Kernphotoeffekt

Grundprinzip

Der Kernphotoeffekt, in der Astrophysik Photodesintegration genannt, ist eine Kernreaktion, die durch den Stoß eines Photons ausgelöst wird. Dabei werden aus einem Targetkern ein oder wenige Bestandteile herausgeschlagen, zum Beispiel ein oder zwei Neutronen, ein Proton oder ein Alphateilchen. Ein Alphateilchen ist ein Helium-4-Atomkern.

Die Bezeichnung hängt mit der begrifflichen Ähnlichkeit zur Photoionisation in der Atomhülle zusammen. In der Kernphysik wird diese Photoionisation meist einfach „Photoeffekt“ genannt. Für den Kernphotoeffekt verwendet man die übliche Kurzschreibweise für Kernreaktionen, etwa (γ,n), (γ,2n), (γ,p) oder (γ,α). Dabei steht γ für ein Photon beziehungsweise Gammastrahlung, n für Neutron, p für Proton und α für Alphateilchen.

Damit der Kernphotoeffekt stattfinden kann, muss die Energie des Photons mindestens so groß sein wie die Bindungsenergie des am schwächsten gebundenen Nukleons im Kern. Ein Nukleon ist ein Proton oder Neutron. Für eine (γ,n)-Reaktion mit Deuterium (^2H) beträgt die nötige Energie 2,225 MeV. Das ist im Vergleich eher niedrig. Die Gammastrahlung aus dem Zerfall einiger Radionuklide kann diesen Schwellenwert, oder den noch niedrigeren Schwellenwert in ^9Be, überschreiten. Dies wird in Gamma-Neutronenquellen genutzt.

Bedeutung im medizinischen Strahlenschutz

Im medizinischen Strahlenschutz ist der Kernphotoeffekt wichtig, weil er im Energiebereich oberhalb von 2,18 MeV auftritt. In der klassischen Photonen-Strahlentherapie werden Energien bis zu 18 MeV verwendet.

Zwischen der Strahlenquelle und dem Patienten befindet sich Raumluft. Diese Luft kann durch den Kernphotoeffekt radioaktiv werden. Dabei entstehen kurzlebige Radionuklide, also instabile Atomkerne, die nach kurzer Zeit zerfallen.

Zum Schutz des medizinischen und technischen Personals werden Luftabsaugeinrichtungen eingesetzt. Diese Einrichtungen müssen von außen überwacht werden. Da die Halbwertszeit der entstehenden Radionuklide gering ist, betrifft die dadurch verursachte Strahlenexposition Personen nach dem Verlassen des Strahlenschutzbunkers nicht mehr.

Rolle in der Astrophysik

In der Astrophysik spielte Photodesintegration kurz nach dem Urknall eine Rolle: Sie zerstörte gerade erst entstandene Deuteriumkerne. Dieser Zusammenhang gehört zur Nukleosynthese, also zur Entstehung von Atomkernen.

Photodesintegration ist auch in Sternen von mehr als acht Sonnenmassen wichtig, sobald sie die Phase des Neonbrennens erreicht haben. Ein Beispiel ist die Reaktion:

^20Ne + γ → ^16O + ^4He

Dabei wird ein Neon-20-Kern durch ein Photon in Sauerstoff-16 und ein Helium-4-Teilchen zerlegt.

Beim Siliziumbrennen, der letzten Brennphase eines Sterns, können weitere Photodesintegrationen stattfinden. Beispiele sind:

^28Si + γ → ^27Al + p

^28Si + γ → ^24Mg + ^4He

Dabei entstehen aus Silizium-28 entweder Aluminium-27 und ein Proton oder Magnesium-24 und ein Helium-4-Kern.

Bedeutung in Kernreaktoren

In Kernreaktoren gibt es große Mengen Gammastrahlung und geeignete Atomkerne, vor allem Deuterium. Deshalb spielt Photodesintegration dort eine gewisse Rolle bei der Erzeugung verzögerter Neutronen. Verzögerte Neutronen sind Neutronen, die nicht sofort bei einer Kernreaktion entstehen, sondern mit zeitlicher Verzögerung.

In herkömmlichen Leichtwasserreaktoren ist dieser Effekt begrenzt. Beim CANDU-Reaktor ist er dagegen ein wichtiges Designelement, weil dieser Reaktortyp schweres Wasser als Kühlmittel und Moderator verwendet. Schweres Wasser enthält Deuterium.

Im Kühlwasser von Leichtwasserreaktoren steigt durch Neutroneneinfang der Anteil an Deuterium mit der Zeit. Deshalb liefert „altes“ Kühlwasser mehr Photoneutronen als „neues“ Kühlwasser.

Verwandter Effekt

Ein verwandter Effekt ist die durch ein Photon ausgelöste Kernspaltung. Sie wird Photospaltung genannt, auf Englisch photofission. Dabei führt ein Photon nicht nur zum Herausschlagen einzelner Kernbestandteile, sondern zur Spaltung eines Atomkerns.