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Raggi gamma
In fisica nucleare i raggi gamma (spesso indicati con la lettera greca minuscola gamma, γ) sono una forma di radiazione elettromagnetica, appartenente allo spettro elettromagnetico, prodotta dal cosiddetto decadimento gamma o da processi nucleari o subatomici consistenti dunque nell'emissione di fotoni ad alta energia.
Caratteristiche
I raggi gamma sono più penetranti della radiazione particellare prodotta dalle altre forme di decadimento, ovvero decadimento alfa e decadimento beta, a causa della minor tendenza ad interagire con la materia essendo essi fotoni, ma sono meno ionizzanti.I raggi gamma si distinguono dai raggi X per la loro origine: i gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, mentre gli X sono prodotti da transizioni energetiche dovute ad elettroni in rapido spostamento sui loro livelli energetici quantizzati. Poiché è possibile per alcune transizioni elettroniche superare le energie di alcune transizioni nucleari, i raggi X più energetici si sovrappongono ai raggi gamma più deboli.Uno schermo per raggi γ richiede una massa notevole. Per ridurre del 50% l'intensità di un raggio gamma occorrono 1 cm di piombo, 6 cm di cemento o 9 cm di materiale pressato.Nonostante i raggi gamma siano meno ionizzanti degli alfa e beta, occorrono quindi schermi più spessi per la protezione degli esseri umani. I raggi gamma producono effetti simili a quelli dei raggi X come ustioni, forme di cancro e mutazioni genetiche.
Interesse scientifico rivestono le emissioni di raggi gamma presso gli acceleratori naturali di particelle quali possono essere i resti di supernovae ad alta energia, sistemi binari composti da stelle normali e oggetti compatti quali stelle a 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 infatti è stato avviato l'esperimento del GLAST, un telescopio orbitante sensibile alle energie gamma. Oltre a GLAST esistono diversi osservatori terrestri Čerenkov che con una tecnica particolare captano in maniera indiretta raggi gamma di energie elevatissime (ancora più elevate di quelle che può rilevare GLAST) che provengono dalle regioni più violente dell'universo.
Interazioni con la materia
In termini di ionizzazione, la radiazione gamma interagisce con la materia in tre modi principali: l'effetto fotoelettrico, lo scattering Compton e la produzione di coppie elettrone-positrone.
Effetto fotoelettrico: avviene quando un fotone gamma interagisce con un elettrone orbitante attorno ad 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. Si pensa che l'effetto fotoelettrico sia il meccanismo principale per l'interazione dei fotoni gamma e X al di sotto dei 50 keV (migliaia di elettronvolt), ma che sia 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. Si pensa che questo sia il meccanismo principale per l'assorbimento dei raggi gamma nell'intervallo di energie "medie", tra 100 keV e 10 MeV (milioni di elettronvolt), 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 avrà vita breve: si ricombina entro 10−8 secondi con un elettrone libero. L'intera massa delle due particelle viene quindi convertita in due fotoni gamma con un'energia di 0.51 MeV ciascuno.
I raggi gamma sono spesso prodotti insieme ad altre forme di radiazione come quella alfa e beta. Quando un nucleo emette una particella α o β, il nucleo risultante si trova a volte in uno stato eccitato. Può passare ad un livello energetico più stabile emettendo un fotone gamma, nello stesso modo in cui un elettrone può passare ad un livello più basso emettendo un fotone ottico.Raggi gamma, raggi X, radiazione ultravioletta, luce visibile, radiazione infrarossa, microonde e onde radio, sono tutte forme di radiazione elettromagnetica. L'unica differenza è la frequenza e quindi l'energia dei fotoni. I raggi gamma sono i più energetici.
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