اشعه گاما و خطرات آن برای سلامتی

اشعه گاما دارای کمترین طول موج و بیشترین انرژی از هر موج در طیف الکترومغناطیسی است. آنها توسط گرمترین و پرانرژی ترین اجرام جهان مانند ستاره های نوترونی و تپ اخترها، انفجارهای ابرنواختری و مناطق اطراف سیاهچاله ها تولید می شوند.

در زمین، امواج گاما در اثر انفجارهای هسته ای، صاعقه و فعالیت های واپاشی رادیواکتیو ایجاد می شوند. علامت اشعه گاما حرف یونانی گاما است که تفاوت آن را با اشعه آلفا و بتا نشان می دهد.

اشعه گاما نوعی تابش الکترومغناطیسی است، امواج رادیویی، اشعه مادون قرمز، اشعه ماورا بنفش، اشعه ایکس و ماکروویو نیز همین طور هستند.

از اشعه گاما می توان برای درمان سرطان و ضئعفونی کردن وسایل پزشکی و حتی مواد غذایی استفاده کرد.

تاریخچه کشف اشعه گاما:
اولین منبع پرتو گاما از طریق فرآیند واپاشی رادیواکتیو کشف شد. در این نوع واپاشی یک هسته تحریک شده تقریباً بلافاصله پس از تشکیل اشعه گاما ساطع می کند.

پل ویلارد، شیمی دان و فیزیکدان فرانسوی، هنگام مطالعه تشعشعات ساطع شده از رادیوم در سال 1900 تابش گاما را کشف کرد.

ویلارد می دانست که تشعشعات توصیف شده او نسبت به انواع اشعه رادیوم که قبلاً کشف شده بودند یعنی پرتوهای آلفا و بتا قدرتمندتر هستند ولی او نامی برای این پرتوها انتخاب نکرد. بعدها در سال 1903 رادرفورد که قبلا اشعه آلفا را کشف کرده بود این پرتوهای جدید را گاما نامید.

پرتوهای ساطع شده توسط عناصر رادیواکتیو به منظور بیان قدرت نفوذ در مواد مختلف، با استفاده از سه حرف اول الفبای یونانی نامگذاری شده اند. پرتوهای آلفا به عنوان کم نفوذ، سپس اشعه های بتا و به دنبال آن پرتوهای گاما با بیشترین نفوذپذیری قرار دارد.

رادرفورد همچنین اشاره کرد که پرتوهای گاما توسط میدان مغناطیسی منحرف نمی شوند (یا حداقل، به راحتی منحرف نمی شوند)، ویژگی دیگری که آنها را مانند اشعه آلفا و بتا مجزا می کند.

ابتدا تصور می شد که پرتوهای گاما ذراتی دارای جرم هستند، مانند پرتوهای آلفا و بتا. رادرفورد در ابتدا معتقد بود که ممکن است آنها ذرات بتا بسیار سریعی باشند، اما عدم انحراف آنها توسط یک میدان مغناطیسی نشان می دهد که آنها هیچ بار ندارند.

در سال 1914، تابش اشعه گاما از سطح کریستال مشاهده شد و اثبات کرد که این تابش الکترومغناطیسی است.

رادرفورد و همکارش ادوارد آندراد طول موج های پرتوهای گاما را از رادیوم اندازه گیری کردند و دریافتند که آنها مشابه اشعه X هستند، اما دارای طول موج کوتاه تر و بنابراین فرکانس بالاتر هستند که نشان دهنده انرژی بیشتر آنها به ازاء هر فوتون است.

ویژگی های اشعه گاما:
اشعه گاما نوعی تابش الکترومغناطیسی (EMR) است. آنها مشابه اشعه X هستند و فقط با این واقعیت متمایز می شوند که از یک هسته تهیج شده منتشر می شوند.

تابش الکترومغناطیسی را می توان با توجه به یک جریان فوتون توصیف کرد که ذرات بدون جرمی هستند و هر کدام به صورت موج مانند و با سرعت نور حرکت می کنند.

هر فوتون حاوی مقدار مشخصی (یا یک بسته) انرژی است و تمام تابش الکترومغناطیسی از این فوتون ها تشکیل شده است. فوتون های پرتوی گاما بیشترین انرژی را در طیف EMR دارند و امواج آنها کوتاه ترین طول موج را دارد.

دانشمندان انرژی فوتون ها را در الکترون ولت (eV) اندازه گیری می کنند. فوتون های اشعه X دارای انرژی در محدوده 100 تا 100000 eV (یا 100 keV) هستند.

فوتون های پرتوی گاما به طور کلی انرژی بیش از 100 کیلو ولت دارند. برای مقایسه، اشعه ماورا بنفش انرژی در محدوده ای از چند الکترون ولت تا حدود 100 ولت دارد بنابراین انرژی کافی برای طبقه بندی به عنوان تابش یونیزان ندارد.

انرژی بالای اشعه گاما آنها را قادر می سازد تا از طریق انواع مختلفی از مواد، از جمله بافت انسان عبور کنند. مواد بسیار متراکم مانند سرب معمولاً به عنوان محافظ برای کاهش یا متوقف کردن اشعه گاما استفاده می شود.

منابع و اثرات اشعه گاما:
اشعه گاما در درجه اول توسط چهار واکنش مختلف هسته ای تولید می شود که شامل همجوشی، شکافت، فروپاشی آلفا و فروپاشی گاما هستند.

همجوشی هسته ای:
واکنشی است که انرژی خورشید و قدرت ستاره ها را تأمین می کند. این واکنش در یک فرآیند چند مرحله ای رخ می دهد که در آن چهار پروتون یا هسته هیدروژن تحت فشار و درجه حرارت شدید با هسته هلیوم ترکیب می شوند، که شامل دو پروتون و دو نوترون است.

هسته هلیوم حاصله در مقایسه با چهار پروتونی که وارد واکنش شده اند حدود 7/0 درصد جرم کمتری دارد. این اختلاف جرم مطابق معادله مشهور انیشتین E = mc ^ 2، با حدود دو سوم انرژی به صورت اشعه گاما منتشر می شود.

(بقیه به شکل نوترینو است که ذرات بسیار ضعیف در تعامل با یکدیگر و جرم تقریباً صفر هستند). در مراحل بعدی عمر یک ستاره، وقتی سوخت هیدروژن تمام شود، می تواند عناصر عظیم تری را از طریق همجوشی تشکیل دهد اما این واکنش ها در هر مرحله مقدار کمتری انرژی تولید می کنند.

شکافت هسته ای:
منبع آشنای دیگر پرتوهای گاما شکافت هسته ای است. آزمایشگاه ملی لارنس برکلی شکافت هسته ای را تقسیم یک هسته سنگین به دو قسمت تقریباً مساوی تعریف می کند که هسته عناصر سبکتر را تشکیل می دهند. در این فرآیند که شامل برخورد با ذرات دیگر است، هسته های سنگین مانند اورانیوم و پلوتونیوم به عناصر کوچک تر مانند زنون و استرانسیم تبدیل می شوند.

ذرات حاصل از این برخوردها می توانند بر سایر هسته های سنگین تأثیر گذاشته و یک واکنش زنجیره ای هسته ای ایجاد کنند. طی این واکنش انرژی آزاد می شود زیرا جرم ترکیبی ذرات حاصل از جرم هسته سنگین اصلی کمتر است. این اختلاف جرم مطابق E = mc ^ 2 به صورت انرژی جنبشی هسته های کوچک تر، نوترینوها و اشعه گاما مشخص می شود.

واپاشی هسته ای:
سایر منابع اشعه گاما شامل واپاشی آلفا و واپاشی گاما هستند. واپاشی آلفا زمانی اتفاق می افتد که یک هسته سنگین هسته هلیوم -4 را بدهد یعنی عدد اتمی آن را 2 تا و وزن اتمی آن را 4 برابر کاهش می دهد.

این فرآیند می تواند هسته را با انرژی اضافی که به صورت اشعه گاما ساطع می شود، ترک کند. فروپاشی گاما زمانی اتفاق می افتد که انرژی زیادی در هسته اتم وجود داشته باشد و باعث شود که پرتوی گاما بدون تغییر بار یا ترکیب جرم آن منتشر شود.

تشعشعات گاما از بسیاری از رادیوایزوتوپ های موجود در سری واپاشی تشعشعات طبیعی اورانیوم، توریم، اکتینیم و همچنین از طریق رادیو ایزوتوپ های پتاسیم 40 و کربن 14 منتشر می شوند.

این موارد در همه سنگ ها و خاک و حتی در آب و غذا وجود دارند. منابع مصنوعی تابش گاما در شکافت در راکتورهای هسته ای، آزمایشات فیزیک با انرژی زیاد، انفجارهای هسته ای و حوادث مختلف تولید می شود.

کاربرد اشعه گاما در پزشکی:
از پرتو گاما گاهی اوقات برای آسیب رساندن به DNA سلولهای تومور جهت درمان تومورهای سرطانی در بدن استفاده می شود. با این حال، باید بسیار احتیاط کرد، زیرا اشعه گاما می تواند به DNA سلولهای بافت سالم اطراف نیز آسیب برساند.

یک روش برای به حداکثر رساندن دوز اشعه برای سلولهای سرطانی و کاهش قرار گرفتن بافتهای سالم آن هدایت چندین پرتوی اشعه گاما از یک شتاب دهنده خطی یا linac، از جهات مختلف به منطقه هدف است.

رادیو جراحی چاقوی گاما از تجهیزات ویژه ای برای تمرکز نزدیک به 200 پرتوی کوچک تابش بر روی یک تومور استفاده می کند. بر اساس گفته کلینیک مایو هر پرتو منفرد تأثیر کمی روی بافتی دارد که از آن عبور می کند اما یک دوز شدید اشعه در نقطه ای که پرتوها به هم می رسند، تأثیرگذاری فوق العاده ای دارد.

یکی از منابع جالب توجه پرتوهای گاما، انفجارهای اشعه گاما (GRB) است. اینها رویدادهایی فوق العاده پرانرژی هستند که از چند میلی ثانیه تا چند دقیقه طول می کشد.

این انفجارها اولین بار در دهه 1960 مشاهده شدند و اکنون تقریباً هر روز یک بار در جایی از آسمان مشاهده می شوند. طبق گفته ناسا، انفجارهای اشعه گاما "پرانرژی ترین شکل نور" هستند.

آنها صدها برابر نور ابرنواختر معمولی و حدود یک میلیون تریلیون برابر خورشید می درخشند.از آنجا که جو زمین اکثر پرتوهای گاما را مسدود می کند این پدیده ها تنها با بالن های با ارتفاع زیاد و تلسکوپ های مداری دیده می شوند.

تفاوت اشعه ایکس و گاما:
تفاوت اصلی بین اشعه گاما و اشعه X در نحوه تولید آنها است. پرتوهای گاما طی فرآیند تحریک هسته یک رادیونوکلئید پس از آنکه دچار واپاشی رادیواکتیو می شود، سرچشمه می گیرند در حالی که اشعه X در هنگام برخورد الکترون به یک هدف یا هنگامی که الکترون های یک اتم مجددا مرتب می شود، تولید می شود.

پرتوهای کیهانی شامل فوتون های پرانرژی هستند و به آنها نیز اشعه گاما گفته می شود، خواه از واپاشی رادیواکتیو یا واکنش هسته ای نشات گرفته باشند.

خطرات اشعه گاما برای سلامتی:
به دلیل قدرت نفوذ بالا، تأثیر اشعه گاما می تواند در سراسر بدن رخ دهد، اما یونیزه آنها کمتر از ذرات آلفا است. تابش گاما در مقایسه با اشعه ایکس یک خطر خارجی محسوب می شود.

مشابه قرار گرفتن در معرض اشعه یونیزان، قرار گرفتن زیاد در معرض تابش گاما می تواند باعث ایجاد اثرات حاد مستقیم از طریق آسیب فوری به سلول ها شود. سطح پایین قرار گرفتن در معرض این پرتو باعث مشکلات تصادفی خواهد شد که در آن احتمال القای سرطان با افزایش قرار گرفتن در معرض افزایش می یابد.

اشعه گاما از چه سطحی می تواند عبور کند؟
تابش گاما به دلیل قدرت بالا از تمام سطوح عبور می کند و تنها سطحی که قادر به عبور از آن نمی باشد فلز سرب به طول 40 سانتی متر است که معمولا در ساخت اتاقک های مراکز پرتودرمانی از آن استفاده می شود.

کاربرد اشعه گاما در صنایع غذایی:
در مقایسه با سایر روش های ضدعفونی مواد غذایی تابش باعث نمی شود که غذاها رادیواکتیو شوند، کیفیت غذایی را تغییر نداده و طعم، بافت یا شکل ظاهری غذا را به طور محسوسی تغییرنمی دهد. در واقع، هرگونه تغییر در اثر تابش به قدری ناچیز است که تشخیص استفاده از تابش در خوراکی ها به راحتی امکان پذیر نیست.

تابش گاما برای کاهش یا از بین بردن آفات و خطر ابتلا به بیماری های ناشی از غذا و همچنین جلوگیری از فساد یا جوانه زدن و یا کند شدن آن استفاده می شود. بسته به دوز مصرفی، برخی یا تمام ارگانیسم ها، میکروارگانیسم ها، باکتری ها و ویروس های موجود در مواد غذایی از بین رفته، رشد آنها کند شده یا توانایی تزاید را از دست می دهند.

هنگام هدف قرار دادن باکتری ها، بیشتر غذاها تحت تابش قرار می گیرند تا تعداد میکروب های فعال را به میزان قابل توجهی کاهش دهند، نه اینکه کلیه میکروب های موجود در محصول را عقیم کنند.

تابش نمی تواند مواد غذایی خراب یا میوه های بیش از حد رسیده را به حالت تازه برگرداند. ولی اگر این خوراکیها تحت تابش قرار بگیرند فساد بیشتر آنها متوقف می شود و رسیدن آنها کند می شود، اما تابش باعث از بین رفتن سموم یا ترمیم بافت، رنگ یا طعم غذا نمی شود.

استفاده از اشعه های یونیزان مانند اشعه گاما در مواد غذایی فناوری است که با کاهش یا از بین بردن میکروارگانیسم ها و حشرات، ایمنی را بهبود می بخشد و ماندگاری مواد غذایی را افزایش می دهد.

انواع آشکارسازهای اشعه گاما:
پرتو گاما را به دلیل انرژی بالا نمی توان مانند نور مرئی با عدسی و آینه تشخیص داد زیرا به دلیل برهمکنش شدید پرتو با این سطوح انرژی زیادی آزاد شده و وضوح تصویر از بین می رود. به همین دلیل برای تشخیص این اشعه از آشکارسازهای پرتو گاما استفاده می شود که به دو دسته تقسیم می شوند.

دسته اول طیف سنج یا فوتومتر است که بیشتر در نجوم کاربرد دارد و فوتون های متصاعد شده در آسمان را مورد بررسی قرار می دهد. این آشکارسازها از سنتیلاتورها یا آشکارسازهای حالت جامد برای تبدیل پرتو گاما به سیگنال های نوری یا الکترونیکی و ثبت آنها استفاده می کنند.

دسته دوم آشکارسازها از پرتوگاما تصویربرداری می کنند و بر اساس طبیعت برهم کنشی پرتو گاما همچون جفت سازی یا پراکندگی کامپتون عمل کرده و با استفاده از دریچه های دیافراگمی مخصوص، تصویر پرتو به دست می آید.