Gammastrahlung

Gammastrahlung (anschauliche Darstellung)

Gammastrahlung – auch $ \gamma $-Strahlung geschrieben – ist im engeren Sinne eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung, die beim Zerfall der Atomkerne vieler natürlich vorkommender oder künstlich erzeugter radioaktiver Nuklide entsteht.

Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Alpha- und Betastrahlung bestehen aus geladenen Teilchen und wechselwirken daher deutlich stärker mit Materie als die ungeladenen Photonen oder Quanten der Gammastrahlung. Entsprechend haben letztere ein deutlich höheres Durchdringungsvermögen.

Im weiteren Sinne wird mit Gammastrahlung jede elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien über etwa 200 keV bezeichnet, unabhängig von der Art ihrer Entstehung. Dies entspricht Wellenlängen kürzer als 0,005 nm (5 pm). In diesem allgemeinen Sinn wird die Bezeichnung insbesondere dann verwendet, wenn der Entstehungsprozess der Strahlung nicht bekannt ist (beispielsweise in der Astronomie) oder für die konkrete Aufgabenstellung gleichgültig ist (beispielsweise im Strahlenschutz), jedoch ausgedrückt werden soll, dass höhere Energien als bei Röntgenstrahlung (ca. 100 eV bis ca. 250 keV) vorliegen.

Der kleine griechische Buchstabe $ \gamma $ (Gamma) wird allgemein als Formelsymbol für ein Photon beliebiger Energie und Entstehungsart benutzt.

Entstehung

Radioaktivität: „Gammazerfall“

Gammastrahlung im ursprünglichen Wortsinn entsteht meist als Folge eines vorhergehenden radioaktiven Zerfalls (z. B. α- oder β-Zerfall) eines Atomkerns. Der nach dem Zerfall zurückbleibende Kern, der Tochterkern, befindet sich in der Regel in einem angeregten Zustand; anschaulich gesagt schwingt oder rotiert er beispielsweise. Beim Übergang in einen weniger hoch angeregten Zustand oder den Grundzustand gibt er die frei werdende Energie in Form von Gammastrahlung ab (siehe Zerfallsschema). Diese Zustandsänderung des Kerns wird als Gammaübergang oder auch „Gammazerfall“ bezeichnet, obwohl der Kern dabei keineswegs „in seine Bestandteile zerfällt“, die Anzahl der Neutronen und der Protonen bleiben also konstant.

Der angeregte Zustand kann statt durch α- oder β-Zerfall auch auf andere Weise, wie Neutroneneinfang oder andere Kernreaktionen oder die vorherige Absorption eines $ \gamma $-Quants, entstanden sein.

Die durchschnittliche Verzögerungs- oder Halbwertszeit zwischen dem Alpha- oder Betazerfall und dem Gammaübergang hängt vom Nuklid und dem jeweiligen angeregten Zustand ab. Typische Halbwertszeiten von Gammaübergängen sind vom kernphysikalischen Standpunkt gesehen vergleichsweise lang, da der angeregte Kern − den man sich etwa wie einen pulsierenden Rugbyball vorstellen kann – ein oszillierendes elektromagnetisches Quadrupolfeld aufbaut. Weil das abgestrahlte $ \gamma $-Quant aber nur Dipolschwingungen aufnehmen kann, schwingt der Kern insgesamt sehr dämpfungsarm.

Gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation ist die mittlere Lebensdauer $ \tau $ (die Halbwertszeit geteilt durch $ \ln(2) $) eines Übergangs umgekehrt proportional seiner Energieunschärfe oder Linienbreite $ \Gamma $:

$ \Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }} $.

Die Energiezustände in Atomkernen sind – zumindest bei „langen“ Halbwertszeiten von mehr als etwa 10⁻¹⁵ Sekunden – scharf; daher sind die Wellenlängen oder Energien der Gammastrahlen eines radioaktiven Nuklids charakteristisch, vergleichbar etwa dem optischen Linienspektrum chemischer Elemente. Die Messung des Gammaspektrums einer unbekannten Substanz (Gammaspektroskopie) ist daher geeignet, Aufschluss über Arten und Mengenanteile der darin enthaltenen Radionuklide zu geben.

Bezeichnung nach Mutternuklid des Alpha- oder Betazerfalls

Die kernphysikalisch „lange“ Halbwertszeit der Gammaübergänge ist vom praktischen Standpunkt her gesehen meist immer noch sehr kurz (weit unter 1 Sekunde). Will man Gammastrahlung für Forschungs-, medizinische oder technische Zwecke nutzen (siehe unten) – beispielsweise die vom 2,5-MeV-Zustand des Nuklids ⁶⁰Ni ausgesandte Kaskade zweier Photonen von 1,17 und 1,33 MeV – braucht man daher ein Präparat des Betastrahlers ⁶⁰Co. Dieses Nuklid zerfällt mit 5,26 Jahren Halbwertszeit zum gewünschten ⁶⁰Ni-Zustand.

Zerfallsschema von ⁶⁰Co

Aus diesem praktischen Grund werden Gammastrahlen (nicht nur beim ⁶⁰Ni, sondern ganz allgemein, auch in wissenschaftlich-technischen Unterlagen, Tabellen, Nuklidkarten usw.) immer dem Mutternuklid des vorangehenden Alpha- oder Betazerfalls, im Beispiel dem ⁶⁰Co, zugeordnet: man spricht von Cobalt-60-Strahlung, Kobaltkanone usw., auch wenn es nur um die Gammastrahlung geht, die vom Tochterkern ⁶⁰Ni emittiert wird.

Die seltenen Fälle von angeregten Atomkernen, deren Gammaübergänge Halbwertszeiten von Sekunden, Minuten oder noch länger haben, werden als metastabil oder als Kernisomere bezeichnet.

Paarvernichtung

Bei der Paarvernichtung, der Reaktion eines Teilchens mit dem zugehörigen Antiteilchen, entstehen (allein oder neben anderen möglichen Reaktionsprodukten) auch Photonen, die ebenfalls Gammastrahlung genannt werden. Diese Gammaquanten tragen zusammen die Energie, die der Masse der vernichteten Teilchen entspricht, abzüglich der eventuellen Bindungsenergie, falls die beiden Teilchen bereits aneinander gebunden waren (einander "umkreisten"), und zuzüglich eventuell vorher vorhandener Bewegungsenergie.

Gammablitze in der Astronomie

Gammablitze (englisch Gamma Ray Bursts) – auch Gammastrahlen-Explosionen genannt – stellen eines der energiereichsten Phänomene im Weltall dar. Ihr Entstehungsmechanismus ist nur ansatzweise geklärt. Das Spektrum ist kontinuierlich mit Photonenenergien von etwa 1 keV bis in den MeV-Bereich. Es enthält unter anderem Röntgenstrahlung. Es handelt sich nicht um Gammastrahlung im engeren, kernphysikalischen Sinne (siehe Einleitung).

Terminologie: Gammastrahlung und Röntgenstrahlung

Die Energiebereiche natürlicher Gamma- und Röntgenstrahlung überlappen sich, was eine gewisse Unschärfe dieser Begriffe zur Folge hat. Mancher Autor verwendet die Begriffe weiterhin im klassischen Sinne, um die Herkunft der Strahlung (Gammastrahlung aus Kernprozessen, Röntgenstrahlung aus hochenergetischen Prozessen mit Elektronen) zu kennzeichnen. Andere Autoren unterscheiden hingegen nach der Quantenenergie, wobei die Trennlinie dann bei ca. 100 bis 250 Kiloelektronenvolt liegt. Eine genaue Festlegung gibt es hierfür aber nicht. Zur Vermeidung von Missverständnissen ist es daher immer sinnvoll, Quantenenergie und Entstehungsprozess explizit anzugeben. Andererseits führen genau diese exakten Angaben in populärwissenschaftlicher Literatur regelmäßig zu Verständnisschwierigkeiten, weil viele Leser mit keV-Angaben oder Begriffen wie Bremsstrahlung oder Synchrotronstrahlung überfordert sind, während die Begriffe Gamma- und Röntgenstrahlung allgemein bekannt sind. Daher müssen Autoren zwischen Verständlichkeit und Unschärfe ihrer Formulierungen abwägen.

Wechselwirkung mit Materie

Gammastrahlung ist die am schwierigsten abzuschirmende ionisierende Strahlung.

Im Gegensatz zur Bragg-Kurve bei geladenen Teilchenstrahlungen nimmt die Intensität (und damit der Energieeintrag) der Gammastrahlung exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Das heißt, die Intensität ist nach jeweils einer Halbwertsdicke um die Hälfte geringer. Die Halbwertsdicke hängt von der Wellenlänge der Gammastrahlung und vom Material ab.

Gammastrahlung ist im Vergleich zu geladenen Teilchenstrahlungen besonders durchdringend. Deshalb sind zu ihrer Abschirmung meist dickere Materieschichten nötig als bei Alpha- oder Betastrahlung. Je größer die Ordnungszahl eines Materials ist, desto größer ist seine Abschirmwirkung gegen Photonen. Zum Strahlenschutz verwendet man daher vor allem Blei. Die Halbwertsdicke von Blei für Gammastrahlung der Energie 2 MeV beträgt 14 mm.

Die wichtigsten Wechselwirkungsprozesse beim Durchgang von Gammastrahlung durch Materie sind Photoionisation, Compton-Streuung und Paarbildung.

Biologische Wirkung

Wird Gammastrahlung in menschlichem, tierischem oder pflanzlichem Gewebe absorbiert, wird ihre Energie in Ionisations- und anderen Vorgängen wirksam. Dabei treten im Gewebe Sekundärstrahlungen wie freigesetzte Elektronen und Röntgenstrahlung auf. Insgesamt ergeben sich – für den Organismus meist schädliche – Wirkungen durch das Aufbrechen chemischer Bindungen. Das Ausmaß der Gesamtwirkung wird durch die Äquivalentdosis beschrieben. Die Folgen können am bestrahlten Organismus selbst (somatische Schäden) oder, durch Schädigung des Erbguts, an seinen Nachkommen als genetische Schäden auftreten.

Die Funktionsfähigkeit der Zellen bleibt auch bei hohen Strahlendosen zunächst meist erhalten. Sobald sich die Zelle aber teilt oder Proteine produziert, können Veränderungen am Erbgut und Schäden an Zellorganellen zum Absterben der Zelle führen. Die Strahlenkrankheit wirkt deswegen erst nach einiger Zeit tödlich, wenn bestimmte, lebenswichtige Zelltypen, die auch beim gesunden Menschen regelmäßig absterben und neu gebildet werden, nicht mehr in ausreichender Zahl vorhanden sind. Besonders betroffen sind hiervon Blutzellen. Alternativ kann es dazu kommen, dass durch die Strahlung verursachte Mutationen zu unkontrollierter Zellteilung führen, wobei die sich teilenden Zellen meistens ihre ursprüngliche biologische Funktion verlieren. Es entstehen Tumoren, die darüber hinaus Metastasen bilden können (Krebs).

Anwendungen

Medizin

Gammastrahlung aus radioaktiven Quellen wird in der Strahlentherapie verwendet. Die Strahlenenergie in der Teletherapie muss möglichst hoch sein; verwendet wird z. B. ⁶⁰Co, das Gammaquanten mit den Energien 1,17 und 1,33 MeV abstrahlt. Aufgrund des Bedarfs an möglichst hochenergetischen Photonen und der mit radioaktiven Strahlern verbundenen Sicherheitsprobleme wird in der Teletherapie jedoch inzwischen meist Bremsstrahlung aus Linearbeschleunigern für Elektronen eingesetzt. Auch in der Brachytherapie mittels kleiner, in den Körper eingeführter Präparate werden Gammastrahlen angewendet (meist ¹⁹²Ir).

In der Szintigrafie und der Single-Photon-Emissionscomputertomographie werden kurzlebige Gammastrahler wie ^99mTc, ¹²³I, ¹³¹I, ¹³³Xe oder ¹¹¹In für diagnostische Zwecke verwendet.

Sensorik und Materialprüfung

Gammastrahlung kann Materie durchdringen, ohne reflektiert oder gebrochen zu werden. Ein Teil der Strahlung wird beim Durchgang absorbiert, abhängig von der Dichte und der Dicke des Mediums. Bei der Füllstandsmessung mit Gammastrahlung nutzt man diesen Umstand, denn die gemessene Strahlungsintensität hängt davon ab, ob sich in dem betrachteten Gefäß ein Medium befindet oder nicht.

Eine weitere Anwendung von Gammastrahlen findet man bei der Durchstrahlungsprüfung, mit deren Hilfe man Ablagerungen, Korrosionsschäden oder Erosionsschäden an der Innenseite von Apparaten und Rohrleitungen nachweisen kann.

Im Grenzschutz werden Radionuclide Identifying Devices eingesetzt, die über die Gammastrahlung Rückschlüsse auf die transportierten radioaktiven Stoffe zulassen.

In der Technik eingesetzte Gammastrahler sind hauptsächlich ⁶⁰Co, ⁷⁵Se, ¹⁶⁹Y und ¹⁹²Ir.^[1] Ein Nachteil von Gammastrahlen ist, dass die Strahlenquellen nicht abgeschaltet werden können. Bei der Verwendung von Gammastrahlung im Betrieb müssen wegen ihrer Gefährlichkeit umfangreiche Strahlenschutzmaßnahmen ergriffen werden.

Sterilisation, Keimverminderung, strahlenchemische Vernetzung

Zur Strahlensterilisation und zur Vernetzung von Polymer-Kunststoffen werden Gammabestrahlungsanlagen verwendet. Sie arbeiten fast ausschließlich mit ⁶⁰Co, das aus ⁵⁹Co in Kernreaktoren durch Neutroneneinfang hergestellt wird. Die Strahlensicherheit bei den Anlagen wird durch die Versenkbarkeit der Strahlenquellen in ein tiefes Wasserbecken oder einen tiefen, schachtförmigen Betonbunker erreicht.

Die Gammasterilisation medizinischer Produkte, z. B. eingeschweißter Notfallbestecke, hat vor anderen Verfahren den Vorteil, dass sie in der Verkaufsverpackung erfolgen kann.

Auf dem Gebiet der Lebensmittelbestrahlung ist vor allem die Zwiebelbestrahlung zu nennen, die in der Deutschen Demokratischen Republik in der Zeit von 1986 bis 1990 durchgeführt worden ist. Eine hierauf spezialisierte Gammabestrahlungsanlage gab es bei der Landwirtschaftlichen Produktionsgenossenschaft Queis in Spickendorf. In der DDR wurden auch viele andere Lebensmittel bestrahlt (Geflügel, Gewürze, Volleipulver etc.); eine Kennzeichnung der Produkte war nicht vorgesehen. Mit dem Beitritt zur Bundesrepublik Deutschland erloschen alle diese Zulassungen.

Großbestrahlungsanlagen gibt es z. B. in den Niederlanden und in Südafrika.

Mößbauer-Spektroskopie

Der Rückstoß, den der Atomkern bei der Emission des Gammaquants normalerweise erhält, kann unter Umständen von dem gesamten Kristallgitter übernommen werden, in das dieser eingebettet ist. Dadurch wird der Energieanteil, der dem Photon durch Rückstoß verloren geht, vernachlässigbar klein. Ist zudem die Halbwertszeit des angeregten Zustands hoch, entstehen Gammastrahlen mit einer extrem scharfen Energie. Darauf beruht die in der chemischen Analytik wichtige Mößbauer-Spektroskopie.

Nachweis

Gammastrahlung kann durch ihre Wechselwirkung mit Materie nachgewiesen werden, z. B. mit Teilchendetektoren wie der Ionisationskammer oder dem Geiger-Müller-Zählrohr, Szintillationszählern, Halbleiterdetektoren oder Tscherenkow-Zählern.

Forschungsgeschichte

1900 fand Paul Villard eine Komponente in der vier Jahre zuvor von Antoine Henri Becquerel entdeckten radioaktiven Strahlung, die sich nicht durch Magnetfelder ablenken ließ und ein sehr hohes Durchdringungsvermögen von Materie zeigte. Da es die dritte gefundene Strahlkomponente war, prägte Ernest Rutherford den Begriff Gammastrahlung.

Durch Beugung von Gammastrahlung an Kristallen gelang es Rutherford und Edward Andrade 1914, zu zeigen, dass es sich um eine Form von elektromagnetischer Strahlung handelt. Die gefundenen Wellenlängen waren sehr kurz und mit der von Röntgenstrahlung vergleichbar.

Literatur

• Werner Stolz, Radioaktivität. Grundlagen – Messung – Anwendungen, Teubner, 5. Aufl 2005, ISBN 3-519-53022-8

Kernphysik

• Theo Mayer-Kuckuk, Kernphysik, Teubner, 6. Aufl. 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge, Kernphysik, Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, Fundamentals in Nuclear Physics: From Nuclear Structure to Cosmology, Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Forschungsgeschichte

• Milorad Mlađenović, The History of Early Nuclear Physics (1896–1931), World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Strahlenschutz

• Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. Vieweg+Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
• Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz. Praxiswissen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen, Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin, Physics for Radiation Protection, Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

Medizin

• Günter Goretzki, Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen, Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig, Urban & Fischer Februar 2006, ISBN 3-437-23960-0

Weblinks

Commons: Gammastrahlung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

• Das „Glossar Strahlenschutz“ des Forschungszentrums Jülich erläutert viele Begriffe rund um ionisierende Strahlen (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung, Regelwerke, Strahlenschutz etc.).
• MAGIC Telescopes La Palma, Gamma-ray astronomy at low energies with high sensitivity

Elektromagnetisches Spektrum

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Einzelnachweise

Dieser Artikel wurde am 15. Juni 2007 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.