أشعة جاما

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 19 صور
الموسوعة الحرة

دليل ناسا للطيف الكهرومغناطيسي الذي يظهر تداخل التردد بين الأشعة السينية وأشعة جاما
الفيزياء النووية
نماذج النواة
تصنيف النويدات
الاستقرار النووي
التحلل الإشعاعي
الانشطار النووي
التقاط العمليات
العمليات ذات الطاقة العالية
التخليق النووي والفيزياء
الفلكية النووية
High-energy nuclear physics
Scientists
  • icon Physics portal
  •  Category
  • v
  • t
  • e

أشعة جاما ، والمعروفة أيضًا باسم إشعاع جاما (الرمز γ )، هي شكل نافذ من الإشعاع الكهرومغناطيسي الناشئ عن الاضمحلال الإشعاعي للنوى الذرية . وهي تتكون من أقصر الموجات الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي ، وعادة ما تكون أقصر من الموجات الكهرومغناطيسية للأشعة السينية . مع ترددات أعلى من 30 إكساهيرتز (3 × 10 19  هرتز ) وأطوال موجية أقل من 10 بيكومتر (1 × 10 −11  م )، تمتلك فوتونات أشعة جاما أعلى طاقة فوتون من أي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. اكتشف بول فيلارد ، الكيميائي والفيزيائي الفرنسي ، إشعاع جاما في عام 1900 أثناء دراسة الإشعاع المنبعث من الراديوم . في عام 1903، أطلق إرنست رذرفورد على هذا الإشعاع أشعة جاما بناءً على اختراقه القوي نسبيًا للمادة ؛ في عام 1900، كان قد سمى بالفعل نوعين أقل اختراقًا من إشعاع الاضمحلال (اكتشفه هنري بيكريل ) أشعة ألفا وأشعة بيتا بترتيب تصاعدي لقوة الاختراق.

تتراوح طاقة أشعة جاما الناتجة عن الاضمحلال الإشعاعي من بضعة كيلو فولت إلكترون (keV) إلى حوالي 8 ميجا إلكترون فولت (MeV)، وهو ما يتوافق مع مستويات الطاقة النموذجية في النوى ذات أعمار طويلة إلى حد معقول. يمكن استخدام طيف طاقة أشعة جاما لتحديد النويدات المشعة المتحللة باستخدام مطيافية جاما . وقد تم رصد أشعة جاما عالية الطاقة للغاية في نطاق 100-1000 تيرا إلكترون فولت (TeV) من مصادر فلكية مثل النجم الصغير Cygnus X-3 .

المصادر الطبيعية لأشعة جاما التي تنشأ على الأرض هي في الغالب نتيجة للتحلل الإشعاعي والإشعاع الثانوي من التفاعلات الجوية مع جسيمات الأشعة الكونية . ومع ذلك، هناك مصادر طبيعية نادرة أخرى، مثل ومضات أشعة جاما الأرضية ، والتي تنتج أشعة جاما من عمل الإلكترون على النواة. تشمل المصادر الاصطناعية البارزة لأشعة جاما الانشطار ، مثل الذي يحدث في المفاعلات النووية ، وتجارب فيزياء الطاقة العالية ، مثل تحلل البيون المحايد والاندماج النووي .

تتداخل نطاقات الطاقة لأشعة جاما والأشعة السينية في الطيف الكهرومغناطيسي ، لذا فإن المصطلحات المستخدمة لهذه الموجات الكهرومغناطيسية تختلف بين التخصصات العلمية. في بعض مجالات الفيزياء، يتم تمييزها حسب أصلها: تنشأ أشعة جاما عن طريق الاضمحلال النووي بينما تنشأ الأشعة السينية خارج النواة. في الفيزياء الفلكية ، يتم تعريف أشعة جاما تقليديًا على أنها تحتوي على طاقات فوتون أعلى من 100 كيلو إلكترون فولت وهي موضوع علم فلك أشعة جاما ، بينما يتم تصنيف الإشعاع الأقل من 100 كيلو إلكترون فولت على أنه أشعة سينية وهو موضوع علم فلك الأشعة السينية .

أشعة جاما هي إشعاعات مؤينة وبالتالي فهي تشكل خطراً على الحياة. ويمكن أن تسبب طفرات في الحمض النووي والسرطان والأورام ، وفي الجرعات العالية تسبب الحروق وأمراض الإشعاع . وبسبب قوتها العالية في الاختراق، يمكن أن تلحق الضرر بنخاع العظام والأعضاء الداخلية. وعلى عكس أشعة ألفا وبيتا، فإنها تمر بسهولة عبر الجسم وبالتالي تشكل تحدياً هائلاً للحماية من الإشعاع ، وتتطلب دروعاً مصنوعة من مواد كثيفة مثل الرصاص أو الخرسانة. وعلى الأرض ، تحمي الغلاف المغناطيسي الحياة من معظم أنواع الإشعاع الكوني القاتل بخلاف أشعة جاما.

تاريخ الاكتشاف

كان أول مصدر لأشعة جاما يتم اكتشافه هو عملية الاضمحلال الإشعاعي التي تسمى اضمحلال جاما . في هذا النوع من الاضمحلال، تصدر النواة المثارة أشعة جاما فور تكوينها تقريبًا. [ملاحظة 1] اكتشف بول فيلارد ، الكيميائي والفيزيائي الفرنسي، إشعاع جاما في عام 1900، أثناء دراسته للإشعاع المنبعث من الراديوم . عرف فيلارد أن الإشعاع الذي وصفه كان أقوى من أنواع الأشعة الموصوفة سابقًا من الراديوم، والتي تضمنت أشعة بيتا، التي لوحظت لأول مرة باسم "النشاط الإشعاعي" من قبل هنري بيكريل في عام 1896، وأشعة ألفا، التي اكتشفها رذرفورد كشكل أقل اختراقًا من الإشعاع، في عام 1899. ومع ذلك، لم يفكر فيلارد في تسميتها كنوع أساسي مختلف. [1] [2] لاحقًا، في عام 1903، تم التعرف على إشعاع فيلارد على أنه من نوع مختلف تمامًا عن الأشعة التي أطلق عليها إرنست رذرفورد سابقًا اسم "أشعة جاما" قياسًا على أشعة بيتا وألفا التي ميزها رذرفورد في عام 1899. [3] تم تسمية "الأشعة" المنبعثة من العناصر المشعة حسب قدرتها على اختراق المواد المختلفة، باستخدام الأحرف الثلاثة الأولى من الأبجدية اليونانية: أشعة ألفا باعتبارها الأقل اختراقًا، تليها أشعة بيتا، تليها أشعة جاما باعتبارها الأكثر اختراقًا. لاحظ رذرفورد أيضًا أن أشعة جاما لا تنحرف (أو على الأقل لا تنحرف بسهولة ) بواسطة المجال المغناطيسي، وهي خاصية أخرى تجعلها مختلفة عن أشعة ألفا وبيتا.

كان يُعتقد في البداية أن أشعة جاما عبارة عن جسيمات ذات كتلة، مثل أشعة ألفا وبيتا. اعتقد رذرفورد في البداية أنها قد تكون جسيمات بيتا سريعة للغاية، لكن فشلها في الانحراف بواسطة المجال المغناطيسي يشير إلى أنها لا تحمل شحنة. [4] في عام 1914، لوحظ أن أشعة جاما تنعكس عن الأسطح البلورية، مما يثبت أنها إشعاع كهرومغناطيسي. [4] قام رذرفورد وزميله إدوارد أندرادي بقياس أطوال موجات أشعة جاما من الراديوم، ووجدوا أنها تشبه الأشعة السينية ، ولكن بأطوال موجية أقصر وبالتالي، تردد أعلى. تم الاعتراف في النهاية بهذا على أنه يمنحها المزيد من الطاقة لكل فوتون ، بمجرد أن أصبح المصطلح الأخير مقبولًا بشكل عام. ثم تم فهم أن اضمحلال جاما ينبعث منه عادةً فوتون جاما.

مصادر

يتتبع هذا الرسم المتحرك العديد من أشعة جاما عبر المكان والزمان، منذ انبعاثها في نفاثة نجم بلزار بعيد حتى وصولها إلى تلسكوب فيرمي واسع المساحة (LAT).

تشمل المصادر الطبيعية لأشعة جاما على الأرض تحلل جاما من النظائر المشعة الطبيعية مثل البوتاسيوم-40 ، وأيضًا كإشعاع ثانوي من تفاعلات جوية مختلفة مع جسيمات الأشعة الكونية . تشمل المصادر الأرضية الطبيعية التي تنتج أشعة جاما ضربات البرق وومضات أشعة جاما الأرضية ، والتي تنتج انبعاثات عالية الطاقة من الفولتية الطبيعية عالية الطاقة. [5] يتم إنتاج أشعة جاما من خلال عدد من العمليات الفلكية التي يتم فيها إنتاج الإلكترونات عالية الطاقة للغاية. تنتج مثل هذه الإلكترونات أشعة جاما الثانوية من خلال آليات إشعاع الكبح وتشتت كومبتون العكسي وإشعاع السنكروترون . يتم حجب جزء كبير من أشعة جاما الفلكية بواسطة الغلاف الجوي للأرض. تشمل المصادر الاصطناعية البارزة لأشعة جاما الانشطار ، كما يحدث في المفاعلات النووية ، بالإضافة إلى تجارب الفيزياء عالية الطاقة ، مثل تحلل البيون المحايد والاندماج النووي .

تُعرف عينة من المواد التي تصدر أشعة جاما والتي تُستخدم في التشعيع أو التصوير باسم مصدر جاما. ويُطلق عليها أيضًا مصدر مشع أو مصدر نظائر أو مصدر إشعاع، على الرغم من أن هذه المصطلحات الأكثر عمومية تنطبق أيضًا على الأجهزة التي تصدر أشعة ألفا وبيتا. وعادةً ما تكون مصادر جاما مغلقة لمنع التلوث الإشعاعي ، ويتم نقلها في درع ثقيل.

الاضمحلال الإشعاعي (اضمحلال جاما)

تنتج أشعة جاما أثناء تحلل جاما، والذي يحدث عادة بعد حدوث أشكال أخرى من التحلل، مثل تحلل ألفا أو بيتا . يمكن أن تتحلل النواة المشعة عن طريق انبعاث إشعاع جاما.
ألفا
أو
بيتا
الجسيم. عادة ما تترك النواة الناتجة في حالة مثارة. ثم يمكنها أن تتحلل إلى حالة طاقة أقل عن طريق إصدار فوتون أشعة جاما، في عملية تسمى تحلل جاما.

إن انبعاث أشعة جاما من نواة مثارة يتطلب عادة 10 −12 ثانية فقط. وقد يتبع اضمحلال جاما أيضًا تفاعلات نووية مثل التقاط النيوترون أو الانشطار النووي أو الاندماج النووي. كما يعد اضمحلال جاما أيضًا أحد طرق استرخاء العديد من الحالات المثارة للنوى الذرية بعد أنواع أخرى من الاضمحلال الإشعاعي، مثل اضمحلال بيتا، طالما أن هذه الحالات تمتلك المكون الضروري للدوران النووي . عندما تقصف أشعة جاما عالية الطاقة أو الإلكترونات أو البروتونات المواد، تصدر الذرات المثارة أشعة جاما "ثانوية" مميزة، وهي نتاج إنشاء الحالات النووية المثارة في الذرات التي تعرضت للقصف. وتشكل مثل هذه التحولات، وهي شكل من أشكال فلورسنت جاما النووي ، موضوعًا في الفيزياء النووية يسمى مطيافية جاما . ويشكل تكوين أشعة جاما الفلورية نوعًا فرعيًا سريعًا من اضمحلال جاما الإشعاعي.

في بعض الحالات، قد تكون الحالة النووية المثارة التي تتبع انبعاث جسيم بيتا أو نوع آخر من الإثارة أكثر استقرارًا من المتوسط، ويطلق عليها حالة مثارة غير مستقرة ، إذا استغرق تحللها (على الأقل) 100 إلى 1000 مرة أطول من المتوسط ​​10 −12 ثانية. تسمى هذه النوى المثارة طويلة العمر نسبيًا متزامرات نووية ، وتسمى تحللاتها انتقالات متزامرات . تتمتع هذه النوى بنصف عمر يمكن قياسه بسهولة أكبر، وتستطيع متزامرات نووية نادرة البقاء في حالتها المثارة لمدة دقائق أو ساعات أو أيام أو أحيانًا لفترة أطول بكثير، قبل إصدار أشعة جاما. لذلك فإن عملية الانتقال المتزامرات تشبه أي انبعاث جاما، لكنها تختلف في أنها تنطوي على الحالة (الحالات) المثارة غير المستقرة المتوسطة للنواة. غالبًا ما تتميز الحالات غير المستقرة بالدوران النووي العالي ، مما يتطلب تغييرًا في الدوران بوحدات متعددة أو أكثر مع تحلل جاما، بدلاً من انتقال وحدة واحدة يحدث في 10 −12 ثانية فقط. يتباطأ معدل تحلل جاما أيضًا عندما تكون طاقة إثارة النواة صغيرة. [6]

يمكن لشعاع جاما المنبعث من أي نوع من الحالات المثارة أن ينقل طاقته مباشرة إلى أي إلكترونات ، ولكن على الأرجح إلى أحد إلكترونات الغلاف K للذرة، مما يتسبب في إخراجه من تلك الذرة، في عملية تسمى عمومًا بالتأثير الكهروضوئي (قد تتسبب أشعة جاما الخارجية والأشعة فوق البنفسجية أيضًا في هذا التأثير). لا ينبغي الخلط بين التأثير الكهروضوئي وعملية التحويل الداخلي ، حيث لا يتم إنتاج فوتون أشعة جاما كجسيم وسيط (بدلاً من ذلك، يمكن الاعتقاد بأن "شعاع جاما الافتراضي" يتوسط العملية).

مخططات الاضمحلال

مخطط الاضمحلال الإشعاعي60
كو
طيف انبعاث جاما للكوبالت 60

أحد الأمثلة على إنتاج أشعة جاما نتيجة لتحلل النويدات المشعة هو مخطط تحلل الكوبالت 60، كما هو موضح في الرسم التخطيطي المصاحب. أولاً،60
كو
يتحلل إلى متحمس 60
ني
عن طريق انبعاث إلكترون من تحلل بيتا0.31  ميجا إلكترون فولت . ثم يتم إثارة60
ني
يتحلل إلى الحالة الأساسية (انظر نموذج الغلاف النووي ) عن طريق إصدار أشعة جاما متتالية بقوة 1.17 ميجا إلكترون فولت تليها1.33 ميجا إلكترون فولت . يتم اتباع هذا المسار بنسبة 99.88% من الوقت:

60
27كو
 		 →  60
28ني*
 		 + 
هـ-
 		 + 
ن
هـ 		 +  غاما  +  1.17  مليون إلكترون فولت
60
28ني*
 		 →  60
28ني
 		         +  غاما  +  1.33 مليون إلكترون فولت

مثال آخر هو اضمحلال ألفا241
أكون
لتشكيل237
ن ب
؛ والذي يتبعه انبعاث جاما. في بعض الحالات، يكون طيف انبعاث جاما للنواة الابنة بسيطًا للغاية، (على سبيل المثال60
كو
/60
ني
) بينما في حالات أخرى، مثل مع (241
أكون
/237
ن ب
و192
إير
/192
نقطة
), إن طيف انبعاث غاما معقد، ويكشف عن وجود سلسلة من مستويات الطاقة النووية.

فيزياء الجسيمات

تنتج أشعة جاما في العديد من عمليات فيزياء الجسيمات . وعادةً ما تكون أشعة جاما ناتجة عن أنظمة محايدة تتحلل من خلال التفاعلات الكهرومغناطيسية (بدلاً من التفاعل الضعيف أو القوي ). على سبيل المثال، في عملية فناء الإلكترون والبوزيترون ، تكون المنتجات المعتادة عبارة عن فوتونين من أشعة جاما. إذا كان الإلكترون والبوزيترون المفسدان في حالة سكون، فإن كلًا من أشعة جاما الناتجة يكون له طاقة تبلغ ~ 511 كيلو إلكترون فولت وتردد ~1.24 × 10 20  هرتز . وبالمثل، يتحلل البيون المحايد غالبًا إلى فوتونين. تتحلل أيضًا العديد من الهادرونات والبوزونات الضخمة الأخرى كهرومغناطيسيًا. وفقًا لذلك، تستخدم تجارب فيزياء الطاقة العالية، مثل مصادم الهدرونات الكبير ، حجبًا إشعاعيًا كبيرًا. [7] نظرًا لأن الجسيمات دون الذرية لها في الغالب أطوال موجية أقصر بكثير من النوى الذرية، فإن أشعة جاما الفيزيائية للجسيمات تكون عمومًا أكثر نشاطًا بعدة أوامر من حيث الحجم من أشعة جاما المتحللة نوويًا. نظرًا لأن أشعة جاما تقع في أعلى الطيف الكهرومغناطيسي من حيث الطاقة، فإن جميع الفوتونات عالية الطاقة للغاية هي أشعة جاما؛ على سبيل المثال، فإن الفوتون الذي يحمل طاقة بلانك سيكون شعاع جاما.

مصادر أخرى

من المعروف أن بعض أشعة غاما في علم الفلك تنشأ من اضمحلال غاما (انظر مناقشة SN1987A )، ولكن معظمها لا تنشأ من اضمحلال غاما.

غالبًا ما يُطلق على الفوتونات الصادرة عن مصادر فيزيائية فلكية تحمل طاقة في نطاق إشعاع جاما اسم إشعاع جاما صراحةً. بالإضافة إلى الانبعاثات النووية، غالبًا ما يتم إنتاجها من خلال تفاعلات الجسيمات دون الذرية والجسيمات والفوتونات. وتشمل هذه التفاعلات فناء الإلكترون والبوزيترون ، وتحلل البيون المحايد ، وإشعاع الكبح ، وتشتت كومبتون العكسي ، وإشعاع السنكروترون .

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

مصادر المختبر

في أكتوبر 2017، اقترح علماء من جامعات أوروبية مختلفة وسيلة لمصادر فوتونات جيجا إلكترون فولت باستخدام الليزر كمثيرات من خلال تفاعل متحكم فيه بين الشلال والاحتجاز الإشعاعي الشاذ . [8]

العواصف الرعدية الأرضية

يمكن أن تنتج العواصف الرعدية نبضة قصيرة من إشعاع جاما تسمى وميض أشعة جاما الأرضية . يُعتقد أن أشعة جاما هذه تنتج عن حقول كهربائية ثابتة عالية الكثافة تعمل على تسريع الإلكترونات، والتي تنتج بعد ذلك أشعة جاما بواسطة إشعاع الكبح عندما تصطدم بالذرات الموجودة في الغلاف الجوي وتبطئها. يمكن أن تنبعث أشعة جاما حتى 100 ميجا إلكترون فولت من العواصف الرعدية الأرضية، وقد تم اكتشافها بواسطة المراصد الفضائية. وهذا يزيد من احتمالية المخاطر الصحية على الركاب وأفراد الطاقم على متن الطائرات التي تحلق في السحب الرعدية أو بالقرب منها. [9]

التوهجات الشمسية

تصدر أقوى التوهجات الشمسية عبر الطيف الكهرومغناطيسي بالكامل ، بما في ذلك أشعة جاما. وقد حدثت أول ملاحظة مؤكدة في عام 1972. [10]

الأشعة الكونية

تشمل أشعة جاما عالية الطاقة خارج الأرض أشعة جاما الخلفية التي تنتج عندما تصطدم الأشعة الكونية (إما الإلكترونات عالية السرعة أو البروتونات) بالمادة العادية، مما ينتج أشعة جاما ثنائية الإنتاج عند 511 كيلو إلكترون فولت. بدلاً من ذلك، يتم إنتاج إشعاع الكبح عند طاقات عشرات من مليون إلكترون فولت أو أكثر عندما تتفاعل إلكترونات الأشعة الكونية مع نوى ذات عدد ذري ​​مرتفع بما فيه الكفاية (انظر صورة أشعة جاما للقمر بالقرب من نهاية هذه المقالة، للتوضيح).

صورة للسماء بأكملها في أشعة جاما بقوة 100 ميجا إلكترون فولت أو أكثر كما يراها جهاز EGRET على متن مركبة CGRO الفضائية. البقع المضيئة داخل المستوى المجري هي نجوم نابضة، بينما يُعتقد أن تلك الموجودة أعلى وأسفل المستوى هي نجوم زائفة .

النجوم النابضة والمغناطيسية

تهيمن على سماء أشعة جاما (انظر الرسم التوضيحي على اليمين) أشعة جاما الأكثر شيوعًا والأطول أمدًا والتي تنبعث من النجوم النابضة داخل مجرة ​​درب التبانة. المصادر من بقية السماء هي في الغالب أشباه النجوم . يُعتقد أن النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية ذات مجالات مغناطيسية تنتج حزمًا مركزة من الإشعاع، وهي أقل نشاطًا وأكثر شيوعًا وأقرب بكثير (عادةً ما تُرى فقط في مجرتنا) من النجوم النابضة أو مصادر انفجار أشعة جاما النادرة لأشعة جاما. تتمتع النجوم النابضة بمجالات مغناطيسية طويلة العمر نسبيًا تنتج حزمًا مركزة من الجسيمات المشحونة بسرعة نسبية، والتي تنبعث منها أشعة جاما (بريمسستراهلونج) عندما تصطدم بالغاز أو الغبار في وسطها القريب، وتتباطأ. هذه آلية مماثلة لإنتاج الفوتونات عالية الطاقة في أجهزة العلاج الإشعاعي ذات الجهد الكهربي الضخم (انظر بريمسستراهلونج ). تشتت كومبتون العكسي ، حيث تنقل الجسيمات المشحونة (عادةً الإلكترونات) الطاقة إلى الفوتونات منخفضة الطاقة مما يعززها إلى فوتونات ذات طاقة أعلى. مثل هذه التأثيرات للفوتونات على حزم الجسيمات المشحونة النسبية هي آلية أخرى محتملة لإنتاج أشعة غاما. النجوم النيوترونية ذات المجال المغناطيسي العالي جدًا ( المغناطيسات )، والتي يُعتقد أنها تنتج مكررات غاما ناعمة فلكية ، هي مصدر آخر طويل العمر نسبيًا لإشعاع غاما.

الكوازارات والمجرات النشطة

يُعتقد أن أشعة جاما الأكثر قوة من الكوازارات البعيدة جدًا والمجرات النشطة الأقرب لها مصدر لإنتاج أشعة جاما مشابه لمسرع الجسيمات . إن الإلكترونات عالية الطاقة التي ينتجها الكوازارات، والتي تتعرض لتشتت كومبتون العكسي، أو إشعاع السنكروترون ، أو إشعاع الكبح، هي المصدر المحتمل لأشعة جاما من تلك الأجسام. يُعتقد أن ثقبًا أسودًا فائق الكتلة في مركز مثل هذه المجرات يوفر مصدر الطاقة الذي يدمر النجوم بشكل متقطع ويركز الجسيمات المشحونة الناتجة في حزم تخرج من أقطابها الدورانية. عندما تتفاعل هذه الحزم مع الغاز والغبار والفوتونات منخفضة الطاقة فإنها تنتج الأشعة السينية وأشعة جاما. ومن المعروف أن هذه المصادر تتقلب بفترات تصل إلى بضعة أسابيع، مما يشير إلى حجمها الصغير نسبيًا (أقل من بضعة أسابيع ضوئية). مثل هذه المصادر لأشعة جاما والأشعة السينية هي أكثر المصادر المرئية عالية الكثافة شيوعًا خارج مجرة ​​درب التبانة. لا تتألق هذه النجوم على شكل دفقات (انظر الصورة)، بل تتألق بشكل مستمر نسبيًا عند مشاهدتها باستخدام تلسكوبات أشعة جاما. تبلغ قوة الكوازار النموذجي حوالي 10 40 واط، وتشكل أشعة جاما جزءًا صغيرًا منها. أما الجزء الأكبر من الباقي فيصدر على شكل موجات كهرومغناطيسية من جميع الترددات، بما في ذلك الموجات الراديوية.

مستعر أعظم . رسم توضيحي لفنان يُظهر حياة نجم ضخم حيث يحول الاندماج النووي العناصر الأخف إلى عناصر أثقل. عندما لا يولد الاندماج ضغطًا كافيًا لمقاومة الجاذبية، ينهار النجم بسرعة ليشكل ثقبًا أسود . من الناحية النظرية، قد يتم إطلاق الطاقة أثناء الانهيار على طول محور الدوران لتكوين انفجار أشعة غاما طويل الأمد .

انفجارات أشعة جاما

إن المصادر الأكثر كثافة لأشعة جاما هي أيضًا المصادر الأكثر كثافة لأي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي المعروف حاليًا. وهي مصادر "الانفجارات طويلة الأمد" لأشعة جاما في علم الفلك ("طويلة" في هذا السياق، أي بضع عشرات من الثواني)، وهي نادرة مقارنة بالمصادر التي تمت مناقشتها أعلاه. وعلى النقيض من ذلك، يُعتقد أن الانفجارات "القصيرة" لأشعة جاما التي تبلغ مدتها ثانيتين أو أقل، والتي لا ترتبط بالمستعرات العظمى، تنتج أشعة جاما أثناء تصادم أزواج من النجوم النيوترونية، أو نجم نيوتروني وثقب أسود . [11]

تنتج انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد ما يسمى بإجمالي طاقة ناتجة تبلغ حوالي 10 44 جول (قدر الطاقة التي ستنتجها الشمس في عمرها بالكامل) ولكن في فترة تتراوح من 20 إلى 40 ثانية فقط. تمثل أشعة جاما حوالي 50٪ من إجمالي الطاقة الناتجة. الفرضيات الرائدة لآلية إنتاج حزم الإشعاع الأعلى كثافة المعروفة هذه هي تشتت كومبتون العكسي وإشعاع السنكروترون من الجسيمات المشحونة عالية الطاقة. تحدث هذه العمليات عندما تترك الجسيمات المشحونة النسبية منطقة أفق الحدث لثقب أسود حديث التكوين تم إنشاؤه أثناء انفجار المستعر الأعظم. يتم تركيز حزمة الجسيمات التي تتحرك بسرعات نسبية لبضع عشرات من الثواني بواسطة المجال المغناطيسي للمستعر الأعظم المتفجر . يحرك انفجار الاندماج للمستعر الأعظم طاقة العملية. إذا كان الشعاع الموجه بشكل ضيق موجهًا نحو الأرض، فإنه يلمع بترددات أشعة جاما بكثافة كبيرة، بحيث يمكن اكتشافه حتى على مسافات تصل إلى 10 مليارات سنة ضوئية، وهو قريب من حافة الكون المرئي .

ملكيات

اختراق المادة

تتكون أشعة ألفا من نوى الهيليوم ويمكن إيقافها بسهولة باستخدام ورقة. أما أشعة بيتا ، التي تتكون من الإلكترونات أو البوزيترونات ، فيمكن إيقافها باستخدام صفيحة من الألومنيوم، ولكن أشعة جاما تتطلب الحماية بمادة كثيفة مثل الرصاص أو الخرسانة.

نظرًا لطبيعتها النفاذة، تتطلب أشعة جاما كميات كبيرة من كتلة الحماية لتقليلها إلى مستويات غير ضارة بالخلايا الحية، على النقيض من جسيمات ألفا ، التي يمكن إيقافها بالورق أو الجلد، وجسيمات بيتا ، التي يمكن حمايتها بالألمنيوم الرقيق. يتم امتصاص أشعة جاما بشكل أفضل بواسطة المواد ذات الأعداد الذرية العالية ( Z ) والكثافة العالية، والتي تساهم في إجمالي قوة الإيقاف. وبسبب هذا، فإن درع الرصاص ( Z العالي ) أفضل بنسبة 20-30٪ كدرع جاما من كتلة مساوية من مادة حماية أخرى منخفضة Z ، مثل الألومنيوم أو الخرسانة أو الماء أو التربة؛ الميزة الرئيسية للرصاص ليست في وزنه المنخفض، بل في تماسكه بسبب كثافته العالية. يمكن للملابس الواقية والنظارات وأجهزة التنفس أن تحمي من التلامس الداخلي مع جسيمات ألفا أو بيتا أو ابتلاعها، لكنها لا توفر أي حماية من إشعاع جاما من مصادر خارجية.

كلما زادت طاقة أشعة جاما، زادت سماكة الحماية المصنوعة من نفس مادة الحماية. تقاس مواد حماية أشعة جاما عادةً بالسماكة المطلوبة لتقليل شدة أشعة جاما بمقدار النصف (طبقة نصف القيمة أو HVL). على سبيل المثال، أشعة جاما التي تتطلب 1 سم (0.4 بوصة) من الرصاص لتقليل شدتها بنسبة 50٪ ستقل شدتها أيضًا إلى النصف بمقدار 4.1 سم من صخور الجرانيت ، أو 6 سم (2.5 بوصة) من الخرسانة ، أو 9 سم (3.5 بوصة) من التربة المضغوطة . ومع ذلك، فإن كتلة هذه الكمية من الخرسانة أو التربة أكبر بنسبة 20-30٪ فقط من كتلة الرصاص بنفس قدرة الامتصاص.

يستخدم اليورانيوم المستنفد أحيانًا للحماية في مصادر أشعة جاما المحمولة ، نظرًا لطبقة النصف القيمة الأصغر عند مقارنتها بالرصاص (حوالي 0.6 مرة من سمك مصادر أشعة جاما الشائعة، أي الإيريديوم 192 والكوبالت 60) [12] والتكلفة الأرخص مقارنة بالتنغستن . [13]

في محطة الطاقة النووية، يمكن توفير الحماية من خلال الفولاذ والخرسانة في وعاء احتواء الضغط والجسيمات، بينما يوفر الماء حماية من الإشعاع لقضبان الوقود أثناء التخزين أو النقل إلى قلب المفاعل. إن فقدان الماء أو إزالة مجموعة الوقود "الساخنة" إلى الهواء من شأنه أن يؤدي إلى مستويات إشعاع أعلى بكثير من تلك التي تحدث عندما يتم الاحتفاظ بها تحت الماء.

تفاعل المادة

معامل الامتصاص الكلي للألمنيوم (العدد الذري 13) لأشعة جاما، مرسوم مقابل طاقة جاما، ومساهمات التأثيرات الثلاثة. وكما هو معتاد، يكون التأثير الكهروضوئي أكبر عند الطاقات المنخفضة، ويهيمن تشتت كومبتون عند الطاقات المتوسطة، ويهيمن إنتاج الأزواج عند الطاقات العالية.
معامل الامتصاص الكلي للرصاص (العدد الذري 82) لأشعة جاما، مرسوم مقابل طاقة جاما، ومساهمات التأثيرات الثلاثة. هنا، يهيمن التأثير الكهروضوئي عند الطاقة المنخفضة. فوق 5 ميجا إلكترون فولت، يبدأ إنتاج الأزواج في الهيمنة.

عندما يمر شعاع جاما عبر المادة، فإن احتمال الامتصاص يتناسب طرديًا مع سمك الطبقة وكثافة المادة والمقطع العرضي لامتصاص المادة. يُظهِر الامتصاص الكلي انخفاضًا أسيًا في الكثافة مع المسافة من السطح الساقط:

حيث x هو سمك المادة من السطح الساقط، μ= n، σ هو معامل الامتصاص، مقاسًا بالسنتيمتر −1 ، n هو عدد الذرات لكل سم 3 من المادة (الكثافة الذرية) وσ هو مقطع الامتصاص بوحدة السنتيمتر 2 .

عندما تمر الأشعة غاما عبر المادة فإنها تتأين من خلال ثلاث عمليات:

  • التأثير الكهروضوئي : يصف هذا الحالة التي يتفاعل فيها فوتون جاما مع إلكترون ذري وينقل طاقته إليه، مما يتسبب في طرد ذلك الإلكترون من الذرة. الطاقة الحركية للإلكترون الضوئي الناتج تساوي طاقة فوتون جاما الوارد مطروحًا منها الطاقة التي ربطت الإلكترون بالذرة في الأصل (طاقة الربط). التأثير الكهروضوئي هو آلية نقل الطاقة السائدة لفوتونات الأشعة السينية وأشعة جاما ذات الطاقات الأقل من 50 كيلو فولت (ألف إلكترون فولت)، لكنه أقل أهمية بكثير عند الطاقات الأعلى.
  • تشتت كومبتون : هو تفاعل يفقد فيه فوتون جاما الوارد طاقة كافية لإلكترون ذري للتسبب في طرده، مع انبعاث بقية طاقة الفوتون الأصلي كفوتون جاما جديد منخفض الطاقة يختلف اتجاه انبعاثه عن اتجاه انبعاث فوتون جاما الوارد، ومن هنا جاء مصطلح "التشتت". تقل احتمالية تشتت كومبتون مع زيادة طاقة الفوتون. يُعتقد أنه آلية الامتصاص الرئيسية لأشعة جاما في نطاق الطاقة المتوسطة من 100 كيلو فولت إلى 10 ميجا فولت. إنه مستقل نسبيًا عن العدد الذري للمادة الماصة، ولهذا السبب فإن المواد الكثيفة جدًا مثل الرصاص لا تعد دروعًا أفضل إلا بشكل متواضع، على أساس الوزن ، من المواد الأقل كثافة.
  • إنتاج الزوج : يصبح هذا ممكنًا مع طاقات جاما التي تتجاوز 1.02 ميجا إلكترون فولت، ويصبح مهمًا كآلية امتصاص عند طاقات تزيد عن 5 ميجا إلكترون فولت (انظر الرسم التوضيحي على اليمين، للرصاص). من خلال التفاعل مع المجال الكهربائي للنواة، تتحول طاقة الفوتون الوارد إلى كتلة زوج إلكترون-بوزيترون. تظهر أي طاقة جاما تزيد عن كتلة السكون المكافئة للجسيمين (بإجمالي 1.02 ميجا إلكترون فولت على الأقل) كطاقة حركية للزوج وفي ارتداد النواة المنبعثة. في نهاية نطاق البوزيترون ، يتحد مع إلكترون حر، ويفنيان، ثم تتحول الكتلة الكاملة لهذين الاثنين إلى فوتونين جاما بطاقة 0.51 ميجا إلكترون فولت على الأقل لكل منهما (أو أعلى وفقًا للطاقة الحركية للجسيمات المفناة).

غالبًا ما يكون للإلكترونات الثانوية (و/أو البوزيترونات) الناتجة في أي من هذه العمليات الثلاث طاقة كافية لإنتاج قدر كبير من التأين بنفسها.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأشعة جاما، وخاصة تلك ذات الطاقة العالية، أن تتفاعل مع النوى الذرية مما يؤدي إلى طرد الجسيمات في التفكك الضوئي ، أو في بعض الحالات، حتى الانشطار النووي ( الانشطار الضوئي ).

تفاعل الضوء

تُستخدم أشعة جاما عالية الطاقة (من 80 جيجا إلكترون فولت إلى ~10 تيرا إلكترون فولت ) القادمة من أشباه النجوم البعيدة لتقدير الضوء الخلفي خارج المجرة في الكون: تتفاعل الأشعة ذات الطاقة الأعلى بسهولة أكبر مع فوتونات الضوء الخلفي وبالتالي يمكن تقدير كثافة الضوء الخلفي من خلال تحليل أطياف أشعة جاما الواردة. [14] [15]

مطيافية جاما

علم أطياف جاما هو دراسة التحولات الطاقية في النوى الذرية، والتي ترتبط عمومًا بامتصاص أو انبعاث أشعة جاما. وكما هو الحال في علم الأطياف الضوئي (انظر تأثير فرانك-كوندون )، فإن امتصاص أشعة جاما بواسطة نواة ما يكون محتملًا بشكل خاص (أي ذروة في "الرنين") عندما تكون طاقة أشعة جاما هي نفسها طاقة انتقال الطاقة في النواة. وفي حالة أشعة جاما، يُرى مثل هذا الرنين في تقنية مطيافية موس باور . في تأثير موس باور ، يمكن تحقيق امتصاص الرنين الضيق لامتصاص جاما النووي بنجاح عن طريق تثبيت النوى الذرية فعليًا في بلورة. يلزم تثبيت النوى عند كلا طرفي تفاعل رنين جاما حتى لا تضيع طاقة جاما في الطاقة الحركية للنوى المرتدة عند الطرف الباعث أو الممتص لانتقال جاما. يؤدي هذا الفقد في الطاقة إلى فشل امتصاص رنين أشعة جاما. ومع ذلك، عندما تحمل أشعة جاما المنبعثة كل طاقة الإثارة النووية الذرية التي تنتجها، فإن هذه الطاقة كافية أيضًا لإثارة نفس حالة الطاقة في نواة ثابتة ثانية من نفس النوع.

التطبيقات

صورة أشعة جاما لشاحنة بها متسللان تم التقاطها باستخدام نظام تصوير المركبات والحاويات ( VACIS )

توفر أشعة جاما معلومات حول بعض الظواهر الأكثر نشاطًا في الكون؛ ومع ذلك، يتم امتصاصها إلى حد كبير بواسطة الغلاف الجوي للأرض. توفر الأجهزة الموجودة على متن البالونات عالية الارتفاع ومهام الأقمار الصناعية، مثل تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما ، الرؤية الوحيدة للكون بأشعة جاما.

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

تستخدم أجهزة الاستشعار الصناعية غير التلامسية عادةً مصادر إشعاع جاما في صناعات التكرير والتعدين والمواد الكيميائية والأغذية والصابون والمنظفات ولب الورق والورق، لقياس المستويات والكثافة والسمك. [16] تُستخدم أجهزة استشعار أشعة جاما أيضًا لقياس مستويات السوائل في صناعات المياه والنفط. [17] وعادةً ما تستخدم نظائر Co-60 أو Cs-137 كمصدر للإشعاع.

في الولايات المتحدة، بدأ استخدام أجهزة الكشف عن أشعة جاما كجزء من مبادرة أمن الحاويات (CSI). يتم الإعلان عن هذه الأجهزة على أنها قادرة على مسح 30 حاوية في الساعة.

تُستخدم أشعة جاما غالبًا لقتل الكائنات الحية، في عملية تُسمى التشعيع . وتشمل تطبيقات هذه العملية تعقيم المعدات الطبية (كبديل للأوتوكلاف أو الوسائل الكيميائية)، وإزالة البكتيريا المسببة للتسوس من العديد من الأطعمة ومنع إنبات الفاكهة والخضروات للحفاظ على نضارتها ونكهتها.

على الرغم من خصائصها المسببة للسرطان، تُستخدم أشعة جاما أيضًا لعلاج بعض أنواع السرطان ، حيث تقتل الأشعة أيضًا الخلايا السرطانية. في الإجراء المسمى جراحة سكين جاما ، يتم توجيه حزم متعددة مركزة من أشعة جاما إلى النمو من أجل قتل الخلايا السرطانية. يتم توجيه الحزم من زوايا مختلفة لتركيز الإشعاع على النمو مع تقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة المحيطة.

تُستخدم أشعة جاما أيضًا لأغراض التشخيص في الطب النووي في تقنيات التصوير. يتم استخدام عدد من النظائر المشعة المختلفة التي تصدر أشعة جاما. على سبيل المثال، في فحص التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني، يُصدر سكر مُشع يسمى فلوروديوكسي جلوكوز بوزيترونات يتم إبادتها بواسطة الإلكترونات، مما ينتج أزواجًا من أشعة جاما التي تسلط الضوء على السرطان حيث يكون معدل الأيض في السرطان غالبًا أعلى من الأنسجة المحيطة. أكثر باعثات أشعة جاما شيوعًا المستخدمة في التطبيقات الطبية هو المتماثل النووي تكنيتيوم-99م الذي يصدر أشعة جاما في نفس نطاق الطاقة مثل الأشعة السينية التشخيصية. عندما يتم إعطاء متتبع النويدات المشعة هذا للمريض، يمكن استخدام كاميرا جاما لتكوين صورة لتوزيع النظير المشع من خلال الكشف عن إشعاع جاما المنبعث (انظر أيضًا SPECT ). اعتمادًا على الجزيء الذي تم تمييزه بالمتتبع، يمكن استخدام مثل هذه التقنيات لتشخيص مجموعة واسعة من الحالات (على سبيل المثال، انتشار السرطان إلى العظام عبر فحص العظام ).

التأثيرات الصحية

تسبب أشعة جاما أضرارًا على مستوى الخلايا وتخترق الجسم وتتسبب في أضرار منتشرة في جميع أنحاء الجسم. ومع ذلك، فهي أقل تأينًا من جسيمات ألفا أو بيتا، والتي هي أقل اختراقًا.

تتسبب المستويات المنخفضة من أشعة جاما في مخاطر صحية عشوائية ، والتي يتم تعريفها لتقييم جرعة الإشعاع على أنها احتمالية تحريض السرطان والضرر الجيني. تقول اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع "في نطاق الجرعة المنخفضة، أقل من حوالي 100 ميكروسيفرت، من المعقول علميًا افتراض أن حدوث السرطان أو التأثيرات الوراثية سيرتفع بشكل مباشر متناسب مع زيادة الجرعة المكافئة في الأعضاء والأنسجة ذات الصلة" [18] : 51  تنتج الجرعات العالية تأثيرات حتمية ، وهي شدة الضرر الحاد للأنسجة الذي من المؤكد حدوثه. تتم مقارنة هذه التأثيرات بالكمية الفيزيائية الممتصة للجرعة المقاسة بوحدة جراي (Gy). [18] : 61 

التأثيرات واستجابة الجسم

عندما تتسبب أشعة جاما في تحطيم جزيئات الحمض النووي، فقد تتمكن الخلية من إصلاح المادة الوراثية التالفة ، ضمن حدود. ومع ذلك، أظهرت دراسة أجراها روثكام ولوبريتش أن عملية الإصلاح هذه تعمل بشكل جيد بعد التعرض لجرعات عالية ولكنها أبطأ بكثير في حالة التعرض لجرعات منخفضة. [19]

أظهرت الدراسات أن جرعة منخفضة من الإشعاع جاما قد تكون كافية للتسبب في السرطان. [20] في دراسة أجريت على الفئران، تم إعطاؤهم جرعة منخفضة من الإشعاع جاما ذات الصلة بالإنسان، مع تأثيرات سامة للجينات بعد 45 يومًا من التعرض المستمر لجرعة منخفضة من الإشعاع جاما، مع زيادات كبيرة في الضرر الكروموسومي وآفات الحمض النووي والطفرات الظاهرية في خلايا الدم للحيوانات المشعة، والتي تغطي الأنواع الثلاثة من النشاط السام للجينات. [20] درست دراسة أخرى آثار الإشعاع المؤين الحاد جاما في الفئران، حتى 10 جراي ، والتي انتهى بها الأمر بإظهار تلف البروتين التأكسدي الحاد، وتلف الحمض النووي، وكربونيل تروبونين القلب تي، واعتلال عضلة القلب طويل الأمد . [21]

تقييم المخاطر

يتراوح التعرض الطبيعي في الهواء الطلق في المملكة المتحدة من 0.1 إلى 0.5 ميكروسيفرت/ساعة مع زيادة كبيرة حول المواقع النووية والملوثة المعروفة. [22] التعرض الطبيعي لأشعة جاما هو حوالي 1 إلى 2 ميكروسيفرت في السنة، ومتوسط ​​إجمالي كمية الإشعاع التي يتلقاها الفرد في عام واحد في الولايات المتحدة هو 3.6 ميكروسيفرت. [23] هناك زيادة طفيفة في الجرعة، بسبب إشعاع جاما الطبيعي، حول الجسيمات الصغيرة من المواد ذات العدد الذري العالي في جسم الإنسان بسبب التأثير الكهروضوئي. [24]

بالمقارنة، فإن جرعة الإشعاع من تصوير الصدر بالأشعة السينية (حوالي 0.06 ميكروسيفرت) هي جزء بسيط من جرعة الإشعاع الخلفية الطبيعية السنوية. [25] يوفر التصوير المقطعي المحوسب للصدر من 5 إلى 8 ميكروسيفرت. يمكن أن يوفر فحص PET / CT لكامل الجسم من 14 إلى 32 ميكروسيفرت حسب البروتوكول. [26] الجرعة من التنظير الفلوري للمعدة أعلى بكثير، حوالي 50 ميكروسيفرت (14 ضعف الخلفية السنوية).

جرعة واحدة مكافئة حادة للجسم بالكامل تبلغ 1 سيفرت (1000 ميكروسيفرت)، أو 1 جراي، ستسبب أعراضًا خفيفة لمرض الإشعاع الحاد ، مثل الغثيان والقيء؛ وتسبب جرعة تتراوح بين 2.0 و3.5 سيفرت (2.0 و3.5 جراي) أعراضًا أكثر شدة (مثل الغثيان والإسهال وتساقط الشعر والنزيف وعدم القدرة على مكافحة العدوى)، وستتسبب في الوفاة في عدد كبير من الحالات - حوالي 10% إلى 35% بدون علاج طبي. تعتبر جرعة تتراوح بين 3 و5 سيفرت (3 و5 جراي) تقريبًا الجرعة المميتة LD 50 (أو الجرعة المميتة لـ 50% من السكان المعرضين) للتعرض الحاد للإشعاع حتى مع العلاج الطبي القياسي. [27] [28] تزيد الجرعة التي تزيد عن 5 سيفرت (5 جراي) من فرصة الوفاة إلى أكثر من 50%. فوق 7.5–10 سيفرت (7.5–10 جراي) للجسم بالكامل، حتى العلاج الاستثنائي، مثل زراعة نخاع العظم، لن يمنع وفاة الفرد المعرض (انظر التسمم الإشعاعي ). [29] (ومع ذلك، يمكن توصيل جرعات أكبر بكثير من ذلك إلى أجزاء مختارة من الجسم أثناء العلاج الإشعاعي ).

بالنسبة للتعرض لجرعات منخفضة، على سبيل المثال بين العاملين في المجال النووي، الذين يتلقون جرعة إشعاعية سنوية متوسطة تبلغ 19 ميكروسيفرت، [ بحاجة لتوضيح ] فإن خطر الوفاة بسبب السرطان (باستثناء سرطان الدم ) يزيد بنسبة 2 في المائة. بالنسبة لجرعة 100 ميكروسيفرت، فإن زيادة الخطر تبلغ 10 في المائة. وبالمقارنة، زاد خطر الوفاة بسبب السرطان بنسبة 32 في المائة بين الناجين من القنبلة الذرية على هيروشيما وناجازاكي . [30]

وحدات القياس والتعرض

يوضح الجدول التالي كميات الإشعاع بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI) وغير النظام الدولي للوحدات (NOS):

الكميات المتعلقة بالإشعاع المؤين
  • منظر
  • يتحدث
  • يحرر
كمية وحدة رمز الاشتقاق سنة المكافئ في النظام الدولي للوحدات
النشاط ( أ ) بيكريل بيكريل س -1 1974 وحدة النظام الدولي للوحدات
كوري سي 3.7 × 10 10  ثانية −1 1953 3.7 × 10 10  بيكريل
رذرفورد طريق 10 6  ثانية −1 1946 1000000  بيكريل ​​
التعرض ( X ) كولومب لكل كيلوغرام ج/كجم C⋅kg -1 من الهواء 1974 وحدة النظام الدولي للوحدات
رونتجن ر ايسو /0.001 293  جرام من الهواء 1928 2.58 × 10 −4  ج/كجم
الجرعة الممتصة ( د ) رمادي جي ج ⋅كجم −1 1974 وحدة النظام الدولي للوحدات
إرج لكل جرام إرج/ج إرج⋅ج −1 1950 1.0 × 10 −4  جراي
راد راد 100 إرج⋅ج −1 1953 0.010 جراي
الجرعة المكافئة ( H ) سيفرت سيف J⋅kg −1 × WR​ 1977 وحدة النظام الدولي للوحدات
مكافئ رونتجن للرجل ريم 100 إرج⋅ج −1 × و ر 1971 0.010 سيفرت
الجرعة الفعالة ( E ) سيفرت سيف J⋅kg −1 × W R × W T 1977 وحدة النظام الدولي للوحدات
مكافئ رونتجن للرجل ريم 100 إرج⋅ج −1 × و ر × و ت 1971 0.010 سيفرت

يُطلق على مقياس التأثير المؤين لأشعة جاما والأشعة السينية في الهواء الجاف اسم التعرض، والذي استُخدمت له وحدة قديمة، وهي الرونتجن ، منذ عام 1928. وقد تم استبدالها بالكيراما ، والتي تُستخدم الآن بشكل أساسي لأغراض معايرة الأجهزة ولكن ليس لتأثير الجرعة المستلمة. يرتبط تأثير أشعة جاما والإشعاعات المؤينة الأخرى على الأنسجة الحية ارتباطًا وثيقًا بكمية الطاقة المودعة في الأنسجة بدلاً من تأين الهواء، وقد تم تعريف وتطوير وحدات وكميات قياس إشعاعية بديلة للحماية من الإشعاع منذ عام 1953 فصاعدًا. وهي:

  • الرمادي (Gy) هو وحدة قياس الجرعة الممتصة في النظام الدولي للوحدات ، وهي كمية الطاقة الإشعاعية المودعة في المادة المشعة. بالنسبة للإشعاع جاما، فإن هذا يعادل رقميًا الجرعة المكافئة التي يتم قياسها بواسطة السيفرت ، والتي تشير إلى التأثير البيولوجي العشوائي لمستويات الإشعاع المنخفضة على الأنسجة البشرية. عامل تحويل وزن الإشعاع من الجرعة الممتصة إلى الجرعة المكافئة هو 1 بالنسبة لأشعة جاما، في حين أن جسيمات ألفا لها عامل 20، مما يعكس تأثيرها المؤين الأكبر على الأنسجة.
  • rad هي وحدة CGS القديمة لقياس الجرعة الممتصة و rem هي وحدة CGS القديمة لقياس الجرعة المكافئة ، وتستخدم بشكل أساسي في الولايات المتحدة.

التمييز بين الأشعة السينية

القمر كما يراه مرصد كومبتون لأشعة جاما ، بأشعة جاما أكبر من 20 ميجا إلكترون فولت. وتنتج هذه الأشعة عن قصف الأشعة الكونية لسطحه. أما الشمس، التي لا يوجد لها سطح مماثل ذو عدد ذري ​​مرتفع ليكون هدفًا للأشعة الكونية، فلا يمكن رؤيتها عادةً على الإطلاق عند هذه الطاقات، والتي تكون عالية جدًا بحيث لا يمكن أن تنشأ من التفاعلات النووية الأولية، مثل الاندماج النووي الشمسي (على الرغم من أن الشمس تنتج أحيانًا أشعة جاما بواسطة آليات من نوع السيكلوترون ، أثناء التوهجات الشمسية ). وعادةً ما تكون أشعة جاما ذات طاقة أعلى من الأشعة السينية. [31]

لقد تغير التمييز التقليدي بين الأشعة السينية وأشعة جاما بمرور الوقت. في الأصل، كان للإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من أنابيب الأشعة السينية دائمًا تقريبًا طول موجي أطول من الإشعاع (أشعة جاما) المنبعث من النوى المشعة . [32] ميزت الأدبيات القديمة بين الإشعاع السينية وإشعاع جاما على أساس الطول الموجي، مع الإشعاع الأقصر من بعض الأطوال الموجية التعسفية، مثل 10 −11  م، والذي يُعرف بأشعة جاما. [33] نظرًا لأن طاقة الفوتونات تتناسب طرديًا مع ترددها وتتناسب عكسيًا مع الطول الموجي، فيمكن أيضًا التفكير في هذا التمييز السابق بين الأشعة السينية وأشعة جاما من حيث طاقتها، حيث تعتبر أشعة جاما إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ذو طاقة أعلى من الأشعة السينية.

ومع ذلك، نظرًا لأن المصادر الاصطناعية الحالية قادرة الآن على تكرار أي إشعاع كهرومغناطيسي ينشأ في النواة، بالإضافة إلى الطاقات الأعلى بكثير، فإن الأطوال الموجية المميزة لمصادر أشعة جاما المشعة مقابل الأنواع الأخرى تتداخل الآن تمامًا. وبالتالي، يتم تمييز أشعة جاما الآن عادةً حسب أصلها: تنبعث الأشعة السينية بحكم التعريف بواسطة الإلكترونات خارج النواة، بينما تنبعث أشعة جاما من النواة. [32] [34] [35] [36] تحدث استثناءات لهذه الاتفاقية في علم الفلك، حيث يُرى تحلل جاما في توهج بعض المستعرات العظمى، ولكن الإشعاع الناتج عن العمليات عالية الطاقة المعروف أنها تنطوي على مصادر إشعاع أخرى غير التحلل الإشعاعي لا يزال يُصنف على أنه إشعاع جاما.

على سبيل المثال، غالبًا ما يكون للأشعة السينية الحديثة عالية الطاقة التي تنتجها المسرعات الخطية لعلاج السرطان بجهد كبير طاقة أعلى (4 إلى 25 ميجا إلكترون فولت) من معظم أشعة جاما الكلاسيكية المنتجة بواسطة تحلل جاما النووي . ينتج أحد أكثر نظائر أشعة جاما شيوعًا المستخدمة في الطب النووي التشخيصي ، تكنيشيوم-99م ، إشعاع جاما بنفس الطاقة (140 كيلو إلكترون فولت) التي تنتجها أجهزة الأشعة السينية التشخيصية، ولكن بطاقة أقل بكثير من الفوتونات العلاجية من مسرعات الجسيمات الخطية. في المجتمع الطبي اليوم، لا يزال يُحترم العرف القائل بأن الإشعاع الناتج عن التحلل النووي هو النوع الوحيد المشار إليه باسم إشعاع "جاما".

بسبب هذا التداخل الواسع في نطاقات الطاقة، في الفيزياء يتم الآن تعريف النوعين من الإشعاع الكهرومغناطيسي غالبًا من خلال أصلهما: تصدر الأشعة السينية بواسطة الإلكترونات (إما في مدارات خارج النواة، أو أثناء تسريعها لإنتاج إشعاع من نوع الكبح )، [37] بينما تصدر أشعة جاما بواسطة النواة أو عن طريق اضمحلالات الجسيمات الأخرى أو أحداث الفناء. لا يوجد حد أدنى لطاقة الفوتونات الناتجة عن التفاعلات النووية، وبالتالي فإن الفوتونات فوق البنفسجية أو ذات الطاقة المنخفضة الناتجة عن هذه العمليات تُعرف أيضًا باسم "أشعة جاما" (في الواقع، يحدث هذا للانتقال المتماثل للمتماثل منخفض الطاقة للغاية 229m Th ). [38] اتفاقية التسمية الوحيدة التي لا تزال محترمة عالميًا هي القاعدة التي تنص على أن الإشعاع الكهرومغناطيسي المعروف أنه من أصل نووي ذري يُشار إليه دائمًا باسم "أشعة جاما"، وليس أبدًا باسم الأشعة السينية. ومع ذلك، في الفيزياء وعلم الفلك، فإن الاتفاقية العكسية (التي تنص على أن جميع أشعة جاما تعتبر ذات أصل نووي) يتم انتهاكها في كثير من الأحيان.

في علم الفلك، يتم تعريف أشعة جاما والأشعة السينية ذات الطاقة الأعلى بالطاقة، حيث أن العمليات التي تنتجها قد تكون غير مؤكدة وطاقة الفوتون، وليس الأصل، هي التي تحدد أجهزة الكشف الفلكية المطلوبة. [39] تحدث الفوتونات عالية الطاقة في الطبيعة والتي من المعروف أنها تنتج عن عمليات أخرى غير الاضمحلال النووي ولكن لا يزال يشار إليها باسم إشعاع جاما. ومن الأمثلة على ذلك "أشعة جاما" من تفريغات البرق عند 10 إلى 20 ميجا إلكترون فولت، والمعروف أنها تنتج عن آلية إشعاع الكبح.

هناك مثال آخر وهو انفجارات أشعة جاما، والتي من المعروف الآن أنها تنتج عن عمليات قوية للغاية بحيث لا تنطوي على مجموعات بسيطة من الذرات التي تخضع للتحلل الإشعاعي. وهذا جزء لا يتجزأ من الإدراك العام بأن العديد من أشعة جاما المنتجة في العمليات الفلكية لا تنتج عن التحلل الإشعاعي أو فناء الجسيمات، بل عن عمليات غير مشعة تشبه الأشعة السينية. [ بحاجة لتوضيح ] على الرغم من أن أشعة جاما في علم الفلك تأتي غالبًا من أحداث غير مشعة، إلا أنه من المعروف أن بعض أشعة جاما في علم الفلك تنشأ على وجه التحديد من تحلل جاما للأنوية (كما يتضح من أطيافها ونصف عمر انبعاثها). ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك المستعر الأعظم SN 1987A ، الذي يصدر "توهجًا لاحقًا" من فوتونات أشعة جاما من تحلل النيكل 56 والكوبالت 56 المشعين حديثًا . ومع ذلك، تنشأ معظم أشعة جاما في علم الفلك من خلال آليات أخرى.

في الممارسة العملية، تتداخل طاقات أشعة جاما مع نطاق الأشعة السينية، وخاصة في المنطقة ذات التردد الأعلى والتي يشار إليها بالأشعة السينية "الصلبة". ويتبع هذا التصوير الاتفاقية القديمة للتمييز حسب الطول الموجي.

انظر أيضا

ملاحظات توضيحية

  1. ^ من المفهوم الآن أن التحول النووي المتماثل يمكن أن ينتج تحلل غاما مثبطًا بنصف عمر قابل للقياس وأطول بكثير.

مراجع

  1. ^ فيلارد ، ب. (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.
  2. ^ L'Annunziata, Michael F. (2007). النشاط الإشعاعي: المقدمة والتاريخ . أمستردام، هولندا: Elsevier BV. ص 55-58. ISBN 978-0-444-52715-8.
  3. ^ أطلق رذرفورد اسم أشعة جاما على الصفحة 177 من كتاب رذرفورد، إي. (1903). "الانحراف المغناطيسي والكهربائي للأشعة التي يتم امتصاصها بسهولة من الراديوم". المجلة الفلسفية . 6. 5 (26): 177–187. doi :10.1080/14786440309462912.
  4. ^ ab "الأشعة والجسيمات". Galileo.phys.virginia.edu . تم الاسترجاع في 2013-08-27 .
  5. ^ Fishman, GJ; Bhat, PN; Mallozzi, R.; Horack, JM; Koshut, T.; Kouveliotou, C.; Pendleton, GN; Meegan, CA; Wilson, RB; Paciesas, WS; Goodman, SJ; Christian, HJ (27 مايو 1994). "اكتشاف ومضات أشعة جاما الشديدة ذات الأصل الجوي" (PDF) . العلوم . 264 (5163): 1313–1316. رمز Bibcode :1994STIN...9611316F. doi :10.1126/science.264.5163.1313. hdl : 2060/19960001309 . PMID  17780850. S2CID  20848006. مؤرشف من الأصل (PDF) في 10 مارس 2012. تم الاسترجاع في 28 أغسطس 2015 .
  6. ^ فان دوملين، ليون. “مسودة 14.20: اضمحلال جاما”. ميكانيكا الكم للمهندسين . كلية الهندسة FAMU-FSU . تم الاسترجاع بتاريخ 2023-02-19 .
  7. ^ هوفيرت، مانفريد؛ هوهتينين، م؛ وآخرون (17 أكتوبر 1996). اعتبارات الحماية من الإشعاع في تصميم مصادم الهدرونات الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية. الاجتماع الموضوعي للجمعية الأمريكية للفيزياء الصحية حول الفيزياء الصحية للآلات المولدة للإشعاع، سان خوسيه، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، 5 - 8 يناير 1997. ص 343-352. CERN-TIS-96-014-RP-CF.
  8. ^ Gonoskov, A.; Bashinov, A.; Bastrakov, S.; Efimenko, E.; Ilderton, A.; Kim, A.; Marklund, M.; Meyerov, I.; Muraviev, A.; Sergeev, A. (2017). "Ultrabright GeV Photon Source via Controlled Electromagnetic Cascades in Laser-Dipole Waves". Physical Review X. 7 ( 4): 041003. arXiv : 1610.06404 . Bibcode :2017PhRvX...7d1003G. doi :10.1103/PhysRevX.7.041003. S2CID  55569348.
  9. ^ سميث، جوزيف؛ ديفيد م. سميث (أغسطس 2012). "الأشعة القاتلة من السحب". مجلة ساينتفك أمريكان . المجلد 307، العدد 2. ص 55-59. رمز المكتبة : 2012SciAm.307b..54D. doi : 10.1038/scientificamerican0812-54.
  10. ^ Chupp, EL; Forrest, DJ; Higbie, PR; Suri, AN; Tsai, C.; Dunphy, PP (1973). "خطوط أشعة جاما الشمسية التي لوحظت أثناء النشاط الشمسي من 2 أغسطس إلى 11 أغسطس 1972". مجلة نيتشر . 241 (5388): 333–335. رمز Bibcode :1973Natur.241..333C. doi :10.1038/241333a0. S2CID  4172523.
  11. ^ "ناسا - في لمح البصر ناسا تساعد في حل لغز كوني عمره 35 عامًا". www.nasa.gov . تم الاسترجاع في 2023-02-19 .
  12. ^ "طبقة نصف القيمة". مركز جامعة ولاية آيوا للتقييم غير المدمر . تم استرجاعه في 2024-05-10 .
  13. ^ "إجابة السؤال رقم 8929 تم تقديمها إلى "اسأل الخبراء"". جمعية الفيزياء الصحية . تم استرجاعها في 2024-05-10 .
  14. ^ بوك، ر.ك. وآخرون. (2008-06-27). "أشعة جاما عالية الطاقة للغاية من كوازار بعيد: ما مدى شفافية الكون؟". ساينس . 320 (5884): 1752–1754. أركسيف : 0807.2822 . رمز Bibcode : 2008Sci...320.1752M. doi : 10.1126/science.1157087. ISSN  0036-8075. PMID  18583607. S2CID  16886668.
  15. ^ دومينغيز، ألبرتو؛ وآخرون (2015-06-01). "كل الضوء الذي كان موجودًا على الإطلاق". مجلة ساينتفك أمريكان . المجلد 312، العدد 6. ص 38-43. ISSN  0036-8075.
  16. ^ Beigzadeh, AM (2019). "تصميم وتحسين مقياس كثافة أشعة جاما البسيط وسهل الاستخدام للتطبيق في صناعة الأخشاب". قياس . 138 : 157–161. رمز Bibcode :2019Meas..138..157B. doi :10.1016/j.measurement.2019.02.017. S2CID  115945689.
  17. ^ فلاهاتي، م. (2018). "تصميم ونمذجة وبناء مقياس نووي مستمر لقياس مستويات السوائل". مجلة الأجهزة . 13 (2): 02028. رمز Bibcode : 2018JInst..13P2028F. doi : 10.1088/1748-0221/13/02/P02028. S2CID  125779702.
  18. ^ ab Valentin, J.; International Commission on Radiological Protection, eds. (2007). The 2007 recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP publication. Oxford: Elsevier. ISBN 978-0-7020-3048-2.
  19. ^ Rothkamm, K; Löbrich, M (2003). "دليل على عدم وجود إصلاح كسر السلسلة المزدوجة للحمض النووي 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. 
  20. ^ أب جراوبنر ، 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 بمعدل جرعة منخفضة ذات صلة بالإنسان يعتبر سامًا للجينات في الفئران”. التقارير العلمية . 6 (1): 32977. بيب كود :2016NatSR...632977G. دوى :10.1038/srep32977. ISSN  2045-2322. بمك 5011728 . بميد  27596356. 
  21. ^ روزن، إليوت؛ كريندوشكين، دميتري؛ أريال، بايكونثا؛ جونزاليس، يانيرا؛ شهاب، لينا؛ ديكي، جينيفر؛ راو، ف. أشوتوش (2020-06-04). "الإشعاع المؤين جاما الحاد لكامل الجسم يسبب آثارًا ضارة طويلة المدى وتغيرات فورية في كربونيل أكسدة البروتين القلبي في الفئران". PLOS ONE . 15 (6): e0233967. Bibcode :2020PLoSO..1533967R. doi : 10.1371/journal.pone.0233967 . ISSN  1932-6203. PMC 7272027. PMID 32497067  . 
  22. ^ "تقارير النشاط الإشعاعي في الغذاء والبيئة (RIFE)". GOV.UK . تم الاسترجاع في 2023-02-19 .
  23. ^ اللجنة العلمية للأمم المتحدة المعنية بآثار الإشعاع الذري، الملحق هـ: التعرض للإشعاع الطبي – مصادر وتأثيرات التأين – 1993، ص 249، نيويورك، الأمم المتحدة.
  24. ^ Pattison, JE; Hugtenburg, RP; Green, S. (2009). "تعزيز جرعة أشعة جاما الخلفية الطبيعية حول الجسيمات الدقيقة لليورانيوم في جسم الإنسان". مجلة واجهة الجمعية الملكية . 7 (45): 603-611. doi :10.1098/rsif.2009.0300. PMC 2842777. PMID  19776147 . 
  25. ^ المجلس الوطني الأمريكي للحماية من الإشعاع والقياسات – تقرير المجلس الوطني للحماية من الإشعاع والقياسات رقم 93 – ص 53-55، 1987. بيثيسدا، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية، المجلس الوطني للحماية من الإشعاع والقياسات
  26. ^ "حسابات الجرعة الإشعاعية الكلية لـ PET/CT" (PDF) . مؤرشف من الأصل (PDF) في 2013-01-23 . تم الاسترجاع في 2011-11-08 .
  27. ^ ريان جيه إل (مارس 2012). "الإشعاع المؤين: الجيد والسيئ والقبيح". مجلة الأمراض الجلدية الاستقصائية . 132 (3 جزء 2): 985-993. doi :10.1038/jid.2011.411. PMC 3779131. PMID 22217743  . 
  28. ^ "التعرض للإشعاع - الجرعة ومعدل الجرعة (جراي وسيفيرت)". Ionactive . 2022-12-13 . تم الاسترجاع في 2024-07-27 .
  29. ^ Rodgerson, DO; Reidenberg, BE; Harris, Ag; Pecora, AL (2012). "إمكانية استخدام الخلايا الجذعية متعددة القدرات لعلاج مرض الإشعاع الحاد". مجلة الطب التجريبي العالمية . 2 (3): 37–44. doi : 10.5493/wjem.v2.i3.37 . PMC 3905584. PMID  24520532 . 
  30. ^ كارديس، إي (9 يوليو 2005). "خطر الإصابة بالسرطان بعد جرعات منخفضة من الإشعاع المؤين: دراسة مجموعة استعادية في 15 دولة". المجلة الطبية البريطانية . 331 (7508): 77–0. doi :10.1136/bmj.38499.599861.E0. PMC 558612. PMID  15987704 . 
  31. ^ "CGRO SSC >> EGRET Detection of Gamma Rays from the Moon". Heasarc.gsfc.nasa.gov. 2005-08-01 . تم الاسترجاع في 2011-11-08 .
  32. ^ ab Dendy, PP; B. Heaton (1999). Physics for Diagnostic Radiology. الولايات المتحدة: CRC Press. ص. 12. ISBN 0-7503-0591-6.
  33. ^ تشارلز هودجمان، محرر (1961). دليل CRC للكيمياء والفيزياء، الطبعة 44. الولايات المتحدة: شركة المطاط الكيميائي، ص 2850.
  34. ^ فاينمان، ريتشارد؛ روبرت ليجتون؛ ماثيو ساندز (1963). محاضرات فاينمان في الفيزياء، المجلد الأول . الولايات المتحدة: أديسون ويسلي. ص 2-5. رقم ISBN 0-201-02116-1.
  35. ^ لانونزياتا، مايكل؛ محمد البرادعي (2003). دليل تحليل النشاط الإشعاعي. أكاديميك بريس. ص 58. ISBN 0-12-436603-1.
  36. ^ جروبن، كلاوس؛ ج. كوان؛ إس دي إيدلمان؛ ت. ستروه (2005). فيزياء الجسيمات الفلكية . سبرينغر. ص. 109. رقم ISBN 3-540-25312-2.
  37. ^ "إشعاع الكبح" هو "إشعاع كبح"، ولكن "التسارع" يُستخدم هنا بالمعنى المحدد لانحراف الإلكترون عن مساره: Serway, Raymond A; et al. (2009). College Physics . Belmont, CA: Brooks Cole. p. 876. ISBN 978-0-03-023798-0.
  38. ^ Shaw, RW; Young, JP; Cooper, SP; Webb, OF (1999). "الانبعاث التلقائي 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.
  39. ^ "تلسكوبات وأجهزة كشف أشعة جاما". مركز أبحاث جاما التابع لوكالة ناسا . تم الاسترجاع في 2011-11-22 .
استمع إلى هذه المقالة ( 31 دقيقة )
أيقونة ويكيبيديا المنطوقة
تم إنشاء ملف الصوت هذا من نسخة معدلة لهذه المقالة بتاريخ 16 أغسطس 2019 ، ولا يعكس التعديلات اللاحقة. (2019-08-16)
( مساعدة صوتية  · المزيد من المقالات المنطوقة )
  • مرجع أساسي حول عدة أنواع من الإشعاع أرشيف 2018-04-25 على موقع واي باك مشين
  • الأسئلة والأجوبة حول الإشعاع
  • معلومات عن شهادة الثانوية العامة
  • معلومات عن الإشعاع محفوظ في 11 يونيو 2010 على موقع Wayback Machine
  • انفجارات أشعة جاما
  • بحث البيانات النووية في لوند/LBNL – يحتوي على معلومات حول طاقات أشعة جاما من النظائر.
  • رسم خرائط التربة باستخدام أجهزة الكشف المحمولة جواً أرشيف 2010-11-11 على موقع واي باك مشين
  • مخطط مباشر للنويدات – الوكالة الدولية للطاقة الذرية مع مرشح لطاقة أشعة جاما
  • الموقع الإلكتروني للتعليم العام لجمعية الفيزياء الصحية
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Gamma_ray&oldid=1252559001"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate