Rayos Gamma

La radiación gamma y/o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones, producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia.

Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.La energía de este tipo de radiación se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un Mev corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10 − 11 m o frecuencias superiores a 1019 Hz.

Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenado electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares, la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural.

En general, los rayos gamma producidos en el espacio no llegan a la superficie de la Tierra, pues son absorbidos en la alta atmósfera. Para observar el universo en estas frecuencias, es necesario utilizar globos de gran altitud u observatorios espaciales. En ambos casos se utiliza el efecto Compton para detectar los rayos gamma. Estos rayos gamma se producen en fenómenos astrofísicos de alta energía como explosiones de supernovas o núcleos de galaxias activas. En astrofísica se denominan GRB (Gamma Ray Bursts) a fuentes de rayos gamma que duran unos segundos o unas pocas horas siendo sucedidos por un brillo decreciente de la fuente en rayos X durante algunos días. Ocurren en posiciones aleatorias del cielo y su origen permanece todavía bajo discusión científica. En todo caso parecen constituir los fenómenos más energéticos del Universo.

La excepción son los rayos gamma de energía por encima de unos miles de MeV (o sea, gigaelectronvoltios o GeV), que, al incidir en la atmósfera, producen miles de partículas (cascada atmosférica extensa) que, como viajan a velocidades más elevadas que la luz en el aire, generan radiación de Cherenkov. Esta radiación es detectada en la superficie de la Tierra mediante un tipo de telescopio llamado telescopio Cherenkov.

Protección
Para protegerse de los rayos gamma se requiere gran cantidad de masa. Los materiales de alto número atómico y alta densidad protegen mejor contra los rayos gamma. A mayor energía de los mismos el espesor de la protección debe ser mayor. Los materiales para protegerse de los rayos gamma son caracterizados con el espesor necesario para reducir la intensidad de los rayos gamma a la mitad (capa de valor medio o HVL por sus siglas en ingles). Por ejemplo, los rayos gamma que requieren 1 cm (0.4 pulgadas) de plomo para reducir su intensidad en un 50% también verán reducida su intensidad a la mitad por 6 cm (2½ pulgadas) de hormigón o 9 cm (3½ pulgadas) de tierra compacta.


Interacción con la materia

Cuando un rayo gamma pasa a través de la materia, la probabilidad de absorción en una capa fina es proporcional a la delgadez de dicha capa, lo que lleva a un decrecimiento exponencial de la intensidad.

Aquí, μ = n×σ es el coeficiente de absorción, medido en cm–1, n el número de átomos por cm3 en el material, σ el espectro de absorción en cm2 y d la delgadez del material en cm.Pasando a través de la materia, la radiación gamma principalmente ioniza de tres formas: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la creación de pares.

• Efecto Fotoeléctrico: Se describe cuando un fotón gamma interactúa con un electrón atómico y le transfiere su energía, expulsando a dicho electrón del átomo. La energía cinética del fotoelectrón resultante es igual a la energía del fotón gamma incidente menos la energía de enlace del electrón. El efecto fotoeléctrico es el mecanismo de transferencia de energía dominante para rayos x y fotones de rayos gamma con energías por debajo de 50 keV (miles de electronvoltios), pero es menos importante a energías más elevadas.

• Efecto Compton: Se refiere a la interacción donde un fotón gamma incidente hace ganar suficiente energía a un electrón atómico como para provocar su expulsión. Con la energía restante del fotón original se emite un nuevo fotón gamma de baja energía con una dirección de emisión diferente a la del fotón gamma incidente. La probabilidad del Efecto Compton decrece según la energía del fotón se incrementa. El Efecto Compton se considera que es el principal mecanismo de absorción de rayos gamma en el rango de energía intermedio entre 100 keV a 10 MeV (Megaelectronvoltio), un rango de energía que incluye la mayor parte de la radiación gamma presente en una explosión nuclear. El efecto Compton es relativamente independiente de número atómico del material absorbente.

• Creación de pares: Debido a la interacción de la fuerza de Coulomb, en la vecindad del núcleo, la energía del fotón incidente se convierte espontáneamente en la masa de un par electrón-positrón. Un positrón es la antipartícula equivalente a un electrón; tiene la misma masa de un electrón, pero tiene una carga positiva de igual fuerza que la carga negativa de un electrón. La energía excedente del equivalente a la masa en reposo de las dos partículas (1,02 MeV) aparece como energía cinética del par y del núcleo. El positrón tiene una vida muy corta (sobre 10–8 segundos). Al final de su periodo, se combina con un electrón libre. Toda la masa de estas dos partículas se convierte entonces en dos fotones gamma de 0,51 MeV de energía cada uno.

Los electrones secundarios (o positrones) producidos en cualquier de estos tres procesos, frecuentemente tienen energía suficiente para producir muchas ionizaciones hasta el final del proceso.

La absorción exponencial descrita arriba se mantiene, estrictamente hablando, solo para un rayo estrecho de rayos gamma. Si un rayo más ancho de rayos gamma pasa a través de un fino bloque de hormigón, la dispersión en los lados reduce la absorción.
A menudo, los rayos gamma se presentan entre otras formas de radiación, como la alfa o la beta. Cuando un núcleo emite una partícula α o β, a veces el Producto de desintegración queda excitado pudiendo saltar a un nivel de energía inferior emitiendo un rayo gamma, de igual manera que un electrón atómico puede saltar a un nivel de energía inferior emitiendo luz visible o radiación ultravioleta.

Las posibles formas de radiación electromagnética son los rayos gamma, los rayos X, la luz visible y los rayos UV (UVA y UVB, siendo éstos últimos más energéticos). La única diferencia entre ellos es la frecuencia y por lo tanto, la energía de los fotones, siendo los rayos gamma los más energéticos. A continuación se muestra un ejemplo de producción de rayos gamma.

Primero 60Co se descompone en 60Ni excitado:

Entonces el 60Ni cae a su estado fundamental emitiendo dos rayos gamma seguidos uno del otro.


Los rayos gamma son de 1,17 MeV y 1,33 MeV respectivamente.Otro ejemplo es la descomposición alfa de 241Am para producir 237Np. Esta descomposición alfa esta acompañada por una emisión gamma. En algunos casos, esta emisión gamma es bastante simple (por ejemplo, 60Co/60Ni), mientras que en otros casos como con (241Am/237Np y 192Ir/192Pt), la emisión gamma es compleja, revelando que una serie de distintos niveles de energía nuclear pueden existir. El hecho de que un el espectro alfa puede tener una serie de diferentes picos con diferentes energías, refuerza la idea de que muchos niveles de energía nuclear son posibles.

Debido a que una descomposición beta esta acompañada de la emisión de un neutrino que a su vez, resta energía, el espectro beta no posee líneas definidas, sino que es un pico ancho. Por lo tanto, de una única descomposición beta no es posible determinar los diferentes niveles energéticos encontrados en el núcleo.

En óptica espectrópica, es bien conocido que una entidad que emite luz, también puede absorber luz de la misma longitud de onda (energía del fotón). Por ejemplo, un llama de sodio puede emitir luz amarilla y además, puede absorber luz amarilla de una lámpara de vapor de sodio. En el caso de los rayos gamma, se puede observar en la espectroscopia Mössbauer, donde se puede obtener una corrección para la energía perdida por el retroceso del núcleo y las condiciones exactas para la absorción de los rayos gamma a través de la resonancia.Esto es similar a efecto Frank Condon visto en óptica espectroscópica.

Utilización
La potencia de los rayos gamma los hace útiles en la esterilización de equipamiento médico. Se suelen utilizar para matar bacterias e insectos en productos alimentarios tales como carne, setas, huevos y vegetales, con el fin de mantener su frescura.
Debido a la capacidad de penetrar en los tejidos, los rayos gamma o los rayos X tienen un amplio espectro de usos médicos, como la realización de tomografías y radioterapias. Sin embargo, como forma de radiación ionizante, tienen la habilidad de provocar cambios moleculares, pudiendo tener efectos cancerígenos si el ADN es afectado.

A pesar de las propiedades cancerígenas, los rayos gamma también se utilizan para el tratamiento de ciertos tipos de cáncer. En el procedimiento llamado cirugía gamma-knife, múltiples rayos concentrados de rayos gamma son dirigidos hacia células cancerosas. Los rayos son emitidos desde distintos ángulos para focalizar la radiación en el tumor a la vez que se minimiza el daño a los tejidos de alrededor.
Los rayos gamma también se utilizan en la medicina nuclear para realizar diagnósticos. Se utilizan muchos radioisótopos que emiten rayos gamma. Uno de ellos es el tecnecio-99m. Cuando se le administra a un paciente, una cámara gamma puede utilizar la radiación gamma emitida para obtener una imagen de la distribución del radioisótopo. Esta técnica se emplea en la diagnosis de un amplio espectro de enfermedades, por ejemplo, en la detección del cáncer de huesos.

Los detectores de rayos gamma se están empezando a utilizar en Pakistan como parte del Container Security Initiative (CSI). Estas máquinas, que cuestan unos 5 millones de dólares americanos, pueden escanear unos 30 contenedores por hora. El objetivo de esta técnica es el escaneo de los contenedores de mercancía que llegan vía marítima antes de que entren a los puertos de EE.UU.

Bisturí de rayos gamma (Gamma Knife)
El bisturí de rayos gamma y el programa computarizado asociado de planificación de tratamiento les permite a los médicos localizar e irradiar zonas relativamente pequeñas de la cabeza (principalmente dentro del cerebro) con gran precisión. De esta forma se puede administrar dosis intensivas de radiación en la(s) zona(s) a tratar con poco efecto en los tejidos circundantes.

El bisturí de rayos gamma se puede usar para muchos tipos de problemas, por ejemplo, para tratar ciertos tumores malignos que aparecen en el cerebro o llegan a este órgano (tumores cerebrales primarios o metastásicos), tumores cerebrales benignos (meningiomas, adenomas de la pituitaria, neuromas acústicas), defectos de los vasos sanguíneos (malformaciones arteriovenosas) y problemas funcionales (neuralgia del trigémino). Se están estudiando posibles usos futuros para la epilepsia y el mal de Parkinson. El bisturí de rayos gamma por lo general no es útil en zonas que miden más de tres o cuatro centímetros.

Funcionamiento del equipo
El bisturí de rayos gamma utiliza una técnica llamada radiocirugía estereotáctica que emplea múltiples haces de radiación que convergen en tres dimensiones para enfocarse de forma precisa en un volumen pequeño, como un tumor; esto permite administrar dosis intensivas de radiación a ese volumen sin peligro. Los modelos actuales del bisturí de rayos gamma utilizan tecnología avanzada de robótica para mover al paciente en incrementos submilimétricos durante el tratamiento con el fin de focalizar la radiación en forma exitosa en todas las zonas a tratar. Los tratamientos con bisturí de rayos gamma se dan en una sola sesión.

Bajo anestesia local, se acopla a la cabeza del paciente, con cuatro tornillos, un rígido marco de cabeza especial que tiene incorporado un sistema de coordenadas tridimensionales. Luego se obtienen estudios por imágenes tal como examen de resonancia magnética nuclear (RMN), tomografía computada (TC), o angiografía y los resultados se envían al sistema computarizado de planificación del bisturí de rayos gamma.

Juntos, los médicos (radioncólogos y neurocirujanos) y radiofísicos médicos delinean las zonas a tratar y las estructuras anatómicas normales y usan la computadora de planificación para determinar la relación exacta entre éstas y el marco de cabeza, y calculan los parámetros para el tratamiento con bisturí de rayos gamma. Las zonas objetivo a menudo se tratan mejor durante la sesión de tratamiento con una combinación de varias tomas sucesivas, conocidas comúnmente como "disparos." Los médicos y físicos rutinariamente consideran varios ajustes finos de los parámetros de tratamiento hasta determinar el plan y la dosis óptimos.

Con las coordenadas tridimensionales determinadas en el proceso de planificación, el marco luego se acopla de forma muy precisa a la unidad del bisturí de rayos gamma para garantizar que cuando se active la unidad, la zona objetivo quede justo al centro de los aproximadamente 200 haces convergentes de radiación gama dirigidos con precisión (generados por cobalto 60). El tratamiento puede tomar entre varios minutos y algunas horas para finalizarse, según la forma y tamaño del objetivo y la dosis requerida. El paciente no siente la radiación. El marco se quita de la cabeza después de terminar el tratamiento y es posible que el paciente pueda retomar sus actividades normales.

Por quien es operado el equipo
La mayor seguridad para el paciente se logra con el abordaje de un equipo multidisciplinario. El equipo por lo general está compuesto por un radioncólogo, un radiofísico médico y un neurocirujano, quienes han recibido capacitación especializada en el uso del bisturí de rayos gamma; cuentan con el apoyo de personal de enfermería, anestesiólogos (para pacientes que no pueden cooperar, como los niños) y radioterapeutas, que trabajan juntos para darles a los pacientes el cuidado de alta calidad que merecen.

seguridad
Debido a que la exactitud de los haces es fundamental para la localización de la radiación (con una precisión de una fracción de milímetro), todo lo que afecte la precisión es inaceptable. Un acoplamiento rígido del marco de la cabeza, la exactitud geográfica de la zona a tratar de los estudios por imágenes, la forma de volumen del tejido que se va a tratar (selección de la cantidad, tamaño e intensidad relativa de los haces) y la precisión del acoplamiento del marco a la unidad del bisturí de rayos gamma, son todos críticos.

Al igual que con toda radioterapia, la selección y el cálculo correcto de la cantidad de radiación a entregar son esenciales. Un radiofísico médico calificado garantiza que las computadoras que dan las imágenes y la planificación de tratamiento y su software sean correctas y aceptables. El funcionamiento mecánico de la máquina se prueba de forma regular para garantizar la seguridad de los pacientes y del personal médico.

Bibliografia
http://www.radiologyinfo.org/sp/info.cfm?pg=gamma_knife
http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_gamma
http://www.eluniversal.com.mx/graficos/animados/videos/videoya.html