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Gammastrahlung
Gammastrahlung – auch γ-Strahlung geschrieben – ist im engeren Sinne eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung, die bei spontanen …
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Grundbegriff und Abgrenzung
Gammastrahlung, auch γ-Strahlung, ist im engeren Sinn eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung, die bei spontanen Umwandlungen radioaktiver Atomkerne entsteht. Sie besteht aus ungeladenen Photonen oder Quanten. Deshalb wechselwirkt sie schwächer mit Materie als Alpha- und Betastrahlung, die aus geladenen Teilchen bestehen, und hat ein deutlich höheres Durchdringungsvermögen.
Im weiteren Sinn nennt man jede elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien über etwa 200 keV Gammastrahlung, unabhängig von ihrer Entstehung. Das entspricht Wellenlängen kürzer als 0,005 nm beziehungsweise 5 pm. Diese weitere Verwendung ist besonders üblich, wenn der Entstehungsprozess unbekannt ist, etwa in der Astronomie, oder für eine Aufgabe keine Rolle spielt, etwa im Strahlenschutz. Röntgenstrahlung liegt ungefähr im Bereich von 100 eV bis 300 keV, doch die Grenzen zwischen Röntgen- und Gammastrahlung sind unscharf.
Häufig unterscheidet man nach der Herkunft: Röntgenstrahlung entsteht bei der Kollision hochenergetischer Elektronen mit Materie, zum Beispiel als charakteristische Röntgenstrahlung oder Bremsstrahlung. Gammastrahlung stammt aus Kernprozessen, Paarvernichtung oder dem Weltall. Als Grenze werden oft 100 keV, 120 keV, 124 keV, etwa 10 pm Wellenlänge, oder 200 keV genannt; diese Grenze ist aber willkürlich. Es gibt niederenergetische Gammastrahler wie ^{125}I mit 35,5 keV und ^{229m}Th mit 0,008355733 keV, aber auch hochenergetische Bremsstrahlung im Megaelektronenvolt-Bereich. Der griechische Buchstabe γ wird außerdem allgemein als Formelsymbol für ein Photon beliebiger Energie und Entstehungsart verwendet.
Entstehung und Spektrum
Gammastrahlung im ursprünglichen Sinn entsteht, wenn nach einem radioaktiven Alpha- oder Betazerfall der zurückbleibende Tochterkern in einem angeregten Zustand ist. Beim Übergang in einen weniger angeregten Zustand oder in den Grundzustand gibt der Kern die frei werdende Energie als Gammastrahlung ab. Diese Zustandsänderung heißt Gammaübergang oder auch „Gammazerfall“, obwohl der Kern dabei nicht in Bestandteile zerfällt: Die Anzahl seiner Neutronen und Protonen bleibt gleich. Die Emission von Gammastrahlung konkurriert mit der inneren Konversion.
Ein angeregter Kernzustand kann auch durch Neutroneneinfang, andere Kernreaktionen oder durch vorherige Absorption eines energiereicheren γ-Quants entstehen. Bei der Paarvernichtung, also der Reaktion eines Teilchens mit seinem Antiteilchen, entstehen ebenfalls Photonen, die Gammastrahlung genannt werden. Sie tragen zusammen die Energie ab, die der Masse der vernichteten Teilchen entspricht, korrigiert um mögliche Bindungsenergie und vorhandene Bewegungsenergie.
Die Energien oder Wellenlängen von Gammastrahlen aus Kernübergängen sind diskret und für das jeweilige Radionuklid charakteristisch. Deshalb kann die Gammaspektroskopie, also die Messung des Gammaspektrums einer unbekannten Substanz, Aufschluss über Art und Mengenanteile der enthaltenen Radionuklide geben. Beim Nuklid ^{60}Co werden zum Beispiel Linien bei 1,173 MeV und 1,332 MeV gemessen.
Die scharfen Spektrallinien hängen mit den vergleichsweise langen Lebensdauern der Gammaübergänge zusammen. Nach der Energie-Zeit-Unschärferelation gilt für Linienbreite Γ und Lebensdauer τ: Γ = ℏ / τ. Angeregte Kernzustände leben stets länger als etwa 10^{−15} Sekunden; dadurch entstehen diskrete Photonenenergien mit Halbwertsbreiten unter 0,3 eV.
Nuklidbezeichnung und kosmische Quellen
In der Praxis wird Gammastrahlung meist nach dem Mutternuklid benannt, also nach dem radioaktiven Nuklid, das zuvor durch Alpha- oder Betazerfall zerfällt. Der eigentliche Gammaübergang findet zwar im Tochterkern statt, folgt aber meist nach sehr kurzer Zeit, oft nach Sekundenbruchteilen. Für Anwendungen braucht man daher ein Präparat des Mutternuklids.
Ein wichtiges Beispiel ist Cobalt-60. ^{60}Co zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5,26 Jahren zu einem angeregten Zustand von ^{60}Ni. Dieser gibt eine Kaskade zweier Photonen von 1,17 MeV und 1,33 MeV ab. Trotzdem spricht man von Cobalt-60-Strahlung oder einer Kobaltkanone, obwohl die Gammastrahlung vom Tochterkern ^{60}Ni ausgesendet wird.
Seltene angeregte Atomkerne mit Gammaübergängen von Sekunden, Minuten oder noch längerer Halbwertszeit heißen metastabil oder Kernisomere. Nur in solchen Fällen wird das tatsächlich gammastrahlende Nuklid genannt. Ein Beispiel ist ^{99m}Tc, das in der medizinischen Diagnostik verwendet wird.
In der Astronomie bezeichnet man Gammablitze, englisch Gamma Ray Bursts, als eines der energiereichsten Phänomene im Weltall. Ihr Entstehungsmechanismus ist nur ansatzweise geklärt. Ihr Spektrum ist kontinuierlich und reicht von etwa 1 keV bis in den MeV-Bereich; es enthält auch Röntgenstrahlung. Dabei handelt es sich nicht um Gammastrahlung im engeren kernphysikalischen Sinn.
Wechselwirkung, Abschirmung und biologische Wirkung
Gammastrahlung dringt tief in Materie ein. Anders als bei geladenen Teilchen nimmt ihre Intensität mit der Eindringtiefe exponentiell ab. Nach jeweils einer Halbwertsdicke ist die Zahl der Gammaquanten halbiert. Die Halbwertsdicke hängt von der Wellenlänge der Strahlung und vom Material ab, besonders von der Ordnungszahl. Für den Strahlenschutz verwendet man deshalb dicke, dichte Materialien mit hoher Ordnungszahl. Blei ist wegen hoher Atomdichte, hoher Ordnungszahl sowie guter Verfügbarkeit und Verarbeitbarkeit besonders verbreitet. Selbst Blei hat für Gammastrahlung mit 2 MeV eine Halbwertsdicke von 14 mm.
Wichtige Wechselwirkungen beim Durchgang durch Materie sind Photoionisation, Compton-Streuung und bei ausreichender Photonenenergie Paarbildung. Alpha- und Betastrahlung lassen sich viel leichter abschirmen, etwa durch Papier beziehungsweise ein Blech.
Wird Gammastrahlung in menschlichem, tierischem oder pflanzlichem Gewebe absorbiert, wirkt ihre Energie durch Ionisation und weitere Prozesse. Dabei entstehen Sekundärstrahlungen wie freigesetzte Elektronen und Röntgenstrahlung. Die Wirkung beruht unter anderem auf dem Aufbrechen chemischer Bindungen und ist für Organismen meist schädlich. Das Ausmaß wird mit der Äquivalentdosis in Sievert (Sv) beschrieben.
Schäden können als somatische Schäden den bestrahlten Organismus betreffen oder durch Schädigung des Erbguts als genetische Schäden auch Nachkommen betreffen. Zellen bleiben selbst bei hohen Dosen zunächst oft funktionsfähig. Beim Teilen der Zelle oder bei der Proteinproduktion können Erbgutveränderungen und Schäden an Zellorganellen jedoch zum Zelltod führen. Strahlenkrankheit wird deshalb oft erst nach einiger Zeit tödlich, wenn lebenswichtige Zelltypen, besonders Blutzellen, nicht mehr ausreichend neu gebildet werden. Mutationen können außerdem unkontrollierte Zellteilung auslösen; dadurch können Tumoren und Metastasen entstehen.
Anwendungen und Nachweis
Technisch eingesetzte Gammastrahler sind vor allem ^{60}Co, ^{75}Se, ^{169}Yb und ^{192}Ir. Ein Nachteil radioaktiver Gammastrahler ist, dass sie nicht abgeschaltet werden können. Deshalb sind bei ihrer Nutzung umfangreiche Strahlenschutzmaßnahmen nötig.
In der Medizin wird Gammastrahlung in der Strahlentherapie verwendet. In der Teletherapie sollen die Photonen möglichst energiereich sein; Werte bis 23 MeV sind möglich. ^{60}Co sendet Gammaquanten mit 1,17 MeV und 1,33 MeV aus. Wegen der Sicherheitsprobleme radioaktiver Quellen wird hochenergetische Strahlung in der Teletherapie heute meist als Elektronen-Bremsstrahlung an einer Wolframplatte erzeugt und auch hochenergetische Röntgenstrahlung genannt. Der Elektronenstrahl kommt aus einem Linearbeschleuniger und kann ein- und ausgeschaltet werden. Für die Radiochirurgie von Hirntumoren wird ein Gamma-Knife verwendet. In der Brachytherapie, also Bestrahlung von innen, nutzt man kleine in den Körper eingeführte Präparate, meist ^{192}Ir. Für die Diagnostik, etwa Szintigrafie und Single-Photon-Emissionscomputertomographie, werden kurzlebige Gammastrahler wie ^{99m}Tc, ^{123}I, ^{131}I, ^{133}Xe oder ^{111}In eingesetzt.
In Sensorik und Materialprüfung nutzt man, dass Gammastrahlung Materie durchdringt und teilweise absorbiert wird. Bei Füllstandsmessungen hängt die gemessene Intensität davon ab, ob sich ein Medium im Gefäß befindet. In der Durchstrahlungsprüfung lassen sich Ablagerungen, Korrosionsschäden oder Erosionsschäden an Apparaten und Rohrleitungen nachweisen.
Gammastrahlung dient auch zur Sterilisation, Keimverminderung und strahlenchemischen Vernetzung von Polymer-Kunststoffen. Gammabestrahlungsanlagen arbeiten fast ausschließlich mit ^{60}Co, das aus ^{59}Co in Kernreaktoren durch Neutroneneinfang hergestellt wird. Medizinische Produkte können in ihrer Verkaufsverpackung sterilisiert werden. Lebensmittelbestrahlung muss in Deutschland und der EU gekennzeichnet sein; in Deutschland dürfen nur Trockenkräuter und Gewürze bestrahlt werden, für weitere Lebensmittel braucht es eine Allgemeinverfügung. Die Bestrahlung gilt als gesundheitlich unbedenklich, kann aber Geschmack und Konsistenz verändern.
Nachweisen lässt sich Gammastrahlung über ihre Wechselwirkung mit Materie, zum Beispiel mit Ionisationskammern, Geiger-Müller-Zählrohren, Szintillationszählern, Halbleiterdetektoren oder Tscherenkow-Zählern. In der Mößbauer-Spektroskopie nutzt man extrem schmale Gamma-Energiebänder, wenn der Rückstoß des Atomkerns vom Kristallgitter übernommen wird; so werden geringe Einflüsse der Atomhülle und ihrer Bindungszustände auf Streuung und Absorption beobachtbar.
Forschungsgeschichte
1900 fand Paul Villard in der vier Jahre zuvor von Antoine Henri Becquerel entdeckten radioaktiven Strahlung eine Komponente, die sich nicht durch Magnetfelder ablenken ließ und Materie sehr stark durchdrang. Weil sie die dritte gefundene Strahlkomponente war, prägte Ernest Rutherford den Begriff Gammastrahlung.
1914 zeigten Rutherford und Edward Andrade durch Beugung von Gammastrahlung an Kristallen, dass Gammastrahlung eine Form elektromagnetischer Strahlung ist. Die gefundenen Wellenlängen waren sehr kurz und mit denen von Röntgenstrahlung vergleichbar.
