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什么是伽马射线?能破坏癌细胞DNA并照亮星系

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  • 2019-09-27
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简介伽马射线是一种电磁辐射,就像无线电波、红外线、紫外线、X射线和微波一样。伽马射线可以用于癌症治疗,而伽马射线爆发是天文学家研究的主要焦点

    伽马射线是一种电磁辐射,就像无线电波、红外线、紫外线、X射线和微波一样。伽马射线可以用于癌症治疗,而伽马射线爆发是天文学家研究的主要焦点。电磁辐射可以通过具有不同波长和频率的波或粒子传播。波长覆盖范围称为电磁频谱,一般分为七个部分。随着波长的减小,能量和频率将增加。这七部分通常是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。伽马射线在电磁波谱中的位置高于“软X射线”。伽马射线的频率超过每秒1018赫兹,波长小于100皮米(1皮米相当于一兆分之一米)。这张天空全景图是美国宇航局费米伽马太空望远镜在过去两年中收集的数据集。它表明伽马射线下的宇宙图案与硬X射线在电磁光谱中的位置重叠,因此很难区分这两者。在天体物理学和其他领域,科学家们将迫使一条界线将高于特定波长的X射线归类为X射线,将低于特定波长的伽马射线归类为X射线。γ射线和X射线属于高能辐射,能破坏生物组织。然而,宇宙中几乎所有的伽马射线都被地球大气所阻挡。伽马射线的发现最早是由法国化学家保罗·维拉德在1900年研究镭辐射时发现的。几年后,化学家和物理学家欧内斯特·卢瑟福根据核反应产生的α射线和β射线,提出了“伽马射线”这个名字。γ射线的源和效应主要由四种核反应产生:核聚变、核裂变、α衰变和γ衰变。γ射线爆发概念图核聚变是太阳和其他恒星的能量来源。反应分几个步骤进行。在极高的温度和压力下,四个质子或氢原子核被迫聚集成一个氦原子核,其中有两个质子和两个中子。氦核的质量比原来的四个质子的质量小约0.7%。根据爱因斯坦的质量能量方程E=mc2,这个质量差被转换成能量,其中三分之二以伽马射线的形式释放。(剩余的能量以中微子的形式释放,这是一种质量几乎为零的非常弱的粒子)。在恒星生命结束和氢燃料耗尽之后,核聚变产生的元素变得越来越重,直到它们到达铁元素。但是每个阶段产生的能量也会减少。另一个伽马射线源是核裂变,人们不应该不熟悉它。劳伦斯·伯克利国家实验室将核裂变定义为:较重的原子核分裂成大致相等的一半,然后分别成为较轻元素的原子核。这个过程涉及与其他粒子的碰撞。当重核如铀和钌被其他粒子轰击时,它们将分裂成较轻的元素,如氙和锶。轰击产生的新粒子会与其他重核碰撞,形成链式反应。这一过程也释放能量,因为裂变产生的粒子的总质量低于原始重核的质量。这个质量也转换成能量,以较小核、中微子和伽马射线的动能的形式。α衰变和γ衰变也可以产生γ射线。当重核释放氦-4核时,发生α衰变,原子数减少2,原子重量减少4。这个过程导致原子核中过剩的能量,以伽马射线的形式释放。如果原子核中能量太多,它将衰变并发出伽马射线,而不改变原子核的电荷或质量成分。伽玛射线疗法可以破坏癌细胞的DNA,因此有时被用于治疗恶性肿瘤。但是,在使用这种疗法时必须更加小心,因为伽马射线也可以破坏周围健康组织细胞的DNA。使癌细胞所接收的辐射最大化和使健康细胞所接收的辐射最小化的一种方法是通过线性加速器将不同方向的多束伽马射线集中到一个小区域内。这就是网络刀和伽玛刀的工作原理。伽玛刀放射外科使用一种特殊的装置来击中脑肿瘤或其他靶上近200个辐射通道。每束辐射对穿过的脑组织几乎没有影响,但连接处的辐射剂量很大。伽马射线和天文伽马射线爆发是最有趣的伽马射线源之一。这是一个极富活力的天文事件,持续时间从毫秒到分钟。科学家在1960年代首次观察到这种现象,现在大约每天观察一次。美国宇航局指出,伽马射线爆发是“最高形式的光”。它的亮度可以达到普通超新星的数百倍,大约是太阳的1万亿倍。根据密苏里州立大学天文学教授罗伯特·帕特森的说法,科学家们曾经相信伽马射线爆发来自蒸发的小黑洞的末端。但是现在科学家们相信伽马射线爆发应该是由密集的物体,如中子星之间的碰撞引起的。理论上还指出,当超大质量恒星坍缩形成黑洞时,它们也会产生伽马射线爆发。不管它的来源如何,伽马射线爆发能在几秒钟内产生足够的能量照亮整个星系。但是因为地球大气层可以阻挡大多数伽马射线,所以只有高海拔的气球和轨道望远镜才能观测到它们的存在。

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