Gammastrahlung

Gammastrahlung, auch γ-Strahlung geschrieben, im engeren Sinne ist die durchdringendste 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 sind, obwohl weniger stark durchdringend, dennoch oft energiereicher als die ungeladenen Photonen oder Quanten der Gammastrahlung.

Der kleine griechische Buchstabe γ (Gamma) wird allgemein als Formelsymbol für ein Photon benutzt, auch, wenn es nicht aus einem Kernzerfall stammt.

Photonen sind auch die Strahlungsquanten des sichtbaren Lichts, der Röntgenstrahlung, von Radiowellen und allgemein jeder elektromagnetischen Strahlung. Die Photonenstrahlungen haben viele gemeinsame Eigenschaften, etwa die Ausbreitung im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit oder die elektromagnetische Wechselwirkung. Jedoch hat Gammastrahlung eine um mehrere Größenordnungen höhere Photonenenergie als beispielsweise Licht oder gar Radiowellen. Gamma-Quantenenergien reichen von einigen Kiloelektronenvolt bis hin zu Megaelektronenvolt; die meisten betragen einige hundert Kiloelektronenvolt.

"Weiche" Gammastrahlung und mittlere bis harte Röntgenstrahlung liegen im gleichen Energiebereich, werden aber nach ihrer Entstehung unterschieden: γ-Strahlung wird von Atomkernen emittiert, Röntgenstrahlung bei Vorgängen in den inneren Schalen der Atomhülle (beispielsweise als Bremsstrahlung in der Röntgenröhre).

Im weiteren Sinne wird mit Gammastrahlung jedoch auch jede elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien über etwa 200 keV bezeichnet, unabhängig vom Entstehungsprozess. Diese verallgemeinerte Begrifflichkeit wird insbesondere dann verwendet, wenn der Entstehungsprozess der Strahlung nicht im Detail bekannt ist (beispielsweise in der Astronomie) oder für die konkrete Aufgabenstellung irrelevant ist (beispielsweise im Strahlenschutz), jedoch ausgedrückt werden soll, dass höhere Energien als bei Röntgenstrahlung (ca. 100 eV bis ca. 250 keV) vorliegen.

Gammastrahlung ist aufgrund der hohen Quantenenergien, die reihenweise chemische Bindungen brechen können, und ihrer Fähigkeit, mehrere Zentimeter bis Meter Materie zu durchdringen, relativ gefährlich und ihre Abschirmung relativ aufwändig.

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Entstehung

Radioaktivität

Gammastrahlung im engeren Sinne entsteht 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. Diese Anregungsenergie kann in Form von Gammastrahlung abgegeben werden. Beim Übergang in einen weniger angeregten Zustand oder den Grundzustand wird γ-Strahlung ausgesandt, siehe Zerfallsschema. Aufgrund der quantenmechanischen Eigenschaften des Atomkerns kann dabei nur Strahlung ganz bestimmter Energien (nämlich der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen) abgegeben werden. Gammastrahlung ist also durch ein diskretes Energiespektrum gekennzeichnet.

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

Die durchschnittliche Verzögerungs- oder Halbwertszeit zwischen dem vorhergehenden Zerfall und der Emission des γ-Quants hängt vom Kern ab. Typische Halbwertszeiten dieses Zerfallstyps sind vom kernphysikalischen Standpunkt gesehen vergleichsweise lang, da der angeregte Kern (ähnlich einem pulsierenden Rugbyball) ein oszillierendes Quadrupolfeld aufbaut. Weil das abgestrahlte γ-Quant aber nur Dipolschwingungen aufnehmen kann, schwingt der Kern insgesamt sehr dämpfungsarm.

Gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation ist die mittlere Lebensdauer τ (die Halbwertszeit geteilt durch ln2) eines Übergangs umgekehrt proportional seiner Energieunschärfe oder Linienbreite Γ:

Γ = ħ / τ.

Die Energiezustände in Atomkernen sind – zumindest bei „langen“ Halbwertszeiten von mehr als etwa 10^-15 Sekunden – wohldefiniert; 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

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 Nickel-60 ausgesandte Kaskade zweier Photonen von 1,17 und 1,33 MeV – braucht man daher ein Präparat des Betastrahlers Cobalt-60. Dieses Nuklid zerfällt mit 5,26 Jahren Halbwertszeit zum gewünschten Ni-60-Zustand.   Aus diesem praktischen Grund werden Gammastrahlen (nicht nur beim Ni-60, sondern ganz allgemein, auch in wissenschaftlich-technischen Unterlagen, Tabellen usw.) immer dem Mutternuklid, im Beispiel dem Co-60, zugeordnet: man spricht von Cobalt-60-Strahlung, Kobaltbombe usw., auch wenn es nur um die Gammastrahlung geht, die vom Tochterkern Ni-60 emittiert wird.

Die seltenen Fälle von angeregten Atomkernen, die mit Halbwertszeiten von Sekunden, Minuten oder noch länger zerfallen, werden als metastabil oder als Kernisomere bezeichnet.

Rückstoßfreie Emission

Es ist möglich, dass der Rückstoßimpuls nicht nur von dem einzelnen Atomkern, sondern von dem gesamten Kristallgitter übernommen wird, 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, die sich hervorragend für hochpräzise relative Messungen eignen (Mößbauer-Effekt). Die Linienbreite dieser γ-Strahlung liegt dabei in Größenordnungen von Übergängen, welche für Atomuhren genutzt werden.

Paarvernichtung

Bei der Paarvernichtung, beim Zusammenstoß von einem Teilchen und dem zugehörigen Antiteilchen, entsteht, neben anderen möglichen Reaktionskanälen, auch Gammastrahlung. Die dabei erzeugten Gammaquanten tragen zusammen die Energie, die der Ruhemasse der vernichteten Teilchen entspricht, eventuell abzüglich der Bindungsenergie, wenn sich die beiden Teilchen bereits umkreisten bzw. zuzüglich vorher vorhandener Bewegungsenergie im ungebundenen Fall.

Hochenergetische Prozesse

Hochenergetische Prozesse, insbesondere Kernspaltung und Kernfusion, können auch kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Gammaspektren erzeugen. Gammablitze (englisch Gamma Ray Bursts) – auch Gammastrahlen-Explosionen genannt – stellen eines der energiereichsten Phänomene im Weltall dar, ihr Entstehungsmechanismus ist noch nicht geklärt.

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

  Im Gegensatz zur Bragg-Kurve bei Teilchenstrahlung verläuft der Energieeintrag der Gammastrahlung exponentiell abfallend mit der Eindringtiefe.

Zur Abschirmung der durch ihre hohe Energie und elektrische Neutralität der Quanten besonders durchdringungsstarken Gammastrahlung werden deutlich dickere Materieschichten benötigt als für Alpha- oder Betastrahlung. Prinzipiell kann man sagen: Je größer die Ordnungszahl eines Materials ist, desto größer ist die Abschirmwirkung. Deshalb verwendet man beispielsweise Bleiplatten. Die Halbwertsschicht gibt an, welche Dicke benötigt wird, um die Hälfte der Strahlen abzuschirmen. Nach zwei Halbwertsschichten verbleibt noch ein Viertel der Ausgangsstrahlung usw.

Biologische Wirkung

Wird Gammastrahlung in menschlichem, tierischem oder pflanzlichem Gewebe absorbiert, entsteht in der Regel Betastrahlung als Sekundärstrahlung. Deswegen werden Gamma- und Betastrahlung bezüglich ihrer biologischen Wirksamkeit mit dem gleichen Gewichtungsfaktor beurteilt. Die Sekundärstrahlung wechselwirkt wiederum mit dem umgebenden Gewebe unter Produktion weiterer Röntgen- und (energetisch niedrigerer) Betaquanten. Die Folge ist eine ganze Kaskade von Teilchen und das vielfache Brechen chemischer Bindungen, welches technisch als ionisierende Wirkung beschrieben und gemessen wird. Dabei kommt es insbesondere zu Schäden im Erbgut. Die Funktionsfähigkeit der Zellen bleibt hingegen auch bei hohen Strahlendosen zunächst meist erhalten. Sobald aber die Zelle sich teilt oder aus einem anderen Grund eine große Zahl an Proteinen neu produzieren muss, führen die Strahlenschäden im Erbgut zu Problemen. Die Strahlenkrankheit wirkt deswegen erst nach einiger Zeit tödlich, wenn bestimmte, lebenswichtige Zelltypen, die auch beim gesunden Menschen regelmäßig absterben und neu gebildet werden, insbesondere Blutzellen, nicht mehr in ausreichender Zahl vorhanden sind. Alternativ kann es dazu kommen, dass durch die Strahlung nur gering geschädigte Zellen ihre Teilungsfähigkeit behalten, sich aber künftig unkontrolliert teilen und zu bösartigen Tumoren wachsen.

Strahlenschutz

Strahlenschutzmaßnahmen dienen der Verringerung der aufgenommenen Strahlendosis. Die Dauer der Bestrahlung kann z. B. durch sorgfältige Arbeitsplanung möglichst gering gehalten werden, die Intensität der Strahlung durch Abschirmung und Einhaltung möglichst großer Abstände. Wie bei jeder Strahlung ist, wenn die Quelle klein im Vergleich zur bestrahlten Fläche ist, die Intensität umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands von der Quelle. Doppelter Abstand bedeutet also Verringerung der Intensität auf ein Viertel.

Anwendungen

Medizin

Gammastrahlung aus radioaktiven Quellen und hochenergetische Bremsstrahlung aus Elektronenbeschleunigern werden in der Strahlentherapie verwendet. Die Strahlenenergie in der Teletherapie muss möglichst hoch sein; verwendet wird z. B. Cobalt-60, das Gammaquanten mit den Energien 1,17 und 1,33 MeV abstrahlt. Auch in der Brachytherapie mittels kleiner, in den Körper eingeführter Präparate werden Gammastrahlen angewendet (meist Iridium-192).

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 Iridium 192 (¹⁹²Ir) und Cobalt 60 (⁶⁰Co). 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

Zur Strahlensterilisation kommen Gammabestrahlungsanlagen für technische und medizinische Produkte sowie für Lebensmittel zum Einsatz. In diesen Anlagen wird fast ausschließlich das oben erwähnte Cobalt 60 (⁶⁰Co) verwendet. Der Gammastrahler Caesium-137, der durch Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente aus Kernreaktoren gewonnen wird, steht nicht in ausreichenden Mengen für eine kommerzielle Anwendung zur Verfügung. Dagegen wird radioaktives Cobalt-60 aus nicht-radioaktivem Cobalt-59 in speziellen Kernreaktoren in großen Mengen „erbrütet“. Die Strahlensicherheit wird durch die Versenkbarkeit der Strahlenquellen in ein entsprechend tiefes Wasserbecken realisiert. Bei einigen Anlagen wird die Strahlensicherheit auch in tiefen Betonbunkern ohne Wasser gesichert. Ein elektronisches und mechanisches Sicherheitssystem gewährleistet die Sicherheit der Mitarbeiter und steuert den Hebe- und Senkmechanismus des Strahlenkorbes. Die technische Anwendung findet man z. B. bei der strahlenchemischen Vernetzung von Polymeren. Medizinische Produkte werden durch die Bestrahlung mit Gammastrahlen sterilisiert. Hier hat man den Vorteil, dass die Sterilisation in der Verkaufsverpackung erfolgen kann. Weiterhin sind eingeschweißte medizinische Notfallbestecke sterilisierbar. In der Lebensmittelbestrahlung ist in der Zeit von 1986 bis 1990 vor allem die Zwiebelbestrahlung zu nennen, die in der DDR durchgeführt worden ist. Eine hierauf spezialisierte Gammabestrahlungsanlage stand auf dem Territorium der LPG (P) Queis in Spickendorf. In der DDR durften noch zahlreiche andere Lebensmittel bestrahlt werden; eine Kennzeichnung war nicht vorgesehen. Mit dem Beitritt zur Bundesrepublik Deutschland erloschen alle diese Zulassungen.

Nachweis

Gammastrahlung kann durch ihre Wechselwirkung mit Materie nachgewiesen werden, z. B. mit dem Geiger-Müller-Zählrohr, Szintillationszählern, Halbleiterdetektoren oder Tscherenkow-Zähler (siehe auch Tscherenkow-Licht).

Forschungsgeschichte

1900 fand Paul Ulrich 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 aufzeigte. 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, Teubner 2004, ISBN 3-519-00487-9
• 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