اشعه گاما چیست؟ — به زبان ساده

۸۹۳۸ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۱۸ اردیبهشت ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۵ دقیقه
اشعه گاما چیست؟ — به زبان ساده

اشعه گاما همانند امواج رادیویی، فروسرخ، فرابنفش و پرتو ایکس، نوعی از امواج الکترومغناطیس به شمار می‌آید. در کنار شیمی درمانی، از اشعه گاما برای پرتودرمانی سرطان و مطالعه «انفجار پرتو گاما» (Gamma-ray Bursts) استفاده می‌شود.

997696

کشف اشعه گاما

اشعه گاما برای اولین بار در سال ۱۹۰۰ توسط شیمیدان فرانسوی، «پاول ویلار» (Paul Villard) به هنگام بررسی پرتو‌های حاصل از عنصر رادیوم کشف شد. چند سال بعد،‌ ارنست رادرفورد، نام «اشعه گاما» (Gamma-ray) را برای آن پیشنهاد داد که به ترتیب، بعد از پرتوهای آلفا و بتا قرار می‌گرفت.

منابع اشعه گاما

اشعه گاما به طور کلی بوسیله چهار واکنش مختلف هسته‌ای تولید می‌شود که عبارتند از: «هم‌جوشی» (Fusion)، «شکافت» (Fission)، «واپاشی آلفا» (alpha Decay) و «واپاشی گاما»‌ (Gamma Decay)

هم‌جوشی هسته‌ای

هم‌جوشی هسته‌ای، واکنشی است که نیروی خورشید و ستارگان را تامین می‌کند. این واکنش، فرآیندی چندمرحله‌ای را تشکیل می‌دهد که در آن، چهار پروتون یا هسته هیدروژن تحت فشار و دمای شدید،‌ به یک هسته هلیوم تبدیل می‌شوند که از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. وزن هسته هلیوم حاصل، 0/7 درصد کمتر از چهار پروتون شرکت‌کننده در واکنش خواهد بود. این اختلاف جرم، با توجه به معادله E=mc2E = mc^ 2، به انرژی تبدیل می‌شود.

دو‌سوم این انرژی به صورت اشعه گاما گسیل خواهد شد. مابقی نیز به صورت نوترینو ظاهر می‌شود که در حقیقت، ذراتی با برهم‌کنش ضعیف و جرم تقریبا صفر هستند. در دوره‌های بعدی عمر یک ستاره و زمانی که سوخت هیدروژنی آن به اتمام می‌رسد، می‌تواند عناصر سنگین‌تری را از طریق هم‌جوشی تولید کند که از آن‌جمله می‌توان به آهن اشاره کرد. اما این واکنش‌ها، در هر مرحله، انرژی کمتری آزاد می‌کنند.

شکافت هسته‌ای

منبع دیگری از تولید اشعه گاما، شکافت هسته‌ای است. طبق تعریف، شکافت هسته‌ای، به تقسیم شدن هسته‌ای سنگین به دو هسته سبک‌تر با وزن تقریبا برابر می‌گویند. در این فرآیند که شامل برخورد با سایر ذرات می‌شود، هسته‌ای سنگین همچون اورانیوم و پلوتونیوم، به عناصر کوچک‌تر همچون زنون و استرانسیوم شکسته خواهد شد.

ذرات حاصل از این برخوردها در ادامه می‌توانند بر سایر هسته‌های سنگین تاثیر بگذارند و موجب ایجاد «واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای» (Nuclear Chain Reaction) شوند. در اثر این واکنش‌ها انرژی آزاد می‌شود چراکه ذرات حاصل، جرمی کمتر از جرم هسته اصلی دارند و این اختلاف جرم، به انرژی از نوع انرژی جنبشی هسته‌های کوچک‌تر، نوترینو‌ها و اشعه گاما تبدیل شده است.

واپاشی آلفا و گاما

واپاشی آلفا و گاما نیز از جمله منابع تولید پرتو گاما به شمار می‌آیند. واپاشی آلفا زمانی رخ می‌دهد که هسته‌ای سنگین، هلیوم ۴ تولید کند و عدد اتمی و جرم اتمی را به ترتیب به ۲ و ۴ کاهش دهد. این فرآیند، انرژی اضافی را برای هسته باقی می‌گذارد که آن را به صورت اشعه گاما گسیل می‌کند. واپاشی گاما زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی زیادی در هسته اتم وجود داشته باشد و سبب شود تا بدون تغییر در بار و جرم،‌ اشعه گاما گسیل کند.

سایر منابع اشعه گاما

در طیف الکترومغناطیس،‌ اشعه گاما کمترین طول موج و به تبع آن بیشترین انرژی را دارد. این پرتوها توسط گرم‌ترین و پرانرژی‌ترین اجرام کیهان همچون ستاره‌های نوترونی و «تَپ‌اخترها» (Pulsars) تولید می‌شوند. از منابع دیگر تولید پرتو گاما می‌توان به «انفجارهای ابرنواختر» (Supernova Explosions) و مناطق اطراف سیاه‌چاله‌ها اشاره کرد. در روی زمین اشعه گاما از طریق انفجارهای هسته‌ای، رعد و برق و «واپاشی هسته‌ای» (Radioactive Decay) تولید می‌شود.

اشعه گاما

شناسایی اشعه گاما

برخلاف طیف مرئی (نورهای اپتیکی) و اشعه ایکس، اشعه گاما را نمی‌توان به کمک آینه، انعکاس داد. طول موج‌های اشعه گاما به قدری کوتاه هستند که این پرتو‌ها می‌توانند از فضای بین اتم‌های یک آشکارساز عبور کنند. آشکارسازهای اشعه گاما به طور معمول از بلوک‌های بلوری پر شده‌اند که به هنگام گذر این پرتو‌ها از میان آشکارساز، با الکترون‌های بلور برخورد می‌کنند. این فرآیند به «پراکندگی کامپتون» (Campton Scattering) موسوم است. در این فرآیند،‌ اشعه گاما با برخورد و برانگیختگی الکترون، انرژی از دست می‌دهد. در اثر این برخوردها، ذرات بارداری بوجود می‌آیند که به کمک یک حسگر، شناسایی می‌شوند.

اشعه گاما

انفجار پرتو گاما

انفجار پرتو‌های گاما، نورانی‌ترین و پرانرژی‌ترین رویداد الکترومغناطیسی بعد از بیگ‌بنگ (مهبانگ) به شمار می‌آید. این واقعه در طول ده ثانیه می‌تواند بیش از انرژی خورشید در طول عمر 10 میلیارد ساله خود را تولید کند. اخترشناسی پرتو گاما فرصت‌های خوبی را برای کاوش پیرامون انرژی‌های سطح بالا در کیهان بدست می‌دهد که دانشمندان به کمک آن به پژوهش در زمینه فیزیک و آزمایش‌ نظریه‌های مختلف می‌پردازند.

اگر چشم ما می‌توانست اشعه گاما را ببیند،‌ آن‌گاه آسمان را به شکل دیگری می‌دیدیم. در اینصورت،‌ دید ما از آسمان شب به گونه‌ای بود که در آن، درخشش صور فلکی جای خود را به انفجارهای پرتو گاما می‌داد که از کسری از ثانیه تا چند دقیقه ادامه پیدا می‌کرد و همچون گلوله‌های آتش‌بازی‌، آسمان را از پرتو‌های گاما پر می‌کردند و به آرامی خاموش می‌شدند. تصویر زیر انفجار پرتو گاما را نشان می‌دهد که به هنگام تولد یک ستاره ایجاد شده است و 12/8 میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد.

اشعه گاما

اجزای سازنده سیارات

دانشمندان به کمک اشعه گاما می‌توانند عناصر موجود در سایر سیارات را شناسایی کنند. به کمک روش‌های مختلفی خصوصا طیف‌سنج اشعه گاما می‌توان اشعه گامای گسیل شده از هسته اتم‌های سطح سیاره عطارد را اندازه‌گیری کرد. زمانی که این سطوح، تحت تاثیر پرتوهای کیهانی قرار می‌گیرند، عناصر شیمیایی موجود در خاک و سنگ‌ها، انرژی‌های منحصر به فردی از نوع اشعه گاما ساطع می‌کنند که قابل تشخیص هستند. این داده‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا به مطالعه عناصر مهم در زمین‌شناسی همچون هیدروژن، منیزیم، سیلیکون، اکسیژن، آهن، تیتانیوم، سدیم و کلسیم بپردازند. در تصویر زیر می‌توانید نقشه حاصل از طیف‌سنجی اشعه گاما را برای عنصر هیدروژن در سطح مریخ مشاهده کنید.

اشعه گاما

آسمان و پرتو گاما

اشعه گاما همچنین از ستارگان، ابرنواخترها، تپ‌اخترها و فضای اطراف سیاه‌چاله موسوم به «قرص برافزایشی» (Accretion Disk) متصاعد می‌شود که در اثر این فرآیند، آسمان ما با این پرتوها انباشته خواهد شد. تصویر زیر توسط یک تلسکوپ فضایی اشعه گاما گرفته شده است که نمایی 360 درجه از کهشکان راه شیری را نشان می‌دهد.

اشعه گاما

درمان با پرتو گاما

در برخی موارد، از اشعه گاما برای درمان تومورهای سرطانی در بدن استفاده می‌شود. این روش، پرتو درمانی نام دارد و به کمک آن می‌توان DNA سلول تومور را تخریب کرد. البته اینکار نیاز به مراقبت‌های ویژه‌ای دارد چون به همین صورت می‌توان به DNA سلول‌های سالم نیز آسیب رساند. از راه‌های افزایش اشعه دریافتی از سلول‌های سرطانی، هدایت چندین پرتو گاما از یک منبع است تا از جهات مختلف بتوان منطقه مورد نظر را هدف قرار داد.

کاربرد اشعه گاما در صنایع غذایی

از اشعه گاما و ایکس در فرآیندی موسوم به «پرتودهی خوراک» (Food Irradiation) استفاده می‌شود. از این فرآیند به منظور کاهش یا حذف خطر مسمومیت‌های غذایی ناشی از ویروس‌ها، باکتری‌ها و میکرواورگانسیم‌ها بکار می‌رود. همچنین، از این روش در مواقعی استفاده می‌شود که افراد در معرض عفونت قرار دارند یا اینکه به انبار کردن و نگهداری غذا برای مدت طولانی در شرایط نامناسب نیاز داشته باشیم.

آشکارساز پرتو گاما

اشعه گاما همچون نور مرئی، از بسته‌های انرژی موسوم به فوتون تشکیل شده است که در خصوص پرتوهای گاما، فوتون‌ها چند میلیون برابر انرژی بیشتری نسبت به نور مرئی دارند. اشعه گاما به کمک بررسی تاثیرات آن روی ماده شناسایی می‌شود.

نور مرئی را می‌توان به کمک عدسی‌ها و آینه‌ها متمرکز کرد که این کار با تغییر مسیر فوتون‌ها امکان‌پذیر است. تمرکز فوتون‌ها به این معناست که مسیر حرکت آن‌ها را بدون تغییر انرژی زیاد،‌ بتوان تغییر داد و این کار در خصوص پرتوهای گاما، دشوار است چراکه آینه‌ها و عدسی‌ها به خوبی با اشعه گاما سازگار نیستند و همانطور که پیش‌تر توضیح داده شد، به هنگام برخورد اشعه گاما با با عدسی و آینه،‌ برهم‌کنش حاصل موجب تخریب اشعه و آزاد شدن انرژی زیادی می‌شود که در نهایت، تصویر واضحی بدست نمی‌آید.

انواع آشکارسازهای پرتو گاما

آشکارسازهای پرتو گاما را می‌توان در دو دسته بزرگ جای داد. دسته اول را به طور معمول با نام طیف‌سنج یا «فوتومتر» (Photometer) می‌شناسند که بیشتر در نجوم کاربرد دارد. این نوع از آشکارسازها با تمرکز بر بخشی از آسمان،‌ فوتون‌های متصاعد شده از آن بخش را مورد بررسی قرار می‌دهند. این نوع از آشکارسازها به طور معمول از «سنتیلاتورها» (Scintillators) یا آشکارسازهای حالت جامد استفاده می‌کنند تا اشعه گاما را به سیگنال‌های نوری یا الکترونیکی تبدیل و سپس آن‌ها را ثبت کنند.

دسته دوم آشکارسازها، وظیفه تصویربرداری اشعه گاما را به عهده دارند. این نوع از آشکارسازها بر اساس طبیعت برهم‌کنش اشعه گاما همچون «جفت‌سازی»‌ (Pair Production) یا پراکندگی کامپتون کار می‌کنند و از این طریق جهت حرکت فوتون محاسبه می‌شود یا با استفاده از گذر پرتوها از دیافراگمی مخصوص، تصویر مشخصی بدست می‌آورند.

اشعه گاما
نمایی از فوتومتر

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

بر اساس رای ۹۶ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
Nasa ScienceImagine the UniverseLiveScience
۱۳ دیدگاه برای «اشعه گاما چیست؟ — به زبان ساده»

با سلام تشکر از مطلب ممفیدتان آیا طول موج کوتاه تر از طول موج اشعه گاما داریم یا شناخته شده ؟

سلام و وقت بخیر
می توان پرتوی گاما نوعی موج الکترومغناطیسی هست؟

سلام بمب اتم چجوری ساخته میشه

سلام،‌‌ وقت شما بخیر؛

در این رابطه می‌توانید مطلب مجله فرادرس با عنوان «بمب اتم چیست؟ — از نحوه ساخت تا طرز کار و قدرت تخریب» را مطالعه کنید.

از همراهی شما با مجله فرادرس و مطرح کردن بازخوردها و نظرات خود بسیار سپاسگزاریم.

درود. مقاله خیلی خوب بود مطالبی را که می خواستم یاد بگیرم توضیح دادید. افزون بر این من چندین سؤال راجع به فیزیک دارم. می توانم در همین صفحه بپرسم؟
خیلی خوب?

من داشتم یک داستان میخوندم و در اون میگفت پرتوی گاما همه با برخورد به اجرام اون هارو نابود/منفجر میکنه جریانش چیه به جیمیل من جواب را ارسال کنید با تشکر…

سلام و روز شما به خیر؛

پرتوهای گاما حامل بسته‌های انرژی هستند و طبیعی است که در برخورد با اجسام این انرژی را آزاد کرده و تخریب یا انفجار صورت می‌گیرد. مطالعه مطالب واپاشی آلفا و واپاشی بتا را در مجله فرادرس به شما پیشنهاد می‌کنیم.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید خرسندیم.

با سلام،
از فرادرس تشکر می کنم که نظرات را منتشر و فرصت تبادل نظر را فراهم می کند. از جناب بحرکاظمی هم بخاطر پاسخگویی سریع سپاسگزارم.
1- اشکال وزن بخاطر این بود که در همه جای این مطلب از واژه جرم استفاده کرده بودید و فقط اینجا از وزن استفاده کردید. وزن، ترجمه weight و جرم، ترجمه mass می باشد و مفاهیم atomic mass و atomic weight یک تفاوت جزیی دارند. وزن اتمی معمولاً برای عنصری به کاری می رود که از ایزوتوپ های مختلفی تشکیل شده باشد و وزن اتمی عبارت است از میانگین جرم ایزوتوپ های تشکیل دهنده آن عنصر. به علت جرم بسیار کم اتم، این کمیت مستقل از مکان مثلاً در فضا (یا در ستاره) می باشد. (مرجع: کتاب مقدمه بر فیزیک بهداشت تالیف هرمان سمبر ص71)
2- اینکه جرم محصولات شکافت می تواند تقریباً برابر باشد درست است، زیرا واپاشی هسته ای (مثل شکافت) یک فرآیند آماری است. البته توضیحی که دادید مورد اشکال است، زیرا عدد جرمی زنون 131 (ایزوتوپها تا 136) و عدد جرمی استرانسیوم 87 (ایزوتوپها تا 90) است و این اختلاف در مقیاس اتمی زیاد است. (مرجع: جدول تناوبی و ویکی پدیا)
3- در مورد نکته ای که درباره واپاشی آلفا گفتم به مرجع زیر مراجعه کنید. منظور از اتم های سنگین که آلفا می دهند، همان فرآیند شکافت خودبخودی است. هرچند اینجا گاما هم گسیل می شود ولی این در کتابها و مقالات به عنوان منبع ذرات باردار بیان می شود. فرآیند واپاشی آلفا به عنوان منبع گاما، منظور دو واکنشی که است که با عناصر سبک بریلیم9 و کربن13 انجام میشود:
9Be(a,n)12C
13C(a,n)18O
محصولات واکنش که به ترتیب کربن و اکسیژن هستند در حالت برانگیخته قرار دارند و با گسیل پرتو گاما به حالت پایه می رسند.
(مرجع: کتاب آشکارسازی تابش تالیف گلن نول ص12)
4- در مورد اشکال چهارم و لزوم اختصار مطلب که فرمودید با شما موافقم؛ ولی از آن جهت گفتم چون در کتاب های معتبری مانند آشکارسازی تاش تالیف نول (ص12) و فیزیک بهداشت تالیف سمبر (ص92) به منبع مهم “تابش نابودی” اشاره کرده اند.
باز هم از شما و فرادرس تشکر می کنم.

با سلام؛

بسیار خرسندیم که همراهان نکته‌سنجی همچون شما مطالب مجله فرادرس را مطالعه می‌کنند. امیدواریم که با همراهی شما، گامی موثر در پیشبرد اهداف آموزشی داشته باشیم.

با تشکر

با سلام و عرض ادب و احترام
این مطلب نیاز به چندین تصحیح دارد:
1- در قسمت شکافت هسته ای که اغلب (و نه همیشه) دو هسته تولید می شوند، به اشتباه از کلمه وزن به جای جرم استفاده شده و همچنین گفته اید که جرم تقریباً یکسانی دارند که اتفاقا جرم کاملاً متمایزی دارند و همین اختلاف جرم (و در نتیجه انرژی) به آشکارسازی هر دوی آن ها کمک می کند.
2- فرایند شکافت هسته ای برخلاف آنچه ذکر شد می تواند شامل برخورد با سایر ذرات نباشد. دو نوع شکافت وجود دارد: یکی شکافت خود به خود و یکی شکافت ناشی از برهمکنش با نوترون حرارتی یا نوترون سریع. بعد از شکافت، غالب محصولاتی که تولید می شوند ناپایدارند و از خود تابشی گسیل می کنند تا به حالت پایدار برسند.
3- در مورد واپاشی آلفا، درست است که هسته سنگین هلیوم4 تولید می کند ولی این جزء همان فرآیند شکافت است. یعنی این در ادامه فرآیند شکافت اتفاق می افتد. منظور از واپاشی آلفا برای تولید گاما، برهمکنش ذره آلفا (یا همان هلیوم4) با بریلیم9 و کربن13 است که متعاقب آن ها، هسته دختر به حالت برانگیختگی رفته و اشعه گاما (برای رسیدن به حالت پایه) گسیل می شود.
4- یکی از مهمترین منابع گاما نیز ذکر نشده که عبارت است از واپاشی نابودی (annihilation) که متعاقب برهمکنش واپاشی بتای مثبت یا پوزیترون اتفاق می افتد. این مبنای اصلی کارکرد دستگاه های تصویربرداری PET در پزشکی هسته ای برای تشخیص سرطان است.
5- در قسمت درمان با پرتو نیز اشتباه فاحشی رخ داده است. خروجی دستگاه لینک اصلا تابش گاما نیست بلکه اشعه ایکس است که ناشی از شتابدهی الکترون می باشد. اشعه ایکس با تابش گاما متفاوت است. در دستگاه گامانایف از چشمه کبالت60 (و در نتیجه اشعه گاما حاصل از آن)، برای درمان سرطان استفاده می شود.
6- در قسمت شناسایی اشعه گاما فقط اشاره به پراکندگی گاما شده در صورتی که اصلی ترین برهمکنش برای آشکارسازی (یا شناسایی) اشعه گاما، جذب فوتوالکتریک است و از آنجایی که هیچ مطلبی در این باره بیان نشده باعث تعجب است! در قسمت آخر که انواع آشکارسازها بیان شده است همین مورد تکرار شده است. عامل اصلی آشکارسازی همان فرآیند جذب است و نه ” جهت حرکت فوتون”.
امیدوارم این توضیحات کمکی باشد که مطالب را به زبان ساده و صحیح به مخاطب منتقل کنیم. ممنونم

با سلام؛

از شما بابت مطالعه این مطلب و ذکر اشکالات آن سپاسگزاریم.

در خصوص موارد مطرح شده، توضیحات به صورت زیر ارائه شده‌اند:‌

در خصوص اشکال اول: با توجه به اینکه صحبتی از واکنش در ستارگان نشده است، به درستی می‌توان از عبارت وزن استفاده کرد. همچنین در ادامه متن، به عناصر زنون و استرانسیوم اشاره شده است تا به درک خواننده از واژه‌های «دو هسته سبک‌تر» و «با وزن تقریبا برابر» کمک کند.

در خصوص اشکال دوم باید گفت هدف از از این جمله، توضیح مفهوم واکنش‌های زنجیره‌ای هسته‌ای بوده و به لحاظ علمی کاملا صحیح است.

در خصوص اشکال سوم نیز همانطور که در ابتدای متن ذکر شده است، هدف، بیان منابع تولید اشعه گاما است. به صورت خیلی ساده، به طور مجدد این دو مفهوم را تعریف می‌کنیم: «شکافت هسته‌ای» (Nuclear Fission) به فرآیندی می‌گویند که در آن، هسته اتم به هسته‌های سبک‌تر تقسیم می‌شود. «واپاشی رادیواکتیو» (Radioactive Decay) به شکست هسته اتم و آزاد شدن انرژی گفته می‌شود.

در خصوص اشکال چهارم باید گفت طبیعی است که در مطلبی که به زبان ساده بیان می‌شود، نیازی به ارائه تمامی منابع تولیدی اشعه گاما نباشد زیرا متنی بسیار طولانی را می‌طلبد که خارج از موضوع مورد بحث و عنوان مطلب است.

در خصوص اشکال پنجم: اصلاحات در متن اعمال شدند.

در خصوص اشکال ششم نیز به مورد چهارم رجوع کنید.

با تشکر

سلام برادر امکان داره این مطلب بدون انتشار و فقط برای تکرار و مرور مطالب برای خودم pdf کنم ؟

سلام، وقت شما بخیر؛

تهیه PDF‌ از مطالب مجله فرادرس و استفاده از آن‌ها به صورت شخصی مانعی ندارد.

از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید، از شما بسیار سپاسگزاریم.
شاد و تندرست باشید.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *