Basiswissen

Energiereiche Strahlung, meist aus Atomkernen: Gammastrahlung, auch γ-Strahlung, im engeren Sinne ist eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung, die bei spontanen Umwandlungen („Zerfall“) der Atomkerne vieler natürlich vorkommender oder künstlich erzeugter radioaktiver Nuklide entsteht.

Die Wellenlänge von Gammastrahlung

Im weiteren Sinne wird mit Gammastrahlung jede elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien einiger Kiloelektronenvolt und mit Wellenlängen unterhalb von 10 Pikometern, also 10 mal 10⁻¹² m bezeichnet^[2]. 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 (rund 100 eV bis 300 keV) vorliegen.

Die Entstehung von Gammastrahlung

Gammastrahlung entsteht typischerweise als Folge einer Kernumwandlung nach einem Alpha- oder nach einem Betazerfall.^[8] Der neue Kern hat dann überschüssige Energie, die er in Form von einem Gammaquant abgibt.^[4] Weitere Entstehungsarten sind der Effekt der Bremsstrahlung^[3]^[10], eine starke Beschleunigung von geladenen Teilchen im Kosmos,^[5] als sogenannte Synchrotronstrahl in Teilchenbeschleunigern oder im Kosmos,^[6] bei der Zerstrahlung von Materie mit Antimaterie,^[7] bei einer Compton-Streuung,^[9] als Bremsstrahlung,^[10] als Ergebnis einer Kollision von Elementarteilchen^[11] oder als Ergebnis einer Kernfusion^[12]. Weitere Entstehungsmöglichkeiten sollen durch diese kurze Auflistung nicht ausgeschlossen sein.

Gammastrahlung im Unterschied zur Röntgenstrahlung

Die Gammastrahlung und die Röntgenstrahlung überschneiden sich in weiten Bereichen ihrer Wellenlängen und Frequenzen. Sie sind als Strahlung dann auch nicht unterscheidbar. Der Unterschied - sofern er gemacht wird - liegt in der Art der Entstehung. Während Röntgenstrahlen oft durch eine Geschwindigkeitsänderung von Elektronen entstehen, entstehen Gammastrahlen eher (aber nicht nur^[3]) aus Prozessen im Atomkern. Siehe auch Röntgenstrahlung ↗

Absorption von Gammastrahlung

Es gibt im wesentlichen drei Wechselwirkungen von Gammaquanten mit Masterie: Photoeffekt, Compton-Streuung und Paarbildung. Die Entstehungsart der Gammaquanten spielt dabei keine Rolle (Röntgenstrahlung, Bremsstrahlung oder Radioaktivität). Beim Photoeffekt wird die gesamte Energie des Gammaquants auf ein Elektron übertragen. Beim Compton-Effekt hängt der abgegebene Energiebetrag vom Streuwinkel ab. Bei der Paarbildung muss das Gammaquant mindestens die zweifache Ruheenergie des Elektrons haben.

Photoeffekt ↗

Compton-Streuung^{[9] ↗}

Paarbildung ↗

Sterilisieren mit Gammastrahlung

Gammastrahlen zerstören die DNA (Erbinformation) von Lebewesen. Bestrahlt man Medikamente oder Lebensmittel mit Gammastrahlen, kann man diese auch in größeren Tiefen sterilisieren.^[1] Als Strahlungsquelle verwendet man das radioaktive Cobaltisotop Cobalt-60. Genügen geringere Eindringtiefen kann man alternativ auch Betastrahlung verwenden, mit ihr lassen sich Sterilisierungen sehr viel schneller durchführen. Siehe auch Betastrahlung ↗

Fußnoten

[1] BGS - Beta-Gamma-Service GmbH & Co KG. Wiehl bei Gummersbach. Internetseite vom 16. Oktober 2022. Online: https://de.bgs.eu/funktionsweise-beta-gammastrahlung/gamma-betastrahlen/

[2] Zur Wellenlänge von Gammastrahlung: "γ-Strahlung, hochenergetische elektromagnetische Strahlung mit Energien Eγ = ℏω mindestens oberhalb einiger keV pro Gammaquant, d. h. Wellenlängen unter 10 pm." In Metern sind das weniger als 10⁻¹² Meter. In: Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 2. November 2023. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/gammastrahlung/5520

[3] Gammastrahlung als Bremsstrahlung: "Gammastrahlung entsteht entweder als Bremsstrahlung beim Auftreffen schneller Elektronen auf Materie oder beim Strahlungsübergang eines angeregten Atomkerns oder Hadrons (Gammaabregung, Kerngammaübergänge)." In: Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 2. November 2023. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/gammastrahlung/5520

[4] "Nach einem α- oder β-Zerfall ist der neue Kern oft angeregt und besitzt überschüssige Energie. Diese kann er abgeben, indem er ein γ-Teilchen aussendet. γ-Strahlung tritt deshalb nie allein auf, sondern immer als Folge eines α- oder β-Zerfalls." In: Dorn.Bader. Physik SII Gesamtband Gymnasium. Westermann Bildungsmedien. Braunschweig. 2023. ISBN: 978-3-14-152376-8. Dort die Seite 375.

[5] Als eine - von vielen - kosmischen Quellen von Gammastrahlung werden starke Massen genannt, die geladene Partikel so stark bis hin zu relativistischen Geschwindigeiten beschleunigen, dass diese Gammaquanten aussenden: "There is accumulating evidence supporting the idea that massive stars and star forming regions can accelerate charged particles up to relativistic ener gies making them gamma-ray sources." In: K. S. Cheng, Gustavo E. Romero: Cosmic Gamma-Ray Sources. Springer Dordrecht. 2004. 408 Seiten. ISBN: 978-1-4020-2255-5Published

[6] Gammstrahlung als Synchrotronstrahlung: "The origin of gamma rays is intimately tied the physics of elementary particles, such as protons, neutrons, and electrons. Some of the known physical processes that can produce gamma rays are: Synchrotron Radiation is produced when charged particles such as electrons spiral at speeds approaching the speed of light in the presence of a magnetic field. Supernovae and supernova remnants produce a lot of synchrotron radiation." In: Joslyn Schoemer, Stephanie Leitner and Tom Chi: What Physical Processes Generate Gamma Rays? A service of the Laboratory for High Energy Astrophysics at Goddard Space Flight Center. Abgerufen am 5. März 2024. Online: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/vu/overview/whatare/process.html

[7] Gammastrahlung kann auch entstehen, wenn Materie mit Antimaterie zerstrahlt: "When a particle of matter (such as an electron) collides with its anti-matter twin (in this case, the positron), they annihilate each other. This Matter-Antimatter Annihilation produces a pair of gamma rays at a specific wavelength, depending on the mass of the annihilating particles." In: Joslyn Schoemer, Stephanie Leitner and Tom Chi: What Physical Processes Generate Gamma Rays? A service of the Laboratory for High Energy Astrophysics at Goddard Space Flight Center. Abgerufen am 5. März 2024. Online: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/vu/overview/whatare/process.html

[8] Gammastrahlung als Ergebnis eines radioaktiven Zerfalls, mit der Möglichkeit, die Atomarten von kosmischen Gammaquellen zu bestimmen: "Nuclear Decay, also called radioactivity, occurs when the nucleus of an unstable element spontaneously transforms into a new element, emitting an alpha or beta particle and a gamma ray. The composition of the decaying nucleus determines the wavelength of the gamma ray, so that the decaying elements in an astronomical object can be identified by the gamma rays they produce." In: Joslyn Schoemer, Stephanie Leitner and Tom Chi: What Physical Processes Generate Gamma Rays? A service of the Laboratory for High Energy Astrophysics at Goddard Space Flight Center. Abgerufen am 5. März 2024. Online: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/vu/overview/whatare/process.html

[9] Gammastrahlung als Ergebnis einer Compton-Streuung: "Inverse Compton Scattering occurs when a photon and an energetic charged particle (such as an electron) scatter off of each other. The kinetic energy of the particle can be transferred to the photon, increasing its energy and decreasing its wavelength into the gamma ray regime." In: Joslyn Schoemer, Stephanie Leitner and Tom Chi: What Physical Processes Generate Gamma Rays? A service of the Laboratory for High Energy Astrophysics at Goddard Space Flight Center. Abgerufen am 5. März 2024. Online: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/vu/overview/whatare/process.html

[10] Gammastrahlung als Bremsstrahlung: "When a speeding electron interacts with a positively charged nucleus it is deflected by the electric field of the nucleus. The electron is decelerated as its path changes, and the energy lost due to the deceleration emerges as a photon, called Bremsstrahlung (German for "braking radiation"). If the electron is moving fast enough, the emergent photon can be a gamma ray." In: Joslyn Schoemer, Stephanie Leitner and Tom Chi: What Physical Processes Generate Gamma Rays? A service of the Laboratory for High Energy Astrophysics at Goddard Space Flight Center. Abgerufen am 5. März 2024. Online: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/vu/overview/whatare/process.html

[11] Gammastrahlung als Ergebnis von Kollisionen: "High Speed Collisions of protons or any other atomic nuclei can result in the production of a variety of exotic subatomic particles, whose rapid decays can produce gamma ray photons." In: Joslyn Schoemer, Stephanie Leitner and Tom Chi: What Physical Processes Generate Gamma Rays? A service of the Laboratory for High Energy Astrophysics at Goddard Space Flight Center. Abgerufen am 5. März 2024. Online: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/vu/overview/whatare/process.html

[12] Gammastrahlung als Ergebnis einer Kernfusion: "The Fusion of two atomic nuclei leads to heavier atomic nuclei, as well as the emission of gamma rays." In: Joslyn Schoemer, Stephanie Leitner and Tom Chi: What Physical Processes Generate Gamma Rays? A service of the Laboratory for High Energy Astrophysics at Goddard Space Flight Center. Abgerufen am 5. März 2024. Online: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/epo/vu/overview/whatare/process.html

zur Bildbeschreibung mit Autoren- und Urheberinfos — Gammastrahlung ist eine sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung. Sie entsteht vor allem bei sogenannten Isomerieübergängen im Atormkern. Der Strahlung ist eine Wellenlänge und eine Frequenz zugeordnet. Inductiveload, changes by Habitator terrae (both Wikimedia)