Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

Gammaübergang und Gammastrahlung

  • Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
  • Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
  • Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
  • Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?

Gammaübergang und Gammastrahlung

1 Gammaübergang eines angeregten \({}_{84}^{218}{\rm{Po}}\)-Kerns in den Grundzustand unter Aussendung eines Gammaquants
Gammaübergang

Der Gammaübergang (kurz: \({\rm{\gamma }}\)-Übergang) tritt bei praktisch allen Kernumwandlungen auf. Nach der Kernumwandlung wie z.B. dem Alpha- oder dem Beta-Minus-Zerfall verbleibt der Atomkern meist in einem angeregten Zustand; die noch vorhandene überschüssige Energie gibt er in Form eines oder mehrerer Gammaquanten ab. Abgesehen von der Art des Entstehens sind die Gammaquanten praktisch identisch mit den RÖNTGEN-Quanten. Die Gammaquanten bewegen sich mit einer konstanten Geschwindigkeit \(c = 299792458\,\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\), der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Den Strom aus Gammaquanten bezeichnet man auch als Gammastrahlung (kurz: \(\rm{\gamma }\)-Strahlung) .

Beim Gammaübergang ändert sich weder die Massenzahl noch die Kernladungszahl; der Atomkern verliert lediglich Energie und geht von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand über. Die Reaktionsgleichung lautet\[_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{{\rm{X}}^*}\mathop  \to \limits^{\rm{\gamma }} \;_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}} + _{\rm{0}}^{\rm{0}}{\rm{\gamma }}\]

Beispiel: Ein energiereicherer, angeregter, sogenannter metastabiler Bariumkern gibt ein Gammaquant ab und geht dadurch in einen niedrigeren und gleichzeitig stabileren Energiezustand über: \({}_{{\rm{56}}}^{{\rm{137}}}{\rm{B}}{{\rm{a}}^*}\mathop  \to \limits^{\rm{\gamma }} {}_{{\rm{56}}}^{{\rm{137}}}{\rm{Ba}} + {}_{\rm{0}}^{\rm{0}}{\rm{\gamma }}\); die dabei in Form des Gammaquants frei werdende Energie beträgt \(0{,}662\,{\rm{MeV}}\).

Eigenschaften von Gammastrahlung

  • Gammastrahlung besitzt ein niedriges Ionisierungsvermögen. Gammastrahlung ionisiert also auf einem kleinen Raum nur wenige andere Teilchen. Der \(q\)-Faktor von Gammastrahlung ist \(1\).

  • Die bei einem speziellen Gammaübergang entstehenden Gammaquanten haben gleiche oder fast gleich große Energien.

  • Gammastrahlung kann nicht durch Magnetfelder ablenkt werden. Gammaquanten sind also nicht elektrisch geladen sind.

Radionuklid Umwandlungsart Energie der häufigsten Gammaquanten
in \(\rm{MeV}\)
Be-7 K-Einfang \(0{,}478\)
N-16 Beta-Minus-Zerfall \(6{,}129\) ; \(7{,}115\) ; ...
Na-22 Beta-Plus-Zerfall \(1{,}275\)
Ba-137m Gammaübergang \(0{,}662\)
U-235 Alpha-Zerfall \(0{,}186\) ; ...

Energien von Gammaquanten

Gammastrahlung kann je nach Zerfallsprozess unterschiedliche Energie haben. Die rechtsstehende Abbildung zeigt die Energie der häufigsten Gammaquanten bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen.

Quantenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Materialschichtdicke zur Intensitätsverringerung auf 50%
Wasser Beton Eisen Blei
\(0{,}1\) \(4{,}15\rm{cm}\) \(1{,}75\rm{cm}\) \(0{,}257\rm{cm}\) \(0{,}0118\rm{cm}\)
\(0{,}5\) \(7{,}18\rm{cm}\) \(3{,}41\rm{cm}\) \(1{,}06\rm{cm}\) \(0{,}422\rm{cm}\)
\(1\) \(9{,}85\rm{cm}\) \(4{,}66\rm{cm}\) \(1{,}47\rm{cm}\) \(0{,}893\rm{cm}\)
\(5\) \(23{,}1\rm{cm}\) \(10{,}3\rm{cm}\) \(2{,}82\rm{cm}\) \(1{,}43\rm{cm}\)
\(10\) \(31{,}6\rm{cm}\) \(12{,}9\rm{cm}\) \(3{,}02\rm{cm}\) \(1{,}21\rm{cm}\)
\(100\) \(40{,}2\rm{cm}\) \(12{,}5\rm{cm}\) \(2{,}10\rm{cm}\) \(0{,}642\rm{cm}\)

Reichweite von Gammastrahlung

Die Reichweite von Gammastrahlung hängt sowohl von der Energie der Gammaquanten als auch von dem Material ab, in dem sie sich bewegen. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die Materieschichtdicke, die bei verschiedenen Materialien nötig ist, um die Intensität von Gammastrahlung unterschiedlicher Energie auf die Hälfte zu verringern.

Gammastrahlung kann nur von äußerst dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.

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