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.

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.

فیلم آموزش محاسبات کوانتومی – مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

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 $$E = mc^ 2$$، 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.

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.

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.

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.

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.

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.

فیلم آموزش مکانیک کوانتومی 1 – مرور و حل تمرین در فرادرس

کلیک کنید

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.

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

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش مکانیک کوانتومی ۱
• انرژی فوتون — به زبان ساده
• لایه‌های زمین — از صفر تا صد

^^