什么是伽马射线?可以破坏肿瘤DNA还能点亮一个星系

2018年12月18日 09:09 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间12月18日消息,据国外媒体报道,伽马射线是电磁辐射的一种,就像无线电波、红外辐射、紫外辐射、X射线和微波一样。伽马射线可用于癌症治疗,伽马射线暴更是天文学家研究的一大重点。电磁辐射可以通过波或粒子的形式传播,有不同的波长和频率。

这张天空全景图由NASA费米伽马太空望远镜两年来收集的数据集合而成,展现了宇宙在伽马射线下的模样。

伽马射线暴概念图。

波长覆盖的范围名叫电磁光谱,一般被分为七个部分,随着波长递减,能量与频率会随之递增。七个部分通常为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线和伽马射线。

伽马射线在电磁光谱中的位置高于“软X射线”,其频率超过每秒1018赫兹,波长不到100皮米(1皮米相当于1米的1万亿分之一)。

伽马射线与硬X射线在电磁光谱中的位置相互重叠,因此很难区分这两者。在天体物理学等领域中,科学家会强行划一条区分线,将高于特定波长的射线列为X射线,低于特定波长的则为伽马射线。伽马射线和X射线都属于高能辐射,可破坏生物组织。不过,宇宙中几乎所有的伽马射线都会被地球大气层阻挡在外。

伽马射线的发现

伽马射线最早于1900年由法国化学家保罗•维拉尔(Paul Villard)在研究镭辐射时发现。几年后,化学家、物理学家欧内斯特•卢瑟福(Ernest Rutherford)按照核反应产生的阿尔法射线和贝塔射线,提出了“伽马射线”这个名字,这一叫法便一直保留至今。

伽马射线的来源与效果

伽马射线主要由四种核反应产生:核聚变、核裂变、阿尔法衰变和伽马衰变。

核聚变是太阳与其它恒星的能量来源。该反应分几步进行,在极端高温高压下,四个质子、或氢原子核被强迫聚合为一个拥有两个质子和两个中子的氦原子核。该氦原子核的质量比原本四个质子的质量约少0.7%,而根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,这部分质量差会转化为能量,其中三分之二的能量以伽马射线的形式释放出来。(剩余的能量则以中微子的形式进行释放,这是一种相互作用极弱的粒子,质量几乎为零)。在恒星生命末期、氢燃料耗尽之后,通过核聚变生成的元素会变得越来越重,一直到铁元素。但各个阶段生成的能量也会随之递减。

伽马射线的另一来源是核裂变,人们对此应该并不陌生。劳伦斯•伯克利国家实验室对核裂变的定义是:一个较重的原子核分裂为大致相等的两半,这两半再分别成为较轻元素的原子核。这一过程需涉及与其它粒子的撞击。当铀、钋等较重原子核受到其它粒子轰击后,便会分裂成氙、锶等较轻元素。而轰击产生的新粒子又会撞上其它重原子核,形成链式反应。这一过程中也会释放能量,因为裂变产生的粒子质量总和低于原始重原子核的质量。这部分质量也会转化为能量,以较小原子核的动能、中微子和伽马射线的形式存在。

阿尔法衰变和伽马衰变也可产生伽马射线。当重原子核释放出氦-4原子核,原子数减少2、原子重量减少4时,便会发生阿尔法衰变。这一过程会导致原子核能量过剩,而多余的能量便会以伽马射线的形式释放出来。如果原子核中能量过多,便会发生伽马衰变,发射出伽马射线,同时不会改变原子核的电荷或质量成分。

伽马射线疗法

伽马射线可破坏肿瘤细胞DNA,因此有时会用于治疗恶性肿瘤。但在采用该疗法时必须多加小心,因为伽马射线也会破坏周围健康组织细胞的DNA。

要想让癌症细胞受到的辐射最大化、同时让健康细胞受到的辐射最小化,一种方法是让多束由不同方向的伽马射线通过一台线性加速器、集中到一块很小的区域上。这就是射波刀(CyberKnife)和伽马刀疗法的运作原理。

伽马刀放射手术利用一台特殊设备,将近200道辐射击中到大脑肿瘤处或其它目标上。每束辐射对穿过的脑组织影响很小,但交汇点处所受的辐射剂量很大。

伽马射线与天文学

伽马射线暴是伽马射线最有趣的来源之一。这是一种能量极高的天文事件,时长从几毫秒到几分钟不等。科学家最早于上世纪60年代观测到这一现象,如今观察到它们的频率约为每天一次。

NASA指出,伽马射线暴是“最高能的一种光线形式”。其亮度可达一般超新星的数百倍,约为太阳的一百万万亿倍。

据密苏里州立大学天文学教授罗伯特•帕特森(Robert Patterson)介绍,科学家一度认为伽马射线暴来自正在蒸发的迷你黑洞的末期阶段。但如今科学家认为,伽马射线暴应源自中子星等致密天体的相撞。还有理论指出,超大质量恒星坍缩形成黑洞时,也会产生伽马射线暴。

无论其来源如何,伽马射线暴在几秒内产生的能量都足以点亮一整个星系。但由于地球大气可将大部分伽马射线阻挡在外,只有高海拔观测气球和轨道望远镜才能观察到它们的存在。

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