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