Les rayons gamma sont une forme de rayonnement électromagnétique, tout comme les ondes radio, le rayonnement infrarouge, le rayonnement ultraviolet, les rayons X et les micro-ondes. Les rayons gamma peuvent être utilisés pour traiter le cancer, et les sursauts gamma sont étudiés par les astronomes.
Le rayonnement électromagnétique (EM) est transmis sous forme d'ondes ou de particules à différentes longueurs d'onde et fréquences. Cette large gamme de longueurs d'onde est connue sous le nom de spectre électromagnétique. Le spectre est généralement divisé en sept régions par ordre décroissant de longueur d'onde et augmentant l'énergie et la fréquence. Les désignations courantes sont les ondes radio, les micro-ondes, l'infrarouge (IR), la lumière visible, les ultraviolets (UV), les rayons X et les rayons gamma.
Les rayons gamma tombent dans la gamme du spectre EM au-dessus des rayons X mous. Les rayons gamma ont des fréquences supérieures à environ 1 018 cycles par seconde, ou hertz (Hz), et des longueurs d'onde inférieures à 100 picomètres (pm), ou 4 x 10 ^ 9 pouces. (Un picomètre est un trillionième de mètre.)
Les rayons gamma et les rayons X durs se chevauchent dans le spectre EM, ce qui peut rendre difficile leur différenciation. Dans certains domaines, comme l'astrophysique, une ligne arbitraire est tracée dans le spectre où les rayons au-dessus d'une certaine longueur d'onde sont classés comme rayons X et les rayons avec des longueurs d'onde plus courtes sont classés comme rayons gamma. Les rayons gamma et les rayons X ont suffisamment d'énergie pour endommager les tissus vivants, mais presque tous les rayons gamma cosmiques sont bloqués par l'atmosphère terrestre.
Découverte des rayons gamma
Les rayons gamma ont été observés pour la première fois en 1900 par le chimiste français Paul Villard alors qu'il enquêtait sur le rayonnement du radium, selon l'Agence australienne de radioprotection et de sécurité nucléaire (ARPANSA). Quelques années plus tard, le chimiste et physicien né en Nouvelle-Zélande Ernest Rutherford a proposé le nom de "rayons gamma", suivant l'ordre des rayons alpha et des rayons bêta - noms donnés à d'autres particules qui sont créées lors d'une réaction nucléaire - et le nom est resté coincé .
Sources et effets de rayons gamma
Les rayons gamma sont produits principalement par quatre réactions nucléaires différentes: fusion, fission, désintégration alpha et désintégration gamma.
La fusion nucléaire est la réaction qui alimente le soleil et les étoiles. Il se produit dans un processus en plusieurs étapes dans lequel quatre protons, ou noyaux d'hydrogène, sont forcés sous une température et une pression extrêmes de fusionner dans un noyau d'hélium, qui comprend deux protons et deux neutrons. Le noyau d'hélium résultant est environ 0,7% moins massif que les quatre protons qui sont entrés dans la réaction. Cette différence de masse est convertie en énergie, selon la célèbre équation d'Einstein E = mc ^ 2, avec environ les deux tiers de cette énergie émise sous forme de rayons gamma. (Le reste est sous la forme de neutrinos, qui sont des particules qui interagissent extrêmement faiblement avec une masse presque nulle.) Dans les derniers stades de la vie d'une étoile, lorsqu'elle manque de carburant hydrogène, elle peut former des éléments de plus en plus massifs par fusion, jusqu'à au fer et y compris, mais ces réactions produisent une quantité décroissante d'énergie à chaque étape.
Une autre source familière de rayons gamma est la fission nucléaire. Le Lawrence Berkeley National Laboratory définit la fission nucléaire comme la division d'un noyau lourd en deux parties à peu près égales, qui sont alors des noyaux d'éléments plus légers. Dans ce processus, qui implique des collisions avec d'autres particules, les noyaux lourds, tels que l'uranium et le plutonium, sont divisés en éléments plus petits, tels que le xénon et le strontium. Les particules résultant de ces collisions peuvent alors avoir un impact sur d'autres noyaux lourds, provoquant une réaction en chaîne nucléaire. L'énergie est libérée parce que la masse combinée des particules résultantes est inférieure à la masse du noyau lourd d'origine. Cette différence de masse est convertie en énergie, selon E = mc ^ 2, sous la forme d'énergie cinétique des noyaux plus petits, des neutrinos et des rayons gamma.
Les autres sources de rayons gamma sont la désintégration alpha et la désintégration gamma. La désintégration alpha se produit lorsqu'un noyau lourd dégage un noyau d'hélium-4, réduisant son numéro atomique de 2 et son poids atomique de 4. Ce processus peut laisser le noyau avec une énergie excessive, qui est émise sous la forme d'un rayon gamma. La décroissance gamma se produit lorsqu'il y a trop d'énergie dans le noyau d'un atome, ce qui lui fait émettre un rayon gamma sans changer sa charge ou sa composition de masse.
Thérapie par rayons gamma
Les rayons gamma sont parfois utilisés pour traiter les tumeurs cancéreuses dans le corps en endommageant l'ADN des cellules tumorales. Cependant, il faut faire très attention, car les rayons gamma peuvent également endommager l'ADN des cellules saines environnantes.
Une façon de maximiser le dosage des cellules cancéreuses tout en minimisant l'exposition à des tissus sains consiste à diriger plusieurs faisceaux de rayons gamma d'un accélérateur linéaire, ou linac, sur la région cible dans de nombreuses directions différentes. C'est le principe de fonctionnement des thérapies CyberKnife et Gamma Knife.
La radiochirurgie Gamma Knife utilise un équipement spécialisé pour focaliser près de 200 minuscules faisceaux de rayonnement sur une tumeur ou une autre cible dans le cerveau. Selon la clinique Mayo, chaque faisceau individuel a très peu d'effet sur le tissu cérébral qu'il traverse, mais une forte dose de rayonnement est délivrée au point de rencontre des faisceaux.
Astronomie aux rayons gamma
L'une des sources les plus intéressantes de rayons gamma sont les sursauts de rayons gamma (GRB). Ce sont des événements extrêmement énergétiques qui durent de quelques millisecondes à plusieurs minutes. Ils ont été observés pour la première fois dans les années 1960, et ils sont maintenant observés quelque part dans le ciel environ une fois par jour.
Les sursauts gamma sont "la forme de lumière la plus énergétique", selon la NASA. Ils brillent des centaines de fois plus brillants qu'une supernova typique et environ un million de milliards de fois aussi brillants que le soleil.
Selon Robert Patterson, professeur d'astronomie à la Missouri State University, on pensait que les GRB provenaient des dernières étapes de l'évaporation des mini-trous noirs. On pense maintenant qu'ils proviennent de collisions d'objets compacts tels que des étoiles à neutrons. D'autres théories attribuent ces événements à l'effondrement des étoiles supermassives pour former des trous noirs.
Dans les deux cas, les GRB peuvent produire suffisamment d'énergie pour, pendant quelques secondes, éclipser une galaxie entière. Parce que l'atmosphère terrestre bloque la plupart des rayons gamma, ils ne sont vus qu'avec des ballons à haute altitude et des télescopes en orbite.
Lectures complémentaires:
