Raggi gamma: differenze tra le versioni
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{{Nd|il singolo di Sangiovanni|Raggi gamma (singolo)}}
In [[fisica nucleare]] un '''raggio gamma''' (γ) è una forma penetrante di [[radiazione elettromagnetica]] derivante dal [[decadimento radioattivo]] dei [[nucleo atomico|nuclei atomici]]. È costituito dalle onde elettromagnetiche a lunghezza d'onda più corta, anche di quella dei [[raggi X]], e impartisce la più alta [[Energia del fotone|energia fotonica]].
Sono onde ad alta energia capaci di danneggiare le [[molecole]] che compongono le [[cellule]], portandole a sviluppare [[Mutazione genetica|mutazioni genetiche]] o addirittura alla [[Apoptosi|morte]]. Sulla [[Terra]] possiamo osservare sorgenti naturali di raggi gamma sia nel decadimento dei [[radionuclidi]], sia nelle interazioni dei [[raggi cosmici]] con l'[[atmosfera]]; più raramente anche i fulmini producono questa radiazione.
== Storia e scoperta ==
[[File:Ernest Rutherford 1905.jpg|thumb|upright=1.6|Ernest Rutherford all'università McGill nel 1905]]
Le prime sorgenti di raggi gamma furono osservate nel decadimento gamma, processo in cui un nucleo eccitato decade emettendo questa radiazione appena dopo la formazione. Il primo a osservarli fu [[Paul Ulrich Villard|Paul Villard]], chimico e fisico francese, nel 1900 mentre studiava la radiazione emessa dal [[radio (elemento chimico)|radio]]. Villard capì che questa radiazione era più penetrante delle altre osservate nel radio, come i [[raggi beta]] (osservati da [[Antoine Henri Becquerel|Henri Becquerel]] nel 1896) o i [[raggi alfa]] (osservati da [[Ernest Rutherford]] nel 1899). Villard comunque non nominò questa radiazione con un nome differente<ref>{{cita pubblicazione|titolo=Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium|rivista=Comptes rendus|volume=130|pp=1010-1012|anno=1900|nome=P. Villard|url=https://books.google.com/books?id=W1oDAAAAYAAJ&pg=PA1179}}</ref><ref>Michael F. L'Annunziata, ''Radioactivity: introduction and history'', Elsevier BV, Amsterdam 2007, Olanda, pp.55–58, ISBN 978-0-444-52715-8</ref>.
La radiazione gamma fu riconosciuta come una differente radiazione fondamentale da Rutherford nel 1903 e venne così chiamata con la terza lettera dell'alfabeto greco, che segue alfa e beta<ref>{{Cita pubblicazione|autore= E. Rutherford|data= 1903|titolo= ''The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium''|rivista= Philosophical Magazine|volume= 5|pp= 177-187|doi=10.1086/318321}}</ref>. Oltre alla maggiore capacità penetrante dei raggi gamma, Rutherford notò anche che quest'ultimi non venivano deflessi dal [[campo magnetico]]. Inizialmente i raggi gamma vennero pensati come particelle (Rutherford stesso pensava si trattasse di [[particelle beta]] molto veloci), ma varie osservazioni, come la [[riflessione (fisica)|riflessione]] sulla superficie di un cristallo (1914)<ref name="RaP">{{Cita web|url=http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/rays_and_particles.html|titolo=Rays and Particles|accesso=27 agosto 2013}}</ref>, dimostrarono che si trattava di una [[radiazione elettromagnetica]].<ref name=RaP />
Rutherford e il suo collaboratore [[Edward Andrade]] misurarono per primi la [[lunghezza d'onda]] dei raggi gamma emessi dal radio, ottenendo valori inferiori a quelli dei raggi beta, perciò una più alta [[frequenza]]. I raggi gamma nei decadimenti nucleari vengono emessi sotto forma di singolo [[fotone]].
== Caratteristiche e proprietà ==
[[File:Moon egret.jpg|thumb|La [[Luna]] vista dal [[Compton Gamma Ray Observatory]] con raggi gamma di oltre 20 MeV. Questi sono prodotti dai bombardamenti di raggi cosmici sulla sua superficie<ref>{{Cita web|url=https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/news/gammoon.html |titolo=CGRO SSC >> EGRET Detection of Gamma Rays from the Moon |editore=Heasarc.gsfc.nasa.gov |data=1º agosto 2005 |accesso=8 novembre 2011}}</ref>.]]
Normalmente, la [[frequenza]] di questa radiazione è maggiore di 10<sup>18</sup> Hz, dunque possiede un'energia oltre i 10 [[keV]] ed una [[lunghezza d'onda]] minore di ~ 10<sup>−10</sup> m (< a 10 nm), molto inferiore al diametro di un [[atomo]].<ref>{{Cita web|url=https://www.treccani.it/enciclopedia/raggi-gamma/#:~:text=Radiazione%20elettromagnetica%20di%20elevatissima%20frequenza,maggiori%20di%20circa%2010%20keV.|titolo=gamma, raggi - Enciclopedia|sito=Treccani|lingua=it|accesso=2024-10-01}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.chimica-online.it/download/raggi-gamma.htm|titolo=Raggi gamma|sito=www.chimica-online.it|accesso=2024-10-01}}</ref>
Sono state studiate anche interazioni che coinvolgevano raggi gamma di energia da TeV a PeV<ref>
{{Cita pubblicazione|autore= M. Ahlers e K. Murase|data= 2014|titolo=Probing the Galactic origin of the IceCube excess with gamma rays|pp=1-14|doi=10.1086/318321}}</ref>. In [[astronomia]] i raggi gamma sono definiti in base alla loro energia ed esistono raggi gamma anche di più di 10 [[TeV]], una frequenza maggiore di quella proveniente da qualsiasi [[decadimento radioattivo]]<ref>
{{Cita pubblicazione|autore= F. Aharonian|etal=sì|data= 2001|titolo=The TeV Energy Spectrum of Markarian 501 Measured with the Stereoscopic Telescope System of HEGRA during 1998 and 1999|rivista=The Astrophysical Journal|volume= 546|pp= 898-902|doi=10.1103/PhysRevD.90.023010}}</ref>.
I raggi gamma sono più penetranti della radiazione prodotta dalle altre forme di decadimento radioattivo, ovvero [[decadimento alfa]] e [[decadimento beta]], a causa della minor tendenza a interagire con la materia. La radiazione gamma è composta da [[fotoni]]: questa è una differenza sostanziale dalla [[radiazione alfa]] che è composta da [[nucleo atomico|nuclei]] di [[elio]] e dalla [[radiazione beta]] che è composta da [[elettroni]]; i [[fotoni]], non essendo dotati di massa, sono meno [[ione|ionizzanti]]. A queste frequenze, la descrizione dei fenomeni delle interazioni fra [[campo elettromagnetico]] e materia non può prescindere dalla [[meccanica quantistica]]: in quest'ultima, i [[fotoni|quanti]] trasportano un'[[energia]] pari a:
:<math>E_\gamma = h \nu</math>
dove <math>h</math> è la [[costante di Planck]] pari a {{M|6,62617|e=-34|u=J s}}.<ref>{{cita libro | nome1=C. | cognome1=Mencuccini | nome2=V. | cognome2=Silvestrini | titolo=''Fisica II - Elettromagnetismo e Ottica'' | anno= Quarta edizione italiana 2006| editore= Liguori Editore}}</ref>
I raggi gamma si distinguono dai [[raggi X]] per la loro origine: i gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, mentre i [[raggi X]] sono prodotti da transizioni energetiche dovute a [[elettroni]] che da livelli energetici quantizzati esterni vanno in livelli energetici liberi più interni. Poiché è possibile per alcune transizioni elettroniche superare le energie di alcune transizioni nucleari, la frequenza di [[raggi X]] più energetici può essere maggiore di quella di raggi gamma meno energetici. Di fatto però entrambi sono onde elettromagnetiche, così come lo sono le onde radio e la luce.
Le emissioni di raggi gamma rivestono interesse scientifico presso gli [[acceleratore di particelle|acceleratori]] naturali di particelle, quali possono essere i resti di [[supernova|supernove]] ad alta energia, sistemi binari composti da stelle normali e oggetti compatti quali [[Stella di neutroni|stelle di 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 è stato avviato l'esperimento [[Gamma-ray Large Area Space Telescope|GLAST]], un telescopio orbitante sensibile alle radiazioni gamma. Oltre a GLAST, esistono diversi osservatori terrestri [[effetto Čerenkov|Čerenkov]] che sono in grado di captare in maniera indiretta raggi gamma di energie elevatissime, ancora più elevate di quelle che può rilevare GLAST, che provengono dalle regioni più attive dell'[[universo]].
==Schermatura==
La schermatura dei raggi γ richiede materiali molto più spessi di quelli necessari per schermare particelle [[particella α|α]] e [[particella β|β]] che possono essere bloccate da un semplice foglio di carta (α) o da una lastra sottile metallica (β). I raggi gamma vengono assorbiti meglio dai materiali con un alto [[numero atomico]] e con alta [[densità]]: infatti, se per ridurre del 50% l'intensità di un raggio gamma occorre 1 cm di [[piombo]], lo stesso effetto si ha con 6 cm di cemento o 9 cm di terra pressata. I materiali per la schermatura sono in genere misurati in base allo spessore richiesto per dimezzare l'intensità della radiazione. Ovviamente maggiore è l'energia dei [[fotoni]], maggiore è lo spessore della schermatura richiesta. Occorrono quindi schermi spessi per la protezione degli esseri umani, poiché i raggi gamma e i [[raggi X]] producono effetti come [[Ustione|ustioni]], [[tumore|forme di cancro]] e [[mutazione|mutazioni genetiche]]. Ad esempio nelle [[centrali nucleari]] per la schermatura si usano l'acciaio e il cemento nel recipiente di contenimento e l'acqua fornisce una schermatura dalla radiazione prodotta durante la conservazione delle [[Combustibile nucleare|barre di combustibile]].
== Interazioni con la materia ==
[[File:CNO Cycle.svg|thumb|upright=1.4|Ciclo CNO]]
Quando un raggio gamma attraversa la materia, la probabilità di assorbimento è proporzionale allo spessore dello strato, alla [[densità]] del materiale e alla sezione trasversale di assorbimento. Si osserva che l'assorbimento totale ha un'intensità esponenzialmente decrescente con la distanza dalla superficie di incidenza:
:<math>I(x) = I_0 \cdot e ^{-\mu x}</math>
dove x è lo spessore del materiale della superficie incidente, μ=''n''σ è il [[coefficiente di assorbimento]], misurata in cm<sup>-1</sup>, ''n'' è il numero di [[atomi]] per cm<sup>3</sup> (densità atomica) e σ è la [[sezione d'urto]] totale misurata in cm<sup>2</sup>.
In termini di [[ionizzazione]], la radiazione gamma interagisce con la [[Materia (fisica)|materia]] in tre modi principali: l'[[effetto fotoelettrico]], l'[[scattering Compton|effetto Compton]] e la [[produzione di coppia|produzione di coppie elettrone-positrone]].
'''[[Effetto fotoelettrico]]''': avviene quando un [[fotone]] gamma interagisce con un [[elettrone]], tendenzialmente interno, orbitante attorno a 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. L'[[effetto fotoelettrico]] è il meccanismo principale per l'interazione dei [[fotoni]] gamma e X al di sotto dei 50 [[Chiloelettronvolt|keV]] (migliaia di [[elettronvolt]]), ma è 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. Questo è il meccanismo principale per l'assorbimento dei raggi gamma nell'intervallo di energie "medie", tra 100 [[keV]] e 10 [[MeV]], 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 atomico|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]] ha vita breve: si ricombina entro 10<sup>−8</sup> [[secondo|secondi]] con un [[elettrone]] libero, dando vita a una coppia di [[fotoni]] gamma con un'energia da 0,51 MeV ciascuno emessi a 180° in modo da soddisfare il principio di conservazione della [[quantità di moto]]. La ricombinazione di particella e antiparticella si chiama [[annichilazione]]. Questo meccanismo diventa possibile con energie maggiori di 1,02 [[MeV]] e diventa un importante meccanismo di assorbimento con energie maggiori di 5 [[MeV]].
Gli [[elettroni]] secondari prodotti in uno di questi tre meccanismi spesso hanno abbastanza energia per ionizzare anch'essi. In più i raggi gamma, specialmente quelli ad alta energia, possono interagire con i nuclei atomici emettendo particelle ([[fotodisintegrazione]]) o eventualmente producendo [[fissione nucleare]] (fotofissione).
La formula dell’attenuazione precedente è valida se è possibile trascurare che un [[fotone]], diffuso per [[effetto Compton]], arrivi nel volume di interesse (rivelatore, individuo...) altrimenti va corretta inserendo il fattore di build-up (B):
:<math>I(x) = I_0 \cdot B\cdot e ^{-\mu x}</math>
Il fattore di build-up dipende dall’energia della radiazione incidente, dal tipo di materiale che attraversa e dalla geometria di incidenza.
Il calcolo di questi fattori richiede di risolvere l’[[equazione di Boltzmann]] o l’uso di codici che sfruttano il [[metodo Montecarlo]]<ref>{{cita libro | Maurizio | Pelliccioni | Fondamenti fisici della radioprotezione | 1993 | Pitagora Editrice | Bologna}}</ref>, è tuttavia possibile trovare in letteratura i valori del fattore di Build-up per i casi più comuni<ref>US National Council on Radiation Protection and Measurements – NCRP Report No. 147 2004. Bethesda, Maryland, USA, NCRP</ref>.
==Interazione con la luce==
I raggi gamma ad alta energia (da 80 [[GeV]] a ~10 [[TeV]]) provenienti da [[quasar]] molto distanti vengono usati per stimare la luce extragalattica di fondo indicata spesso con l'[[acronimo]] '''EBL'''. Questa radiazione, da non confondersi con la [[radiazione cosmica di fondo]], è dovuta sia a tutta la radiazione accumulata nell'universo durante la formazione delle stelle sia a causa dei [[Galassia_attiva|nuclei galattici attivi]]. I raggi ad alta energia interagiscono con i [[fotoni]] della luce extragalattica di fondo e dalla stima della loro attenuazione può essere dedotta la [[densità]] di luce di fondo anche analizzando lo spettro dei raggi gamma in arrivo.<ref>
{{Cita pubblicazione|autore=R. K. Bock|data=2008|titolo=Very-High-Energy Gamma Rays from a Distant Quasar: How Transparent Is the Universe?'|rivista=The Astrophysical Journal|volume=320|pp=1752-1754|doi=10.1126/science.1157087|bibcode=2008Sci...320.1752M}}</ref><ref> A. Domínguez et. al. ''All the Light There Ever Was'', Scientific American 312, 38-43 (2015)</ref>
==Convenzioni di denominazioni e sovrapposizioni nella terminologia==
[[File:Radiotherapie.JPG|thumb|left|Un acceleratore lineare utilizzato in radioterapia]]
In passato la distinzione tra [[raggi X]] e raggi gamma era basata sull'energia: veniva considerata raggio gamma una [[radiazione elettromagnetica]] ad alta energia. Tuttavia i moderni [[raggi X]] prodotti da acceleratori lineari per il trattamento del [[neoplasia|cancro]] hanno spesso energia maggiore (dai 4 ai 25 [[Elettronvolt|Mev]]) di quella dei classici raggi gamma prodotti dal [[decadimento nucleare]]. Il [[Tecnezio|tecnezio-99m]], uno dei più comuni [[isotopi]] emettitori di raggi gamma usati nella medicina nucleare, produce radiazione alla stessa energia (140 [[Elettronvolt|keV]]) di una macchina diagnostica a [[raggi X]], ma molto minore di quella dei [[fotoni]] terapeutici di un [[acceleratore lineare]]. Oggi nella comunità medica la convenzione che la radiazione prodotta dal [[decadimento nucleare]] è l'unico tipo di radiazione chiamato gamma è ancora rispettata.
A causa della sovrapposizione degli intervalli energetici oggi in [[fisica]] i due tipi di radiazione sono definiti in base alla loro origine: i [[raggi X]] sono emessi dagli [[elettroni]] (sia da quelli [[orbitale atomico|orbitali]] sia per [[bremsstrahlung]])<ref>{{Cita libro|titolo=College Physics|url=https://archive.org/details/collegephysics00aray|anno=2009|editore=Brooks Cole|città=Belmont, CA|p=[https://archive.org/details/collegephysics00aray/page/n908 876]|isbn=978-0-03-023798-0|cognome1=Serway|nome1=Raymond A}}</ref> mentre i raggi gamma sono prodotti dai [[nucleo atomico|nuclei]], da eventi di decadimento particellare o da eventi di [[annichilazione]]. Poiché non esiste un limite inferiore per l'energia dei fotoni prodotti dalla reazioni di [[decadimento nucleare]], anche gli [[ultravioletti]], ad esempio, potrebbero essere definiti ''raggi gamma''<ref name=Shaw>{{Cita pubblicazione|rivista=Physical Review Letters|volume=82|numero=6|pp=1109-1111|anno=1999 |autore=Webb, O. F., Shaw, R. W., Cooper, S. P., Young, J. P. |titolo=Spontaneous Ultraviolet Emission from <sup>233</sup>Uranium/<sup>229</sup>Thorium Samples |doi = 10.1103/PhysRevLett.82.1109 |bibcode=1999PhRvL..82.1109S}}</ref>. L'unica convenzione di denominazione che è ancora universalmente rispettata è quella che la [[radiazione elettromagnetica]] che sappiamo essere di origine nucleare è sempre definita come 'raggio gamma' e mai come [[raggio X]]. Comunque, in fisica e in astronomia, questa convenzione è spesso infranta.
[[File:Supernova-1987a.jpg|thumb|upright=1.4|Supernova [[SN1987A]]]]
In [[astronomia]] le [[radiazioni elettromagnetiche]] sono definite dall'[[energia]], poiché il processo che le ha prodotte può essere incerto mentre l'energia dei fotoni è determinata dai rilevatori astronomici<ref>{{Cita web|url=http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/how_l2/gamma_detectors.html |titolo=Gamma-Ray Telescopes & Detectors |editore=NASA GSFC |accesso=22 novembre 2011}}</ref>. A causa di questa incertezza per quanto riguarda la provenienza, in [[astronomia]] si parla di raggi gamma anche in seguito a eventi non radioattivi. Invece la [[supernova]] [[SN 1987a]], che emette dei bagliori gamma provenienti dal decadimento del [[Nichel|nichel-56]] e del [[Cobalto|cobalto-56]], è un caso astronomico di evento radioattivo.
Nella letteratura astronomica si tende a scrivere 'raggi-gamma' con un trattino, a differenza dei raggi [[particella α|α]] o [[particella β|β]]. Questa notazione vuole sottolineare l'origine non nucleare della maggior parte dei raggi-gamma astronomici.
== Interazioni biologiche ==
La misura dell'effetto ionizzante dei raggi gamma si misura tramite varie figure di merito.
* La '''Esposizione''' è quanta carica ionizzata viene prodotta, in unità di massa.
** Il [[coulomb]] su [[chilogrammo]] (C/kg) è l'unità di misura nel [[Sistema internazionale di unità di misura]] (SI) dell'esposizione alla radiazione, essa è la quantità di radiazione che serve per creare 1 [[coulomb]] di carica per ogni polarità in 1 [[chilogrammo]] di materia.
**Il röntgen (R) è l'unità di misura nel [[sistema CGS]] per l'esposizione, con cui si rappresenta la quantità richiesta per creare 1 [[Statcoulomb|esu]] di carica per ogni polarità in 1 centimetro cubo di aria secca; 1 röntgen = 2,58x10<sup>-4</sup> C/kg.
*La '''[[Dose assorbita]]''' è quanta energia viene rilasciata dal raggio nella materia, per unità di massa; pertanto, con la dovuta correzione, essa è il parametro più indicativo per misurare i danni di un raggio su materia biologica.
** Il [[Gray_(unità_di_misura)|gray]] (Gy), che equivale a [[joule]] su chilogrammo (J/kg), è l'unità di misura della dose assorbita nel [[Sistema internazionale di unità di misura|SI]], corrisponde alla quantità di radiazione necessaria per depositare 1 joule di energia su 1 [[chilogrammo]] di ogni tipo di materia.
** Il [[Rad (unità_di_misura)|rad]] è un'unità di misura del [[sistema CGS]] obsoleta, numericamente equivale a 0,01 joule su 1 [[chilogrammo]] di materia (100 rad = 1 Gy).
* La '''[[dose equivalente]]''' è un affinamento della Dose, ottenuto moltiplicandola per un fattore adimensionale di pericolosità, in base al tipo di radiazione: per i raggi gamma, esso è 1, mentre è diverso per i [[raggi alfa]]. Le dimensioni della dose equivalente sono le stesse della dose, ma per non confondersi essa si misura con altre unità di misura:
**Il [[sievert]] (Sv) è l'unità di misura della dose equivalente nel [[Sistema internazionale di unità di misura|SI]], per i raggi gamma essendo il fattore di pericolosità pari a uno coincide con la dose assorbita in gray.
** Il rem è un'unità di misura del [[sistema CGS]] obsoleta per la dose equivalente, per i raggi gamma è numericamente equivalente alla dose assorbita in rad; 1 Sv = 100 rem.
*La '''[[dose efficace]]''' è un ulteriore affinamento della dose: poiché i vari tessuti biologici hanno una diversa radiosensibilità, per caratterizzare meglio ancora gli effetti delle radiazioni si moltiplica un ulteriore fattore di rischio che dipende dal tessuto interessato. Le unità di misura sono le stesse: il [[sievert]], ed il rem.<ref>{{Cita libro|autore=prof. Batignani|titolo=Appunti per Fisica3}}</ref>
Per quanto riguarda gli effetti sul corpo, quando la radiazione gamma rompe la molecola del [[DNA]] la cellula può essere in grado di riparare, entro dei limiti, il materiale genetico danneggiato. Uno studio di Rothkamm e Lobrich ha mostrato che questo processo di riparazione funziona bene dopo l'esposizione ad alte dosi, ma è più lento nel caso di brevi esposizioni<ref>
{{Cita pubblicazione|autore= K. Rothkamm, M. Löbrich|data= 2003|titolo=Evidence for a lack of DNA double-strand break repair in human cells exposed to very low x-ray doses|rivista= Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|volume= 100|pp= 5057-5062|doi=10.1073/pnas.0830918100|bibcode = 2003PNAS..100.5057R}}</ref>.
==Decadimento radioattivo==
[[File:Cobalt-60 Decay Scheme.svg|thumb|upright=1.4|Schema di decadimento del [[cobalto]]-60]]
I raggi gamma sono spesso prodotti insieme con altre forme di radiazione come quella alfa e beta. Quando un nucleo emette una [[particella α]] o [[Particella β|β]], il nucleo risultante si trova in uno [[stato eccitato]]. Può passare a un [[livello energetico]] più stabile emettendo un [[fotone]] gamma, nello stesso modo in cui un [[elettrone]] può passare a un livello più basso emettendo un [[fotone]] ottico. Questo processo si chiama "[[decadimento gamma]]".
Un processo di questo genere normalmente ha tempi caratteristici di {{M|e=-12|ul=s}} e può anche avvenire dopo una [[reazione nucleare]] come la [[fissione nucleare|fissione]], la [[fusione nucleare|fusione]] o la cattura di [[neutroni]]. In alcuni casi questi stati eccitati possono essere più stabili della media (vengono definiti stati di eccitazione [[Metastabilità|metastabili]]) e il loro decadimento può richiedere tempi almeno 100 o {{formatnum:1000}} volte maggiori. Questi nuclei eccitati particolarmente longevi sono chiamati [[Isomeria_nucleare|isomeri nucleari]] e il loro decadimento prende il nome di [[transizione isomerica]]. Per alcuni di loro è facile anche la misura del tempo di dimezzamento poiché riescono a restare in questi [[Stato eccitato|stati eccitati]] per minuti, ore, giorni e occasionalmente molto di più. Questi stati sono anche caratterizzati da un elevato [[spin]] nucleare. La velocità del [[decadimento gamma]] è anche rallentata qualora l'energia di eccitazione sia bassa.<ref>{{Cita web|url=http://www.eng.fsu.edu/~dommelen/quantum/style_a/ntgd.html|titolo=Gamma decay review|accesso=29 settembre 2014|dataarchivio=5 aprile 2014|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140405004809/http://www.eng.fsu.edu/~dommelen/quantum/style_a/ntgd.html|urlmorto=sì}}</ref>
Ecco un esempio di produzione di raggi gamma:
Prima un nucleo di [[Cobalto|cobalto-60]] decade in un [[Nichel|nichel-60]] eccitato attraverso il [[decadimento beta]] emettendo un [[elettrone]] a 0,31 [[MeV]]. Poi il [[Nichel|nichel-60]] decade nello stato fondamentale emettendo raggi gamma in successione a 1,17 [[MeV]] seguiti da 1,33 [[MeV]]. Questo è il percorso seguito nel 99,88% dei casi:
:<math>{}^{60}_{27}\hbox{Co}\rightarrow {}^{60}_{28}\hbox{Ni}^{*} + e^- + \bar{\nu}_e</math>
:<math>{}^{60}_{28}\hbox{Ni}^{*}\;\to\;{}^{60}_{28}\hbox{Ni}\;+\gamma</math>
dove ''<math>\bar{\nu}_e</math>'' è l'[[Antineutrino|antineutrino elettronico]]. In alcuni casi lo spettro dell'emissione gamma è abbastanza semplice, mentre in altri casi può essere anche molto complesso.
==Sorgenti di raggi gamma non nucleari==
I [[fotoni]] provenienti da sorgenti [[Astrofisica|astrofisiche]] che trasportano un'energia presente nell'intervallo gamma vengono chiamati radiazione-gamma. Questi sono spesso prodotti da [[Particella (fisica)|particelle]] subatomiche o da interazioni particella-[[fotone]] come, ad esempio, dall'annichilazione [[elettrone]]-[[positrone]], dal decadimento neutrale del [[pione]], dal [[bremsstrahlung]] e/o dalla [[radiazione di sincrotrone]].
[[File:Antimatter Explosions.ogv|thumb|upright=2|I puntini rossi indicano alcuni dei ~ 500 lampi terrestri di raggi gamma quotidianamente rivelati dal Fermi Gamma-ray Space Telescope fino al 2010]]
*'''Temporali terrestri''': i temporali possono produrre brevi impulsi di radiazione gamma che vengono chiamati "[[Terrestrial Gamma Ray Flash|lampi terrestri]]". Si pensa che questi raggi gamma vengano prodotti dall'alta intensità del campo [[Campo elettrico|elettrostatico]] che accelera gli [[elettroni]] poi rallentati dagli urti con gli altri atomi presenti nell'[[atmosfera]]. I temporali possono generare raggi gamma di intensità fino a 100 [[MeV]]. Questi potrebbero rappresentare un rischio per la salute di passeggeri ed equipaggio a bordo di aerei in volo nelle zone di interesse<ref>
{{Cita pubblicazione|autore= J. Smith, D.M. Smith|data= 2012|titolo= Deadly Rays From Clouds|rivista= Scientific American|volume= 307|pp= 55-59| doi = 10.1038/scientificamerican0812-54}}</ref>.
*[[raggi cosmici]]: nell'[[universo]] i raggi gamma ad alta energia comprendono anche quelli di fondo prodotti quando i raggi cosmici ([[protoni]] o [[elettroni]] ad alta velocità) collidono con la materia ordinaria provocando una [[produzione di coppia]] di radiazione di 511 [[keV]]. Alternativamente, quando i [[raggi cosmici]] interagiscono con [[Nucleo atomico|nuclei]] ad alto [[numero atomico]], si ha [[bremsstrahlung]] che produce energie di decine di [[MeV]].
[[File:Egret all sky gamma ray map from CGRO spacecraft.png|thumb|upright=1.8|left|Immagine dell'intero cielo dei raggi gamma con energie maggiori di 100 MeV come visti dallo strumento EGRET a bordo del telescopio spaziale [[Compton_Gamma_Ray_Observatory|GRO]]. Le macchie luminose sul piano galattico sono [[pulsar]] mentre quelle sopra o sotto si pensa siano [[quasar]].]]
*'''[[Pulsar]] e [[magnetar]]''': i [[pulsar]] sono stelle di [[neutroni]] con un [[campo magnetico]] che produce un fascio concentrato di radiazione. Questi oggetti stellari hanno un [[campo magnetico]] relativamente longevo che produce fasci di particelle cariche a velocità relativistiche; particelle che, impattando con gas o polvere nelle loro immediate vicinanze, vengono decelerate emettendo raggi gamma. Un altro meccanismo di produzione di radiazioni sono le [[magnetar]] (stelle di [[neutroni]] con un [[campo magnetico]] molto intenso) che si pensa rappresentino dei ripetitori astronomici di deboli raggi gamma.
*'''[[Quasar]] e [[Galassia attiva|galassie attive]]''': si pensa che i raggi gamma più intensi, provenienti dai [[quasar]] molto distanti e dalle [[Galassia attiva|galassie attive]] vicine, abbiano un meccanismo di produzione simile a quello degli [[acceleratori di particelle]]. Sembra che i [[Buco nero supermassiccio|buchi neri supermassicci]] presenti al centro di queste galassie rappresentino delle potenti sorgenti che in modo intermittente distruggono le stelle e concentrano le particelle cariche risultanti in fasci che emergono dai loro poli. Quando questi fasci interagiscono con gas, polvere o [[fotoni]] a bassa energia producono [[raggi X]] e raggi gamma. Queste sorgenti fluttuano con un periodo di poche settimane. Questi oggetti rappresentano il meccanismo di produzione di raggi gamma più comunemente visibile al di fuori della nostra [[galassia]] e brillano con relativa continuità. La potenza di un tipico [[quasar]] è di 10<sup>40</sup> [[watt]] di cui solo una piccola frazione è radiazione gamma; il resto viene emesso sotto forma di [[onde elettromagnetiche]] di ogni [[frequenza]] (incluse le [[onde radio]]).
[[File:Gamma ray burst.jpg|thumb|Un'illustrazione artistica che mostra la vita di una stella massiccia. Quando la [[fusione nucleare]] genera una pressione non sufficiente a bilanciare la [[gravità]], la stella collassa rapidamente generando un [[buco nero]]. Teoricamente l'energia può essere rilasciata durante il collasso lungo l'asse di rotazione formando un burst a lunga durata.]]
*'''Esplosioni di raggi gamma''': sono le sorgenti più potenti di ogni tipo di [[radiazione elettromagnetica]]. Quelle a lunga durata sono molto rare rispetto alle sorgenti sopra elencate; al contrario si pensa che quelle a breve durata producano raggi gamma durante la collisione di una coppia di stelle di [[neutroni]] o di una stella di [[neutroni]] e un [[buco nero]]. Queste ultime durano un paio di secondi o meno e hanno un'energia inferiore a quella delle esplosioni a lunga durata<ref>[https://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/short_burst_oct5.html NASA - In a Flash NASA Helps Solve 35-year-old Cosmic Mystery] Announcement of first close study of a short gamma-ray burst.</ref>.Sono stati osservati anche eventi insoliti, come quelli registrati nel 2011 dal satellite [[Swift Gamma Ray Burst Explorer|Swift]], in cui i burst furono molto intensi e irregolari. Questi eventi sono durati un giorno e sono stati seguiti da mesi di intense emissioni di [[raggi X]].<ref>{{Cita pubblicazione|autore= S. B. Cenko, N. Gehrels|data= giugno 201|titolo=Divoratore di soli, distruttore di mondi|rivista= Le Scienze|volume= 586|pp= 26-33}}</ref>
Le esplosioni dette a "lunga durata" producono un'energia di 10<sup>44</sup> [[joule]] (la stessa energia che il nostro [[Sole]] produce in tutta la sua vita) in un tempo di solo 20-40 secondi. Di questa quantità di energia rilasciata i raggi gamma rappresentano circa il 50%. Le principali ipotesi riguardo a questo meccanismo di esplosione sono lo [[scattering Compton]] e la [[radiazione di sincrotrone]] dovuto a particelle cariche di alta energia. Questi processi si attivano quando particelle cariche relativistiche lasciano l'[[orizzonte degli eventi]] del [[buco nero]] appena formato. Il fascio di particelle viene concentrato per poche decine di [[secondi]] dal [[campo magnetico]] della [[ipernova]] che sta esplodendo. Se il fascio è puntato verso la [[Terra]] e oscilla con una certa intensità può essere rilevato anche a distanze di dieci miliardi di [[anni luce]], molto vicino al bordo dell'[[universo]] visibile.
==Spettroscopia gamma==
Poiché il [[decadimento beta]] è accompagnato dall'emissione di un [[neutrino]], che trasporta una quantità variabile di [[energia]], lo spettro di emissione beta non presenta linee nitide. Questo comporta che non è possibile descrivere i diversi livelli energetici del nucleo usando solo le energie di [[decadimento beta]].
La [[spettroscopia gamma]] è lo studio della transizione energetica di un [[nucleo atomico]], transizione che è generalmente associata all'assorbimento o all'emissione di un raggio gamma. Come nella spettroscopia ottica ([[Principio di Franck-Condon]]), l'assorbimento di un raggio gamma da parte di un nucleo è molto più probabile quando l'energia del raggio è prossima all'energia di transizione. In questo caso si può vedere la risonanza attraverso l'[[effetto Mössbauer]]. In questo effetto, la risonanza per assorbimento gamma può essere ottenuta da nuclei atomici fisicamente immobilizzati in un [[cristallo]]. L'immobilizzazione dell'atomo è necessaria affinché l'energia gamma non venga persa a causa del rinculo. Comunque quando un atomo emette raggi gamma che trasportano sostanzialmente tutta l'energia atomica essa è sufficiente per eccitare fino allo stesso stato energetico un secondo atomo immobilizzato.
== Utilizzi ==
I raggi gamma forniscono molte informazioni riguardo ai fenomeni più energetici dell'[[universo]]. Poiché la gran parte della radiazione viene assorbita dall'[[atmosfera terrestre]], gli strumenti per la rilevazione vengono montati a bordo di palloni ad alta quota o di [[Satellite artificiale|satelliti]], come il [[Fermi Gamma-ray Space Telescope]], fornendoci la nostra unica immagine dell'[[universo]] dei raggi gamma.
[[File:VACIS Gamma-ray Image with stowaways.GIF|upright=1.8|thumb|Raggi gamma usati alla dogana in USA]]
La natura energetica dei raggi gamma li ha resi utili per la sterilizzazione delle apparecchiature mediche, poiché uccidono facilmente i [[batterio|batteri]] attraverso un processo chiamato irradiazione. Questa loro capacità battericida li rende utili anche nella sterilizzazione delle confezioni alimentari.
I raggi gamma sono usati per alcuni esami diagnostici di [[medicina nucleare]], come ad esempio la [[tomografia ad emissione di positroni|tomografia a emissione di positroni]] (PET). Le dosi assorbite in questi casi sono giudicate poco pericolose, a fronte del beneficio portato dalle informazioni che l'esame fornisce. Nella PET viene spesso utilizzato il [[fluorodesossiglucosio]], uno zucchero radioattivo, che emette [[positroni]] che si annichilano con gli [[elettroni]] producendo coppie di raggi gamma che evidenziano il [[Neoplasia|cancro]] (poiché spesso le [[cellule tumorali]] hanno un tasso metabolico più alto dei tessuti circostanti). Il più comune emettitore usato nella medicina è l'[[isomero nucleare]] [[Tecnezio|tecnezio-99m]] poiché emette radiazione dello stesso range energetico dei [[raggi X]] diagnostici. Un'altra procedura medica per il trattamento del cancro è la 'chirurgia a coltello-Gamma' in cui i fasci di raggi gamma vengono indirizzati da angoli diversi per concentrare la radiazione e per minimizzare il danno al tessuto circostante.
I cambiamenti indotti dai raggi gamma possono essere anche usati per alterare le proprietà di pietre semi-preziose, ad esempio per cambiare il [[topazio]] in [[topazio]] blu.
A irradiazione mediante raggi gamma sono anche sottoposte [[cultivar]] di interesse agroalimentare, per indurre [[mutazioni genetiche]] migliorative nel loro [[genoma]]: in questo modo, ad esempio, nel grano si sono ottenute caratteristiche di resistenza alle avversità poi trasfuse per incrocio nella varietà [[Creso (agronomia)|Creso]], a seguito del lavoro dei [[genetista|genetisti]] del Centro della Casaccia [[ENEA|CNEN]], ora [[ENEA]]<ref>{{Cita pubblicazione |autore=A. Bozzini e C. Mosconi|titolo= Creso - a new durum wheat of interesting agronomic features |anno= settembre 1976|rivista= Genetica Agraria|volume= 30|numero= 2|pp= 153-162|url= http://agris.fao.org/agris-search/search/display.do?f=1977/XE/XE77030.xml;XE7663157}}</ref>.
== Valutazione dei rischi ==
In [[Gran Bretagna]] l'esposizione naturale all'aria aperta varia da 0,1 a 0,5 μSv/h con un aumento presso i siti contaminati noti<ref>ENVIRONMENT AGENCY UK [https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/296709/LIT_8790_34c5c5.PDF Radioactivity in Food and the Environment], 2012</ref>. L'esposizione naturale ai raggi gamma va da 1 a 2 mSv all'anno; la radiazione media ricevuta in un anno da un cittadino [[USA]] è di 3,6 mSv<ref>United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Annex E: Medical radiation exposures – Sources and Effects of Ionizing – 1993, p. 249, New York, UN</ref>. La dose aumenta leggermente a causa dell'incremento della radiazione gamma naturale intorno alle particelle di materiale di alto numero atomico presenti nel corpo umano, incremento dovuto all'effetto fotoelettrico.<ref>
{{Cita pubblicazione|autore= J. E. Pattison, R. P. Hugtenburg, S. Green|data= 2009|titolo= ''Enhancement of natural background gamma-radiation dose around uranium microparticles in the human body''|rivista= Journal of the Royal Society Interface|volume= 7|pp= 603-611|doi=10.1098/rsif.2009.0300}}</ref>
In confronto la dose di radiazione di una [[radiografia]] al petto (0,06 mSv) è una frazione della dose annuale naturale<ref>US National Council on Radiation Protection and Measurements – NCRP Report No. 93 – pp 53–55, 1987. Bethesda, Maryland, USA, NCRP</ref>. Una [[Tomografia computerizzata|TC]] al torace emette da 5 a 8 mSv, mentre una [[tomografia a emissione di positroni|PET]] sull'intero corpo emette da 14 a 32 mSv a seconda del protocollo.<ref>{{Cita web |url=http://radiology.rsna.org/content/251/1/166.full.pdf |titolo=PET/CT total radiation dose calculations|accesso=8 novembre 2011 |urlmorto=sì |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20130123140458/http://radiology.rsna.org/content/251/1/166.full.pdf }}</ref> La dose emessa da una [[fluoroscopia]] allo stomaco è molto maggiore, intorno a 50 mSv.
Una singola esposizione a una dose di 1 Sv causa dei lievi cambiamenti nel sangue, mentre una dose di 2,0-3,5 Sv può causare nausea, perdita di capelli, [[emorragie]] e anche la morte in una apprezzabile percentuale dei casi (senza cure mediche dal 10% al 35%). Una dose di 5 Sv<ref>[http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/lethal-dose-ld.html "Lethal dose"], NRC Glossary (October 18, 2011)</ref> (5 Gy) è considerata approssimativamente la LD<math>_{50}</math>(dose letale per il 50% della popolazione esposta) anche con un trattamento medico standard. Una dose superiore a 5 Sv causa una crescente probabilità di morte maggiore al 50%. Un'esposizione di 7,5-10 Sv su tutto il corpo provoca la morte dell'individuo anche se sottoposto a un trattamento medico straordinario come il trapianto di [[midollo osseo]]; tuttavia alcune parti del corpo possono essere esposte anche a dosi maggiori durante particolari terapie ([[radioterapia]]).
Per l'esposizione a basse dosi, ad esempio tra i lavoratori nucleari che ricevono una dose media annuale di 19 mSv, viene stimato che il rischio di morte per cancro aumenti del 2% (esclusa la [[leucemia]]); in confronto il rischio di morte per cancro per i sopravvissuti dei [[bombardamenti atomici di Hiroshima e Nagasaki]] è aumentato del 32%<ref>
{{Cita pubblicazione|autore= E. Cardis|data=2005|titolo=Risk of cancer after low doses of ionising radiation: retrospective cohort study in 15 countries|rivista=BMJ|volume=331|p=77|doi=10.1136/bmj.38499.599861.E0}}</ref>.
== Note ==
<references/>
== Voci correlate ==
* [[Raggi X]]
* [[Astronomia a raggi gamma]]
* [[Raggi cosmici]]
* [[Radiazione cosmica di fondo]]
* [[Lampo gamma]]
* [[Radiazione elettromagnetica]]
* [[Spettro elettromagnetico]]
* [[Gamma-ray Large Area Space Telescope]]
* [[Radiazioni ionizzanti]]
* [[Spettroscopia gamma]]
* [[Effetto Mössbauer]]
* [[Radioattività]]
* [[Buco nero]]
* [[Spettroscopia astronomica]]
* [[Hulk]]
== Altri progetti ==
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== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
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{{Controllo di autorità}}
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[[Categoria:Radioattività]]
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