Fysiikka 8 Luku 5.5 Gammasäteily

Kun ydin siirtyy viritystilasta alempaan viritystilaan tai perustilaan, se emittoi lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä, gammasäteilyä. Gammasäteilyä emittoiva nuklidi pysyy samana nuklidina eli alkuaine ei muutu toiseksi alkuaineeksi. Gammasäteilyn perusteella voi tunnistaa radioaktiivisia aineita, koska ytimestä lähtevän  gammasäteilyn aallonpituus riippuu ytimestä.

Gammasäteily läpäisee helposti paperin ja alumiinilevyn. Gammasäteilyä voidaan vaimentaa tehokkaasti paksuilla, raskaista alkuaineista kuten lyijystä tehdyillä suojaimilla. Gammasäteilyn vaimenemista väliaineessa tarkastellaan yleensä intensiteetin avulla. Intensiteetti on säteilyteho pinta-alaa kohden eli

I = P/A

Puoliintumispaksuus d_½ on se väliaineen paksuus, joka vähentää gammasäteilyn intensiteetin puoleen.

Gammasäteily on läpitunkevaa, minkä vuoksi sitä käytetään läpivalaisuun lääketieteessä ja tekniikassa. Erityisesti jakautumisvaiheessa olevat solut ovat erityisen herkkiä säteilyvaurioille. Siksi syöpäsolujen tuhoamiseen voidaan käyttää gammasäteilyä. Voimakas gammasäteily tappaa elävät solut nopeasti. Gammasäteilyn avulla voidaankin steriloida esim kertakäyttöisiä sairaanhoitotarvikkeita ja säteilyttää elintarvikkeita. Säteilytetty aine ei muutu steriloinnissa säteileväksi.

Gammakuvausta varten elimistöön ruiskutetaan radioaktiivista merkkiainetta.

Heikennyslaki

Gammasäteilyn heikennyslaki on

jossa I on ainekerroksen läpäisseen säteilyn intensiteetti, I₀ aineeseen osuvan gammasäteilyn intensiteetti, x ainekerroksen paksuus ja µ matkavaimennuskerroin.

Gammasäteilyn ja aineen vuorovaikutustapoja

Gammasäteily voi vuorovaikuttaa aineen kanssa kolmella tavalla: kun gammasäteily osuu aineeseen, se menettää energiaa

-         valosähköisessä ilmiössä

-         Comptonin imiössä

-         parinmuodostuksessa

Parinmuodostuksessa säteilyenergiaa muuttuu aineeksi. Riittävän suurienergiainen gammakvantti, fotoni, voi muuttua atomin ytimen lähellä elektroniksi ja positroniksi eli hiukkas-antihiukkaspariksi sekä näiden liike-energiaksi. Jotta näin voisi tapahtua, fotonin energian on oltava suurempi kuin 2m₀c² ≈ 1,0219981 MeV, jossa m0 on elektronin lepomassa. Parinmuodostusta seuraa aineessa aina parin häviäminen eli positronin kohtaa elektronin, jolloin tapahtuu annihilaatio.

Syövän sädehoito

Syövän sädehoidossa syöpäkasvaimeen kohdistetaan usein eri suunnista gamma- tai beetasäteilyä. Tällöin terveet kudokset saavat pienemmän säteilyannoksen kuin jos säteilytys kohdistettaisiin kasvaimeen vain yhdestä suunnasta. Syöpäsolut tarvitsevat jakautuakseen runsaasti fenyylialaniinia, joten sen pitoisuus syöpäsoluissa on huomattavasti suurempi kuin terveissä soluissa. Muista että monissa light-tuotteissa lukee ”sisältää fenyylialaniinin lähteen”!

Boorineutronisädehoidolla hoidetaan esim pään ja kaulan pitkälle edenneitä syöpäkasvaimia sekä pahanlaatuisia aivokasvaimia. Boorineutronisädehoidossa ¹⁰B – isotooppi kulkeutuu verenkierrossa fenyylialaniinin avulla potilaan syöpäkasvaimeen. Kyseinen hoito perustuu booriatomien erityiseen kykyyn reagoida neutronien kanssa. Kun booria on kertynyt riittävästi kasvaimeen, siihen kohdistetaan neutroneja. Tällöin kasvaimessa ¹⁰B-ytimet kaappaavat neutroneja, minkä vuoksi booriytimet hajoavat ja syntyy gammasäteilyä.

Hoito ei vaurioita terveitä soluja, sillä gammasäteilyn kantama on lyhyt ja rajoittuu melkein kokonaan syöpäkasvaimeen. Lisäksi hoidossa käytettävä neutronisäteily aiheuttaa potilaalle vain pienen säteilyannoksen, koska neutronit ovat varauksettomia ja siten ne reagoivat heikosti läpäistessään potilaan.