Gammakiirgus

Gammakiirgus on lühikese lainepikkusega (suurusjärgus alla 10 pm) ning suure sageduse ja energiaga elektromagnetkiirgus. See koosneb gammakvantidest ehk suure energiaga (üle 100 keV) footonitest.

Gammakiirgus tekib tuumaprotsessides, mõne teist tüüpi radioaktiivse kiirguse teisese kiirgusena ja elementaarosakeste annihileerumisel.

Röntgenikiirguse spekter kattub osaliselt gammakiirguse spektriga (kõrge sagedusega röntgenikiirgus võib olla samas energiavahemikus kui madala sagedusega gammakiirgu). Neid ei eristata mitte sageduse, vaid tekkimise viisi järgi. Röntgenikiirgus tekib elektronide liikumisel kõrgemalt energiatasemelt madalamale, gammakiirgus tekib aga tuumaprotsessides.

Suure energia tõttu tekitab gammakiirgus kudedele olulisi kahjustusi ja kuulub ioniseeriva kiirguse hulka.

Kitsamas mõttes tähendab gammakiirgus ehk γ-kiirgus eriti suure läbistamisvõimega ioniseerivat elektromagnetkiirgust, mis tekib paljude looduslike või tehislike radioaktiivsete nukliidide tuumade muundumisel ("lagunemisel").

Nimetus tuleb sellest, et radioaktiivse lagunemise ioniseeriv kiirgus jaotatakse alfakiirguseks, beetakiirguseks ja gammakiirguseks vastavalt nende kasvavale võimele ainet läbistada. Alfa- ja beetakiirgus koosnevad laetud osakestest ja sellepärast on nende vastastikmõju ainega tugev. Gammakiirguse kvandid on laenguta, mistõttu nende vastastikmõju ainega on nõrgem ja läbistamisvõime suurem.

Laiemas mõttes nimetatakse gammakiirguseks igasugust elektromagnetkiirgust, mille kvantenergia ületab umbes 200 keV, sõltumata selle tekkimise viisist. See vastab lainepikkustele, mis on lühemad kui 0,005 nm (5 pm). Selles üldises tähenduses kasutatakse seda sõna eriti siis, kui kiirguse tekkimise viis ei ole teada (näiteks astronoomias) või ei ole oluline (näiteks kiirguskaitses).

Väikest kreeka tähestiku tähte γ (gamma) kasutatakse mis tahes energia ja päritoluga footoni sümbolina.

Tekkimine

Tuumaprotsessid ja gammalagunemine

Tuumareaktsioonide puhul kannavad gammakvandid ära reaktsioonis tekkinud üleliigse energia. Näiteks aatomituumade lagunemisel muutub osa tuuma seoseenergiast lagunemissaaduste (tuumade ja vabade neutronite) kineetiliseks energiaks ning ülejäänud osa energiast eraldub gammakiirgusena.

Gammakiirgus sõna algses tähenduses tekib siis, kui pärast radioaktiivset alfa- või beetalagunemist jääb allesjäänud tuum (tütartuum) ergastatud olekusse; see kehtib paljude, kuid mitte kõikide alfa- ja beetalagunemiste puhul. Ergastatud tuum võngub või pöörleb mõnda aega. Üleminekul vähem ergastatud olekusse või põhiolekusse annab ta vabanenud energia ära gammakiirgusena (vt lagunemisskeem). Seda tuuma oleku muutust nimetatakse gammaüleminekuks ehk gammalagunemiseks, kuigi tuum seejuures tegelikult ei lagune koostisosadeks, sest selle neutronite ja prootonite arv jääb samaks.

Ergastatud olek võib tekkida ka muul moel, näiteks neutronhaarde või muude tuumareaktsioonide käigus või ka suurema energiaga γ-kvandi varasema neeldumise tagajärjel.

Levinud näide on koobalt-60 beetalagunemine, mille tulemusel tekib ergastatud nikkel-60 tuum, mis kiirgab gammakvante. Seda kasutatakse näiteks meditsiinivahendite steriliseerimisel.

Spekter

Gammakiirguse lainepikkused või energiad on diskreetsed ja iseloomulikud vastavale radionukliidile, sarnaselt näiteks keemiliste elementide optilisele joonspektrile. Sellepärast võimaldab tundmatu aine gammakiirguse spektri mõõtmine (gammaspektroskoopia) teha järeldusi selles sisalduvate radionukliidide liikide ja nende osatähtsuse kohta.

Gammaspektrijoonte teravad energiad tulenevad sellest, et gammaüleminekute eluead on tuumafüüsika mõõtkavas võrdlemisi pikad. Ergastatud tuuma kuju ja laengujaotus võngub, nii et seda võib kujutleda pulseeriva ragbipallina. See tekitab elektromagnetilise kvadrupoolvälja. Gammakvant kiirgub aga suurema tõenäosusega dipoolüleminekute puhul, mistõttu kvadrupoolüleminekud on vähem tõenäolised ja toimuvad harvem.

Vastavalt energia ja aja määramatuse relatsioonile on ülemineku eluiga $\tau$ pöördvõrdeline selle energia määramatuse ehk spektrijoone laiusega $\Gamma$ :

\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}

.

Ergastatud tuumaolekute eluead on alati suuremad kui umbes 10⁻¹⁵ sekundit ja sellepärast tekivad diskreetsed footonienergiad poollaiustega alla 0,3 eV.

Nimetamine alfa- või beetalagunemise ematuuma järgi

Alfa- või beetalagunemise ja sellele järgneva gammasiirde vahelise keskmise viivituse ehk poolestusaja pikkus sõltub nukliidist ning konkreetsest ergastatud tuumaolekust. Kuigi tuumafüüsika mõõtkavas on see pikk, on see enamasti väga lühike (sekundi murdosad).

Kui teaduslikuks, meditsiiniliseks või tehniliseks otstarbeks soovitakse kasutada gammakiirgust, näiteks nukliidi nikkel-60 ergastatud olekust (2,5 MeV) pärinevat kahe footoni kaskaadi (1,17 ja 1,33 MeV), kasutatakse beetakiirguri koobalt-60 preparaati. See nukliid laguneb 5,26 aasta pikkuse poolestusajaga nikkel-60 soovitud olekuks.

Sel praktilisel põhjusel omistatakse gammakiirgus (mitte ainult nikkel-60 puhul, vaid ka üldiselt teaduslikes ja tehnilistes materjalides, tabelites ning isotoopide tabelites ehk nukliidikaartidel) alati eelneva alfa- või beetalagunemise ematuumale. Näiteks räägitakse koobalt-60 kiirgusest ja koobaltkahurist, kuigi gammakiirgus pärineb tegelikult tütartuuma nikkel-60 ergastatud olekust.

Neid harvu ergastatud tuumaolekuid, mille gammasiirde poolestusaeg on sekundites, minutites või pikem, nimetatakse metastabiilseteks ehk tuumaisomeerideks. Sellistel juhtudel kasutatakse nimetuses tegelikult gammakiirgust kiirgava nukliidi nime. Üks näide on tehneetsium-99m, mida kasutatakse meditsiinilises diagnostikas (vt stsintigraafia).

Ergastatud aatomid

Kui aatomituum neelab kineetilist energiat omava osakese (näiteks alfaosakese või neutroni), siis tuum ergastub. Selleks, et tuum läheks tagasi oma põhiolekusse, peab ta lisaenergiast vabanema, ehk kiirgama gammakvandi. Ergastatud olekusse võib tuum jääda ka pärast tuumareaktsiooni.

Näiteks koobalt-60 beetalagunemine toimub järgmiselt:

6027Co → 6028Ni^* + β^– + ${\overline {\nu }}_{e}$ + γ (1,7 MeV)

Koobalti aatomi tuum kiirgab beetaosakese (energiaga 0,31 MeV), antielektronneutriino ja gammakvandi. Tuum jääb ergastatud seisundisse ning selleks, et minna oma põhiolekusse, kiirgab ta veel ühe gammakvandi (energiaga 1,33 MeV):

6028Ni^* → 6028Ni + γ (1,33 MeV)

Sarnane nähtus esineb ka elektronkattes. Kui see neelab suure energiaga osakese või footoni, ergastub ka aatom ning elektron liigub kõrgemale energiatasemele. Tagasi põhiolekusse minnes kiirgab aatom footoneid. Terminoloogiliselt nimetatakse sellist kiirgust siiski röntgenikiirguseks, kuigi selle lainepikkus võib olla sama nagu tuuma-gammakiirgusel.

Annihileerumine

Gammakiirgus tekib ka elementaarosakeste annihileerumisel. Osakese ja antiosakese kokkupõrkel osakesed hävivad ning nende mass muundub energiaks.

Annihilatsiooni tulemusena tekib vähemalt kaks gammakvanti, mis kannavad ära osakeste kineetilise energia ja seisuenergia. Näiteks β⁺ lagunemise puhul tekivad positronid, mis annihileeruvad aatomi elektronkatte elektronidega, tekitades gammakiirguse.

Need gammakvandid kokku kannavad energiat, mis vastab annihileerunud osakeste massile, millest on maha arvatud võimalik seoseenergia ning millele on juurde arvatud võimalik eelnev kineetiline energia.

Gammasähvatused astronoomias

Gammasähvatused on ühed kõige energiarikkamad nähtused universumis. Nende tekkemehhanism on vaid osaliselt selge. Spekter on pidev, footonite energiatega umbes 1 keV-st kuni MeV-ideni, ning sisaldab muu hulgas ka röntgenikiirgust.

Tegu ei ole gammakiirgusega kitsamas, tuumafüüsikalises tähenduses.

Terminoloogia: gammakiirgus ja röntgenikiirgus

Gammakiirguseks ja röntgenikiirguseks nimetatavate footonite energiavahemikud kattuvad osalt ning nende terminite kasutamine ei ole rangelt piiritletud.

Sageli eristatakse neid kiirguse päritolu järgi:

Röntgenikiirgus

tekib suure energiaga elektronide põrkumisel ainega,

- karakteristlik röntgenikiirgus, mis sõltuvalt sihtelemendist annab väga pehmet röntgenikiirgust (berülliumi puhul tavaliselt 163 eV) kuni kõva röntgenikiirgust (uraani puhul kuni 115 keV);
- pärsskiirgus, mille ülemine piir sõltub maksimaalsest kiirenduspingest.

Meditsiinitehnikas on tavaline 1–100 keV, tuumakeemias kuni 25 MeV.

Gammakiirgus

pärineb tuumaprotsessidest, annihileerumisest või kosmosest (vt ka gammasähvatus); spektri alumises osas kasutatakse seda näiteks energiatega 140,1 ja 140,6 keV (^99mTc) ning 159 keV (¹²³I).

Seetõttu kasutatakse röntgen- ja gammakiirguse piirina sageli väärtusi 100 keV, 120 keV, 124 keV (lainepikkus umbes 10 pm) ja 200 keV. See piir on aga meelevaldne (nagu ka ultraviolett- ja röntgenikiirguse vaheline piir) ega arvesta kiirguse tekkimise viisi.

Nii esineb ka madala energiaga gammakiirgust:

röntgenikiirguse piirkonnas näiteks ¹²⁵I energiaga 35,5 keV;
ultraviolettkiirguse piirkonnas näiteks ^229mTh energiaga 0,008355733 keV;

nagu ka väga suure energiaga elektronide tekitatud pärsskiirgust.

Kvantenergia piir, millest alates räägitakse sageli gammakiirgusest, on umbes 100–250 keV. See vastab kiirenduspingele kilovoltides, millega saab veel töötada röntgentorudega. Kuid elektronkiirendid ja ka välk tekitavad kiiremaid elektrone, mis ainega põrkumisel annavad pärsskiirgust megaelektronvoltide piirkonnas.

Maapealseid gammasähvatusi ei nimetata siiski röntgenvälkudeks. Seevastu leidub pehmeid gammakiirgajaid, nagu radioisotoop jood-125, mis kiirgavad kvante röntgenikiirguse energiavahemikus.

Toime ainele

Gammakiirgus ioniseerib ainet, mida ta läbib (gammakiirgus on ioniseeriv kiirgus). Ioniseerimine toimub kolmel põhilisel moel – fotoefektina (fotoionisatsioon), Comptoni hajumisena ja piisavalt suure footonenergia korral elektroni-positroni paaride tekkena. Kõigil kolmel viisil tekkinud vabadel elektronidel (või vabadel positronidel) on nii palju energiat, et ka neil endil on ioniseeriv toime. Samuti tekib gammakiirguse neeldumisel ohtralt teisest gammakiirgust.

Fotoefekt

Fotoefekt on elektronide "väljalöömine" aatomi elektronkattest. Kui aatomi elektronkattes olev elektron neelab gammakvandi, siis saab ta piisavalt energiat, et lahkuda oma potentsiaaliaugust aatomis ja muutuda vabaks elektroniks, mille kineetiline energia on gammakvandi energia miinus elektroni seoseenergia aatomis. Elektroni loovutanud aatom muutub positiivseks iooniks.

Fotoefekt on põhiline ainega vastastikmõju viis röntgenikiirte ja madala energiaga (alla 50 keV) gammakiirguse puhul. Suuremate energiate puhul on teiste ioniseerimisprotsesside toimumise tõenäosus oluliselt suurem.

Comptoni hajumine

Comptoni hajumine on protsess, mille puhul toimub samuti elektroni "väljalöömine" aatomi elektronkattest, kuid tekkiv vaba elektron viib ära ainult osa gammakvandi energiast. Ülejäänud energia viib minema uus gammakvant. Sellisel moel gammakiirgus ei neeldu täielikult, vaid selle energia väheneb.

Comptoni hajumine on põhiline protsess gammakiirguse puhul, mille kvantidel on energia vahemikus 100 keV kuni 10 MeV. Suurema energia puhul selle protsessi tõenäosus väheneb kiiresti.

Paaride teke

Vaata ka: Paaride teke

Aatomi tuuma elektriväljas võib piisavalt suure energiaga gammakvant lüüa vaakumist välja elektroni-positroni paari. Elektroni ja positroni loomiseks vajalikust energiast üle jääv gammakvandi energia muutub elektroni, positroni ja aatomituuma kineetiliseks energiaks. Positron annihileerub kohtudes mõne elektroniga ning selle tulemusena tekib kaks uut gammakvanti.

Toime organismidele

Kui gammakiirgus neeldub elusorganismis, avaldub selle energia ionisatsiooni- ja muudes füüsikalis-keemilistes protsessides. Tekib teisene kiirgus, nagu vabanenud elektronid ja röntgenikiirgus. Selle tagajärjel lõhutakse keemilised sidemed ja kahjustuvad rakud ning nende struktuurid. Kogu mõju ulatust kirjeldatakse ekvivalentdoosi kaudu.

Loomad (sealhulgas inimene)

Loomade puhul avalduvad gammakiirguse toimed kõigepealt konkreetsete rakkude DNA ja teiste ainete ja rakustruktuuride (sealhulgas valkude ja membraanide) kahjustusena, see omakorda mõjutab kogu organismi. Bioloogiliselt olulised on peamiselt DNA kahjustused, sest need mõjutavad kogu raku talitlust ja paljunemist. Kiirguse otsene toime DNA molekulile on keemiliste sidemete otsene lõhkumine, mille tagajärjel tekivad üheahelalised katkemised ja kahe ahela katkestused (viimased on ohtlikumad). Üheahelalise katkemise korral katkeb ainult üks DNA ahel, teine jääb terveks, nii et rakk saab seda parandamisel eeskujuna kasutada. Sel juhul parandatamine tavaliselt õnnestub, nii et mutatsiooni ei teki. See on kõige sagedasem, kuid vähem ohtlik kahjustus. Kaksikahelalise katkemise korral mõlemad DNA ahelad samas kohas. Et eeskuju puudub, on parandamine keeruline ega pruugi õigesti minna. Tagajärg võib olla mutatsioon, kromosoomi ümberkorraldus või rakusurm. See on üks kõige ohtlikumaid DNA kahjustusi. Ohtlikud on ka kromosoomide kahjustused. Otsene toime võib ka muuta ühe DNA aluse teiseks, selline kahjustus on kergesti parandatav. Enamik DNA kiirguskahjustusi tuleb siiski kiirguse kaudsest toimest (kuigi otsesest toimest tuleb rohkem ohtlikumaid kahjustusi). Et rakk koosneb suuresti veest, siis kiirgus tabab otseselt kõige rohkem vett. Kiirgus ioniseerib vee molekuli, lüües ühe elektroni molekulist välja, nii et tekivad väga reaktsioonivõimelised osakesed (vabad radikaalid, nimelt hüdroksüülradikaal ja vesinikradikaal), mis kahjustavad DNA-d. Need võivad muuta DNA aluseid, lõhkuda DNA ahela ja tekitada ristseoseid. DNA kahjustus parandatakse rakus või see kandub mutatsioonina tütarrakkudesse edasi või see vallandab rakusurma (apoptoosi).

Kiirgusele on haavatavamad need rakutüübid, mille puhul rakujagunemine toimub sagedamini. Asi on selles, et sagedase jagunemise puhul jääb DNA kiirguskahjustuste kõrvaldamiseks enne replikatsiooni vähem aega ja replikatsiooni ajal on DNA kiirgusele haavatavam. (Peale selle on kiirguse suhtes on eriti tundlikud need koed, mille uuenemine sõltub suuresti tüvirakkude jagunemisest, sest tüvirakkude kahjustused võivad koe uuenemise lõpu teha. Ka DNA parandamine toimub eri rakutüüpides erinevalt. Erinevused puudutavad parandusensüümide kontsentratsiooni, DNA ligipääsetavust parandamiseks heterokromatiin või eukromatiin) ja seda, kui kergesti valitakse parandamise asemel apoptoos.) Kui kiirgus kahjustab raku DNA-d, ei pruugi kohe kujuneda püsivat mutatsiooni. See toimub ainult juhul, kui kahjustust enne rakujagunemist ei parandata ja DNA replitseerub koos kahjustatud kohaga. DNA kahjustus võib küll mõjutada geenide avaldumist ja viia vigase mRNA tekkeni, kui kahjustatud DNA-d kasutatakse transkriptsiooniks. Sel juhul toimub valgusüntees valesti, mis võib tuua kaasa raku talitlushäireid, kui viga valgusünteesis ei võimalda valgul oma funktsiooni täita. Kahjustus võidakse enne jagunemist parandada. Selleks on aeglasemalt jagunevate rakutüüpide puhul rohkem aega, sest DNA parandussüsteemidel on rohkem aega tegutseda, nii et parandamise tõenäosus on suurem. Väljaspool jagunemise aega (interfaasis) on DNA tihedalt kokku pakitud ja histoonidega pakitud kromatiin. Rakujagunemise ajal (eriti repikatsiooni ajal) on DNA ahelad teineteisest eraldi ja seetõttu on DNA kergemini kahjustatav. Parandamine on selles faasis keerulisem, sest parandamine ja replikatsioon võivad konflikti minna. Interfaasis tekkinud kahjustus, mis jääb parandamata, kandub replikatsiooni käigus mutatsioonina tütarrakkudele edasi või põhjustab jagunemise ajal rakusurma (apoptoosi). Jagunemise ajal tekkivaid kahjustusi ei pruugita alati õigeaegselt parandada, sest replikatsioon jõuab parandamisest ette. Nii avaldub kiirguse mõju kiiresti jagunevatele rakkudele sagedamini ja kiiremini, sest parandamiseks jääb vähem aega. Tagajärjeks võivad olla rakkude surm, kudede talitluse häired või organismi arenguhäired. Lihtsama organisatsiooniga loomadel võib kahjustus avalduda kogu organismi elutegevuse häirena, keerukamatel vormidel aga eelkõige kindlates rakurühmades.

Selgroogsetel, sealhulgas inimesel, avalduvad kahjustused eeskätt kiiresti jagunevates kudedes, nagu vereloomekude ja epiteelkude. Et need koed uuenevad pidevalt, viivad DNA kahjustused ja raku jagunemise häired nende funktsiooni languse või kadumiseni. Selle tagajärjel võib tekkida kiiritustõbi, mis avaldub hiljem, kui organism ei suuda kaotatud rakke enam piisavalt kiiresti asendada. Eriti haavatavad on vererakud ja seedetrakti epiteel. Mutatsioonid võivad põhjustada rakkude kontrollimatut jagunemist ja kasvajate teket. Kasvajad võivad anda metastaase (vähk).

Lisaks somaatilistele kahjustustele võivad mutatsioonid sugurakkudes või nende eellasrakkudes viia pärilike muutusteni, mis kanduvad edasi järglastele (geneetilised kahjustused).

Taimed

Taimedes mõjutab gammakiirgus eeskätt aktiivselt jagunevaid kudesid, nagu kasvukuhikud ja meristeemid. Tagajärjeks võivad olla kasvu pidurdumine, deformatsioonid või rakkude surm. Kahjustused avalduvad eelkõige arenguhäiretena ja kudede nekroosina.

Seened

Seente puhul mõjutab kiirgus hüüfide kasvu ja rakkude jagunemist. DNA kahjustused võivad aeglustada või peatada koloonia kasvu. Mõned seened on siiski suhteliselt kiirguskindlad, sest neil on tõhusad DNA parandamise mehhanismid ja pigmendid (näiteks melaniin), mis võivad kiirgust osaliselt varjestada.

Mikroorganismid

Bakterite ja teiste mikroorganismide puhul võib gammakiirgus põhjustada DNA purunemist ja rakkude surma. Mõned liigid taluvad suuri doose tänu tõhusatele parandussüsteemidele või spooride moodustamisele. Kiirgust kasutatakse ka mikroorganismide hävitamiseks steriliseerimise l.

Varjestamine

Gammakiirgus on suure läbistamisvõimega radioaktiivne kiirgus. Gammakiirguse varjestamiseks kasutatakse võimalikult suure aatomnumbriga ja suure aatomtihedusega ainet (enamasti pliid).

Erinevalt laetud osakestega kiiritamisel esinevast Braggi kõverast väheneb gammakiirguse intensiivsus (ja seega energia neeldumine) läbitungimissügavuse suurenedes eksponentsiaalselt. See tähendab, et gammakvantide arv väheneb iga poolväärtuskihi paksuse järel poole võrra. Poolväärtuskihi paksus sõltub gammakiirguse lainepikkusest ja materjalist, eriti selle aatomnumbrist: plii on oma suure aatomtiheduse, suure aatomnumbri ning suhteliselt lihtsa kättesaadavuse ja töödeldavuse tõttu kõige levinum gammakiirguse vastase kiirguskaitse materjal. Plii korral on 2 MeV energiaga gammakiirguse poolväärtuskihi paksus 14 mm.

Et gammakiirguse nõrgenemine aines on eksponentsiaalne, siis varje paksuse suurendamine vähendab sellest läbi tungiva gammakiirguse intensiivsust eksponentsiaalselt. See kehtib küll ainult kitsa gammakiirguse kimbu (kiire) puhul. Laia gammakiirguse varjestamine on keerulisem, sest arvesse tuleb võtta ka varje sees tekkiv teisene gammakiirgus.

Reeglina mõõdetakse erinevate materjalide gammakiirguse varjestamisvõimet materjali paksusega, mis on vajalik kiirguse intensiivsuse vähendamiseks poole võrra, (poolväärtuskihi paksusega). Näiteks kui 1 cm paksune pliiplaat vähendab gammakiirgust poole võrra, siis sama efekti saamiseks peab betoon olema 6 cm paksune ja tihendatud pinnas 9 cm paksune.

Vaata ka

neutronkiirgus

Välislingid

Gammakiirguse läbimisvõime demonstratsioon