati per sterilizzare le apparecchiature mediche, perché uccidono facilmente i batteri a causa della loro alta energia. Alla stessa maniera, bombardando il cibo con raggi γ di cobalto 60 o cesio 137, si distruggono i batteri della putrefazione e gli alimenti, o le carni fresche macellate, possono essere conservati nel tempo. Raggi X di energia dell’ordine di qualche diecina di keV, corrispondenti a lunghezza d’onda paragonabili alle dimensioni atomiche, sono usati invece nei centri di ricerca per lo studio della struttura della materia, dove solidi cristallini, paracristallini, amorfi, fibre (come si può vedere in fig.4), o molecole proteiche, sono indagati tramite le tecniche di assorbimento di raggi X o della diffusione elastica della radiazione a grande angolo (diffrazione cristallografica) o a piccolo angolo (diffrazione discreta o continua di macromolecole). A questo scopo, anelli di sincrotrone per elettroni di elevata energia, generanti potenti sorgenti di luce di sincrotrone [25] , sono stati costruiti in tutto il mondo e dedicati a questi esperimenti. In radiologia medica si fa un enorme uso di raggi X energetici (anche di 300 keV) per aver immagini diagnostici di denti, ossa dello scheletro ed altre parti del corpo. Con la tomografia assiale computerizzata (TAC) e mammografia, immagini di organi interni (come il cervello), di tessuti “densi” o di tessuti angiografici sono rivelati nei più fini dettagli. Radiazione γ ancora più energetica è usata per curare alcune forme tumorali, anche se la stessa radiazione può provocare cancro alle cellule sane colpite. Per evitare questo, in certi casi, fasci concentrati di raggi γ sono mandati da diverse direzioni contro le cellule tumorali bersaglio. I fasci γ, partendo da angoli diversi, si vanno così ad incrociare sull'area interessata ed il danno dei tessuti circostanti, investiti da una minor dose di radiazione, è minimizzato. In medicina nucleare sono ampiamente impiegati i radiofarmaci, sostanze chimiche, che, come i farmaci, hanno la proprietà di interagire con il sistema biologico, ma che nella loro struttura interna contengono un atomo di un nuclide radioattivo emittente radiazione γ. Questa radiazione, scarsamente assorbita dai tessuti biologici, può essere captata da rivelatori esterni. Le immagini scintigrafiche formati dai rivelatori mostrano la distribuzione del radiofarmaco nel corpo ed il progredire del metabolismo, cosicché, oltre ad avere una visione della forma degli organi e degli apparati biologici, come si ha nelle radiografie, si hanno informazioni sulle loro funzioni biologiche. Inoltre se il radiofarmaco ha la proprietà di fissarsi nelle cellule tumorali, può diventare anche radioterapeutico, ovvero se il radionuclide emette radiazioni γ adatte a distruggere le cellule tumorali, il radiofarmaco iniettato trasporterà questi γ nella zona di azione dei tessuti malati, concentrandosi su di essi e distruggendoli. Esempi di applicazioni di questa tecnica si hanno nel carcinoma tiroideo, dove si usa il radioiodio 131, in ematologa, dove si usa il radiofosforo, in oncologia (versamenti sierosi), dove si usano i radiocolloidi.

Fig. 4, a sinistra. Diffrazione con raggi X di fibra di cotone. Gli anelli di diffrazione ed i riflessi più fortemente intensificati lungo l’asse della fibra, indicano la struttura periodica del materiale e l’allineamento delle micelle lungo l’asse della fibra [3]. Fig. 5, a destra. PET, in cui dall’annichilazione positrone-elettrone è creata una coppia di γ da 511 keV , che sono rivelati in coincidenza da rivelatori esterni per la formazione dell’immagine.

Chiudiamo infine con la tomografia ad emissione di positroni (PET, positron emission tomography) [6] , in cui è usato un radionuclide, il fluorodesossiglucosio (18FDG), che emette un positrone e+ che va ad interagire immediatamente con un elettrone del tessuto cellulare del corpo. Dalla loro annichilazione è creata una coppia di raggi γ di 511 keV, che sono rivelati in coincidenza da un rivelatore esterno, dove si forma l’immagine scintigrafica (vedi fig. 4). Con questa tecnica si diagnosticano i tumori alla testa ed al collo, quelli gastrointestinali o quelli ginecologici.

Andrea La Monaca – Fisico

(*) Nota Redazionale SxT

Per i nostri web-nauti più esperti sul tema suggeriamo le seguenti letture:

[1] W. J. Price, Nuclear radiation detection, McGraw-Hill, New York, 1964

[2] R. Giacconi and E. Gursky, X-Ray Astronomy, D. Reidel Publ. Co., Dordrecht-Holland, 1972

[3] J. W. Jeffery, Methods in X-ray crystallography, Academic press, London 1971

[4] A. A. Sokolov and I. M. Ternov, Radiation from relativistic electrons, C. W. Kilmister ed., New York 1986