Warto przeczytać

Promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o bardzo wysokiej energii, czyli bardzo małej długości fali. Umownie przyjmuje się, że górną granicą długości fali gamma jest 0,1 nm, co odpowiada minimalnej energii kwantu gamma około 0,1 MeVElektronowolt (eV)MeV.

Promieniowanie gamma emitowane jest z jąder atomowych podczas przemian jądrowych, takich jak rozpady promieniotwórcze jąder. Powstałe po rozpadzie jądro, jądro wzbudzone, pozbywa się nadmiaru energii, emitując kwant promieniowania gamma.

Promieniowanie gamma tak, jak inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, rozchodzi się w próżni z prędkością światła, czyli 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s.

Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym, co oznacza, że fotony gamma mogą wybijać elektrony z atomów i cząsteczek. Jednak jonizacja ta nie odbywa się tak, jak w przypadku cząstki naładowanej elektrycznie przechodzącej przez materię. Kwanty gamma są przecież elektrycznie obojętne. Jak się odbywa ten proces w tym wypadku? Otóż, odziaływanie fotonów gamma z materią zachodzi na trzy sposoby:

1. Zjawisko fotoelektryczne polegające na pochłonięciu całej energii fotonu gamma przez atom, w wyniku czego z atomu wybity zostaje elektron. Foton znika, a wybity elektron porusza się z dużą energią kinetyczną, unosząc prawie całą energię pochłoniętego fotonu gamma.

2. Zjawisko Comptona, czyli rozpraszanie fotonu gamma na swobodnym elektronie. Foton po zderzeniu z elektronem zmienia kierunek ruchu i oddaje część swojej energii elektronowi, który zaczyna się poruszać.

3. Kreacja par – to najbardziej tajemnicze zjawisko. Polega na tym, że foton gamma znika, a pojawia się para elektron – antyelektron, zwany pozytonem. Zjawisko to zachodzi wyłącznie w obecności trzeciego ciała, najczęściej jądra atomowego lub elektronu, które odbiera niewielką część energii i pędu fotonu, a cała pozostała energia fotonu zamienia się na energię dwóch cząstek: elektronu i pozytonu. Warunkiem zajścia kreacji par jest odpowiednio duża energia fotonu gamma, wystarczająca na utworzenie elektronu i pozytonu.

Po oderwaniu elektronu od atomu tworzą się jony, czyli cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym: elektron jest jonem ujemnym, atom pozbawiony elektronu – jonem dodatnim.

Jonizacja powoduje uszkodzenia komórek organizmów żywych. Promieniowanie gamma o odpowiednio dużej intensywności jest więc zabójcze dla organizmów. W dodatku promieniowanie gamma jest bardzo przenikliwe, bez problemów przechodzi przez grubą warstwę powietrza i większość otaczających nas przedmiotów. W kontakcie ze źródłami promieniowania gamma należy zachować ostrożność i stosować ochronę, najczęściej w postaci płyt ołowianych. Promieniowanie gamma najlepiej pochłaniane jest przez materiały zawierające pierwiastki o dużej liczbie masowejLiczba masowaliczbie masowej, takie jak ołów.

Jednak te groźne dla organizmów żywych własności promieniowania gamma potrafimy też wykorzystać dla naszych celów. Promieniowanie to może służyć do sterylizacji sprzętu medycznego, jak również produktów spożywczych.

Sterylizacja polega na niszczeniu bakterii, pleśni, grzybów, pasożytów i drobnoustrojów chorobotwórczych za pomocą promieniowania jonizującego. Podczas zabiegu stosuje się promieniowanie gamma pochodzące z izotopuIzotopyizotopu promieniotwórczego kobaltu lub wysokoenergetyczne elektrony wytwarzane w akceleratorach. Rodzaje źródeł promieniowania oraz zasady eksploatacji urządzeń radiacyjnych zostały uregulowane przez normy międzynarodowe. Gwarantują one, że w artykułach spożywczych przy napromieniowaniu nie powstaną substancje szkodliwe dla zdrowia. Żywność dłużej zachowuje świeżość, bo podczas napromieniania giną drobnoustroje powodujące rozkład produktów.

Jednym z najczęściej wykorzystywanych zastosowań promieniowania gamma są mierniki radioizotopowe. Mierniki te służą do dokładnego pomiaru grubości materiału w przypadku, gdy nie można dokonać tego pomiaru metodą standardową. Należą do nich mierniki absorpcyjne, których zasada działania oparta jest na zjawisku pochłaniania promieniowania gamma. Im większa grubość materiału, tym większa część padającej wiązki jest absorbowana. Z jednej strony mierzonego przedmiotu znajduje się, umieszczone w osłonie, źródło promieniowania, na przykład kobalt Indeks górny 60⁶⁰Co, a z drugiej strony detektor promieniowania gamma, mierzący, ile promieniowania przeszło przez materiał. Znajomość zależności pochłaniania promieniowania gamma od grubości materiału pozwala na wyznaczenie mierzonej grubości. Zakres pomiaru grubości jest bardzo szeroki i wynosi od ułamków milimetra do kilkunastu centymetrów. Mierniki radioizotopowe nie mają podczas pomiaru kontaktu z materiałem mierzonym, co pozwala na pomiary materiałów poruszających się, o wysokiej temperaturze, materiałów plastycznych, a także materiałów i przyrządów medycznych, dla których ważne jest, aby podczas pomiaru nie zanieczyścić próbki. Promieniowanie gamma pochodzące z kobaltu Indeks górny 60⁶⁰Co jest też wykorzystywane w defektoskopii, zajmującej się wykrywaniem ukrytych wad wyrobów.

Bardzo ważnym zakresem zastosowań promieniowania gamma jest medycyna. Promieniowanie to stosuje się zarówno w leczeniu nowotworów, jak i w diagnostyce. Zajmuje się tym gałąź medycyny zwana medycyną nuklearnąMedycyna nuklearnamedycyną nuklearną. Urządzenia stosowane w medycynie nuklearnej to, między innymi:

1. Bomba kobaltowa – jest to urządzenie stosowane do terapii nowotworów, jak również do wspomnianej już sterylizacji żywności. IzotopIzotopyIzotop kobaltu Indeks górny 60⁶⁰Co emitujący promienie gamma o energiach 1,17 i 1,33 MeV, umieszczony jest w grubej osłonie ołowianej, w której znajdują się kanały wyprowadzające na zewnątrz wiązkę promieniowania. Bomba kobaltowa może też być wyposażona w mechanizm umożliwiający zdalną manipulację próbkami bez narażania operatora na promieniowanie.

2. Nóż gamma – niezwykle precyzyjne urządzenie medyczne wykorzystywane w radiochirurgii, czyli operacjach mózgu bez otwierania czaszki. Pacjent zostaje unieruchomiony w celu dokładnego wykonania zabiegu. Za pomocą obrazowania, na przykład, tomografią komputerową, lokalizuje się położenie guza. Następnie w miejsce, w którym znajduje się guz, zostaje skierowanych około 200 wiązek promieniowania gamma, którego źródłem są kapsuły zawierające radioaktywny kobalt Indeks górny 60⁶⁰Co. Istota metody polega na tym, że pojedyncze wiązki promieniowania są na tyle słabe, by w czasie przenikania nie uszkadzać mózgu. Natomiast w ściśle określonym miejscu dawka z poszczególnych wiązek sumuje się – jej moc jest 200 razy większa niż moc dawki pojedynczej wiązki. W rezultacie w obszarze guza promieniowanie osiąga moc niezbędną do zniszczenia komórek nowotworowych (Rys. 1.). Zagrożenie wystąpieniem skutków ubocznych jest bardzo małe w porównaniu do tradycyjnej operacji neurochirurgicznej. W dodatku zabieg nie wymaga praktycznie żadnej rekonwalescencji. Pacjenci poddani naświetlaniu nożem gamma powracają do normalnego życia następnego dnia po zabiegu.

R11pTtnjuy5QR

Rys. 1. Na rysunku w samym środku znajduje się zarys głowy pacjenta. Wewnątrz czaszki jest zaznaczony małym kółkiem guz. Głowę otacza unieruchamiający kask. Dalej głowę otacza pierścień, w którym umieszczone są niewielkie prostokąty, przedstawiające kapsuły zawierające radioaktywny kobalt. Od każdego prostokąta do guza w głowie pacjenta biegną linie, przedstawiające bieg promieni gamma. Linie te biegnące z różnych miejsc na pierścieniu skupiają się w jednym punkcie na guzie.

3. Tomografia emisyjna pojedynczych fotonów (badanie SPECT – od ang. single‑photon emission computed tomography) – technika, która przy użyciu promieniowania gamma umożliwia tworzenie obrazu przestrzennego dowolnego obszaru ciała pacjenta.

Badanie rozpoczyna się od wprowadzenia do organizmu pacjenta radiofarmaceutyków. Są to związki chemiczne składające się z dwóch elementów – z radioaktywnego izotopuIzotopy radioaktywneradioaktywnego izotopu oraz z nośnika zdolnego do osadzania się w tkankach i narządach. Nośniki wychwytywane są szczególnie intensywnie przez komórki nowotworowe w obrębie guza. Jądra atomowe radioaktywnego izotopu ulegają przemianie, podczas której emitują kwanty gamma. Ilość wyemitowanego promieniowania jest zależna od zawartości radiofarmaceutyku w danym obszarze. Z obszaru guza będzie więc wysyłanych więcej kwantów gamma niż z innych miejsc.

Promieniowanie jest mierzone bezpośrednio za pomocą zewnętrznego detektora – kamery gamma. Obraz przestrzenny uzyskuje się poprzez obrót kamery wokół badanego obszaru pacjenta. Zbierane są obrazy z kolejnych położeń głowicy, różniących się o kilka stopni. W taki sposób wykonuje się pomiary z pełnego obrotu wokół pacjenta. W celu przyspieszenia procesu zbierania danych najczęściej stosuje się kamery dwugłowicowe, umieszczone naprzeciw siebie. Wykonują one pomiary równocześnie, co przyspiesza dwukrotnie czas badania (Rys. 2.). Wszystkie pozyskane wyniki pomiarów poddaje się następnie obróbce komputerowej, która umożliwia stworzenie trójwymiarowego obrazu badanego obszaru.

R1AFMNaZpCl1K

Rys. 2. Zdjęcie poglądowe przedstawia urządzenie SPECT, które jest najnowocześniejszym aparatem hybrydowy z dwugłowicową gamma kamerą SPECT z 16 rzędowym tomografem komputerowym. Na fotografii widać duże urządzenie medyczne z leżanką, gdzie kładzie się pacjenta i dwiema głowicami w kształcie dużych prostopadłościanów. Jedna głowica znajdują się nad miejscem dla pacjenta, druga pod spodem. Zdjęcie zrobione jest frontem i bokiem z oznaczonymi elementami urządzenia - Gamma Camera Head #1, Gamma Camera Head #2 i X-Ray CT Scanner.

Słowniczek