ما هي اشعة جاما Gamma-Rays؟

الدكتور حازم فلاح سكيك 18 أبريل، 2016

0 7٬816 5 دقائق

تتهم اشعة جاما على انها هي التي حولت بروس بانر Bruce Banner إلى الرجل الاخضر في فيلم الاثارة والخيال العلمي Incredible Hulk. لكن ما هي اشعة جاما؟ وماذا يمكن ان تفعله؟

تعتبر اشعة جاما صورة من صور الطاقة الضوئية. وهي امتداد للطيف الكهرومغناطيسي الذي نرى بطيفه المرئي الكون من حولنا. تمتلك اشعة جاما طاقة تصل إلى 10,000 مرة من طاقة الضوء المرئي ولذلك فهي تعرف ايضا باشعة الموت death rays. وهي طاقة ليس لها لون ولا علاقة لها باللون الاخضر للرجل الاخضر. واذا سقطت اشعة جاما على اي شخص فانها تسبب وفاته على الفور، حيث تعمل اشعة جاما على طرد كل الالكترونات من ذراتها وتتركها ايونات تدخل في تفاعلات كيميائية مختلفة ينتج عنها جزئيات سامة على الكائنات الحية. الا انا ما حدث لبطل فيلم الرجل الاخضر هو محض خيال مخرج الفيلم حيث تصور ان امتصاص جسم بروس بانر اشعة جاما تمكن من تحويلها من طاقة إلى كتلة حسب معادلة اينشتين E=mc² والتي عملت على زيادة كتلته العضلية ليصبح بقوة خارقة، وبالتأكيد هذا لا يحدث في الواقع الا في الافلام.

اعلانات جوجل

ما هي اشعة جاما؟

اشعة جاما هي شكل من اشكال الاشعة الكهومغناطيسية مثلها مثل امواج الراديو والاشعة تحت الحمراء والاشعة فوق البنفسجية واشعة اكس وامواج الميكروويف. يمكن استخدام اشعة جاما Gamma-rays في علاج الاورام السرطانية ويدرس علماء الفلك انفجارات اشعة جاما التي تحدث في المجرات البعيدة.

تنتقل الاشعة الكهرومغناطيسية في صورة امواج او جسيمات باطوال موجية وترددات مختلفة. هذا المدى الواسع من الاطوال الموجية يعرف باسم الطيف الكهرومغناطيسي. يقسم الطيف الكهرومغناطيسي إلى سبعة اقسام في اتجاه تناقص الطول الموجي وزيادة الطاقة والتردد. ويعطى كل قسم من اقسام الطيف الكهرومغناطيسي اسماء هي امواج الراديو والميكروويف والاشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والاشعة فوق البنفسجية واشعة اكس واشعة جاما.

تقع اشعة جاما Gamma-rays في مدى الطيف الكهرومغناطيسي فوق اشعة اكس الضعيفة. تمتلك اشعة جاما ترددات اعلى من 10¹⁸Hz واطوال موجية اصغر من 100pm. وهي نفس مدى اشعة اكس القوية الا ان اشعة اكس القوة تنتج من تسارع الالكترونات في حين ان اشعة جاما تنتج من انوية الذرات.

اعلانات جوجل

ما هي اشعة جاما Gamma-Rays؟ شكل يوضح كامل الطيف الكهرومغناطيسي

اكتشاف اشعة جاما

لوحظت اشعة جاما لاول مرة في العام 1900 بواسطة العالم الكيميائي الفرنسي باول فيلارد Paul Villard عندما كان يدرس الاشعاع الناتج عن الراديوم radium. بعد مرور بضعة اعوام اطلق العالم الكيميائي والفيزيائي النيوزيلاندي ارنست رزرفورد Ernest Rutherford اسم اشعة جاما بعد اطلاق اسم اشعة الفا واشعة بيتا على جسيمات اخرى نتجت من التفاعلات النووية واصبح هو الاسم الدارج لها بعد ذلك حتى الان.

مصادر اشعة جاما واثارها
تنتج اشعة جاما بشكل رئيسي من خلال اربعة تفاعلات نووية مختلفة وهي تفاعلات الاندماج وتفاعلات الانشطار واضمحلال الفا واضمحلال جاما. علما بان التفاعل الاندماجي Nuclear fusion هو التفاعل المسؤول عن توليد الطاقة في الشمس والنجوم. تحدث في عملية من عدة خطوات بحيث ان اربعة بروتونات او نواة ذرة الهيدروجين تجبر تحت ظروف ضغط ودرجة حرارة عالية جدا على ان تندمج في نواة ذرة هيليوم والتي تتكون من بروتونين ونيوترونين. نواة الهيلوم الناتجة من هذا التفاعل الاندماجي تكون اقل بحوالي 0.7٪ من كتلة البروتونات الاربعة التي دخلت في التفاعل. يتحول فرق الكتلة إلى طاقة طبقا لمعادلة تكافؤ الكتلة والطاقة لاينشتين E=mc² مع حوالي ثلثي الطاقة ينبعث في صورة اشعة جاما. باقي الطاقة تتحول إلى جسيمات النيوترينيو والتي تمتاز بانها جسيمات ذات كتلة تساوي صفر وضعيفة التفاعل.

مصدر اخر مشابه لاشعة جاما هو التفاعل النووي الانشطاري، وفيه تنشطر الانوية الثقيلة إلى جزئين متساويين تقريبا من انوية عناصر اخف، ويصاحب عملية التفاعل الانشطاري تحرر كمية هائلة من الطاقة في صورة طاقة حركة لعناصر المتولدة عن الانشطار وفي صورة انبعاث نيوترونات واشعة جاما. في هذه العملية تنشطر نواة ثقيلة مثل نواة اليورانيوم uranium والبلوتونيوم plutonium وتتحول إلى عناصر اصغر مثل الزينون xenon والسترونتيوم strontium، وتتحدث تصادمات مع جسيمات اخرى. الجسيمات المتولدة عن هذه التصادمات تتسبب في انشطار المزيد من الانوية الثقيلة في عملية تفاعل متسلسل. تتحرر الطاقة من فرق الطاقة بين الكتلة الاساسية وكتل النواتج. يتحول فرق الطاقة طبقا لمعادلة اينشتين E=mc² إلى طاقة حركة للانوية الصغيرة وتتولد نويرونات واشعة جاما.

العمليتين الاخرتين لتوليد اشعة جاما وهما اطمحلال الفا واطمحلال جاما. يحدث اضمحلال الفا عندما نواة ثقيلة تحرر نواة هيليوم ويقل عددها الذري atomic number بمقدار 2 ويقل عددها الكتلي atomic weight بمقدار 4. تترك هذه العملية النواة في حالة طاقة اضافية تنبعث في صورة اشعة جاما. ويحدث اضمحلال جاما عندما تمتلك نواة اي ذرة طاقة كبيرة اي تكون في حالة اثارة وتتخلص هذه النواة من طاقتها الاضافية بانبعاث اشعة جاما بدون حدوث اي تغير في شحنتها او كتلتها.

DETECTING GAMMA RAYS

رصد اشعة جاما

ليس مثل الاشعة الضوئية او اشعة اكس فاشعة جاما لا يمكن ان تقتنص او تعكس على مرايا من اي نوع. الاطوال الموجية لاشعة جاما قصيرة جدا يمكنها ان تمر عبر اي فراغ بين الذرات لاي كاشف. ولهذا السبب استخدمت ظاهرة تشتت كمتون Compton scattering لرصد اشعة جاما. تحتوي كواشف اشعة جاما على مكعبات بلورية بكثافة عالية جدا. عندما تمر اشعة جاما منها فانها تتصادم مع الكترونات البلورة. هذه العلمية تعرف بتشتت كمتون والتي ينتج عن تصادم اشعة جاما مع الكترون ان تفقد جزء من طاقتها وتمنحه للالكترون. هذه العملية ينتج عنها جسيمات مشحونة هي التي يتم رصدها بواسطة المجسات.

This diagram shows how a photon from incoming energy hits an electron at rest. The photon scatters and the electron recoils at the same angle in the opposite direction.

اعلانات جوجل

العلاج باستخدام اشعة جاما Gamma-ray therapy

تستخدم اشعة جاما في بعض الاحيان لعلاج بعض حالات السرطان الحرجة من خلال تدمير الـ DNA للخلايا السرطانية. وتتطلب هذه التقنية دقة عالية لان اشعة جاما تسبب ضرر كبير للـ DNA للخلايا والانسجة الحية السليمة. والطريقة المستخدمة لتسليط جرعة كبيرة على الخلايا السرطانية وجرعة صغيرة على الخلايا الحية من خلال توجيه اشعة جاما متعددة من معجل خطي linear accelerator او جهاز الليناك linac على منطقة الهدف من عدة اتجاهات مختلفة. هذا هو فكرة عمل جهاز سيبر نايف CyberKnife او سكينة جاما Gamma Knife. في تقنية سكينة جاما تستخدم اجهزة تقنية متطورة تعمل على توجيه 200 شعاع جاما على الخلية السرطانية.

اشعة جاما في الفلك Gamma-ray astronomy

من احد المصادر المهمة لاشعة جاما هو انفجارات اشعة جاما والتي تعرف باسم gamma-ray bursts والتي تختصر بـ GRBs. هذه عبارة عن احداث فلكية ذات طاقة هائلة جدا تمكث لبضعة اجزاء من الثانية وقد تطول لفترة تصل إلى عدة دقائق. لوحظت انفجارات اشعة جاما لاول مرة في الستينات من القرن العشرين ويمكن رصد مثل هذه الانفجارات في السماء بمعدل مرة في اليوم تقريبا.

اعلانات جوجل

لفترة طويلة اعتقد ان انفجارات اشعة جاما تأتي من مجرتنا ولم يكن متوقع انه يمكن رصدها من مجرات بعيدة عنا الا انه تبين الان انها قد تكون صادرة من مجرات تبعد عنا بحوالي 100 مليون إلى مليار سنة ضوئية مما يعني انها انفجارات بشدة عالية تفوق الوصف تمكنا من رصدها وبسطوع عالي.

توقع علماء الفلك في الماضي ان انفجارات اشعة جاما تصدر في المراحل النهائية من تبخر ثقوب سوداء صغيرة. اما الان فان مصدر انفجارات اشعة جاما هو تصادمات اجسام كثيفة مثل النجوم النيوترونية. كما ان هناك نظريات اخرى تعزي هذه الاحداث إلى انهيار نجوم السوبرنوفا لتشكل ثقوب سوداء. وفي حالات اخرى تطلق انفجارات اشعة جاما طاقة هائلة تدوم لبضعة ثواني تضيء كامل المجرة. والحمدلله على الغلاف الجوي الذي يمنع معظم اشعة جاما من الوصول إلى سطح الارض، ويتم رصد هذه الانفجارات بواسطة بالونات طائرة على ارتفاعات شاهقة او بواسطة تلسكوبات في الاقمار الصناعية.