Rayos gamma para niños
La radiación gamma o rayos gamma es un tipo de radiación electromagnética, como la luz visible o las ondas de radio. Está formada por partículas de energía llamadas fotones. Los rayos gamma se producen principalmente por elementos radiactivos o por procesos muy pequeños dentro de los átomos, como cuando un positrón y un electrón se encuentran y desaparecen. También se generan en eventos muy poderosos en el espacio, como explosiones de estrellas.
Los rayos gamma tienen mucha energía. Por eso, son un tipo de radiación ionizante, lo que significa que pueden quitar electrones de los átomos. Son capaces de atravesar la materia más profundamente que otros tipos de radiación, como la alfa y la beta. Debido a su gran energía, pueden causar cambios en el centro de las células. Por esta razón, se usan para limpiar y desinfectar equipos médicos y alimentos.
La energía de los rayos gamma se mide en millones de electronvoltios (MeV). Un MeV corresponde a fotones gamma con longitudes de onda muy cortas y frecuencias muy altas.
Los rayos gamma se forman cuando el núcleo de un átomo pasa de un estado de alta energía a uno de menor energía, o cuando ciertos isótopos se desintegran de forma radiactiva. Se diferencian de los rayos X en su origen: los rayos X se producen fuera del núcleo de los átomos, por ejemplo, cuando los electrones se frenan bruscamente. Aunque la radiactividad se asocia a menudo con la energía nuclear y los reactores nucleares, también existe de forma natural en nuestro entorno. Por ejemplo, los rayos cósmicos provienen del sol y de otras galaxias, y hay isótopos radiactivos en rocas y minerales.
En general, los rayos gamma que se producen en el espacio no llegan a la superficie terrestre porque la atmósfera superior los absorbe. Para estudiar el universo usando estas ondas, los científicos usan globos que vuelan muy alto u observatorios en el espacio. Para detectarlos, se utiliza un método llamado efecto Compton. Estos rayos gamma espaciales provienen de eventos muy energéticos, como explosiones de supernovas o de los centros de galaxias muy activas.
En el estudio del espacio, se llaman GRB (por sus siglas en inglés, "gamma ray bursts") a las fuentes de rayos gamma que duran unos segundos o pocas horas. Después, su brillo disminuye en forma de rayos X durante algunos días. Estos eventos aparecen en lugares aleatorios del cielo y su origen aún es un misterio para los científicos. Se cree que son los fenómenos más energéticos del universo.
Existen rayos gamma excepcionales con energías muy altas que, al chocar con la atmósfera, producen miles de partículas en lo que se conoce como una "cascada atmosférica extensa". Estas partículas viajan casi a la velocidad de la luz en el aire y generan una luz especial llamada radiación de Cherenkov. Esta radiación se detecta en la Tierra con un telescopio Cherenkov.
Contenido
Historia: ¿Quién descubrió los rayos gamma?
La primera vez que se detectaron rayos gamma fue a través de un proceso llamado decaimiento gamma, que es un tipo de decaimiento radiactivo. En este proceso, un núcleo de un átomo que tiene mucha energía libera un rayo gamma casi al instante.
Paul Villard, un científico francés, descubrió la radiación gamma en 1900 mientras investigaba la radiación que emitía el radio. Villard se dio cuenta de que esta radiación era más potente que otros tipos de radiación que ya se conocían, como los rayos beta (descubiertos por Henri Becquerel en 1896) y los rayos alfa (descubiertos por Ernest Rutherford en 1899). Sin embargo, Villard no les dio un nombre diferente.
Fue Ernest Rutherford quien, en 1903, reconoció que la radiación de Villard era un tipo de rayo fundamentalmente distinto. Rutherford los llamó "rayos gamma", siguiendo la misma lógica que usó para nombrar los rayos alfa y beta. Los "rayos" emitidos por los elementos radiactivos se nombraron según su capacidad para atravesar diferentes materiales, usando las tres primeras letras del alfabeto griego: los rayos alfa eran los que menos penetraban, seguidos por los rayos beta, y los rayos gamma eran los que más penetraban. Rutherford también notó que los rayos gamma no se desviaban fácilmente por un campo magnético, lo que los hacía diferentes de los rayos alfa y beta.
Al principio, se pensó que los rayos gamma eran partículas con masa, como los rayos alfa y beta. Rutherford creía que podrían ser partículas beta muy rápidas, pero el hecho de que no se desviaran con un campo magnético indicaba que no tenían carga eléctrica. En 1914, se observó que los rayos gamma se reflejaban en las superficies de cristal, lo que demostró que eran un tipo de radiación electromagnética. Rutherford y su colega Edward Andrade midieron las longitudes de onda de los rayos gamma del radio y descubrieron que eran parecidas a las de los rayos X, pero más cortas y con una frecuencia más alta. Esto significaba que tenían más energía por fotón. Así se entendió que el decaimiento gamma era la emisión de un solo fotón gamma.
Protección: ¿Cómo nos protegemos de los rayos gamma?
Para protegerse de los rayos gamma se necesita una gran cantidad de material, dependiendo de la energía de los rayos. La distancia a la fuente y el tiempo de exposición también son importantes para la protección. Los materiales con un número atómico y una densidad altos ofrecen mejor protección. Cuanto mayor sea la energía de los rayos, más grueso debe ser el material protector.
Estos materiales se clasifican según el grosor necesario para reducir la intensidad de los rayos gamma a la mitad. Este grosor se conoce como HVL (del inglés half-value layer, capa de valor medio). Por ejemplo, los rayos gamma que necesitan 1 cm de plomo para reducir su intensidad a la mitad, también se reducen en la misma proporción al atravesar 6 cm de hormigón o 9 cm de tierra compacta.
Interacción con la materia: ¿Cómo afectan los rayos gamma?


Cuando un rayo gamma atraviesa la materia, la probabilidad de que sea absorbido en una capa delgada es proporcional al grosor de esa capa. Esto significa que la intensidad de los rayos disminuye de forma exponencial.
Donde:
- μ es el coeficiente de absorción.
- n es el número de átomos por cm³ del material.
- σ es el espectro de absorción.
- d es el espesor del material en cm.
Al pasar a través de la materia, la radiación gamma ioniza principalmente de tres maneras: efecto fotoeléctrico, efecto Compton y creación de pares.
- Efecto fotoeléctrico. Cuando un fotón gamma choca con un electrón de un átomo, le transfiere su energía y lo expulsa del átomo. La energía que gana el electrón (llamado fotoelectrón) es igual a la energía del fotón gamma que llegó, menos la energía que mantenía al electrón unido al átomo. Este efecto es el principal para la transferencia de energía de los rayos X y los fotones gamma de baja energía (menos de 0.5 MeV). A energías más altas, es menos importante.
- Efecto Compton. En esta interacción, un fotón gamma que llega le da suficiente energía a un electrón de un átomo para que este sea expulsado. La energía que le queda al fotón original se convierte en un nuevo fotón gamma de menor energía, que se mueve en una dirección diferente a la del fotón original. La probabilidad de que ocurra el efecto Compton disminuye a medida que aumenta la energía del fotón. Se considera que el efecto Compton es la forma principal en que los rayos gamma se absorben en un rango de energía intermedio (entre 0.1 MeV y 10 MeV), que incluye la mayor parte de la radiación gamma presente en explosiones nucleares. Este efecto no depende mucho del número atómico del material que absorbe la radiación.
- Creación de pares. Cerca del núcleo de un átomo, la energía de un fotón gamma puede convertirse espontáneamente en la masa de un par de partículas: un electrón y un positrón. Un positrón es la "antipartícula" del electrón; tiene la misma masa, pero su carga eléctrica es opuesta. La energía extra (más de 1.02 MeV) que no se usa para crear las partículas se convierte en la energía de movimiento del par y del núcleo. La vida de un positrón es muy corta, de apenas unas milmillonésimas de segundo. Al final de su vida, se une con un electrón libre. Toda la masa de estas dos partículas se convierte entonces en dos fotones gamma, cada uno con una energía de 0.51 MeV.
A menudo, la energía de los electrones secundarios (o positrones) que se producen en cualquiera de estos tres procesos es suficiente para generar muchas ionizaciones adicionales.
Es importante saber que la absorción exponencial que se describió antes solo es precisa para un tipo específico de rayos gamma. Si un rayo más amplio atraviesa un bloque delgado de hormigón, la dispersión en los lados puede reducir la absorción.
Los rayos gamma suelen aparecer junto con otros tipos de radiación, como la alfa y la beta. Cuando el núcleo de un átomo emite una partícula alfa o beta, a veces el átomo resultante queda con mucha energía y puede pasar a un estado de menor energía, emitiendo un rayo gamma. De manera similar, un electrón en un átomo puede pasar a un nivel de energía más bajo y emitir luz visible o radiación ultravioleta.
Los diferentes tipos de radiación electromagnética incluyen: rayos gamma, rayos X, luz visible, rayos ultravioleta (UVA y UVB), ondas de microondas y ondas de radio. La única diferencia entre ellos es su frecuencia y, por lo tanto, la energía de sus fotones. Los rayos gamma son los más energéticos de todos. A continuación, se muestra un ejemplo de cómo se producen los rayos gamma.
Primero, el cobalto-60 (60Co) se transforma en níquel-60 excitado (60Ni*):
Luego, el 60Ni* pasa a su estado normal y emite dos rayos gamma seguidos:
Estos rayos gamma tienen energías de 1.17 MeV y 1.33 MeV, respectivamente.
Otro ejemplo es la desintegración alfa del americio-241 (241Am), que produce neptunio-237 (237Np). Esta desintegración también genera emisión gamma. En algunos casos, como el del 60Co/60Ni, la emisión gamma es sencilla. Pero en otros, como el 241Am/237Np y el iridio-192/platino-192, la emisión gamma es más compleja. Esto nos muestra que puede haber varios niveles de energía diferentes dentro del núcleo de un átomo. El hecho de que en un espectro alfa puedan existir varios picos con diferentes energías apoya la idea de que hay muchos niveles de energía nuclear.
Como una desintegración beta emite un neutrino que se lleva parte de la energía, el espectro beta no tiene líneas definidas, sino un pico ancho. Por lo tanto, no es posible determinar los diferentes niveles de energía del núcleo a partir de una sola desintegración beta.
En el estudio de la luz (óptica espectroscópica), se sabe que algo que emite luz también puede absorber luz de la misma longitud de onda (energía del fotón). Por ejemplo, una llama de sodio puede emitir luz amarilla y también puede absorber luz amarilla de una lámpara de vapor de sodio. En el caso de los rayos gamma, esto se puede observar en la espectroscopia Mössbauer, donde se puede corregir la energía perdida por el retroceso del núcleo y, mediante resonancia, encontrar las condiciones exactas para la absorción de rayos gamma.
Usos de los rayos gamma en la vida diaria
La gran potencia de los rayos gamma los hace muy útiles para la esterilización de equipos médicos. También se usan para eliminar bacterias e insectos en productos alimentarios como carne, setas, huevos y verduras, ayudando a que se mantengan frescos por más tiempo.
Debido a su capacidad para penetrar en los tejidos, los rayos gamma y los rayos X tienen muchos usos en la medicina, como en las tomografías y los estudios de medicina nuclear. Sin embargo, como son radiación ionizante, pueden causar cambios en el ADN, lo que podría llevar a problemas de salud.
A pesar de esto, los rayos gamma también se utilizan para tratar ciertos tipos de cáncer. En un procedimiento llamado cirugía "gamma-knife", varios rayos gamma concentrados se dirigen hacia las células cancerosas. Los rayos se emiten desde diferentes ángulos para enfocar la radiación en el tumor, minimizando el daño a los tejidos sanos alrededor.
Los rayos gamma también se usan en medicina nuclear para hacer diagnósticos. Se emplean muchos radioisótopos que emiten rayos gamma. Uno de ellos es el tecnecio 99m (99mTc). Cuando se le administra a un paciente, una cámara gamma puede usar la radiación emitida para crear una imagen de cómo se distribuye el radioisótopo en el cuerpo. Esta técnica se usa para diagnosticar una amplia variedad de enfermedades, como la detección de cáncer en los huesos.
¿De dónde vienen los rayos gamma?
Las fuentes naturales de rayos gamma en la Tierra incluyen la desintegración gamma de radioisótopos naturales, como el potasio 40, y también como radiación secundaria de diversas interacciones en la atmósfera con partículas de rayos cósmicos. Algunas fuentes naturales terrestres raras que producen rayos gamma que no son de origen nuclear son los rayos y los destellos de rayos gamma terrestres, que generan emisiones de alta energía a partir de tensiones naturales de alta energía.
Los rayos gamma también son producidos por varios procesos astronómicos en los que se generan electrones con muchísima energía. Estos electrones producen rayos gamma secundarios a través de mecanismos como la radiación de frenado, el efecto Compton inverso y la radiación de sincrotrón. Gran parte de estos rayos gamma astronómicos son bloqueados por la atmósfera terrestre.
Entre las fuentes artificiales de rayos gamma se encuentran la fisión, como la que ocurre en los reactores nucleares, y los experimentos de física de partículas de alta energía, como la desintegración de piones neutros y la fusión nuclear.
Una muestra de material que emite rayos gamma y que se usa para irradiar o generar imágenes se conoce como fuente gamma. También se le llama fuente radiactiva, fuente de isótopos o fuente de radiación, aunque estos términos más generales también se aplican a dispositivos que emiten radiación alfa y beta. Las fuentes gamma suelen estar selladas para evitar la contaminación radiactiva y se transportan con un blindaje pesado para proteger a las personas.
Galería de imágenes
Véase también
En inglés: Gamma ray Facts for Kids
- Gammacámara
- Isómero nuclear
- Medicina nuclear
- Núcleo atómico
- Protección radiológica
- Radiación electromagnética
- Telescopio MAGIC
- Radiactividad
- Seguridad nuclear
- Isótopo radiactivo
- Energía nuclear
- Residuo radiactivo
- Procesos nucleares