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Grundwissen

Gammaübergang und Gammastrahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Bei Gammastrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung in Form von Gammaquanten.
  • Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern von angeregtem in einen energetisch günstigeren Zustand übergeht. Dabei ändern sich die Kennzahlen des Kerns nicht.
  • Gammastrahlung hat eine sehr große Reichweite, durchdringt alle Materialien und kann nur mit sehr dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.

Gammaübergang

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

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).

Keine Änderung der Kennzahlen des Kerns

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.

Energien von Gammaquanten

Gammastrahlung kann je nach Zerfallsprozess unterschiedliche Energie haben. Tab. 1 zeigt die Energie der häufigsten Gammaquanten bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen.

Tab. 1 Umwandlungsart und Energien der häufigsten Gammaqunaten verschiedener Radionuklide
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 \(0{,}186\) ; ...

Reichweite und Abschirmung von Gammastrahlung

Die Reichweite von Gammastrahlung hängt sowohl von der Energie der Gammaquanten als auch von dem Material ab, durch das sich die Gammastrahlung bewegt. Tab. 2 zeigt die Materialschichtdicke, die bei verschiedenen Materialien nötig ist, um die Intensität von Gammastrahlung unterschiedlicher Energie auf die Hälfte zu verringern.

Achtung: Eine weitere Materialschicht der entsprechenden Dicke führt wiederum lediglich zu einer Halbierung der Intensität, sodass diese nach dem Durchgang noch \(50\%\cdot 50\%=25\%\) der Ausgangsintensität beträgt. Gammastrahlung kann entsprechend nur von dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.

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