Gama Işıması Nedir? Ne İşe Yarar?

Gama ışınları (veya gama radyasyonu), γ veya $\gamma$ sembolüyle gösterilen, atom çekirdeğinin radyoaktif bozunumu sırasında açığa çıkan penetre edici (yüksek enerjili) bir elektromanyetik radyasyondur. Dalga boyu tipik olarak X-ışınlarından daha kısa olan gama ışınları, en kısa dalga boylu (dolayısıyla en yüksek frekanslı) elektromanyetik dalgalardır. 30 eksahertz (3×10¹⁹ Hz) üzerindeki frekanslarla gama ışınları, aynı zamanda en yüksek foton enerjisine sahiptir.

Fransız kimyager ve fizikçi Paul Villard, 1900 yılında radyum tarafından yayılan radyasyonu incelerken gama radyasyonunu keşfetmiştir. 1903'te Ernest Rutherford, maddeye nispeten güçlü nüfuz etmelerine dayanarak bu radyasyona gama ışınları adını verdi; çünkü 1900'de, daha önceden Henri Becquerel tarafından keşfedilen ve daha az nüfuz edici iki bozunma radyasyonu türünü artan nüfuz etme gücüne göre "alfa ışınları" ve "beta ışınları" olarak adlandırmıştı.

Radyoaktif bozunmadan kaynaklanan gama ışınları, birkaç kiloelektronvolttan (keV) yaklaşık 8 megaelektronvolta (MeV) kadar olan enerji aralığındadır. Bu, oldukça uzun ömürlü çekirdeklerdeki tipik enerji seviyelerine karşılık gelir. Gama ışınlarının enerji spektrumu, gama spektroskopisi kullanılarak bozunan radyonüklidleri tanımlamak için kullanılabilir. 100–1000 teraelektronvolt (TeV) aralığındaki çok yüksek enerjili gama ışınları, Cygnus X-3 mikrokuasar gibi kaynaklardan gözlemlenmiştir.

Dünya'dan kaynaklanan doğal gama ışınları kaynakları, çoğunlukla radyoaktif bozunmanın ve kozmik ışın parçacıklarıyla atmosferik etkileşimlerden kaynaklanan ikincil radyasyonun bir sonucudur. Bununla birlikte, çekirdek üzerindeki elektron hareketinden gama ışınları üreten karasal gama ışını flaşları gibi başka nadir doğal kaynaklar da vardır. Önemli yapay gama ışınları kaynakları, nükleer reaktörlerde meydana gelenler gibi fisyon ve nötr pion bozunması ve nükleer füzyon gibi yüksek enerji fiziği deneylerini içerir.

Gama ışınları ve X ışınlarının her ikisi de elektromanyetik radyasyondur ve elektromanyetik spektrumda çakıştıkları için terminoloji bilimsel disiplinler arasında farklılık gösterir. Fiziğin bazı alanlarında, kökenlerine göre ayırt edilirler: Gama ışınları nükleer bozunma tarafından oluşturulurken, X-ışınları çekirdeğin dışından kaynaklanır. Astrofizikte, gama ışınları geleneksel olarak 100 keV'nin üzerinde foton enerjilerine sahip olarak tanımlanır ve gama ışını astronomisinin konusudur, 100 keV'nin altındaki radyasyon ise X-ışınları olarak sınıflandırılır ve X-ışını astronomisinin konusudur.

Gama ışınları iyonlaştırıcı radyasyondur ve bu nedenle yaşam için tehlikelidir. Yüksek penetrasyon güçleri nedeniyle kemik iliğine ve iç organlara zarar verebilirler. Alfa ve beta ışınlarının aksine, vücuttan kolayca geçerler ve bu nedenle onları durdurmak için kurşun veya beton gibi yoğun malzemelerden yapılmış koruma zırhları gerektirirler.

Gama Işını Nasıl Üretilir?

Bir elektron, yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine atladığında, aradaki fark kadar enerjiyi, elektromanyetik ışıma yoluyla yayar. Bu mekanizmaya çok benzer bir şekilde, atom çekirdeği de yüksek  enerji seviyelerine çıkabilir ve aynı elektron gibi çekirdek de, temel enerji seviyesine dönerken ışıma yapar.

Çekirdek için mümkün olan enerji seviyeleri, keV hatta MeV düzeyinde enerjilerle ayrıldığı için, temel enerji seviyesine dönen çekirdek, keV-MeV seviyesinde enerjiye sahip elektromanyetik ışınlar yayar.

Çekirdeğin yüksek enerji seviyesine "zıplaması" için, başka bir parçacıkla çarpışması ya da radyoaktif bozunmaya uğraması gerekir. Gama ışınımı için, sodyumun bu bozunumunu örnek alabiliriz:

${}_{11}^{22}\text{Na}{+}_{-1}^0\text{e}{\to }_{10}^{22}{\text{Ne}}^{\ast }+\nu$

${}_{10}^{22}{\text{Ne}}^{\ast }{\to }_{10}^{22}\text{Ne}+\gamma$

Örnek aldığımız bu bozunumdan açığa çıkan gama ışınları, 1.277 MeV enerjiye sahiptir. Eğer ki bu mekanizma için genel ifadeyi yazacak olursak:

${}_Z^A{\text{X}}^{\ast }{\to }_Z^A\text{X}+\gamma$

Kullanım Alanları ve Önemi

Sahip olduğu yüksek enerjiden dolayı, gama ışınları maddeye oldukça kolay nüfuz edebilir. Bu özelliğinden dolayı, gama ışınları tıbbi amaçlarla kullanılmaktadır. Özellikle sezyum-137, radyoterapide oldukça sık kullanılmaktadır.

Diğer bir önemli kullanım alanı ise, tıbbi ekipmanların ve gıdaların sterilizasyonudur. kobalt-60 kullanılarak yapılan bu uygulamada, bakterilerin öldürülmesi amaçlanır.

Ülkemizde de, Türkiye Atom Enerjisi Kurumu, Radyasyon ve Hızlandırıcı Teknolojileri Dairesine bağlı Gama Işınlama Tesisi Laboratuvarında, sterilizasyon amacı ile tıbbi malzeme ışınlaması, gıda ışınlaması ve deneysel ışınlama yapılmaktadır.