Gammastrahlung

Gammastrahlen, γ-Strahlen oder γ-Strahlung bezeichnet den Teil der elektromagnetischen Strahlung, der eine sehr kurze Wellenlänge (unter 0.5 nm) hat. Die zugehörigen Energien der Photonen liegen ab 2,5 keV aufwärts. Die Photonen der Gammastrahlung werden auch Gammaquanten, Symbol γ, genannt.

Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in Alphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Anders als α- beziehungsweise β-Teilchen sind γ-Teilchen elektrisch neutral.

Gammastrahlung im ursprünglichen Sinne entsteht als Folge radioaktiver Kernumwandlungen(Abgabe der Anregungsenergie des Tochternuklids) beziehungsweise bei der Paarvernichtung. Sie bildet eine indirekt und locker ionisierende Strahlung mit diskreten Energien, die eine hohe Durchdringungsfähigkeit besitzen.

Nach einem α- oder β-Zerfall befindet sich der neu entstandene Atomkern häufig in einem angeregtem Zustand. Beim Übergang in einen weniger angeregten Zustand oder den Grundzustand wird γ-Strahlung emmitiert. Dabei ändern sich die chemischen Eigenschaften des Elements nicht. Das Gamma-Photon übernimmt die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen, abzüglich der Rückstoßenergie des verbleibenden Atomkerns.

Der angeregte Zustand (Isomer) kann insbesondere durch einen vorherigen α- oder β-Zerfall erzeugt worden sein. Auch andere Anregungsprozesse sind möglich, wie Neutroneneinfang oder die vorherige Absorption eines γ-Quants.

Die durchschnittliche Verzögerungs- beziehungsweise Halbwertszeit zwischen dem vorhergehenden Zerfall und der Emission des γ-Quants hängt vom Kern ab.

Die Energiezustände in Atomkernen sind - zumindest bei "langen" Halbwertszeiten von mehr als etwa 10^-15 Sekunden - wohldefiniert; daher sind die Wellenlängen der Gammastrahlen eines radioaktiven Isotopes charakteristisch, vergleichbar etwa dem Linienspektrum chemischer Elemente. Hochenergetische Prozesse, insbesondere Kernspaltung und Kernfusion können jedoch auch kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Gammastrahlung erzeugen.

Es ist möglich, dass der Rückstoßimpuls nicht nur von einem einzelnen Atomkern, sondern von dem gesamten Kristallgitter übernommen wird, in das der angeregte Kern eingebettet ist. Dadurch wird der Energieanteil, der auf das Rückstoßteilchen übertragen wird, vernachlässigbar klein. Ist zudem die Halbwertszeit des angeregten Zustands hoch, entstehen dadurch Gammastrahlen mit einem extrem scharfen Energiespektrum, die sich hervorragend für hochpräzise relative Messungen eignen (Mössbauer-Effekt).

Gammastrahlung entsteht (neben Röntgenstrahlung) aber auch, wenn α- oder β-Teilchen auf ein hartes Hindernis, wie einen Atomkern, treffen. Die so erzeugte Gammastrahlung hat ein kontinuierliches Spektrum. Ein weiterer Prozess zur Erzeugung von Gammastrahlen ist die Annihilation(Zerstrahlung) zwischen Positronen und Elektronen oder anderen Teilchen und deren Antiteilchen. Die dabei erzeugten Gammaquanten tragen zusammen mindestens die Energie, die der Ruhemasse der vernichteten Teilchen entspricht.

Gammastrahlung kann experimentell als Synchrotronstrahlung hergestellt werden. Das gleiche Prinzip ist auch für einen Teil der kosmischen Gammastrahlen (Kosmische Strahlung) verantwortlich.

Gammablitze - auch Gammastrahlen-Explosionen genannt -(englisch Gamma Ray Bursts) stellen eines der energiereichsten Phänomene im Weltall dar.

Schutz vor Gammastrahlung

Da Gammastrahlung bedingt durch die hohe Energie und elektrische Neutralität der Quanten ein starkes Durchdringungsvermögen hat, werden zur Abschirmung deutlich dickere Materieschichten benötigt, als für Alpha- oder Betastrahlung. Prinzipiell kann man sagen: Je größer die Dichte eines Material 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.

Der zweite Schutzfaktor ist die Aufenthaltszeit. Je kürzer man sich in der Strahlungszone aufhält, umso kleiner ist die Dosis, die man aufnimmt.

Siehe auch: Gamma, Gammablitz, Gammastrahler, Gammazerfall, Gamma-Quant