上知天文，下治癌症，“宇宙最强光束”了解一下？

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Original [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]Jim Lucas
中科院物理所
今天

作者：Jim Lucas

翻译：Star

审校：Nothing

                               
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美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜拍摄的这张全天巡天图展示了宇宙的伽马射线辐射图像

γ射线和无线电波，红外辐射，紫外辐射，X射线以及微波一样，都是电磁波的一种形式。 γ射线不仅可用于治疗癌症，而且伽马射线脉冲还是天文学的研究内容之一。

电磁（EM）辐射以不同波长和频率的波或粒子传播。电磁波在不同的波长范围形成了电磁波谱。电磁波谱按照波长递减以及能量和频率递增的顺序一般被分成7个范围，分别是：无线电波，微波，红外线（IR），可见光，紫外线（UV），X射线和γ射线。

伽马射线落在软X射线(译者注：X射线按照电磁频率的高低，分为硬X射线和软X射线)上方的电磁波谱范围内。 γ射线是频率高于大约每秒1018赫兹（Hz），并且波长低于100皮米（1皮米=10-12米）时的电磁波。

γ射线和硬X射线的电磁波谱是部分重叠的，因此很难真正的区分它们。在某些领域，诸如天体物理学中，处于某个频率以上的任意电磁波都被称为X射线，比X射线波长更短的电磁波被称为伽马射线。伽马射线和X射线由于能量太强，都会对有机的生命组织造成伤害，但是庆幸的是，来自宇宙的大部分的伽马射线和X射线都被我们的大气层所屏蔽了。

伽马射线是如何被发现的？

根据澳大利亚辐射防护和核安全局（Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency）的资料，1900年当法国化学家保罗·维拉尔在研究镭辐射的时候，第一次观察到了伽马射线。在当时，科学家们已经知道了α射线和 β射线都是在核辐射时产生的射线，因此按照希腊字母的顺序，新西兰出生的化学家和物理学家卢瑟福建议用γ射线来命名这种新发现的辐射。这就是伽马射线名字的来源。但是之后再也没有在核辐射中发现新的辐射现象，用希腊字母命名的射线也就止步于伽马射线了。

伽马射线的来源以及效果

伽马射线主要可以由四个不同的核反应产生的：核聚变，核裂变，α衰变和γ衰变。

核聚变是为太阳和其它恒星提供能量的反应。它发生在一个多步骤的过程中，在这个过程中四个质子或氢核，在极端的温度和压力下被迫聚变成一个氦原子核，其包括两个质子和两个中子。聚变得到的氦原子核的质量比参加反应的四个质子小约0.7％。这个质量差按照爱因斯坦的著名方程E = mc2 转换成能量, 这个能量的大约三分之二以伽马射线的形式向外辐射。 其余的能量由反应产生的中微子携带，中微子是质量几乎为零的弱相互作用粒子。在恒星寿命的后期，氢原料将要燃尽，它只能通过氦核等进行聚变反应形成越来越重的元素，一直能形成原子量达56 的铁元素。当然这些后续核聚变反应所产生的能量是逐渐减少的。

                               
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核聚变示意图（图片来自网络）

另一个所熟知的伽马射线的来源是核裂变。劳伦斯伯克利国家实验室定义的核裂变是：重核分裂成两个大致相等的部分，然后这些部分将成为较轻元素的原子核。在这个过程中，往往涉及到与其它粒子的碰撞，重核，如铀和钚，被撞裂成质量更小的元素，例如氙和锶。然后，此次碰撞产生的粒子可以继续撞击其他重核，从而形成核链式反应。这个过程会释放能量是因为碰撞产生的粒子的总质量小于原始重核的质量。质量差根据质能方程E = mc2转换为能量，这个能量就以较小的核的动能，中微子以及γ射线的形式而存在。

                               
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核裂变示意图（图片来自网络）

伽马射线的其他来源还包括α衰变和伽马衰变。当一个重核散发出氦-4核，它的原子序数会减小2，它的原子量会减小4，这个过程就是α衰变（译者注：α射线就是指发出的氦-4核形成的射线）。这个过程之后，原有的重核可能还保留多余的能量，这些多余的能量就会以伽马射线的形式被辐射掉。 伽马衰变指的是，当原子的原子核中有太多的能量时，这些多余的能量就会导致它发射伽马射线，伽马衰变并不改变原子核的电荷或质量。

伽马射线疗法

γ射线可以用于医疗。例如，可以利用伽马射线来破坏肿瘤细胞的DNA以治疗在体内恶性肿瘤。但是，在实施这种治疗方案的时候医生必须十分小心，因为伽马射线也可以破坏周围健康组织细胞的DNA。

                               
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伽马刀手术示意图（图片来自网络）

为了最大限度的把癌细胞暴露在伽马射线下而使健康的组织细胞免受辐射，一种方法就是使用线性加速器来引导伽马射线，让多束伽马射线从不同的方向作用于目标区域。这就是射波刀（Cyber Knife）和伽马刀治疗的操作原理。伽马刀辐射手术使用专门的仪器把将近200束的微小的伽马射线聚焦到肿瘤或者大脑的其他目标区域上。根据梅奥诊所的说法，每个单独的伽马射线束对大脑的影响非常小，但在伽马射线聚焦的地方辐射剂量很强，足以杀死癌细胞。

伽马射线天文学

伽马射线的一个很有趣的来源就是伽马射线爆发（GRB）。这些事件都具有极高的能量，持续时间从几毫秒到几分钟不等。它们最初是在20世纪60年代被观察到的，现在天文学家平均每天都能观察到一起伽马射线爆发事件。

美国宇航局（NASA）表示，伽马射线爆发是“最强的光束”。它们比典型的超新星亮几百倍，比我们的太阳要亮一百万亿倍。

根据密苏里州立大学天文学教授Robert Patterson的说法，伽马射线爆发曾被认为是来自于迷你黑洞蒸发的最后阶段。现在人们认为它们来源于高致密星体，例如中子星的碰撞。也有理论认为伽马射线爆发是由超大质量的恒星发生坍缩而形成黑洞造成的。

                               
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伽马射线爆发（艺术家想象图）

在任何一种情况下，伽马射线爆发都可以在几秒钟内产生足够的能量来照亮整个星系。由于地球的大气层屏蔽了大多数的伽马射线，它们只能在高空气球和轨道望远镜才能被观测到。

原文链接：

https://www.livescience.com/50215-gamma-rays.html