GAMA IŞINI

Gama ışını veya gama ışıması (simge: γ), atom altı parçacıkların etkileşiminden kaynaklanan, belirli bir titreşim sayısına sahip “elektromıknatıssal ışınım”dır. Genelde uzayda gerçekleşen çekirdeksel tepkimelerin sonucunda üretilir. İlk defa, Fransız kimyager-fizikçi Paul Villard, radyum ile çalışırken “gama fotonları”nı farketti. Rutherford, Villard’ın farkettiği bu fotonlara, “gama ışınımı” adını vermiştir.


Şekilde; Na(sodyum)’nın, beta bozunumu yaparak Ne (neon)’nin uyarılmış haline dönüşmesi ve uyarılmış halde bulunan Ne çekirdeğinin, gama bozunumu ile temel enerji seviyesine düşerken yayınladığı gama ışınının şematik diyagramları gösterilmiştir.

Elektromanyetik spektrumda dalgalar, binalar büyüklüğündeki çok uzun radyo dalgalarından, bir atomun çekirdeğinin boyutundan daha kısa gama dalgalarına kadar değişir. Gama ışınları, elektromanyetik spektrumdaki en kısa dalga boylu ve en fazla enerjili elektromanyetik radyasyonlardır.

Alfa ışıması (üst) bir parça kâğıt ile bile durdurabilir. Beta ışıması için daha kalın bir madde lazımdır (örneğin plastik). Gama ışıması ise çok kalın kurşun tabaka haricinde hemen hemen tüm maddelerden geçebilir.

Bu ışınlar, atom çekirdeğinin enerji seviyelerindeki farklılıklardan meydana gelir. Çekirdek, bir radyoaktif bozunum yaptıktan(alfa ya da bir beta parçacığı çıkarttıktan sonra) veya bir nükleer reaksiyondan sonra genellikle kararlı bir durumda olmaz. Fazla kalan çekirdek enerjisi, ikinci bir bozunum sonucunda bir elektromanyetik radyasyon halinde yayınlanır(bir foton yayınlar). Böylece çekirdek, önce daha düşük enerji seviyesine ve sonunda taban enerji seviyesine düşer. Bu şekilde, çekirdeğin uyarılmış enerji seviyesinden temel enerji seviyesine düşerken yayınladığı fotonlara “gama ışını” denir.

Gama ışınları, şekilde gösterilen elektromanyetik spektrumdaki diğer elektromıknatıssal ışınlar arasında “en yüksek titreşim sayısı”na, en düşük dalga boyuna ve en yüksek enerji düzeyine sahiptirler. Tek birgama ışını fotonu görülebilen ışık fotonundan bir milyar kat daha fazla enerjiye sahiptir. Normal ışık yanağa değen bir tüy gibi düşünülürse, gama ışını da bir mermiye benzetilebilir. Yüksek enerjilerinden dolayımadde içerisinde yol alabilirler, ışık hızı ile yayılırlar ve gazları iyonlaştırıcı özellikleri vardır. Bu da onları tehlikeli yapar. Taşıdıkları enerji düzeyi nedeniyle yaşayan hücrelere önemli zarar verirler.

Gama ışınlarının enerjileri tipik olarak 0,1 – 10 MeV arasında olup çekirdek durumları arasındaki enerji farkı mertebesindedir ve bu 10⁴ ile 100 fm dalga boyu aralığına karşılık gelir. X-ışınları ile γ-ışınları arasındaki sınır kesin olarak belirlenmemiştir. Bazı astronomlar, 100 keV üzerindeki, bazıları ise 500 keV’a yakın enerjiye sahip fotonlarıgama ışınları olarak niteler.

Gama ve X-ışınlarının, alfa ve beta parçacıklarına göre madde içine nüfuz etme kabiliyetleri çok daha fazla, “iyonlaşma”ya sebep olma etkileri ise çok daha azdır. İyonizasyon olayı herhangi bir maddede meydana gelebileceği gibi insanlar dâhil tüm canlılarda da oluşabilir. Bu durum önlem alınmadığı takdirde tüm canlılar için zararlı olabilmektedir. İyonize etme gücünün daha düşük olması, onun kalın cisimlerden kolayca geçmesini sağlar. “Gama ışını”nın, birkaç santimetre kalınlığındaki kurşun tuğlalarla sadece belli bir kısmı durdurulabilir. Madde içerisinden geçerken üstel bir fonksiyon şeklinde bir şiddet azalmasına uğrarlar. Kütleleri yoktur ve yüksüzdürler, dolayısıyla elektrik ve manyetik alanda sapma göstermezler. Ayrıcagama ışınları çok da emilmeden kalın toz ve gaz bulutlarından geçebilirler. Bu durum, astronomide başka dalga boylarında gözlenmesi mümkün olmayan ve toz bulutlarının arkasında ya da içinde kalan cisimler hakkında bilgi edinmeyi sağlar.

MADDEYLE ETKİLEŞİMİ

Gama ışınları(fotonlar), başlangıç enerjilerine bağlı olarak maddeyle 4 şekilde etkileşirler. Bu etkileşimlerden hangisinin olacağı gama ışınının enerjisine ve maddenin atomik kütle numarasına(Z) bağlıdır. Düşük enerjilerde, 100 keV’e kadar X ışını bölgesinde foto elektrik olayı etkindir. Compton olayı, 10 keV’de etkin olmaya başlar, 100 keV’de daha da etkin olur ve 1 MeV’de etkisi azalır. Elektron çifti oluşumu 1,02 Mev’in üstünde etkindir.

Foto Elektrik Olayı:

Gama fotonu, enerjisinin tamamını maddenin atomuna bağlı elektronlardan birine vererek kaybolur. Enerji alan elektron, kinetik güç kazandığından atomdan ayrılır ve adı geçen atomlardan bir “iyon çifti” meydana gelmiş olur. Atomlardan ayrılan elektrona da “foto elektron” adı verilir.

Compton Olayı:

Gama fotonu, herhangi bir madde atomunun elektronuna çarptığı zaman gücünün bir kısmını o elektrona potansiyel enerji olarak verir ve foton, kalan enerjisi ile başka bir istikamette yoluna devam eder. Bu suretle meydana gelen potansiyel enerjiye sahip elektrona da “Compton Elektronu” denmektedir.

Pozitif ve Negatif Elektron Çiftlerinin Doğuşu:

Buna “Çift Oluşumu” olayı da denir. Nadiren meydana gelen bir hadisedir. Bu olayda gama fotonu, maddenin atom çekirdeği yakınında bir negatif ve bir pozitif elektrona dönüşmek suretiyle kaybolmaktadır. Böylece bir elektron çifti meydana gelmiş olur. Şayet foton, bir elektron çifti meydana getirmek için gerekli olan enerjiden daha fazla bir güce sahip ise, o fazla enerji dahi çift elektronlarca paylaşılır ve her iki elektron enerjilerinin büyüklüğü kadar bir hızla uzaklaşırlar.

Nötronların Meydana Gelişi:

Çok yüksek enerjili gama ışınlarında nadiren meydana gelen bu hadise, fotonların direkt olarak atomun çekirdeğine kadar ulaşması sonucu, fotonlardan daha fazla nüfuz kabiliyetine sahip olan serbest nötron açığa çıkarılması anlamını taşır. Nötronu eksilen atom ise, radyoaktif hale gelmektedir. Bunların her ikisi de radyasyon tehlikesine sahiptirler.

“GAMA IŞINI” ÜRETEN KAYNAKLAR

Radyoaktif Bozunma

Radyoaktif gama bozunumu sonucunda oluşan gama ışıması, alfa ve beta ışıması gibi ışımalara eşlik eder. Bir alfa veya beta parçacığı çıkarttıktan sonra genellikle kararsız olan çekirdek, gama ışını yayınlayarak daha düşük enerji seviyesine geçer. Bu durumda gama ışınının yayınlanması çok ani oluşur ve genellikle sadece 10−12 saniyede gerçekleşir. Kararsız yapılardan gama bozunmasını, nötron yakalama, nükleer fisyon(bölünme) ve nükleer füzyon (birleşme) gibi nükleer reaksiyonlar takip edebilir.

Yeryüzünde doğal olarak oluşan potasyum-40 gibi radyoizotopların gama bozunması doğal gama ışını kaynağıdır. Öne çıkan yapay gama ışını kaynakları ise, nükleer reaktörlerde gerçekleşen fisyon ve nötr pion(pi mezonu) bozunması ile nükleer füzyon gibi yüksek enerjili fizik deneyleridir. Astronomide bir kaç gama ışımasının gama bozunması sonucunda gerçekleştiği biliniyor, fakat çoğunluğu böyle oluşmuyor.

Radyoaktif Bozunma Dışındaki Kaynaklar


Gama ışını alanında Samanyolu galaksisindeki pulsarlardan yayılan daha yaygın ve uzun süreli gama ışını üretimi hakimdir. Gökyüzünün geri kalanındaki gama ışını kaynakları ise çoğunlukla kuasarlardır.

Gama radyasyonu da X radyasyonu gibi çok çeşitli olaylar sonucunda üretilir. Çok yüksek enerjiye sahip gama ışınları, elektronlar ve protonlar; madde ile bombardıman edildiğinde, bombardıman edilmiş atomlardaki uyarılmış nükleer atomların geçici oluşumlarının ürünü olarak “ikincil gama ışınları” yayınlanır. Bu tip gama ışınları, çekirdek tarafından üretilir ancak radyoaktif bozunmadan ileri gelen nükleer bir uyarılma sonucunda gerçekleşmez. Bu ışınlar, kozmik ışın parçacıklarının atmosferdeki çeşitli etkileşimleriyle de yeryüzündeki bir diğer doğalgama ışını kaynağını oluştururlar. Bu tip astronomik gama ışınları,evrenin çok geniş mesafelerinden yayılarak Yerküre’ye kadar gelir. Büyük çoğunluğu, Dünya atmosferi tarafından perdelenir ve ancak uydular tarafından tespit edilebilir.

Nükleer olmayan gama ışını ortaya çıkaran bazı karasal doğal kaynaklar ise, doğal yüksek enerji gerilimlerinden yüksek enerji ışıması üretenyıldırımlar ve karasal gama ışını parlamalarıdır. Karasal gama ışını parlamalarında, Dünya’nın atmosferindeki fırtınanın içinde kısa bir gama radyasyonu çarpması oluşur. Bu gama ışınlarının, elektronların yüksek yoğunluktaki statik elektrik alanın etkisiyle ivmelendirilmesi ve bunun sonucunda atmosferdeki atomlarla çarpışarak yavaşlatılması esnasındaki foton ışıması tarafından üretildiği düşünülmektedir. Bu durum, fırtına bulutları içinde veya yakınında uçakla yolculuk yapan yolcular ve mürettebatın hayati tehlike olasılığını artırmaktadır.

Evrende gama ışınlarını üreten kaynaklar çok çeşitlidir. Güneş parlamaları, Gökadamızdaki kara delikler,pulsarlar(atarcalar), magnetarlar ve süpernova kalıntıları, diğer gökadaların merkezlerindeki aktif büyük kütleli kara delikler ile kuasarlar ve daha da uzaklarda dev yıldızların çökmesi ya da nötron yıldızlarının birleşmesi sonucu ortaya çıkan gama ışını patlamaları, parçacıkların hızlanarak gama ışınlarını oluşturduğu merkezlerdir. Gama ışını patlamalarıdışındaki kaynaklar, görece daha uzun süreli ve daha düşük enerjili gama ışını üretirler.

GAMA IŞINI OLUŞTURAN MEKANİZMALAR

Gama ışınlarını oluşturan fiziksel mekanizmalar ile daha düşük enerjilerdeki ışınımı oluşturan fiziksel mekanizmalar birbirinden çok farklıdır. Gama ışınları genelde parçacıkların ışık hızına yakın hızlara ivmelenmesiyle ortaya çıkar. Bu da çok büyük enerjiler gerektireceğinden gama ışınları çoğu zaman Dünya üzerindeki laboratuvarlarda elde edilemeyecek şiddette patlamalar, manyetik alanlar, çekim kaynakları gerektirir.

Gama ışınlarını oluşturabilecek bir kaç örnek verirsek; elektronlar ışık hızına yakın mertebeye hızlandırılırlarsa ortamdaki atom çekirdekleriyle, elektromanyetik dalgalarla(fotonlar) ve manyetik alanlarla etkileşime girerek doğrudan gama ışınıyayabilirler. İvmelendirilmiş protonlar, ortamdaki atom çekirdeklerine çarparak antimadde parçacıkları yaratabilir ve bu parçacıklar karşıt maddeleriyle birleşip belli enerjilerde gama ışınları oluşturabilirler.

Gama enerjilerinde oluşan en kuvvetli sinyallerden birisi de elektron ve antimaddesi olan pozitronun birleşmesi sonucu ortaya çıkan 511 keV çizgisidir. Bu sinyal evrendeki antimaddenin dağılımı hakkında önemli ipuçları verir. Gama ışını oluşturan mekanizmaların ayrıntılı tablosu şekilde verilmiştir.

1. Madde – anti madde birleşmesi sonucu birbirlerini yok etmesi: Madde ve anti madde birleşince kütleleri kadar enerjili (E = mc², m kütle, c ise ışık hızı) iki gama ışını fotonu oluştururlar. Bu fotonların çoğunun enerjileri sabit olduğundan tayfta çizgi halinde görülürler.
2. Radyoaktif bozunma: Radyoaktif atom çekirdeklerinin bozunması sırasında, genelde belli enerjilerde gama ışını ortaya çıkar.
3. Parçacık çarpışmaları: Işık hızına yakın ivmelenmiş parçacıklar çarpıştıkları zaman değişik enerjilerde gama ışını ortaya çıkarabilirler.
4. Ters Compton saçılması: Düşük enerjili fotonlar, yüksek enerjili elektronlarla çarpıştıkları zaman, elektronun enerjisinin bir kısmını alıp kendi enerjisini yükseltebilir. Elektronların yeterince enerjisi varsa bu mekanizma sonucu gama ışınları ortaya çıkabilir.
5. Çekirdek birleşmeleri: İki çekirdek yüksek hızlarda çarpıştığı zaman birleşerek yeni bir element oluştururken gama ışını fotonu salabilirler.
6. Manyetik alanda ivmelenme: Yüklü parçacıklar yüksek manyetik alan çizgileri etrafında dönerken ivmelendikleri için sinkrotron ya da siklotron adı verilen bir ışıma yaparlar. Bu mekanizma sonucu ortaya çıkan fotonların bir kısmı gama ışını enerjilerinde ortaya çıkar.

SAĞLIĞA ETKİLERİ

Hücresel seviyede bütün iyonize radyasyonlar benzer zarara sebep olur. Ancak alfa ve beta parçacık ışınlarının nispeten nüfuz etmeyen yapısından dolayı, harici olarak maruz kalındığında ciltte radyasyon yanıkları gibi sadece lokal zararlar oluşmaktadır. Gama ışınları ve nötronlar daha nüfuz edicidir. Bu sebeple yanıklardan ziyade vücudun her tarafında yaygın zararlara sebep olurlar. Radyasyon hastalığı, hücre DNA’sının zarar görmesi, DNA tahribatından dolayı hücre ölümü ve kanser oranlarında artış bunlara örnek verilebilir. Haricen radyasyona maruz kalmak dahili maruz kalmaktan daha iyi fark edilebilir. Çünkü yutulan veya solunan radyoaktif maddelerin yapısına bağlı olarak hem yaygın hem de lokal zararlar ortaya çıkabilir. Gama ışımasında biyolojik açıdan oluşan en büyük zarar, gama ışın penceresi denilen 3-10 MeV aralığında gerçekleşir.

İyonlaşabilen elektromanyetik ışınımları hücre ile çarpışırsa, hücrenin genetik materyali olan DNA’yı parçalayabilecek kadar enerji taşımaktadır. DNA’nın zarar görmesi ise hücreleri öldürmektedir. Bunun sonucunda da dokular zarar görür. DNA’da çok az bir zedelenme, kansere yol açabilecek kalıcı değişikliklere sebep olur.

Kaynaklar:

1) Serkan Akkoyun, “Uzayda Gama Işını Ölçümleri-Bir Geant Simülasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, 2006

2) Lee Fulkerson, “Kıyametin Yedi İşareti”, Belgesel, Ocak 2009

3) hasanbalik.com/dersler/emdalga/04-05Odev/Gama%20Is%C4%B1nlar%C4%B1/

4) taek.gov.tr/ogrenci/r02.htm

5) people.sabanciuniv.edu/ekalemci/publications/gama_tubitak.pdf

6) Wikipedia.org

7) kirklareliuniversitesi.net/konu-universite-gama-isini-nedir-nasil-ortaya-cikar.html

http://www.yaklasansaat.com/evren/yildiz_ve_yasami/gama_isini1.asp