RADIAÇÃO GAMA (TIPO DE RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA DE ALTA FREQUÊNCIA)

Diagrama mostrando um núcleo se desintegrando pela emissão de um raio gama. Prótons são representados em vermelho e nêutrons em azul.

Um raio gama, também conhecido como radiação gama (símbolo γ), é uma forma penetrante de radiação eletromagnética resultante de interações de alta energia, como o decaimento radioativo de núcleos atômicos ou eventos astronômicos como erupções solares. A radiação gama de baixa energia se sobrepõe à extremidade superior da radiação de raios X; elas se distinguem por suas diferentes origens. Os fótons de raios gama têm energia fotônica na extremidade inferior de 10 keV a 10.000 keV; os raios gama de ultra-alta energia têm energias acima de 10¹¹ keV.

Os raios gama provenientes do decaimento radioativo têm energia na faixa de dez quiloeletronvolts (keV) a 10 megaeletronvolts (MeV), correspondendo aos níveis de energia típicos em núcleos com tempos de vida razoavelmente longos. O espectro de energia dos raios gama pode ser usado para identificar os radionuclídeos em decaimento por meio da espectroscopia gama. Raios gama de altíssima energia, na faixa de 100 a 1000 teraelétronvolts (TeV), foram observados em fontes astronômicas como o microquasar Cygnus X-3.

As fontes naturais de raios gama originadas na Terra resultam principalmente do decaimento radioativo e da radiação secundária proveniente da interação da atmosfera com partículas de raios cósmicos . No entanto, existem outras fontes naturais raras, como os flashes de raios gama terrestres, que produzem raios gama a partir da ação de elétrons sobre o núcleo. Fontes artificiais notáveis de raios gama incluem a fissão nuclear, como a que ocorre em reatores nucleares, e experimentos de física de altas energias, como o decaimento de píons neutros e a fusão nuclear.

As faixas de energia dos raios gama e dos raios X se sobrepõem no espectro eletromagnético, portanto a terminologia para essas ondas eletromagnéticas varia entre as disciplinas científicas. Em alguns campos da física, elas são distinguidas por sua origem: os raios gama são criados pelo decaimento nuclear, enquanto os raios X se originam fora do núcleo. Em astrofísica, os raios gama são convencionalmente definidos como tendo energias de fótons acima de 100 keV e são objeto de estudo da astronomia de raios gama, enquanto a radiação abaixo de 100 keV é classificada como raios X e é objeto de estudo da astronomia de raios X.

Os raios gama são radiação ionizante e, portanto, perigosos para a vida. Podem causar MUTAÇÕES NO DNA, CÂNCER E TUMORES e, em altas doses, queimaduras e SÍNDROME DA RADIAÇÃO AGUDA. Devido ao seu alto poder de penetração, podem danificar a medula óssea e os órgãos internos. Ao contrário dos raios alfa e beta, atravessam facilmente muitos materiais comuns, representando um desafio considerável para a proteção contra radiação, exigindo blindagem feita de materiais densos como chumbo ou concreto. Na Terra, a magnetosfera protege a vida da maioria dos tipos de radiação cósmica letal, com exceção dos raios gama.

HISTÓRIA DA DESCOBERTA

A primeira fonte de raios gama a ser descoberta foi o processo de decaimento radioativo chamado decaimento gama. Nesse tipo de decaimento, um núcleo excitado emite um raio gama quase imediatamente após sua formação. Paul Villard, um químico e físico francês, descobriu a radiação gama em 1900, enquanto estudava a radiação emitida pelo rádio. Villard sabia que a radiação que ele descreveu era mais poderosa do que os tipos de raios do rádio descritos anteriormente, que incluíam os raios beta, inicialmente denominados "radioatividade" por Henri Becquerel em 1896, e os raios alfa, descobertos como uma forma de radiação menos penetrante por Rutherford, em 1899. No entanto, Villard não considerou classificá-los como um tipo fundamental diferente. Mais tarde, em 1903, a radiação de Villard foi reconhecida como sendo de um tipo fundamentalmente diferente dos raios anteriormente denominados por Ernest Rutherford, que chamou os raios de Villard de "raios gama" por analogia com os raios beta e alfa que Rutherford havia diferenciado em 1899. Os "raios" emitidos por elementos radioativos foram nomeados em ordem de seu poder de penetração em vários materiais, usando as três primeiras letras do alfabeto grego: raios alfa como os menos penetrantes, seguidos pelos raios beta e, por fim, os raios gama como os mais penetrantes. Rutherford também observou que os raios gama não eram desviados (ou pelo menos, não eram facilmente desviados) por um campo magnético, outra propriedade que os diferenciava dos raios alfa e beta.

Inicialmente, acreditava-se que os raios gama eram partículas com massa, como os raios alfa e beta. Rutherford acreditava que poderiam ser partículas beta extremamente rápidas, mas o fato de não serem desviadas por um campo magnético indicava que não possuíam carga. Em 1914, observou-se que os raios gama eram refletidos por superfícies de cristais, comprovando que se tratava de radiação eletromagnética. Rutherford e seu colaborador Edward Andrade mediram os comprimentos de onda dos raios gama emitidos pelo rádio e descobriram que eram semelhantes aos raios X, mas com comprimentos de onda mais curtos e, portanto, frequências mais altas. Isso foi posteriormente reconhecido como responsável pela maior energia por fóton, assim que o termo passou a ser amplamente aceito. Entendeu-se então que o decaimento gama geralmente emite um fóton gama.

FONTES

As fontes naturais de raios gama na Terra incluem o decaimento gama de radioisótopos naturais, como o potássio-40, e também a radiação secundária de várias interações atmosféricas com partículas de raios cósmicos. As fontes terrestres naturais que produzem raios gama incluem descargas atmosféricas e flashes de raios gama terrestres, que produzem emissões de alta energia a partir de voltagens naturais de alta energia. Os raios gama são produzidos por uma série de processos astronômicos nos quais elétrons de altíssima energia são gerados. Esses elétrons produzem raios gama secundários pelos mecanismos de bremsstrahlung, espalhamento Compton inverso e radiação síncrotron. Uma grande fração desses raios gama astronômicos é filtrada pela atmosfera terrestre. Fontes artificiais notáveis de raios gama incluem a fissão nuclear, como a que ocorre em reatores nucleares, bem como experimentos de física de altas energias, como o decaimento de píons neutros e a fusão nuclear.

Uma amostra de material emissor de raios gama, usada para irradiação ou geração de imagens, é conhecida como fonte gama. Também é chamada de fonte radioativa, fonte de isótopos ou fonte de radiação, embora esses termos mais gerais também se apliquem a dispositivos emissores de partículas alfa e beta. As fontes gama geralmente são seladas para evitar contaminação radioativa e transportadas com blindagem reforçada.

Decaimento radioativo (decaimento gama): Os raios gama são produzidos durante o decaimento gama, que normalmente ocorre após outras formas de decaimento, como o decaimento alfa ou beta. Um núcleo radioativo pode decair pela emissão de uma partícula α ou β. O núcleo resultante geralmente permanece em um estado excitado. Ele pode então decair para um estado de energia mais baixo emitindo um fóton de raio gama, em um processo chamado decaimento gama.

A emissão de um raio gama de um núcleo excitado normalmente requer apenas 10⁻¹² segundos. O decaimento gama também pode ocorrer após reações nucleares como captura de nêutrons, fissão nuclear ou fusão nuclear. O decaimento gama também é um modo de relaxamento de muitos estados excitados de núcleos atômicos após outros tipos de decaimento radioativo, como o decaimento beta, desde que esses estados possuam o componente necessário de spin nuclear. Quando raios gama, elétrons ou prótons de alta energia bombardeiam materiais, os átomos excitados emitem raios gama "secundários" característicos, que são produtos da criação de estados nucleares excitados nos átomos bombardeados. Essas transições, uma forma de fluorescência gama nuclear, constituem um tópico da física nuclear chamado espectroscopia gama. A formação de raios gama fluorescentes é um subtipo rápido de decaimento gama radioativo.

Em certos casos, o estado nuclear excitado que se segue à emissão de uma partícula beta ou outro tipo de excitação pode ser mais estável do que a média, sendo denominado estado excitado metaestável, se o seu decaimento demorar (pelo menos) de 100 a 1000 vezes mais do que a média de 10⁻¹² segundos. Esses núcleos excitados de vida relativamente longa são denominados isômeros nucleares, e seus decaimentos são denominados transições isoméricas. Tais núcleos possuem meias-vidas mais facilmente mensuráveis, e isômeros nucleares raros são capazes de permanecer em seu estado excitado por minutos, horas, dias ou, ocasionalmente, por períodos muito mais longos, antes de emitir um raio gama. O processo de transição isomérica é, portanto, semelhante a qualquer emissão gama, mas difere por envolver o(s) estado(s) excitado(s) metaestável(is) intermediário(s) do núcleo. Os estados metaestáveis são frequentemente caracterizados por um alto spin nuclear, exigindo uma mudança de spin de várias unidades ou mais com o decaimento gama, em vez de uma transição de unidade única que ocorre em apenas 10 −12 segundos. A taxa de decaimento gama também é reduzida quando a energia de excitação do núcleo é pequena.

Um raio gama emitido por qualquer tipo de estado excitado pode transferir sua energia diretamente para quaisquer elétrons, mas muito provavelmente para um dos elétrons da camada K do átomo, fazendo com que ele seja ejetado desse átomo, em um processo geralmente denominado efeito fotoelétrico (raios gama externos e raios ultravioleta também podem causar esse efeito). O efeito fotoelétrico não deve ser confundido com o processo de conversão interna, no qual um fóton de raio gama não é produzido como partícula intermediária (em vez disso, um "raio gama virtual" pode ser considerado como mediador do processo).

Esquemas de decaimento:

Um exemplo de produção de raios gama devido ao decaimento de radionuclídeos é o esquema de decaimento do cobalto-60, conforme ilustrado no diagrama em anexo. Primeiro, 60O Co decai para estados excitados. 60Ni pela emissão de decaimento beta de um elétron de0,31 MeV. Então o excitado 60O Ni decai para o estado fundamental  emitindo raios gama em sucessão de 1,17 MeV seguidos por1,33 MeV. Este caminho é seguido em 99,88% dos casos:

60Co → 60Ni* + e− + ν e + γ + 1,17 MeV

27          28

60Ni* → 60Ni

28            28                       + γ + 1,33 MeV

Outro exemplo é o decaimento alfa de241

Estou para formar 237 Np; que é seguido por emissão gama. Em alguns casos, o espectro de emissão gama do núcleo filho é bastante simples (por exemplo, 60Co /60Ni) enquanto em outros casos, como com (241

Am/237Np e 192Ir/192Pt), o espectro de emissão gama do Pt é complexo, revelando a existência de uma série de níveis de energia nuclear.

Física de partículas: Os raios gama são produzidos em muitos processos da física de partículas. Tipicamente, os raios gama são produtos de sistemas neutros que decaem por meio de interações eletromagnéticas (em vez de uma interação fraca ou forte). Por exemplo, na aniquilação de um elétron por um pósitron, os produtos usuais são dois fótons de raios gama. Se o elétron e o pósitron que se aniquilam estiverem em repouso, cada um dos raios gama resultantes terá uma energia de aproximadamente 511 keV e uma frequência de aproximadamente 100 Hz.1,24 × 10²⁰ Hz. Por outro lado, raios gama acima de 10²² keV podem interagir com núcleos por meio da produção de pares de um elétron e um pósitron. Da mesma forma, um píon neutro geralmente decai em dois fótons. Muitos outros hádrons e bósons massivos também decaem eletromagneticamente. Experimentos de física de altas energias, como o Grande Colisor de Hádrons, empregam, portanto, blindagem substancial contra radiação. Como as partículas subatômicas geralmente têm comprimentos de onda muito menores do que os núcleos atômicos, os raios gama da física de partículas são geralmente várias ordens de magnitude mais energéticos do que os raios gama do decaimento nuclear. Como os raios gama estão no topo do espectro eletromagnético em termos de energia, todos os fótons de energia extremamente alta são raios gama; por exemplo, um fóton com a energia de Planck seria um raio gama.

Outras fontes: Sabe-se que alguns raios gama em astronomia surgem do decaimento gama, mas a maioria não.

Fótons provenientes de fontes astrofísicas que carregam energia na faixa da radiação gama são frequentemente chamados explicitamente de radiação gama. Além das emissões nucleares, eles são frequentemente produzidos por interações entre partículas subatômicas e partículas-fótons. Essas interações incluem aniquilação elétron-pósitron, decaimento de píons neutros, bremsstrahlung, espalhamento Compton inverso e radiação síncrotron.

Fontes de laboratório: Em outubro de 2017, cientistas de várias universidades europeias propuseram um meio para fontes de fótons de GeV usando lasers como excitadores através de uma interação controlada entre a cascata e o aprisionamento radiativo anômalo.

Tempestades terrestres: Tempestades podem produzir um breve pulso de radiação gama chamado flash de raios gama terrestre. Acredita-se que esses raios gama sejam produzidos por campos elétricos estáticos de alta intensidade que aceleram elétrons, os quais, por sua vez, produzem raios gama por bremsstrahlung ao colidirem e serem desacelerados por átomos na atmosfera. Raios gama de até 100 MeV podem ser emitidos por tempestades terrestres e foram descobertos por observatórios espaciais. Isso aumenta a possibilidade de riscos à saúde de passageiros e tripulantes de aeronaves que voam dentro ou perto de nuvens de tempestade.

Erupções solares: As erupções solares mais efusivas emitem em todo o espectro EM, incluindo raios γ. A primeira observação confiável ocorreu em 1972.

Raios cósmicos: Os raios gama extraterrestres de alta energia incluem a radiação gama de fundo produzida quando raios cósmicos (elétrons ou prótons de alta velocidade) colidem com a matéria comum, produzindo raios gama de pares a 511 keV. Alternativamente, a radiação de bremsstrahlung é produzida a energias de dezenas de MeV ou mais quando elétrons de raios cósmicos interagem com núcleos de número atômico suficientemente alto.

Pulsares e magnetares: O céu de raios gama é dominado pela produção mais comum e de longo prazo de raios gama que emanam de pulsares na Via Láctea. As fontes no restante do céu são principalmente quasares. Acredita-se que os pulsares sejam estrelas de nêutrons com campos magnéticos que produzem feixes de radiação concentrados, e são fontes muito menos energéticas, mais comuns e muito mais próximas (tipicamente observadas apenas em nossa própria galáxia) do que os quasares ou as fontes mais raras de explosões de raios gama. Os pulsares possuem campos magnéticos relativamente duradouros que produzem feixes concentrados de partículas carregadas em velocidade relativística, que emitem raios gama (bremsstrahlung) quando colidem com gás ou poeira em seu meio próximo e são desaceleradas. Este é um mecanismo semelhante à produção de fótons de alta energia em máquinas de radioterapia de megavoltagem. O espalhamento Compton inverso, no qual partículas carregadas (geralmente elétrons) transferem energia para fótons de baixa energia, transformando-os em fótons de maior energia, é outro mecanismo possível de produção de raios gama. O impacto de fótons em feixes de partículas carregadas relativísticas é outro mecanismo possível para a produção de raios gama. Estrelas de nêutrons com campos magnéticos muito intensos (magnetares), que se acredita produzirem repetidores astronômicos de raios gama suaves , são outra fonte de radiação gama alimentada por estrelas com vida útil relativamente longa.

Quasares e galáxias ativas: Acredita-se que os raios gama mais potentes provenientes de quasares muito distantes e galáxias ativas mais próximas tenham uma fonte de produção semelhante a um acelerador de partículas. Elétrons de alta energia produzidos pelo quasar, e sujeitos a espalhamento Compton inverso, radiação síncrotron ou bremsstrahlung, são a provável fonte dos raios gama desses objetos. Acredita-se que um buraco negro supermassivo no centro dessas galáxias forneça a fonte de energia que destrói estrelas intermitentemente e concentra as partículas carregadas resultantes em feixes que emergem de seus polos de rotação. Quando esses feixes interagem com gás, poeira e fótons de baixa energia, produzem raios X e raios gama. Sabe-se que essas fontes flutuam com durações de algumas semanas, sugerindo seu tamanho relativamente pequeno (menos de algumas semanas-luz de diâmetro). Tais fontes de raios gama e raios X são as fontes de alta intensidade mais comumente visíveis fora da Via Láctea. Eles não brilham em rajadas, mas de forma relativamente contínua quando observados com telescópios de raios gama. A potência de um quasar típico é de cerca de 10⁴⁰ watts dos quais uma pequena fração é radiação gama. Grande parte do restante é emitida como ondas eletromagnéticas de todas as frequências, incluindo ondas de rádio.

Explosões de raios gama: As fontes mais intensas de raios gama são também as fontes mais intensas de qualquer tipo de radiação eletromagnética atualmente conhecidas. São as fontes de raios gama de "explosões de longa duração" em astronomia ("longas", neste contexto, significando algumas dezenas de segundos), e são raras em comparação com as fontes discutidas acima. Por outro lado, acredita-se que as explosões de raios gama "curtas" , de dois segundos ou menos, que não estão associadas a supernovas, produzam raios gama durante a colisão de pares de estrelas de nêutrons, ou de uma estrela de nêutrons e um buraco negro.

As chamadas explosões de raios gama de longa duração produzem uma energia total de cerca de 10⁴⁴ joules (tanta energia quanto o Sol produzirá em toda a sua vida), mas em um período de apenas 20 a 40 segundos. Os raios gama representam aproximadamente 50% da energia total emitida. As principais hipóteses para o mecanismo de produção desses feixes de radiação de altíssima intensidade conhecidos são o espalhamento Compton inverso e a radiação síncrotron de partículas carregadas de alta energia. Esses processos ocorrem quando partículas carregadas relativísticas deixam a região do horizonte de eventos de um buraco negro recém-formado durante a explosão de uma supernova. O feixe de partículas, movendo-se a velocidades relativísticas, é focalizado por algumas dezenas de segundos pelo campo magnético da hipernova em explosão. A explosão de fusão da hipernova impulsiona a energética do processo. Se o feixe estreitamente direcionado estiver apontado para a Terra, ele brilha em frequências de raios gama com tal intensidade que pode ser detectado mesmo a distâncias de até 10 bilhões de anos-luz, o que é próximo da borda do universo visível.

PROPRIEDADES

Este diagrama demonstra a constituição de diferentes tipos de radiação ionizante e sua capacidade de penetrar a matéria.
Partículas alfa são bloqueadas por uma folha de papel, enquanto partículas beta são bloqueadas por uma folha de estanho.

A radiação gama é atenuada ao penetrar a matéria. Raios gama podem ser bloqueados por 4 metros de chumbo. Tungstênio e ligas de tungstênio podem bloquear a radiação gama com uma massa muito menor que a do chumbo.

Penetração da matéria: Devido à sua natureza penetrante, os raios gama exigem grandes quantidades de massa de blindagem para serem reduzidos a níveis não prejudiciais às células vivas, ao contrário das partículas alfa, que podem ser bloqueadas por papel ou pele, e das partículas beta, que podem ser bloqueadas por uma fina camada de alumínio. Os raios gama são melhor absorvidos por materiais com alto número atômico (Z) e alta densidade, que contribuem para o poder de frenagem total. Por isso, uma blindagem de chumbo (alto Z) é 20 a 30% mais eficiente contra raios gama do que uma massa equivalente de um material de blindagem de baixo Z, como alumínio, concreto, água ou solo; a principal vantagem do chumbo não está no menor peso, mas sim na sua compactação devido à sua maior densidade. Roupas de proteção, óculos de proteção e respiradores podem proteger contra o contato interno ou a ingestão de partículas emissoras de alfa ou beta, mas não oferecem proteção contra a radiação gama proveniente de fontes externas.

Quanto maior a energia dos raios gama, mais espessa deve ser a blindagem feita do mesmo material. Os materiais para blindagem de raios gama são normalmente medidos pela espessura necessária para reduzir a intensidade dos raios gama pela metade (a camada de meia atenuação ou CMA). Por exemplo, raios gama que requerem 1 cm (0,4 polegadas) de chumbo para reduzir sua intensidade em 50% também terão sua intensidade reduzida pela metade por 4,1 cm de rocha granítica, 6 cm (2,5 polegadas) de concreto ou 9 cm (3,5 polegadas) de solo compactado. No entanto, a massa dessa quantidade de concreto ou solo é apenas 20 a 30% maior do que a do chumbo com a mesma capacidade de absorção.

O urânio empobrecido é por vezes utilizado para blindagem em fontes portáteis de raios gama , devido à menor camada de meia-valor quando comparado ao chumbo (cerca de 0,6 vezes a espessura das fontes comuns de raios gama, ou seja, Irídio-192 e Cobalto-60) e ao custo mais baixo comparado ao tungstênio.

Em uma usina nuclear, a blindagem pode ser fornecida por aço e concreto no vaso de contenção de pressão e partículas, enquanto a água oferece proteção contra radiação às barras de combustível durante o armazenamento ou transporte para o núcleo do reator. A perda de água ou a remoção de um conjunto de combustível "quente" para o ar resultaria em níveis de radiação muito mais altos do que quando mantido submerso em água.

Interação da matéria: Quando um raio gama atravessa a matéria, a probabilidade de absorção é proporcional à espessura da camada, à densidade do material e à seção de choque de absorção do material. A absorção total apresenta uma diminuição exponencial da intensidade com a distância da superfície de incidência.

I (x) = I0 ⋅ e −μx onde x é a espessura do material a partir da superfície incidente, μ= n σ é o coeficiente de absorção, medido em cm −1 , n o número de átomos por cm 3 do material (densidade atômica) e σ a seção de choque de absorção em cm 2.

Ao passar pela matéria, a radiação gama ioniza através de vários processos diferentes:

1. Efeito fotoelétrico: Este efeito descreve o caso em que um fóton gama interage com um elétron atômico e transfere sua energia para ele, causando a ejeção desse elétron do átomo. A energia cinética do fotoelétron resultante é igual à energia do fóton gama incidente menos a energia que originalmente ligava o elétron ao átomo (energia de ligação). O efeito fotoelétrico é o mecanismo dominante de transferência de energia para fótons de raios X e raios gama com energias abaixo de 50 keV (mil elétron-volts), mas é muito menos importante em energias mais altas.
2. Espalhamento Compton: Esta é uma interação na qual um fóton gama incidente perde energia suficiente para um elétron atômico, causando sua ejeção. O restante da energia do fóton original é emitido como um novo fóton gama de menor energia, cuja direção de emissão é diferente da do fóton gama incidente, daí o termo "espalhamento". A probabilidade de espalhamento Compton diminui com o aumento da energia do fóton. Acredita-se que seja o principal mecanismo de absorção de raios gama na faixa de energia intermediária de 100 keV a 10 MeV. É relativamente independente do número atômico do material absorvente, razão pela qual materiais muito densos, como o chumbo, são apenas ligeiramente melhores blindadores, por unidade de peso, do que materiais menos densos.
3. Produção de pares: Isso se torna possível com energias gama superiores a 1,02 MeV e se torna importante como um mecanismo de absorção em energias acima de 5 MeV. Por meio da interação com o campo elétrico de um núcleo, a energia do fóton incidente é convertida na massa de um par elétron-pósitron. Qualquer energia gama em excesso da massa de repouso equivalente das duas partículas (totalizando pelo menos 1,02 MeV) aparece como energia cinética do par e no recuo do núcleo emissor. No final do alcance do pósitron, ele se combina com um elétron livre, e os dois se aniquilam, e toda a massa desses dois é então convertida em dois fótons gama com energia de pelo menos 0,51 MeV cada (ou maior, de acordo com a energia cinética das partículas aniquiladas).
4. Reação fotonuclear: o raio gama excita o núcleo para um estado de alta energia, que então decai pela ejeção de partículas subatômicas ou fotofissão nuclear.

Os elétrons secundários (e/ou pósitrons) produzidos em qualquer um desses três processos frequentemente possuem energia suficiente para produzir muita ionização por si mesmos.

Interação com a luz: Raios gama de alta energia (de 80 GeV a ~10 TeV) provenientes de quasares distantes são usados para estimar a luz de fundo extragaláctica no universo: os raios de energia mais alta interagem mais facilmente com os fótons da luz de fundo e, portanto, a densidade da luz de fundo pode ser estimada pela análise dos espectros de raios gama incidentes.

Espectroscopia gama: A espectroscopia gama estuda as transições energéticas em núcleos atômicos, geralmente associadas à absorção ou emissão de raios gama. Assim como na espectroscopia óptica, a absorção de raios gama por um núcleo é especialmente provável (ou seja, apresenta picos em uma "ressonância") quando a energia do raio gama é igual à de uma transição energética no núcleo. No caso dos raios gama, essa ressonância é observada na técnica de espectroscopia Mössbauer. No efeito Mössbauer, a absorção ressonante estreita para a absorção gama nuclear pode ser obtida com sucesso pela imobilização física de núcleos atômicos em um cristal. A imobilização dos núcleos em ambas as extremidades de uma interação de ressonância gama é necessária para que nenhuma energia gama seja perdida para a energia cinética dos núcleos em recuo, seja na extremidade emissora ou absorvente de uma transição gama. Essa perda de energia impede a absorção ressonante de raios gama. No entanto, quando os raios gama emitidos carregam essencialmente toda a energia da desexcitação nuclear atômica que os produz, essa energia também é suficiente para excitar o mesmo estado de energia em um segundo núcleo imobilizado do mesmo tipo.

APLICAÇÕES

Os raios gama fornecem informações sobre alguns dos fenômenos mais energéticos do universo; no entanto, são em grande parte absorvidos pela atmosfera terrestre. Instrumentos a bordo de balões de grande altitude e missões de satélite, como o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama, nos proporcionam a única visão do universo em raios gama.

As alterações moleculares induzidas por raios gama também podem ser usadas para modificar as propriedades de pedras semipreciosas, sendo frequentemente utilizadas para transformar topázio branco em topázio azul.

Sensores industriais sem contato comumente usam fontes de radiação gama nas indústrias de refino, mineração, química, alimentícia, de sabões e detergentes e de celulose e papel, para a medição de níveis, densidade e espessuras. Sensores de raios gama também são usados para medir os níveis de fluidos nas indústrias de água e petróleo. Normalmente, estes usam isótopos de Co-60 ou Cs-137 como fonte de radiação.

Nos Estados Unidos, detectores de raios gama estão começando a ser usados como parte da Iniciativa de Segurança de Contêineres (CSI). Anuncia-se que essas máquinas são capazes de escanear 30 contêineres por hora.

A radiação gama é frequentemente usada para matar organismos vivos, em um processo chamado irradiação . Suas aplicações incluem a esterilização de equipamentos médicos (como alternativa a autoclaves ou métodos químicos), a remoção de bactérias causadoras de deterioração em diversos alimentos e a prevenção da germinação de frutas e vegetais para manter o frescor e o sabor.

Apesar de suas propriedades cancerígenas, os raios gama também são usados para tratar alguns tipos de câncer, pois também destroem as células cancerígenas. No procedimento chamado radiocirurgia estereotáxica (Gamma Knife), múltiplos feixes concentrados de raios gama são direcionados ao tumor para destruir as células cancerígenas. Os feixes são direcionados de diferentes ângulos para concentrar a radiação no tumor, minimizando os danos aos tecidos circundantes.

Os raios gama também são usados para fins diagnósticos em medicina nuclear, em técnicas de imagem. Diversos radioisótopos emissores de raios gama são utilizados. Por exemplo, em uma tomografia por emissão de pósitrons (PET), um açúcar radiomarcado chamado fluorodesoxiglicose emite pósitrons que são aniquilados por elétrons, produzindo pares de raios gama que evidenciam o câncer, já que este geralmente apresenta uma taxa metabólica mais alta do que os tecidos circundantes. O emissor gama mais comum usado em aplicações médicas é o isômero nuclear tecnécio-99m, que emite raios gama na mesma faixa de energia dos raios X diagnósticos. Quando esse traçador radioativo é administrado a um paciente, uma gama-câmara pode ser usada para formar uma imagem da distribuição do radioisótopo, detectando a radiação gama emitida. Dependendo da molécula marcada com o traçador, essas técnicas podem ser empregadas para diagnosticar uma ampla gama de condições (por exemplo, a disseminação do câncer para os ossos por meio de cintilografia óssea).

EFEITOS NA SAÚDE

Os raios gama causam danos a nível celular e são penetrantes, provocando danos difusos por todo o corpo. No entanto, são menos ionizantes do que as partículas alfa ou beta, que são menos penetrantes.

Níveis baixos de raios gama causam um risco estocástico à saúde, que, para a avaliação da dose de radiação, é definido como a probabilidade de indução de câncer e danos genéticos. A Comissão Internacional de Proteção Radiológica afirma: "Na faixa de baixa dose, abaixo de cerca de 100 mSv, é cientificamente plausível assumir que a incidência de câncer ou efeitos hereditários aumentará em proporção direta ao aumento da dose equivalente nos órgãos e tecidos relevantes"  (A unidade mSv é mili-Sievert). Doses altas produzem efeitos determinísticos, que representam a gravidade do dano tecidual agudo que certamente ocorrerá. Esses efeitos são comparados à grandeza física dose absorvida, medida pela unidade gray (Gy).

Efeitos e resposta do organismo: Quando a radiação gama quebra moléculas de DNA, uma célula pode ser capaz de reparar o material genético danificado, dentro de certos limites. No entanto, um estudo de Rothkamm e Lobrich sobre radiação de raios X mostrou que esse processo de reparo funciona bem após exposição a altas doses, mas é muito mais lento no caso de exposição a baixas doses.

Estudos demonstraram que baixas doses de radiação gama podem ser suficientes para causar câncer. Em um estudo com camundongos, estes receberam baixas doses de radiação gama relevantes para humanos, com efeitos genotóxicos 45 dias após a irradiação contínua com baixas doses de radiação gama, com aumentos significativos de danos cromossômicos, lesões no DNA e mutações fenotípicas nas células sanguíneas dos animais irradiados, abrangendo os três tipos de atividade genotóxica. Outro estudo investigou os efeitos da radiação gama ionizante aguda em ratos, até 10 Gy, que apresentaram danos oxidativos agudos às proteínas, danos ao DNA, carbonilação da troponina T cardíaca e cardiomiopatia a longo prazo.

Avaliação de risco: A radiação gama natural no Reino Unido representa cerca de 13% da dose média de radiação. A exposição natural aos raios gama é de cerca de 1 a 2 mSv por ano, e a quantidade total média de radiação recebida em um ano por habitante nos EUA é de 3,6 mSv. Pode haver um pequeno aumento na dose em torno de pequenas partículas de urânio empobrecido, caso estas entrem no corpo humano a partir de munições usadas, causado pelo aumento dos efeitos da radiação gama natural.

Em comparação, a dose de radiação da radiografia de tórax (cerca de 0,06 mSv) é uma fração da dose anual de radiação de fundo natural. Uma TC de tórax fornece de 5 a 8 mSv. Uma tomografia por emissão de pósitrons (PET) /tomografia computadorizada (TC) de corpo inteiro pode fornecer de 14 a 32 mSv, dependendo do protocolo. A dose da fluoroscopia do estômago é muito maior, aproximadamente 50 mSv (14 vezes a radiação de fundo anual).

Uma dose única de exposição aguda equivalente a todo o corpo de 1 Sv (1000 mSv), ou 1 Gy, causará sintomas leves de síndrome aguda da radiação , como náuseas e vômitos; e uma dose de 2,0–3,5 Sv (2,0–3,5 Gy) causa sintomas mais graves (ou seja, náuseas, diarreia, queda de cabelo, hemorragias e incapacidade de combater infecções) e causará morte em um número considerável de casos — cerca de 10% a 35% sem tratamento médico. Uma dose de 3–5 Sv (3–5 Gy) é considerada aproximadamente a DL50 (ou a dose letal para 50% da população exposta) para uma exposição aguda à radiação, mesmo com tratamento médico padrão. Uma dose superior a 5 Sv (5 Gy) aumenta a probabilidade de morte para mais de 50%. Acima de 7,5–10 Sv (7,5–10 Gy) em todo o corpo, mesmo tratamentos extraordinários, como transplantes de medula óssea, não impedirão a morte do indivíduo exposto. (Doses muito maiores do que esta podem, no entanto, ser administradas a partes selecionadas do corpo durante a radioterapia.)

Para exposição a baixas doses, por exemplo, entre trabalhadores nucleares, que recebem uma dose média anual de radiação de 19 mSv, o risco de morte por câncer (excluindo leucemia) aumenta em 2%. Para uma dose de 100 mSv, o aumento do risco é de 10%. Em comparação, o risco de morte por câncer aumentou 32% para os sobreviventes do bombardeio atômico de Hiroshima e Nagasaki.

UNIDADES DE MEDIDA E EXPOSIÇÃO

A medida do efeito ionizante dos raios gama e raios X no ar seco é chamada de exposição, para a qual uma unidade legada, o röntgen, era usada desde 1928. Esta foi substituída pelo kerma, agora usado principalmente para fins de calibração de instrumentos, mas não para o efeito da dose recebida. O efeito da radiação gama e de outras radiações ionizantes no tecido vivo está mais intimamente relacionado à quantidade de energia depositada no tecido do que à ionização do ar, e unidades e grandezas radiométricas substitutas para proteção radiológica foram definidas e desenvolvidas a partir de 1953. São elas:

1. O gray (Gy) é a unidade SI de dose absorvida, que representa a quantidade de energia de radiação depositada no material irradiado. Para a radiação gama, isso é numericamente equivalente à dose equivalente medida pelo sievert , que indica o efeito biológico estocástico de baixos níveis de radiação no tecido humano. O fator de ponderação da radiação, que converte dose absorvida em dose equivalente, é 1 para a radiação gama, enquanto as partículas alfa têm um fator de 20, refletindo seu maior efeito ionizante no tecido.
2. O rad é a unidade CGS obsoleta para dose absorvida e o rem é a unidade CGS obsoleta de dose equivalente, usada principalmente nos EUA.

DIFERENÇA EM RELAÇÃO AOS RAIOS X

O Telescópio Experimental de Raios Gama Energéticos (EGRET, na sigla em inglês), instalado no Observatório de Raios Gama Compton, detectou raios gama provenientes da Lua em diversas passagens pelo campo de visão do instrumento entre 1991 e 1994. O fluxo médio e o espectro de energia da radiação gama lunar são consistentes com um modelo de produção de raios gama por meio da interação de raios cósmicos com a superfície lunar, e o fluxo varia conforme o esperado, acompanhando o ciclo solar. Embora os mesmos processos possam ocorrer no Sol, o EGRET não detecta o Sol calmo. Portanto, em raios gama de alta energia, a Lua é mais brilhante que o Sol calmo.

A distinção convencional entre raios X e raios gama mudou ao longo do tempo. Originalmente, a radiação eletromagnética emitida pelos tubos de raios X quase invariavelmente tinha um comprimento de onda maior do que a radiação (raios gama) emitida por núcleos radioativos. A literatura mais antiga distinguia entre radiação X e gama com base no comprimento de onda, com a radiação mais curta do que um comprimento de onda arbitrário, como 10 −11 m, definida como raios gama. Como a energia dos fótons é proporcional à sua frequência e inversamente proporcional ao comprimento de onda, essa antiga distinção entre raios X e raios gama também pode ser pensada em termos de sua energia, com os raios gama sendo considerados radiação eletromagnética de energia mais alta do que os raios X. 

No entanto, como as fontes artificiais atuais são capazes de duplicar qualquer radiação eletromagnética originada no núcleo, bem como energias muito mais altas, os comprimentos de onda característicos das fontes de raios gama radioativos versus outros tipos agora se sobrepõem completamente. Assim, os raios gama são geralmente distinguidos por sua origem: os raios X são emitidos, por definição, por elétrons fora do núcleo, enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo. Exceções a essa convenção ocorrem na astronomia, onde o decaimento gama é observado no brilho residual de certas supernovas, mas a radiação de processos de alta energia que envolvem outras fontes de radiação além do decaimento radioativo ainda é classificada como radiação gama.

Por exemplo, os raios X modernos de alta energia produzidos por aceleradores lineares para tratamento de câncer com megavoltagem frequentemente possuem energia mais alta (4 a 25 MeV) do que a maioria dos raios gama clássicos produzidos pelo decaimento gama nuclear. Um dos isótopos emissores de raios gama mais comuns usados em medicina nuclear diagnóstica, o tecnécio-99m, produz radiação gama com a mesma energia (140 keV) daquela produzida por máquinas de raios X diagnósticas, mas com energia significativamente menor do que os fótons terapêuticos de aceleradores lineares de partículas. Na comunidade médica atual, a convenção de que a radiação produzida pelo decaimento nuclear é o único tipo referido como radiação "gama" ainda é respeitada.

Devido a essa ampla sobreposição nas faixas de energia, em física os dois tipos de radiação eletromagnética são agora frequentemente definidos por sua origem: os raios X são emitidos por elétrons (seja em orbitais fora do núcleo, seja durante a aceleração para produzir radiação do tipo bremsstrahlung), enquanto os raios gama são emitidos pelo núcleo ou por meio de outros decaimentos de partículas ou eventos de aniquilação. Não há limite inferior para a energia dos fótons produzidos por reações nucleares e, portanto, fótons ultravioleta ou de energia inferior produzidos por esses processos também seriam definidos como "raios gama" (de fato, isso ocorre para a transição isomérica do isômero de energia extremamente baixa 229m th). A única convenção de nomenclatura que ainda é universalmente respeitada é a regra de que a radiação eletromagnética que se sabe ser de origem nuclear atômica é sempre chamada de "raios gama" e nunca de raios X. No entanto, em física e astronomia, a convenção inversa (de que todos os raios gama são considerados de origem nuclear) é frequentemente violada.

Em astronomia, raios gama e raios X de alta energia são definidos pela energia, uma vez que os processos que os produzem podem ser incertos e a energia do fóton, não a origem, determina os detectores astronômicos necessários. Fótons de alta energia ocorrem na natureza e são conhecidos por serem produzidos por processos diferentes do decaimento nuclear, mas ainda são chamados de radiação gama. Um exemplo são os "raios gama" de descargas elétricas de raios, com energia entre 10 e 20 MeV, e que são conhecidos por serem produzidos pelo mecanismo de bremsstrahlung.

Outro exemplo são as explosões de raios gama, agora conhecidas por serem produzidas por processos muito poderosos para envolverem simples conjuntos de átomos sofrendo decaimento radioativo. Isso faz parte da compreensão geral de que muitos raios gama produzidos em processos astronômicos não resultam de decaimento radioativo ou aniquilação de partículas, mas sim de processos não radioativos semelhantes aos raios X. Embora os raios gama da astronomia frequentemente provenham de eventos não radioativos, sabe-se especificamente que alguns raios gama na astronomia se originam do decaimento gama de núcleos (como demonstrado por seus espectros e meia-vida de emissão). Um exemplo clássico é o da supernova SN 1987A, que emite um "brilho residual" de fótons de raios gama provenientes do decaimento do níquel-56 e do cobalto-56 radioativos recém-formados. A maioria dos raios gama na astronomia, no entanto, surge por outros mecanismos.

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