أشعة جاما

الموسوعة الحرة

انبعاث أشعة غاما ( γ ) من نواة ذرية

أشعة غاما ، والمعروفة أيضًا باسم إشعاع غاما (رمزها γ )، هي شكل نافذ من الإشعاع الكهرومغناطيسي ينشأ عن تفاعلات عالية الطاقة مثل التحلل الإشعاعي لنوى الذرات أو الظواهر الفلكية مثل التوهجات الشمسية. يتداخل إشعاع غاما ذو الطاقة المنخفضة مع الطرف العلوي لإشعاع الأشعة السينية ؛ ويتم تمييزهما باختلاف مصادرهما. تتراوح طاقة فوتونات أشعة غاما في الطرف الأدنى من 10⁴ إلكترون فولت إلى 10⁷ إلكترون فولت؛ بينما تتجاوز طاقة أشعة غاما فائقة الطاقة 10¹⁴ إلكترون فولت. [ 1 ] : 12 اكتشف بول فيلار ، الكيميائي والفيزيائي الفرنسي ، إشعاع غاما عام 1900 أثناء دراسته للإشعاع المنبعث من الراديوم . وفي عام 1903، أطلق إرنست رذرفورد على هذا الإشعاع اسم أشعة غاما نظرًا لقدرته العالية نسبيًا على اختراق المادة . في عام 1900، كان قد أطلق بالفعل اسمين على نوعين أقل اختراقًا من إشعاع الاضمحلال (اكتشفهما هنري بيكريل ) أشعة ألفا وأشعة بيتا بترتيب تصاعدي لقوة الاختراق.

تتراوح طاقة أشعة غاما الناتجة عن التحلل الإشعاعي بين عشرة كيلو إلكترون فولت (keV) وعشرة ميغا إلكترون فولت (MeV)، [ 1 ] وهو ما يتوافق مع مستويات الطاقة النموذجية في النوى ذات الأعمار الطويلة نسبيًا. ويمكن استخدام طيف طاقة أشعة غاما لتحديد النويدات المشعة المتحللة باستخدام مطيافية غاما . وقد رُصدت أشعة غاما ذات طاقة عالية جدًا، تتراوح بين 100 و1000 تيرا إلكترون فولت (TeV)، من مصادر فلكية مثل الكويزار الصغير Cygnus X-3 .

تُعدّ المصادر الطبيعية لأشعة غاما التي تنشأ على الأرض في الغالب نتيجةً للتحلل الإشعاعي والإشعاع الثانوي الناتج عن تفاعلات الغلاف الجوي مع جسيمات الأشعة الكونية . ومع ذلك، توجد مصادر طبيعية نادرة أخرى، مثل ومضات أشعة غاما الأرضية ، التي تُنتج أشعة غاما من خلال تفاعل الإلكترونات مع النواة. وتشمل المصادر الاصطناعية البارزة لأشعة غاما الانشطار النووي ، كما هو الحال في المفاعلات النووية ، وتجارب فيزياء الطاقة العالية ، مثل تحلل البيون المتعادل والاندماج النووي .

تتداخل نطاقات طاقة أشعة غاما والأشعة السينية في الطيف الكهرومغناطيسي ، لذا يختلف المصطلح المستخدم لوصف هذه الموجات الكهرومغناطيسية بين التخصصات العلمية. في بعض فروع الفيزياء، يتم التمييز بينهما بناءً على مصدرهما: فأشعة غاما تنتج عن التحلل النووي، بينما تنشأ الأشعة السينية خارج النواة. في الفيزياء الفلكية ، تُعرَّف أشعة غاما اصطلاحًا بأنها ذات طاقات فوتونية تزيد عن 100  كيلو إلكترون فولت، وهي موضوع علم فلك أشعة غاما ، بينما  يُصنَّف الإشعاع ذو الطاقة الأقل من 100 كيلو إلكترون فولت على أنه أشعة سينية، وهو موضوع علم فلك الأشعة السينية .

أشعة غاما هي إشعاع مؤين، وبالتالي فهي تشكل خطراً على الحياة. يمكن أن تسبب طفرات في الحمض النووي ، والسرطان، والأورام ، وعند الجرعات العالية تسبب الحروق ومرض الإشعاع . ونظراً لقدرتها العالية على الاختراق، يمكنها أن تُلحق الضرر بنخاع العظم والأعضاء الداخلية. وعلى عكس أشعة ألفا وبيتا، فإنها تخترق بسهولة العديد من المواد الشائعة، مما يشكل تحدياً كبيراً في مجال الحماية من الإشعاع ، ويتطلب استخدام دروع مصنوعة من مواد كثيفة كالرصاص أو الخرسانة. على الأرض ، يحمي الغلاف المغناطيسي الحياة من معظم أنواع الإشعاع الكوني القاتل باستثناء أشعة غاما.

تاريخ الاكتشاف

كان أول مصدر لأشعة غاما يُكتشف هو عملية التحلل الإشعاعي المعروفة باسم تحلل غاما . في هذا النوع من التحلل، تُصدر نواة مُثارة أشعة غاما فور تكوّنها تقريبًا. اكتشف الكيميائي والفيزيائي الفرنسي بول فيلار إشعاع غاما عام 1900، أثناء دراسته للإشعاع المنبعث من الراديوم . كان فيلار يعلم أن الإشعاع الذي وصفه أقوى من أنواع الأشعة المنبعثة من الراديوم التي وُصفت سابقًا، والتي شملت أشعة بيتا، التي أشار إليها هنري بيكريل لأول مرة باسم "النشاط الإشعاعي" عام 1896، وأشعة ألفا، التي اكتشفها رذرفورد عام 1899 كشكل أقل اختراقًا من الإشعاع. مع ذلك، لم يُفكّر فيلار في تصنيفها كنوع أساسي مختلف. [ 2 ] [ 3 ] لاحقًا، في عام 1903، تم التعرف على إشعاع فيلار على أنه من نوع مختلف جوهريًا عن الأشعة التي سُميت سابقًا، وذلك على يد إرنست رذرفورد ، الذي أطلق على أشعة فيلار اسم "أشعة غاما" قياسًا على أشعة بيتا وألفا التي ميزها رذرفورد في عام 1899. [ 4 ] سُميت "الأشعة" المنبعثة من العناصر المشعة وفقًا لقدرتها على اختراق المواد المختلفة، باستخدام الأحرف الثلاثة الأولى من الأبجدية اليونانية: أشعة ألفا الأقل اختراقًا، تليها أشعة بيتا، ثم أشعة غاما الأكثر اختراقًا. لاحظ رذرفورد أيضًا أن أشعة غاما لا تنحرف (أو على الأقل، لا تنحرف بسهولة ) بفعل المجال المغناطيسي، وهي خاصية أخرى تميزها عن أشعة ألفا وبيتا.

كان يُعتقد في البداية أن أشعة غاما جسيمات ذات كتلة، مثل أشعة ألفا وبيتا. اعتقد رذرفورد في البداية أنها قد تكون جسيمات بيتا فائقة السرعة، لكن عدم انحرافها بفعل المجال المغناطيسي دلّ على أنها عديمة الشحنة. في عام ١٩١٤، لُوحظ انعكاس أشعة غاما عن أسطح البلورات، مما أثبت أنها إشعاع كهرومغناطيسي. [ ٥ ] قاس رذرفورد وزميله إدوارد أندرادي أطوال موجات أشعة غاما المنبعثة من الراديوم، ووجدا أنها مشابهة للأشعة السينية ، ولكن بأطوال موجية أقصر، وبالتالي بتردد أعلى. أُدرك لاحقًا أن هذا يُعطيها طاقة أكبر لكل فوتون ، بمجرد أن أصبح مصطلح التردد مقبولًا على نطاق واسع. وبذلك، أصبح من المفهوم أن اضمحلال غاما يُصدر عادةً فوتون غاما.

مصادر

يتتبع هذا الرسم المتحرك عدة أشعة جاما عبر المكان والزمان، من انبعاثها في نفاثة من نجم بليزر بعيد إلى وصولها إلى تلسكوب فيرمي ذي المساحة الكبيرة (LAT).

تشمل المصادر الطبيعية لأشعة غاما على الأرض تحلل غاما الناتج عن النظائر المشعة الطبيعية مثل البوتاسيوم-40 ، بالإضافة إلى الإشعاع الثانوي الناتج عن تفاعلات الغلاف الجوي المختلفة مع جسيمات الأشعة الكونية . ومن المصادر الأرضية الطبيعية التي تُنتج أشعة غاما: الصواعق وومضات أشعة غاما الأرضية ، والتي تُنتج انبعاثات عالية الطاقة من الفولتية الطبيعية عالية الطاقة. [ 6 ] تُنتج أشعة غاما أيضًا من خلال عدد من العمليات الفلكية التي تُنتج إلكترونات عالية الطاقة. تُنتج هذه الإلكترونات أشعة غاما ثانوية عبر آليات إشعاع الكبح ، وتشتت كومبتون العكسي ، وإشعاع السنكروترون . ويتم حجب جزء كبير من أشعة غاما الفلكية هذه بواسطة الغلاف الجوي للأرض. ومن المصادر الاصطناعية البارزة لأشعة غاما: الانشطار النووي ، كما يحدث في المفاعلات النووية ، بالإضافة إلى تجارب فيزياء الطاقة العالية ، مثل تحلل البيون المتعادل والاندماج النووي .

تُعرف عينة المادة المُصدرة لأشعة غاما، والمستخدمة في التشعيع أو التصوير، باسم مصدر غاما. ويُطلق عليها أيضًا اسم المصدر المشع ، أو مصدر النظائر، أو مصدر الإشعاع، مع العلم أن هذه المصطلحات العامة تنطبق أيضًا على الأجهزة المُصدرة لأشعة ألفا وبيتا. وعادةً ما تكون مصادر غاما مُغلقة بإحكام لمنع التلوث الإشعاعي ، وتُنقل داخل دروع واقية سميكة.

التحلل الإشعاعي (تحلل غاما)

تُنتَج أشعة غاما خلال تحلل غاما، الذي يحدث عادةً بعد حدوث أنواع أخرى من التحلل، مثل تحلل ألفا أو بيتا . يمكن أن تتحلل النواة المشعة بانبعاث جسيم ألفا أو بيتا . عادةً ما تبقى النواة الناتجة في حالة إثارة. ثم يمكنها أن تتحلل إلى حالة طاقة أقل بانبعاث فوتون أشعة غاما، في عملية تُسمى تحلل غاما.

يستغرق انبعاث أشعة غاما من نواة مثارة عادةً 10⁻¹² ثانية فقط . وقد يتبع اضمحلال غاما تفاعلات نووية أخرى مثل التقاط النيوترون ، والانشطار النووي ، والاندماج النووي. كما يُعد اضمحلال غاما نمطًا من أنماط استرخاء العديد من الحالات المثارة لنوى الذرات بعد أنواع أخرى من الاضمحلال الإشعاعي، مثل اضمحلال بيتا، طالما أن هذه الحالات تمتلك المكون اللازم من اللف المغزلي النووي . عندما تقذف أشعة غاما عالية الطاقة، أو الإلكترونات، أو البروتونات المواد، تُصدر الذرات المثارة أشعة غاما "ثانوية" مميزة، وهي نتاج تكوين حالات نووية مثارة في الذرات المقذوفة. تُشكل هذه الانتقالات، وهي شكل من أشكال التألق النووي لأشعة غاما ، موضوعًا في الفيزياء النووية يُسمى مطيافية غاما . ويُعد تكوين أشعة غاما المتألقة نوعًا فرعيًا سريعًا من اضمحلال غاما الإشعاعي.

في بعض الحالات، قد تكون الحالة النووية المثارة التي تعقب انبعاث جسيم بيتا أو أي نوع آخر من الإثارة أكثر استقرارًا من المتوسط، وتُسمى حالة مثارة شبه مستقرة ، إذا استغرق اضمحلالها مدة أطول (على الأقل) من 100 إلى 1000 مرة من المتوسط ​​البالغ 10⁻¹² ثانية . تُسمى هذه النوى المثارة طويلة العمر نسبيًا بالمتماثلات النووية ، ويُطلق على اضمحلالها اسم الانتقالات المتماثلة . تتميز هذه النوى بنصف عمر يسهل قياسه، وتستطيع المتماثلات النووية النادرة البقاء في حالتها المثارة لدقائق أو ساعات أو أيام، أو أحيانًا لفترات أطول بكثير، قبل انبعاث أشعة غاما. لذا، فإن عملية الانتقال المتماثل تُشبه أي انبعاث لأشعة غاما، ولكنها تختلف عنها في أنها تتضمن حالة (أو حالات) مثارة شبه مستقرة وسيطة للنوى. تتميز الحالات شبه المستقرة عادةً بلف مغزلي نووي عالٍ ، مما يتطلب تغيرًا في اللف المغزلي بمقدار عدة وحدات أو أكثر مع اضمحلال غاما، بدلاً من انتقال وحدة واحدة يحدث في غضون 10⁻¹² ثانية فقط . كما يتباطأ معدل اضمحلال غاما عندما تكون طاقة إثارة النواة منخفضة. [ 7 ]

قد ينقل شعاع غاما المنبعث من أي حالة إثارة طاقته مباشرةً إلى أي إلكترون ، ولكن على الأرجح إلى أحد إلكترونات الغلاف K للذرة، مما يؤدي إلى انبعاثه منها، في عملية تُعرف عمومًا بالتأثير الكهروضوئي (قد تُسبب أشعة غاما الخارجية والأشعة فوق البنفسجية هذا التأثير أيضًا). يجب عدم الخلط بين التأثير الكهروضوئي وعملية التحويل الداخلي ، حيث لا يُنتج فوتون أشعة غاما كجسيم وسيط (بل يُعتقد أن "شعاع غاما افتراضي" هو الذي يتوسط العملية).

مخططات التدهور

مخطط الاضمحلال الإشعاعي لـ 60شركة
طيف انبعاث أشعة جاما للكوبالت-60

أحد الأمثلة على إنتاج أشعة غاما نتيجة اضمحلال النويدات المشعة هو مخطط اضمحلال الكوبالت-60، كما هو موضح في الرسم التخطيطي المرفق. أولاً، 60يتحلل الكوبالت إلى 60 مثارNi بواسطة انبعاث اضمحلال بيتا للإلكترون0.31 ميغا  إلكترون فولت . ثم الإثارة 60يتحلل النيكل إلى الحالة الأرضية (انظر نموذج الغلاف النووي ) عن طريق انبعاث أشعة غاما متتالية بطاقة 1.17 ميغا إلكترون فولت متبوعة بـ1.33  ميغا إلكترون فولت . يتم اتباع هذا المسار بنسبة 99.88% من الوقت:

60 27 Co → 60 28 Ni * + e − + νهـ + γ + 1.17 ميغا إلكترون فولت 
60 28 Ni * → 60 28 Ni     + γ + 1.33  ميغا إلكترون فولت

ومن الأمثلة الأخرى تحلل ألفا للنظير 241أنا بصدد تعبئة النموذج رقم 237Np ؛ والذي يتبعه انبعاث أشعة غاما. في بعض الحالات، يكون طيف انبعاث أشعة غاما للنواة الوليدة بسيطًا للغاية، (على سبيل المثال 60Co / 60(Ni ) بينما في حالات أخرى، مثل ( 241)237 صباحًا /Np و 192Ir / 192(Pt )، طيف انبعاث جاما معقد، مما يكشف عن وجود سلسلة من مستويات الطاقة النووية.

فيزياء الجسيمات

تُنتَج أشعة غاما في العديد من عمليات فيزياء الجسيمات . عادةً، تنتج أشعة غاما عن أنظمة متعادلة تتحلل من خلال التفاعلات الكهرومغناطيسية (بدلاً من التفاعل الضعيف أو القوي ). على سبيل المثال، في إفناء الإلكترون والبوزيترون ، يكون الناتج المعتاد فوتونين من أشعة غاما. إذا كان الإلكترون والبوزيترون المتلاشيان في حالة سكون، فإن لكل من أشعة غاما الناتجة طاقة تبلغ حوالي 511 كيلو إلكترون فولت وتردد يبلغ حوالي1.24 × 10²⁰ هرتز . في المقابل، يمكن لأشعة غاما التي  تزيد طاقتها عن 10²² كيلو إلكترون فولت أن تتفاعل مع النوى عبر إنتاج أزواج من الإلكترون والبوزيترون. [ 8 ] وبالمثل، يتحلل البيون المتعادل في أغلب الأحيان إلى فوتونين. كما تتحلل العديد من الهادرونات والبوزونات الضخمة الأخرى كهرومغناطيسيًا. ولهذا السبب، تستخدم تجارب فيزياء الطاقة العالية، مثل مصادم الهادرونات الكبير ، دروعًا واقية من الإشعاع بشكل كبير. [ 9 ] ولأن الجسيمات دون الذرية لها في الغالب أطوال موجية أقصر بكثير من النوى الذرية، فإن أشعة غاما في فيزياء الجسيمات تكون عمومًا أكثر طاقة بعدة مراتب من أشعة غاما الناتجة عن التحلل النووي. وبما أن أشعة غاما تقع في أعلى الطيف الكهرومغناطيسي من حيث الطاقة، فإن جميع الفوتونات ذات الطاقة العالية للغاية هي أشعة غاما؛ على سبيل المثال، الفوتون الذي يمتلك طاقة بلانك هو شعاع غاما.

مصادر أخرى

من المعروف أن بعض أشعة جاما في علم الفلك تنشأ من اضمحلال جاما (انظر مناقشة SN1987A )، لكن معظمها لا ينشأ من ذلك.

تُسمى الفوتونات الصادرة من مصادر فيزيائية فلكية والتي تحمل طاقة في نطاق أشعة غاما، عادةً، أشعة غاما. وإلى جانب الانبعاثات النووية، تُنتج هذه الأشعة غالبًا عن طريق تفاعلات الجسيمات دون الذرية وتفاعلات الجسيمات مع الفوتونات. وتشمل هذه التفاعلات إفناء الإلكترون-بوزيترون ، واضمحلال البيون المتعادل ، وإشعاع الكبح ، وتشتت كومبتون العكسي ، وإشعاع السنكروترون .

تُظهر النقاط الحمراء بعضًا من حوالي 500 ومضة من أشعة جاما الأرضية التي رصدها تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما يوميًا حتى عام 2010. حقوق الصورة: ناسا/مركز جودارد لرحلات الفضاء.

مصادر المختبر

في أكتوبر 2017، اقترح علماء من جامعات أوروبية مختلفة وسيلة للحصول على مصادر فوتونات GeV باستخدام الليزر كمثيرات من خلال تفاعل متحكم فيه بين الشلال والاحتجاز الإشعاعي الشاذ . [ 10 ]

عواصف رعدية أرضية

يمكن للعواصف الرعدية أن تُنتج نبضة قصيرة من أشعة غاما تُسمى وميض أشعة غاما الأرضية . يُعتقد أن هذه الأشعة تنتج عن حقول كهربائية ساكنة عالية الكثافة تُسرّع الإلكترونات، التي بدورها تُنتج أشعة غاما عن طريق كبح الإشعاع عند اصطدامها بذرات الغلاف الجوي وتباطؤها بفعلها. يمكن أن تُصدر العواصف الرعدية الأرضية أشعة غاما تصل طاقتها إلى 100 ميغا إلكترون فولت، وقد اكتُشفت هذه الظاهرة بواسطة مراصد فضائية. يُثير هذا الأمر احتمالية وجود مخاطر صحية على الركاب وأفراد الطاقم على متن الطائرات التي تُحلّق داخل السحب الرعدية أو بالقرب منها. [ 11 ]

التوهجات الشمسية

تُصدر التوهجات الشمسية الأكثر كثافة إشعاعات عبر كامل الطيف الكهرومغناطيسي، بما في ذلك أشعة غاما. وقد حدثت أول ملاحظة مؤكدة في عام 1972. [ 12 ]

الأشعة الكونية

تشمل أشعة غاما عالية الطاقة القادمة من خارج الأرض أشعة غاما الخلفية الناتجة عن اصطدام الأشعة الكونية (إما إلكترونات أو بروتونات عالية السرعة) بالمادة العادية، مما ينتج عنه أشعة غاما ثنائية عند 511 كيلو إلكترون فولت. وبدلاً من ذلك، تُنتج أشعة الكبح عند طاقات تصل إلى عشرات الميغا إلكترون فولت أو أكثر عندما تتفاعل إلكترونات الأشعة الكونية مع نوى ذات عدد ذري ​​مرتفع بما فيه الكفاية (انظر صورة أشعة غاما للقمر قرب نهاية هذه المقالة، للتوضيح).

صورة للسماء بأكملها في أشعة غاما ذات طاقة 100 ميغا إلكترون فولت أو أكثر، كما رصدها جهاز EGRET على متن المركبة الفضائية CGRO . البقع الساطعة داخل مستوى المجرة هي نجوم نابضة، بينما يُعتقد أن تلك التي فوق وتحت المستوى هي نجوم كوازارات .

النجوم النابضة والمغناطيسية

تهيمن أشعة غاما، الأكثر شيوعًا والأطول أمدًا، المنبعثة من النجوم النابضة في مجرة ​​درب التبانة، على سماء أشعة غاما (انظر الرسم التوضيحي على اليمين). أما مصادر أشعة غاما في بقية السماء فهي في الغالب كوازارات . يُعتقد أن النجوم النابضة نجوم نيوترونية ذات مجالات مغناطيسية تُنتج حزمًا مركزة من الإشعاع، وهي أقل طاقة بكثير، وأكثر شيوعًا، وأقرب بكثير (تُرى عادةً في مجرتنا فقط) من الكوازارات أو مصادر انفجارات أشعة غاما النادرة . تمتلك النجوم النابضة مجالات مغناطيسية طويلة الأمد نسبيًا تُنتج حزمًا مركزة من الجسيمات المشحونة ذات السرعة النسبية، والتي تُصدر أشعة غاما (إشعاع الكبح) عندما تصطدم بالغاز أو الغبار في الوسط المحيط بها، فتتباطأ. هذه آلية مشابهة لإنتاج الفوتونات عالية الطاقة في أجهزة العلاج الإشعاعي ذات الجهد العالي (انظر إشعاع الكبح ). يُعدّ تشتت كومبتون العكسي ، الذي تنقل فيه الجسيمات المشحونة (عادةً الإلكترونات) الطاقة إلى الفوتونات منخفضة الطاقة، مُحوّلةً إياها إلى فوتونات ذات طاقة أعلى، آليةً أخرى محتملة لإنتاج أشعة غاما. وتُعتبر النجوم النيوترونية ذات المجال المغناطيسي العالي جدًا ( المغناطيسات النجمية )، التي يُعتقد أنها تُنتج مُكرِّرات أشعة غاما اللينة الفلكية ، مصدرًا آخر طويل الأمد نسبيًا لأشعة غاما التي تُنتجها النجوم.

الكوازارات والمجرات النشطة

يُعتقد أن أشعة غاما القوية المنبعثة من الكوازارات البعيدة جدًا والمجرات النشطة القريبة تمتلك مصدرًا لإنتاج أشعة غاما مشابهًا لمسرّع الجسيمات . وتُعدّ الإلكترونات عالية الطاقة التي ينتجها الكوازار، والتي تخضع لتشتت كومبتون العكسي، أو إشعاع السنكروترون ، أو إشعاع الكبح، المصدر المحتمل لأشعة غاما المنبعثة من هذه الأجسام. ويُعتقد أن ثقبًا أسود فائق الكتلة في مركز هذه المجرات يُوفّر مصدر الطاقة الذي يُدمّر النجوم بشكل متقطع ويُركّز الجسيمات المشحونة الناتجة في حزم تنبعث من أقطاب دورانها. وعندما تتفاعل هذه الحزم مع الغاز والغبار والفوتونات منخفضة الطاقة، فإنها تُنتج أشعة سينية وأشعة غاما. ومن المعروف أن هذه المصادر تتذبذب لفترات تصل إلى بضعة أسابيع، مما يُشير إلى صغر حجمها نسبيًا (أقل من بضعة أسابيع ضوئية). وتُعدّ هذه المصادر لأشعة غاما والأشعة السينية أكثر مصادر الكثافة العالية شيوعًا خارج مجرة ​​درب التبانة. لا تتألق هذه الأجرام على شكل ومضات (انظر الرسم التوضيحي)، بل بشكل متواصل نسبيًا عند رصدها بواسطة تلسكوبات أشعة غاما. تبلغ قدرة الكوازار النموذجي حوالي 10^ 40 واط، وجزء صغير منها عبارة عن إشعاع غاما. أما الجزء الأكبر المتبقي فيُشع على شكل موجات كهرومغناطيسية بجميع الترددات، بما في ذلك موجات الراديو.

مستعر أعظم . رسم توضيحي يُظهر دورة حياة نجم ضخم أثناء تحويل الاندماج النووي للعناصر الأخف إلى عناصر أثقل. عندما لا يُولّد الاندماج ضغطًا كافيًا لموازنة الجاذبية، ينهار النجم بسرعة مُشكّلًا ثقبًا أسود . نظريًا، قد تنطلق طاقة أثناء الانهيار على طول محور الدوران مُشكّلةً انفجارًا طويل الأمد لأشعة غاما .

انفجارات أشعة غاما

تُعدّ مصادر أشعة غاما الأكثر كثافةً هي أيضاً الأكثر كثافةً بين جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي المعروفة حالياً. وهي مصادر "انفجارات أشعة غاما طويلة الأمد" في علم الفلك ("طويلة الأمد" هنا تعني بضع عشرات من الثواني)، وهي نادرة مقارنةً بالمصادر المذكورة سابقاً. في المقابل، يُعتقد أن انفجارات أشعة غاما "القصيرة" التي تدوم ثانيتين أو أقل، والتي لا ترتبط بالمستعرات العظمى، تُنتج أشعة غاما أثناء تصادم أزواج من النجوم النيوترونية، أو بين نجم نيوتروني وثقب أسود . [ 13 ]

تُنتج ما يُسمى بانفجارات أشعة غاما طويلة الأمد طاقة إجمالية تُقدّر بنحو 10⁴⁴ جول (أي ما يُعادل الطاقة التي تُنتجها الشمس طوال عمرها)، ولكن في فترة تتراوح بين 20 و40 ثانية فقط. تُشكّل أشعة غاما ما يُقارب 50% من إجمالي الطاقة المُنتجة. وتتمثل الفرضيات الرئيسية لتفسير آلية إنتاج هذه الحزم الإشعاعية ذات الكثافة الأعلى المعروفة في تشتت كومبتون العكسي وإشعاع السنكروترون الناتج عن الجسيمات المشحونة عالية الطاقة. تحدث هذه العمليات عندما تُغادر الجسيمات المشحونة النسبية منطقة أفق الحدث لثقب أسود حديث التكوين أثناء انفجار مستعر أعظم. ويتم تركيز حزمة الجسيمات المتحركة بسرعات نسبية لبضع عشرات من الثواني بواسطة المجال المغناطيسي للمستعر الأعظم المتفجر . ويُحفّز انفجار الاندماج النووي للمستعر الأعظم طاقة هذه العملية. إذا صادف أن كان الشعاع الموجه بشكل ضيق موجهًا نحو الأرض، فإنه يسطع بترددات أشعة جاما بكثافة عالية لدرجة أنه يمكن اكتشافه حتى على مسافات تصل إلى 10 مليارات سنة ضوئية، وهو ما يقارب حافة الكون المرئي .

ملكيات

اختراق المادة

يتكون إشعاع ألفا من نوى الهيليوم ويمكن إيقافه بسهولة بواسطة ورقة. أما إشعاع بيتا ، الذي يتكون من إلكترونات أو بوزيترونات ، فيمكن إيقافه بواسطة صفيحة من الألومنيوم، بينما يتطلب إشعاع غاما حجبًا بمادة كثيفة مثل الرصاص أو الخرسانة.

نظراً لطبيعتها النافذة، تتطلب أشعة غاما كميات كبيرة من المواد الواقية لتقليلها إلى مستويات غير ضارة بالخلايا الحية، على عكس جسيمات ألفا التي يمكن إيقافها بالورق أو الجلد، وجسيمات بيتا التي يمكن حجبها بطبقة رقيقة من الألومنيوم. تمتص المواد ذات الأعداد الذرية العالية ( Z ) والكثافة العالية أشعة غاما بشكل أفضل، مما يساهم في قدرتها الكلية على الإيقاف. ولهذا السبب، يُعدّ الدرع المصنوع من الرصاص ( ذو العدد الذري العالي ) أفضل بنسبة 20-30% كدرع واقٍ من أشعة غاما من كتلة مماثلة من مادة واقية ذات عدد ذري ​​منخفض ، مثل الألومنيوم أو الخرسانة أو الماء أو التربة؛ ولا تكمن الميزة الرئيسية للرصاص في وزنه الخفيف، بل في كثافته العالية. يمكن للملابس الواقية والنظارات الواقية وأجهزة التنفس أن تحمي من التلامس الداخلي مع جسيمات ألفا أو بيتا المنبعثة أو ابتلاعها، لكنها لا توفر أي حماية من إشعاع غاما من مصادر خارجية.

كلما زادت طاقة أشعة غاما، زادت سماكة طبقة الحماية المطلوبة المصنوعة من نفس مادة الحماية. تُقاس مواد الحماية من أشعة غاما عادةً بالسماكة اللازمة لخفض شدة هذه الأشعة إلى النصف ( طبقة نصف القيمة أو HVL). على سبيل المثال، أشعة غاما التي تتطلب 1  سم (0.4  بوصة) من الرصاص لخفض شدتها بنسبة 50%، ستنخفض شدتها أيضًا إلى النصف باستخدام 4.1 سم من صخور الجرانيت  ، أو 6 سم (2.5  بوصة) من الخرسانة ، أو 9  سم (3.5 بوصة) من التربة  المدكوكة . مع ذلك، فإن كتلة هذه الكمية من الخرسانة أو التربة تزيد بنسبة 20-30% فقط عن كتلة الرصاص الذي يتمتع بنفس قدرة الامتصاص.

يُستخدم اليورانيوم المنضب أحيانًا كدرع في مصادر أشعة جاما المحمولة ، نظرًا لصغر طبقة نصف القيمة مقارنة بالرصاص (حوالي 0.6 ضعف سمك مصادر أشعة جاما الشائعة، مثل الإيريديوم-192 والكوبالت-60) [ 14 ] وانخفاض تكلفته مقارنة بالتنغستن . [ 15 ]

في محطة الطاقة النووية، يمكن توفير الحماية باستخدام الفولاذ والخرسانة في وعاء احتواء الضغط والجسيمات، بينما يوفر الماء حماية إشعاعية لقضبان الوقود أثناء التخزين أو النقل إلى قلب المفاعل. إن فقدان الماء أو إخراج مجموعة وقود "ساخنة" إلى الهواء سيؤدي إلى مستويات إشعاع أعلى بكثير مما لو كانت مغمورة تحت الماء.

تفاعل المادة

معامل الامتصاص الكلي للألمنيوم (العدد الذري 13) لأشعة غاما، مُرسمًا بيانيًا مقابل طاقة غاما، ومساهمات التأثيرات الثلاثة. وكما هو معتاد، يكون التأثير الكهروضوئي أكبر ما يكون عند الطاقات المنخفضة، ويسود تشتت كومبتون عند الطاقات المتوسطة، بينما يسود إنتاج الأزواج عند الطاقات العالية.
معامل الامتصاص الكلي للرصاص (العدد الذري 82) لأشعة غاما، مُرسمًا بيانيًا مقابل طاقة غاما، ومساهمات التأثيرات الثلاثة. هنا، يهيمن التأثير الكهروضوئي عند الطاقات المنخفضة. وفوق 5 ميغا إلكترون فولت، يبدأ إنتاج الأزواج بالهيمنة.

عندما يمر شعاع غاما عبر المادة، فإن احتمال امتصاصه يتناسب طرديًا مع سمك الطبقة، وكثافة المادة، ومقطع الامتصاص الخاص بها. ويُظهر الامتصاص الكلي انخفاضًا أُسّيًا في شدة الإشعاع مع زيادة المسافة من السطح الساقط.

أنا(x)=أنا0⋅هـ-μx{\displaystyle I(x)=I_{0}\cdot e^{-\mu x}}

حيث x هو سُمك المادة من السطح الساقط، وμ = nσ هو معامل الامتصاص، ويُقاس بوحدة سم⁻¹ ، و n هو عدد الذرات لكل سم³ من المادة (الكثافة الذرية)، وσ هو مقطع الامتصاص العرضي بوحدة سم² . [ 16 ] : 280

أثناء مرورها عبر المادة، تتأين أشعة جاما من خلال عدة عمليات مختلفة: [ 16 ]

  • التأثير الكهروضوئي : يصف هذا التأثير تفاعل فوتون غاما مع إلكترون ذري ونقل طاقته إليه، مما يؤدي إلى قذف هذا الإلكترون من الذرة. تساوي الطاقة الحركية للإلكترون الضوئي الناتج طاقة فوتون غاما الساقط مطروحًا منها الطاقة التي كانت تربط الإلكترون بالذرة في الأصل (طاقة الربط). يُعد التأثير الكهروضوئي آلية نقل الطاقة السائدة لأشعة إكس وأشعة غاما ذات طاقات أقل من 50 كيلو إلكترون فولت (ألف إلكترون فولت)، ولكنه أقل أهمية بكثير عند الطاقات الأعلى.
  • تشتت كومبتون : هو تفاعل يفقد فيه فوتون غاما ساقط طاقة كافية لإلكترون ذري، مما يؤدي إلى انبعاثه. أما الطاقة المتبقية من الفوتون الأصلي فتُبعث على شكل فوتون غاما جديد ذي طاقة أقل، ويكون اتجاه انبعاثه مختلفًا عن اتجاه انبعاث فوتون غاما الساقط، ومن هنا جاء مصطلح "التشتت". يقل احتمال حدوث تشتت كومبتون مع ازدياد طاقة الفوتون. ويُعتقد أنه آلية الامتصاص الرئيسية لأشعة غاما في نطاق الطاقة المتوسطة من 100 كيلو إلكترون فولت إلى 10 ميغا إلكترون فولت. وهو مستقل نسبيًا عن العدد الذري للمادة الماصة، ولهذا السبب تُعد المواد عالية الكثافة، كالرصاص، دروعًا أفضل بشكل طفيف فقط، قياسًا إلى وزنها ، من المواد الأقل كثافة.
  • إنتاج الأزواج : يصبح هذا ممكنًا عند طاقات أشعة غاما التي تتجاوز 1.02 ميغا إلكترون فولت، ويكتسب أهميةً كآلية امتصاص عند طاقات تزيد عن 5 ميغا إلكترون فولت (انظر الرسم التوضيحي على اليمين، للرصاص). من خلال التفاعل مع المجال الكهربائي للنواة، تتحول طاقة الفوتون الساقط إلى كتلة زوج إلكترون-بوزيترون. أي طاقة غاما تتجاوز كتلة السكون المكافئة للجسيمين (بمجموع 1.02 ميغا إلكترون فولت على الأقل) تظهر كطاقة حركية للزوج وفي ارتداد النواة المُصدرة. عند نهاية مدى البوزيترون ، يتحد مع إلكترون حر، فيفني الجسيمان، ثم تتحول كتلة هذين الجسيمين بالكامل إلى فوتونين من أشعة غاما، طاقة كل منهما 0.51 ميغا إلكترون فولت على الأقل (أو أعلى وفقًا للطاقة الحركية للجسيمات المفنية).

غالباً ما تمتلك الإلكترونات الثانوية (أو البوزيترونات) التي تنتج في أي من هذه العمليات الثلاث طاقة كافية لإنتاج تأين كبير بنفسها.

تفاعل الضوء

تُستخدم أشعة غاما عالية الطاقة (من 80 جيجا إلكترون فولت إلى ~10 تيرا إلكترون فولت ) القادمة من الكوازارات البعيدة لتقدير ضوء الخلفية خارج المجرة في الكون: تتفاعل الأشعة ذات الطاقة الأعلى بسهولة أكبر مع فوتونات ضوء الخلفية، وبالتالي يمكن تقدير كثافة ضوء الخلفية من خلال تحليل أطياف أشعة غاما الواردة. [ 17 ] [ 18 ]

مطيافية غاما

يُعنى علم مطيافية أشعة غاما بدراسة الانتقالات الطاقية في نوى الذرات، والتي ترتبط عمومًا بامتصاص أو انبعاث أشعة غاما. وكما هو الحال في المطيافية الضوئية (انظر تأثير فرانك-كوندون )، يزداد احتمال امتصاص أشعة غاما بواسطة النواة (أي ظهور قمم في "رنين") عندما تتساوى طاقة أشعة غاما مع طاقة انتقال طاقي في النواة. في حالة أشعة غاما، يُلاحظ هذا الرنين في تقنية مطيافية موسباور . في تأثير موسباور، يُمكن تحقيق امتصاص رنيني ضيق لامتصاص أشعة غاما النووية بنجاح عن طريق تثبيت نوى الذرات فيزيائيًا في بلورة. ويتطلب ذلك تثبيت النوى عند طرفي تفاعل رنين غاما لضمان عدم فقدان أي طاقة غاما نتيجةً للطاقة الحركية للنوى المرتدة عند طرفي انتقال غاما، سواءً كان الطرف المُصدر أو المُمتص. يؤدي هذا الفقد في الطاقة إلى فشل امتصاص الرنين لأشعة غاما. مع ذلك، عندما تحمل أشعة غاما المنبعثة كامل طاقة التفكك النووي الذري الذي ينتجها، فإن هذه الطاقة تكفي أيضاً لإثارة نفس مستوى الطاقة في نواة ثانية ثابتة من النوع نفسه.

التطبيقات

صورة أشعة جاما لشاحنة بها شخصان متخفيان تم التقاطها بواسطة نظام تصوير المركبات والحاويات ( VACIS ).

توفر أشعة غاما معلومات عن بعض أكثر الظواهر طاقةً في الكون؛ إلا أنها تُمتصّ بشكل كبير بواسطة الغلاف الجوي للأرض. وتُتيح لنا الأجهزة الموجودة على متن البالونات عالية الارتفاع ومهام الأقمار الصناعية، مثل تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما ، رؤيتنا الوحيدة للكون من خلال أشعة غاما.

يمكن أيضًا استخدام التغيرات الجزيئية الناتجة عن أشعة جاما لتغيير خصائص الأحجار شبه الكريمة ، وغالبًا ما تستخدم لتحويل التوباز الأبيض إلى توباز أزرق.

تستخدم أجهزة الاستشعار الصناعية غير التلامسية مصادر أشعة غاما بشكل شائع في صناعات التكرير والتعدين والكيماويات والأغذية والصابون والمنظفات والورق واللب، لقياس المستويات والكثافة والسماكة. [ 19 ] كما تُستخدم أجهزة استشعار أشعة غاما لقياس مستويات السوائل في صناعات المياه والنفط. [ 20 ] وتستخدم هذه الأجهزة عادةً نظائر الكوبالت-60 أو السيزيوم-137 كمصدر للإشعاع.

في الولايات المتحدة، بدأ استخدام أجهزة الكشف عن أشعة جاما كجزء من مبادرة أمن الحاويات (CSI). ويُعلن أن هذه الأجهزة قادرة على فحص 30 حاوية في الساعة.

يُستخدم إشعاع جاما غالبًا لقتل الكائنات الحية، في عملية تُسمى التشعيع . وتشمل تطبيقاته تعقيم المعدات الطبية (كبديل لأجهزة التعقيم بالبخار أو الوسائل الكيميائية)، وإزالة البكتيريا المسببة للتعفن من العديد من الأطعمة، ومنع إنبات الفاكهة والخضراوات للحفاظ على نضارتها ونكهتها.

على الرغم من خصائصها المسببة للسرطان، تُستخدم أشعة غاما أيضًا في علاج بعض أنواع السرطان ، نظرًا لقدرتها على قتل الخلايا السرطانية. في إجراء جراحة غاما نايف ، تُوجَّه حزمٌ مركزةٌ متعددةٌ من أشعة غاما إلى الورم بهدف القضاء على الخلايا السرطانية. تُوجَّه هذه الحزم من زوايا مختلفة لتركيز الإشعاع على الورم مع تقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة المحيطة.

تُستخدم أشعة غاما أيضًا لأغراض تشخيصية في الطب النووي ، وتحديدًا في تقنيات التصوير. ويُستخدم عدد من النظائر المشعة المختلفة التي تُصدر أشعة غاما. على سبيل المثال، في فحص التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، يُصدر سكر مُشعّ يُسمى فلوروديوكسي جلوكوز بوزيترونات تتفاعل مع الإلكترونات، مُنتجةً أزواجًا من أشعة غاما التي تُسلط الضوء على السرطان، نظرًا لأن معدل الأيض فيه غالبًا ما يكون أعلى من معدل الأيض في الأنسجة المحيطة. يُعدّ النظير النووي تكنتيوم-99m أكثر مُصدري أشعة غاما شيوعًا في التطبيقات الطبية، حيث يُصدر أشعة غاما في نفس نطاق طاقة الأشعة السينية التشخيصية. عند إعطاء هذا المُتتبع المُشعّ للمريض، يُمكن استخدام كاميرا غاما لتكوين صورة لتوزيع النظير المُشعّ عن طريق رصد إشعاع غاما المنبعث (انظر أيضًا SPECT ). اعتمادًا على الجزيء المُوسوم بالمُتتبع، يُمكن استخدام هذه التقنيات لتشخيص مجموعة واسعة من الحالات (على سبيل المثال، انتشار السرطان إلى العظام عبر مسح العظام ).

الآثار الصحية

تُسبب أشعة غاما ضرراً على المستوى الخلوي، وهي قادرة على اختراق الأنسجة، مما يُؤدي إلى تلف منتشر في جميع أنحاء الجسم. ومع ذلك، فهي أقل تأيناً من جسيمات ألفا أو بيتا، التي تتميز بقدرة اختراق أقل.

تُسبب المستويات المنخفضة من أشعة غاما خطرًا صحيًا عشوائيًا ، يُعرَّف في تقييم جرعة الإشعاع باحتمالية الإصابة بالسرطان والتلف الجيني. تقول اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع: "في نطاق الجرعات المنخفضة، أي أقل من 100 ملي سيفرت تقريبًا، من المعقول علميًا افتراض أن معدل الإصابة بالسرطان أو الآثار الوراثية سيزداد طرديًا مع زيادة الجرعة المكافئة في الأعضاء والأنسجة المعنية" [ 21 ] : 51 (وحدة ملي سيفرت هي mSv ). أما الجرعات العالية فتُنتج آثارًا حتمية ، وهي شدة تلف الأنسجة الحاد الذي لا مفر منه. تُقارن هذه الآثار بكمية الجرعة الممتصة ، والتي تُقاس بوحدة غراي (Gy). [ 21 ] : 61

التأثيرات واستجابة الجسم

عندما تُحطّم أشعة غاما جزيئات الحمض النووي، قد تتمكن الخلية من إصلاح المادة الوراثية التالفة ، ضمن حدود معينة. ومع ذلك، أظهرت دراسة أجراها روثكام ولوبريتش حول أشعة إكس أن عملية الإصلاح هذه تعمل بكفاءة بعد التعرض لجرعات عالية، ولكنها أبطأ بكثير في حالة التعرض لجرعات منخفضة. [ 22 ]

أظهرت الدراسات أن جرعات منخفضة من أشعة غاما قد تكون كافية للتسبب بالسرطان. [ 23 ] في دراسة أُجريت على الفئران، تم تعريضها لجرعات منخفضة من أشعة غاما تُحاكي تلك التي يتعرض لها الإنسان، وظهرت آثار سامة على الجينات بعد 45 يومًا من التعرض المستمر لهذه الجرعات، مع زيادات ملحوظة في تلف الكروموسومات، وتلف الحمض النووي، والطفرات الظاهرية في خلايا الدم لدى الحيوانات المُشعَّعة، ما يُغطي الأنواع الثلاثة للنشاط السام للجينات. [ 23 ] وفي دراسة أخرى، تم فحص آثار التعرض الحاد لأشعة غاما المؤينة على الجرذان، بجرعات تصل إلى 10 غراي ، حيث أظهرت هذه الجرذان تلفًا حادًا في البروتينات نتيجة الأكسدة، وتلفًا في الحمض النووي، وكربنة التروبونين القلبي T، واعتلالًا طويل الأمد في عضلة القلب . [ 24 ]

تقييم المخاطر

تُشكّل أشعة غاما الطبيعية في المملكة المتحدة حوالي 13% من متوسط ​​جرعة الإشعاع. [ 25 ] ويبلغ متوسط ​​التعرض الطبيعي لأشعة غاما حوالي 1 إلى 2 ملي سيفرت سنويًا، بينما يبلغ متوسط ​​إجمالي كمية الإشعاع التي يتلقاها الفرد سنويًا في الولايات المتحدة الأمريكية 3.6 ملي سيفرت. [ 26 ] وقد تحدث زيادة طفيفة في الجرعة حول جزيئات اليورانيوم المنضب الصغيرة في حال دخولها جسم الإنسان من الذخائر المستهلكة، نتيجةً لتأثيرات أشعة غاما الطبيعية المتزايدة. [ 27 ]

بالمقارنة، تُعدّ جرعة الإشعاع الناتجة عن تصوير الصدر بالأشعة السينية (حوالي 0.06 ملي سيفرت) جزءًا ضئيلاً من جرعة الإشعاع الخلفي الطبيعية السنوية. [ 28 ] ويُصدر التصوير المقطعي المحوسب للصدر جرعة تتراوح بين 5 و8 ملي سيفرت. أما فحص التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني /التصوير المقطعي المحوسب لكامل الجسم، فيمكن أن يُصدر جرعة تتراوح بين 14 و32 ملي سيفرت، وذلك بحسب البروتوكول المُستخدم. [ 29 ] بينما تكون جرعة الإشعاع الناتجة عن التنظير الفلوري للمعدة أعلى بكثير، إذ تبلغ حوالي 50 ملي سيفرت (أي 14 ضعف جرعة الإشعاع الخلفي السنوية).

تُسبب جرعة إشعاعية حادة مكافئة لكامل الجسم مقدارها 1 سيفرت (1000 ملي سيفرت)، أو 1 غراي، أعراضًا خفيفة لمرض الإشعاع الحاد ، مثل الغثيان والقيء؛ بينما تُسبب جرعة تتراوح بين 2.0 و3.5 سيفرت (2.0-3.5 غراي) أعراضًا أكثر حدة (مثل الغثيان والإسهال وتساقط الشعر والنزيف وضعف المناعة)، وتؤدي إلى الوفاة في نسبة كبيرة من الحالات - حوالي 10% إلى 35% بدون علاج طبي. وتُعتبر جرعة تتراوح بين 3 و5 سيفرت (3-5 غراي) تقريبًا هي الجرعة المميتة لـ 50 % من السكان المعرضين للإشعاع، حتى مع العلاج الطبي القياسي. [ 30 ] [ 31 ] أما الجرعة التي تزيد عن 5 سيفرت (5 غراي) فتزيد من احتمالية الوفاة لتتجاوز 50%. عند تعريض الجسم لجرعة إشعاعية تتجاوز 7.5-10 سيفرت (7.5-10 غراي)، حتى العلاجات الاستثنائية، كعمليات زرع نخاع العظم، لن تمنع وفاة الشخص المُعرَّض للإشعاع (انظر التسمم الإشعاعي ). [ 32 ] (مع ذلك، قد تُعطى جرعات أكبر بكثير لأجزاء مُحددة من الجسم أثناء العلاج الإشعاعي ).

في حالة التعرض لجرعات منخفضة من الإشعاع، كما هو الحال بين العاملين في المجال النووي الذين يتلقون جرعة إشعاعية سنوية متوسطة تبلغ 19 ملي سيفرت، يزداد خطر الوفاة بالسرطان (باستثناء سرطان الدم ) بنسبة 2%. أما عند التعرض لجرعة 100 ملي سيفرت، فيزداد الخطر بنسبة 10%. وبالمقارنة، ارتفع خطر الوفاة بالسرطان بنسبة 32% لدى الناجين من القصف الذري لهيروشيما وناغازاكي . [ 33 ]

وحدات القياس والتعرض

يوضح الجدول التالي كميات الإشعاع بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI) ووحدات أخرى غير تابعة للنظام الدولي للوحدات:

الكميات المتعلقة بالإشعاع المؤين
  • منظر
  • يتحدث
  • يحرر
كميةوحدةرمزالاشتقاقسنةالمكافئ الدولي
النشاط ( أ )بيكريلبي كيوs −11974وحدة النظام الدولي للوحدات
كوريCi3.7 × 10 10  ثانية −119533.7 × 10 10  بيكريل
روثرفوردالطريق10 6  ثانية −119461,000,000  بيكريل​​
التعرض ( X )كولوم لكل كيلوغرامج/كجمC⋅kg −1 من الهواء1974وحدة النظام الدولي للوحدات
رونتجنResu /0.001 293  غرام من الهواء19282.58 × 10 −4  درجة مئوية/كجم
الجرعة الممتصة ( د )رماديجيجول ⋅كجم −11974وحدة النظام الدولي للوحدات
إرج لكل غرامerg/gerg⋅g −119501.0 × 10 −4  غراي
رادراد100  إرج/ غرام19530.010  غراي
الجرعة المكافئة ( H )سيفرتSvJ⋅kg −1 × W R1977وحدة النظام الدولي للوحدات
رجل يعادل الأشعة السينيةريم100  إرج/ غرام × W R19710.010  سيفرت
الجرعة الفعالة ( E )سيفرتSvJ⋅kg −1 × W R × W T1977وحدة النظام الدولي للوحدات
رجل يعادل الأشعة السينيةريم100  erg⋅g −1 × W R × W T19710.010  سيفرت

يُطلق على مقياس التأثير المؤين لأشعة غاما والأشعة السينية في الهواء الجاف اسم التعرض، والذي استُخدمت له وحدة قياس قديمة، وهي الرونتجن ، منذ عام 1928. وقد استُبدلت هذه الوحدة بالكيرما ، التي تُستخدم الآن بشكل أساسي لأغراض معايرة الأجهزة، ولكن ليس لقياس تأثير الجرعة المُستقبلة. يرتبط تأثير أشعة غاما وغيرها من الإشعاعات المؤينة على الأنسجة الحية ارتباطًا أوثق بكمية الطاقة المُترسبة في الأنسجة أكثر من ارتباطه بتأين الهواء، وقد تم تحديد وتطوير وحدات وكميات قياس إشعاعية بديلة للحماية من الإشعاع منذ عام 1953. وهذه هي:

  • الجراي (Gy) هي وحدة النظام الدولي للوحدات لقياس الجرعة الممتصة ، وهي كمية طاقة الإشعاع المترسبة في المادة المُشعَّعة. بالنسبة لأشعة جاما، تُعادل هذه الجرعة عدديًا الجرعة المكافئة المقاسة بوحدة سيفرت ، والتي تُشير إلى التأثير البيولوجي العشوائي للمستويات المنخفضة من الإشعاع على أنسجة الجسم البشري. معامل تحويل ترجيح الإشعاع من الجرعة الممتصة إلى الجرعة المكافئة هو 1 لأشعة جاما، بينما يبلغ معامل تحويل جسيمات ألفا 20، مما يعكس تأثيرها المؤين الأكبر على الأنسجة.
  • الراد هو وحدة CGS المهملة للجرعة الممتصة، والريم هو وحدة CGS المهملة للجرعة المكافئة، ويستخدم بشكل رئيسي في الولايات المتحدة الأمريكية.

التمييز عن الأشعة السينية

القمر كما يرصده مرصد كومبتون لأشعة غاما ، بأشعة غاما ذات طاقة تزيد عن 20 ميغا إلكترون فولت. وتنتج هذه الأشعة عن قصف سطحه بالأشعة الكونية . أما الشمس، التي لا تمتلك سطحًا مشابهًا ذا عدد ذري ​​عالٍ ليكون هدفًا للأشعة الكونية، فلا يمكن رؤيتها عادةً بهذه الطاقات، فهي أعلى من أن تنبعث من التفاعلات النووية الأولية، مثل الاندماج النووي الشمسي (مع أن الشمس تُنتج أحيانًا أشعة غاما بآليات شبيهة بالسايكلوترون ، أثناء التوهجات الشمسية ). وتتميز أشعة غاما عادةً بطاقة أعلى من الأشعة السينية. [ 34 ]

لقد تغير التمييز التقليدي بين الأشعة السينية وأشعة غاما بمرور الوقت. في الأصل، كان الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من أنابيب الأشعة السينية يتميز بطول موجي أطول من الإشعاع (أشعة غاما) المنبعث من النوى المشعة . [ 35 ] وقد ميزت المراجع القديمة بين الأشعة السينية وأشعة غاما بناءً على الطول الموجي، حيث عُرّف الإشعاع الأقصر من طول موجي محدد، مثل 10⁻¹¹ متر ، بأنه أشعة غاما. [ 36 ] وبما أن طاقة الفوتونات تتناسب طرديًا مع ترددها وعكسيًا مع طولها الموجي، يمكن أيضًا النظر إلى هذا التمييز السابق بين الأشعة السينية وأشعة غاما من منظور الطاقة، حيث تُعتبر أشعة غاما إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ذا طاقة أعلى من الأشعة السينية. 

مع ذلك، ونظرًا لقدرة المصادر الاصطناعية الحالية على محاكاة أي إشعاع كهرومغناطيسي ينبعث من النواة، فضلًا عن طاقات أعلى بكثير، فإن الأطوال الموجية المميزة لمصادر أشعة غاما المشعة تتداخل تمامًا مع الأنواع الأخرى. لذا، تُصنّف أشعة غاما عادةً حسب مصدرها: فالأشعة السينية تنبعث، بحكم تعريفها، من الإلكترونات خارج النواة، بينما تنبعث أشعة غاما من النواة نفسها. [ 35 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] وتُستثنى من هذا التصنيف بعض الحالات في علم الفلك، حيث يُرصد اضمحلال غاما في التوهج اللاحق لبعض المستعرات العظمى، لكن الإشعاع الناتج عن عمليات عالية الطاقة معروفة باحتوائها على مصادر إشعاع أخرى غير الاضمحلال الإشعاعي يُصنّف ضمن أشعة غاما.

على سبيل المثال، غالبًا ما تكون طاقة الأشعة السينية الحديثة عالية الطاقة، التي تُنتجها المعجلات الخطية لعلاج السرطان باستخدام الفولتية العالية، أعلى (من 4 إلى 25 ميغا إلكترون فولت) من طاقة معظم أشعة غاما الكلاسيكية الناتجة عن تحلل غاما النووي. ويُعدّ التكنيتيوم-99م ، أحد أكثر نظائر أشعة غاما شيوعًا في الطب النووي التشخيصي ، إذ يُنتج إشعاع غاما بنفس طاقة (140 كيلو إلكترون فولت) الإشعاع الناتج عن أجهزة الأشعة السينية التشخيصية، ولكنه أقل طاقةً بكثير من طاقة الفوتونات العلاجية الصادرة عن معجلات الجسيمات الخطية. ولا يزال يُعتمد في الأوساط الطبية اليوم العرف السائد بأن الإشعاع الناتج عن التحلل النووي هو النوع الوحيد الذي يُشار إليه باسم إشعاع "غاما".

نظراً لهذا التداخل الواسع في نطاقات الطاقة، يُعرَّف نوعا الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفيزياء غالباً بمصدرهما: تنبعث الأشعة السينية من الإلكترونات (إما في مدارات خارج النواة، أو أثناء تسارعها لإنتاج إشعاع من نوع بريمسترالونغ )، [ 40 ] بينما تنبعث أشعة غاما من النواة أو عن طريق تحلل الجسيمات الأخرى أو أحداث إفنائها. لا يوجد حد أدنى لطاقة الفوتونات الناتجة عن التفاعلات النووية، وبالتالي تُعرَّف الفوتونات فوق البنفسجية أو ذات الطاقة المنخفضة الناتجة عن هذه العمليات أيضاً بأنها "أشعة غاما" (يحدث هذا بالفعل بالنسبة للانتقال المتماثل للمتماثل 229m Th ذي الطاقة المنخفضة للغاية ). [ 41 ] الاصطلاح الوحيد للتسمية الذي لا يزال يُحترم عالمياً هو قاعدة أن الإشعاع الكهرومغناطيسي المعروف بأنه ذو أصل نووي ذري يُشار إليه دائماً باسم "أشعة غاما"، وليس أبداً باسم الأشعة السينية. ومع ذلك، في الفيزياء وعلم الفلك، يتم انتهاك الاتفاقية المعاكسة (التي تعتبر جميع أشعة جاما ذات أصل نووي) بشكل متكرر.

في علم الفلك، تُعرَّف أشعة غاما والأشعة السينية ذات الطاقة العالية بناءً على الطاقة، إذ قد تكون العمليات التي تُنتجها غير مؤكدة، وتُحدد طاقة الفوتون، وليس مصدره، أجهزة الكشف الفلكية المطلوبة. [ 42 ] توجد فوتونات عالية الطاقة في الطبيعة، ومن المعروف أنها تُنتَج بعمليات أخرى غير التحلل النووي، ولكنها لا تزال تُصنَّف ضمن إشعاع غاما. ومن الأمثلة على ذلك "أشعة غاما" الناتجة عن تفريغات البرق عند طاقة تتراوح بين 10 و20 ميغا إلكترون فولت، والمعروف أنها تُنتَج بواسطة آلية كبح الإشعاع.

مثال آخر هو انفجارات أشعة غاما، المعروفة الآن بأنها تنتج عن عمليات بالغة القوة لا يمكن أن تقتصر على مجرد تجمعات بسيطة من الذرات تخضع للتحلل الإشعاعي. وهذا جزء لا يتجزأ من الإدراك العام بأن العديد من أشعة غاما الناتجة في العمليات الفلكية لا تنتج عن التحلل الإشعاعي أو فناء الجسيمات، بل عن عمليات غير إشعاعية مشابهة للأشعة السينية. مع أن أشعة غاما في علم الفلك غالباً ما تأتي من أحداث غير إشعاعية، إلا أن بعضها معروف تحديداً بأنه ينشأ من تحلل غاما للنوى (كما يتضح من أطيافها ونصف عمر انبعاثها). ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك المستعر الأعظم SN 1987A ، الذي ينبعث منه "توهج لاحق" من فوتونات أشعة غاما نتيجة تحلل النيكل-56 والكوبالت -56 المشعّين حديثاً . مع ذلك، فإن معظم أشعة غاما في علم الفلك تنشأ بآليات أخرى.

عملياً، تتداخل طاقات أشعة غاما مع نطاق الأشعة السينية، وخاصة في منطقة الترددات العالية التي تُعرف باسم الأشعة السينية "الصلبة". ويتبع هذا التصوير العرف القديم للتمييز حسب الطول الموجي.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 جيلمور، جوردون؛ جوس، ديفيد (2024). قياس طيف أشعة جاما العملي . doi : 10.1002/9781394286577 . ISBN 978-1-119-89608-1.
  2. ^ فيلارد، ص. (1900). "حول الانعكاس والانكسار للأشعة الكاثودية وأشعة الراديوم المنحرفة" . يحاسبنا . 130 : 1010 – 1012.أنظر أيضا: فيلارد، ص. (1900). "Sur le rayonnement du radiom" . يحاسبنا . 130 : 1178 – 1179.
  3. ↑ لانونزياتا، مايكل ف. (2007). النشاط الإشعاعي: مقدمة وتاريخ . أمستردام، هولندا: إلسيفير بي في. ص 55-58 . ISBN  978-0-444-52715-8.
  4. ↑ أطلق رذرفورد اسم أشعة غاما في الصفحة 177 من كتاب رذرفورد، إي. (1903). "الانحراف المغناطيسي والكهربائي للأشعة سهلة الامتصاص من الراديوم" . المجلة الفلسفية . 6. 5 (26): 177– 187. doi : 10.1080/14786440309462912 .
  5. ↑ "الأشعة والجسيمات" . Galileo.phys.virginia.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-08-2013 .
  6. ↑ فيشمان، جي جي؛ بهات، بي إن؛ مالوزي، آر؛ هوراك، جي إم؛ كوشوت، تي؛ كوفليوتو، سي؛ بندلتون، جي إن؛ ميغان، سي إيه؛ ويلسون، آر بي؛ باسيساس، دبليو إس؛ غودمان، إس جيه؛ كريستيان، إتش جيه (27 مايو 1994). "اكتشاف ومضات أشعة غاما شديدة ذات أصل جوي". مجلة ساينس . 264 (5163): 1313-1316 . Bibcode : 1994STIN...9611316F . doi : 10.1126/science.264.5163.1313 . hdl : 2060/19960001309 . PMID 17780850 . 
  7. ↑ فان دوملين، ليون. "مسودة 14.20: اضمحلال جاما" . ميكانيكا الكم للمهندسين . كلية الهندسة FAMU-FSU . تم الاسترجاع بتاريخ 2023-02-19 .
  8. ↑ هوبل، جيه إتش (يونيو 2006). "إنتاج أزواج الإلكترون-بوزيترون بواسطة الفوتونات: نظرة تاريخية عامة". فيزياء وكيمياء الإشعاع . 75 (6): 614-623 . Bibcode : 2006RaPC...75..614H . doi : 10.1016/j.radphyschem.2005.10.008 .
  9. ↑ هوفرت، مانفريد؛ هوهتينن، م؛ وآخرون . (17 أكتوبر 1996). اعتبارات الحماية من الإشعاع في تصميم مصادم الهادرونات الكبير (LHC) التابع لسيرن . الاجتماع الموضوعي للجمعية الأمريكية لفيزياء الصحة حول فيزياء الصحة للأجهزة المولدة للإشعاع، سان خوسيه، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، 5-8 يناير 1997. الصفحات 343-352 . CERN-TIS-96-014-RP-CF.  
  10. ↑ غونوسكوف، أ.؛ باشينوف، أ.؛ باستراكوف، س.؛ إيفيمينكو، إ.؛ إيلدرتون، أ.؛ كيم، أ.؛ ماركلوند، م.؛ مايروف، إ.؛ مورافييف، أ.؛ سيرجيف، أ. (2017). "مصدر فوتونات فائق السطوع بطاقتي جيجا إلكترون فولت عبر شلالات كهرومغناطيسية مُتحكَّم بها في موجات ليزر ثنائية القطب". مجلة Physical Review X. 7 ( 4) 041003. arXiv : 1610.06404 . Bibcode : 2017PhRvX...7d1003G . doi : 10.1103/PhysRevX.7.041003 .
  11. ↑ سميث، جوزيف؛ ديفيد م. سميث (أغسطس 2012). "الأشعة القاتلة من السحب". مجلة ساينتفك أمريكان . المجلد 307، العدد 2. الصفحات 55-59 . رمز Bibcode : 2012SciAm.307b..54D . doi : 10.1038/scientificamerican0812-54 .   
  12. ↑ تشاب، إي إل؛ فورست، دي جيه؛ هيغبي، بي آر؛ سوري، إيه إن؛ تساي، سي؛ دنفي، بي بي (1973). "خطوط أشعة غاما الشمسية المرصودة خلال النشاط الشمسي من 2 إلى 11 أغسطس 1972". مجلة نيتشر . 241 (5388): 333-335 . رمز Bibcode : 1973Natur.241..333C . doi : 10.1038/241333a0 .
  13. ↑ "ناسا - في لحظة، ناسا تساعد في حل لغز كوني عمره 35 عامًا" . www.nasa.gov . تاريخ الوصول: 19 فبراير 2023 .
  14. ↑ "طبقة نصف القيمة" . مركز جامعة ولاية أيوا للتقييم غير المدمر . تم الاسترجاع في 10 مايو 2024 .
  15. ↑ "إجابة السؤال رقم 8929 المقدم إلى "اسأل الخبراء""" جمعية الفيزياء الصحية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-05-2024 . "
  16. 1 2 بودغورشاك، إرفين ب. (2006). فيزياء الإشعاع لفيزيائيي الطب . الفيزياء البيولوجية والطبية، الهندسة الطبية الحيوية. Bibcode : 2006rpmp.book.....P . doi : 10.1007/3-540-29471-6 . ISBN 3-540-25041-7.
  17. ↑ بوك، آر كيه؛ وآخرون . (27-06-2008). "أشعة غاما عالية الطاقة جدًا من كوازار بعيد: ما مدى شفافية الكون؟". مجلة ساينس . 320 (5884): 1752-1754 . arXiv : 0807.2822 . Bibcode : 2008Sci...320.1752M . doi : 10.1126/science.1157087 . PMID 18583607 .  
  18. ↑ دومينغيز، ألبرتو؛ وآخرون . (2015-06-01). "كل الضوء الذي كان موجودًا على الإطلاق". مجلة ساينتفك أمريكان . المجلد 312، العدد 6. الصفحات 38-43 .    
  19. ↑ بيج زاده، أ.م. (2019). "تصميم وتحسين مقياس كثافة أشعة جاما بسيط وسهل الاستخدام لتطبيقات صناعة الأخشاب". القياس . 138 : 157-161 . Bibcode : 2019Meas..138..157B . doi : 10.1016/j.measurement.2019.02.017 .
  20. ↑ فلاحاتي، م. (2018). "تصميم ونمذجة وبناء مقياس نووي مستمر لقياس مستويات السوائل". مجلة الأجهزة . 13 (2): 02028. Bibcode : 2018JInst..13P2028F . doi : 10.1088/1748-0221/13/02/P02028 .
  21. 1 2 فالنتين، ج.؛ اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع، محرران. (2007). توصيات اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع لعام 2007. منشور اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع. أكسفورد: إلسيفير. ISBN 978-0-7020-3048-2.
  22. ↑ روثكام، ك؛ لوبريش، م (2003). "دليل على غياب إصلاح انقطاع الحمض النووي المزدوج في الخلايا البشرية المعرضة لجرعات منخفضة جدًا من الأشعة السينية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 100 (9): 5057-62 . Bibcode : 2003PNAS..100.5057R . doi : 10.1073/pnas.0830918100 . PMC 154297. PMID 12679524 .  
  23. 1 2 غراوبنر، آن؛ إيدي، داج م. إنستانيس، كريستين؛ أندرسن، جيل م. بريد، داج أ؛ ديرتينجر، ستيفن د. ليند، أولي C.؛ براندت كييلسن، أنيكي؛ بيركي، هانز؛ سالبو، بريت؛ أوتون، ديبورا؛ برونبورج، جونار؛ أولسن ، آن ك. (2016/09/06). "إن إشعاع جاما عند معدل جرعة منخفضة للإنسان يعتبر سامًا للجينات في الفئران" . التقارير العلمية . 6 (1) 32977. بيب كود : 2016NatSR...632977G . دوى : 10.1038/srep32977 . بمك 5011728 . بميد 27596356 .  
  24. ↑ روزن، إليوت؛ كريندوشكين، ديمتري؛ أريال، بايكونثا؛ غونزاليس، يانيرا؛ شهاب، لينا؛ ديكي، جينيفر؛ راو، ف. أشوتوش (2020-06-04). "يُحدث التعرض الحاد لأشعة غاما المؤينة لكامل الجسم آثارًا ضارة طويلة الأمد وتغيرات فورية في كربنة البروتين التأكسدية في عضلة القلب لدى الفئران" . PLOS ONE . 15 (6) e0233967. Bibcode : 2020PLoSO..1533967R . doi : 10.1371/journal.pone.0233967 . PMC 7272027. PMID 32497067 .  
  25. ↑ "تقارير النشاط الإشعاعي في الغذاء والبيئة (RIFE)" . GOV.UK. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-02-2023 .
  26. ↑ اللجنة العلمية للأمم المتحدة المعنية بآثار الإشعاع الذري، الملحق هـ: التعرض للإشعاع الطبي - مصادر وآثار الإشعاع المؤين - 1993، ص 249، نيويورك، الأمم المتحدة
  27. ↑ باتيسون، جيه إي؛ هوغتنبرغ، آر بي؛ غرين، إس. (2009). "زيادة جرعة إشعاع غاما الطبيعية المحيطة بجزيئات اليورانيوم الدقيقة في جسم الإنسان" . مجلة الجمعية الملكية للعلوم البينية . 7 (45): 603-611 . doi : 10.1098/rsif.2009.0300 . PMC 2842777. PMID 19776147 .  
  28. ↑ المجلس الوطني الأمريكي للحماية من الإشعاع والقياسات – تقرير NCRP رقم 93 – الصفحات 53-55، 1987. بيثيسدا، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية، NCRP
  29. ↑ هوانغ، بينغشنغ؛ لو، مارتن واي مينغ؛ خونغ، بيك لان (أبريل 2009). "حسابات الجرعة الإشعاعية الكلية للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني/التصوير المقطعي المحوسب" (ملف PDF) . مجلة علم الأشعة . 251 (1): 166-174 . doi : 10.1148/radiol.2511081300 . PMID 19251940. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 23 يناير 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 نوفمبر 2011 . 
  30. ↑ رايان جيه إل (مارس 2012). "الإشعاع المؤين: الإيجابيات والسلبيات والمخاطر الجسيمة" . مجلة الأمراض الجلدية الاستقصائية . 132 (3 الجزء 2): 985-993 . doi : 10.1038/jid.2011.411 . PMC 3779131. PMID 22217743 .  
  31. ↑ "التعرض للإشعاع - الجرعة ومعدل الجرعة (غراي وسيفيرت)" . أيوناكتيف . 13-12-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27-07-2024 .
  32. ↑ رودجرسون، دكتور في الطب؛ ريدنبرغ، بكالوريوس في الطب؛ هاريس، أ.ج؛ بيكورا، أ.ل. (2012). "إمكانية استخدام الخلايا الجذعية البالغة متعددة القدرات لعلاج مرض الإشعاع الحاد" . المجلة العالمية للطب التجريبي . 2 (3): 37-44 . doi : 10.5493/wjem.v2.i3.37 . PMC 3905584. PMID 24520532 .  
  33. ↑ كارديس، إي (9 يوليو 2005). "خطر الإصابة بالسرطان بعد التعرض لجرعات منخفضة من الإشعاع المؤين: دراسة أترابية استرجاعية في 15 دولة" . المجلة الطبية البريطانية . 331 (7508): 77-70 . رمز Bibcode : 2005BMJ...331...77C . doi : 10.1136/bmj.38499.599861.E0 . PMC 558612. PMID 15987704 .  
  34. ↑ "CGRO SSC >> EGRET رصد أشعة غاما من القمر" . Heasarc.gsfc.nasa.gov. 2005-08-01 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2011-11-08 .
  35. 1 2 ديندي، ب.ب.؛ ب. هيتون (1999). الفيزياء للأشعة التشخيصية . الولايات المتحدة: مطبعة سي آر سي. ص 12. ISBN  0-7503-0591-6.
  36. ↑ تشارلز هودجمان، محرر. (1961). دليل سي آر سي للكيمياء والفيزياء، الطبعة 44. الولايات المتحدة: شركة المطاط الكيميائي. ص 2850. 
  37. ↑ فاينمان، ريتشارد؛ روبرت لايتون؛ ماثيو ساندز (1963). محاضرات فاينمان في الفيزياء، المجلد 1. الولايات المتحدة: أديسون-ويسلي. الصفحات 2-5 . ISBN  0-201-02116-1.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  38. ↑ لانونزياتا، مايكل؛ محمد برادي (2003). دليل تحليل النشاط الإشعاعي . دار النشر الأكاديمية. ص 58. ISBN  0-12-436603-1.
  39. ↑ جروبن ، كلاوس؛ جي. كوان؛ إس. دي. إيدلمان؛ تي. ستروه (2005). فيزياء الجسيمات الفلكية . سبرينغر. ص 109. ISBN  3-540-25312-2.
  40. ↑ يُطلق على "إشعاع بريمسترالونغ" اسم "إشعاع الكبح"، ولكن يُستخدم مصطلح "التسارع" هنا بمعنى انحراف الإلكترون عن مساره: سيرواي، ريموند أ؛ وآخرون ( 2009). فيزياء الكلية . بلمونت، كاليفورنيا: بروكس كول. ص 876. ISBN   978-0-03-023798-0.
  41. ↑ شو، ر. و.؛ يونغ، ج. ب.؛ كوبر، س. ب.؛ ويب، أ. ف. (1999). "انبعاث تلقائي للأشعة فوق البنفسجية من عينات اليورانيوم -233 / الثوريوم -229 " . رسائل المراجعة الفيزيائية . 82 (6): 1109-1111 . رمز Bibcode : 1999PhRvL..82.1109S . doi : 10.1103/PhysRevLett.82.1109 .
  42. ↑ "تلسكوبات وأجهزة كشف أشعة غاما" . مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-11-2011 .