Gammastrahlen

Gammastrahlen oder γ-Strahlen sünd en Oort vun elektromagneetsche ioniseeren Strahlen, de bi’n Verfall vun Atomkarns vun vele natürlich vörkamen oder künstlich tüügte Nukliden tostannen kummt. Se is dormit en Form vun Radioaktivität.

Gammastrahlen (schemaatsch Dorstellen)

De Naam kummt vun de Indeelen vun de ioniseeren Strahlen ut’n radioaktiven Verfall in Alphastrahlen, Betaverfall un Gammastrahlen na jemehr tonehmen Vermögen, dör Materie dörtogahn. Alpha- un Betastrahlen bestaht ut laadte Deelken, de tomeist mehr Energie bargt as de nich laadten Photonen oder Quanten vun de Gammastrahlen, liekers aver weniger dull dör Materie dringen künnt.

In’n wieteren Sinn betekent de Begreep Gammastrahlen jede elektromagneetsche Strahlen mit Quantenenergien över ruchweg 200 keV, ahn Bedüden vun jemehr Entstahn. In dissen allgemenen Sinn warrt de Beteken vör allen denn bruukt, wenn nich bekannt is, woans de Strahlen tüügt warrt (to’n Bispeel in de Astronomie), oder wenn dat bi en sünner’t Problem keen Rull speelt (as bi’n Strahlenschuul), liekers utdrückt warrn schall, dat de Energie höger liggt as bi Röntgenstrahlen (twüschen 100 eV un 250 keV).

De lütte greeksche Bookstaav γ (Gamma) warrt ok allgemeen as Formelteken för en Photon bruukt, ok wenn dat nich ut’n Karnverfall kummt.

Tostannenkamen

Radioaktivität

In’n oorsprünglichen Sinn entstaht γ-Strahlen dör en radioaktiven Verfall (t. B. α- oder β-Verfall) vun en Atomkarn. De Karn, de na den Verfall torüchblifft, hett normalerwies en anregten Tostand, d. h. dat de Karn mehr Energie opwiest, as he normalerwies harr. De Karn swingt oder roteert to’n Bispeel. Wenn de Karn in en weniger anregten oder in sien Grundtostand övergeiht, warrt de Energie in Form vun Gammastrahlen afgeven, de dorbi blots sünnere Energien hebben kann (neemlich in Hööch vun de Differenz twüschen de beiden Tostännen). Gammastrahlen sünd dorüm dör en diskret Energiespektrum kenntekent.

De anregte Tostand kann aver ok op annere Oort tostannen kamen as dör α- oder β-Verfall. Oorsaak dorför künnt ok en Neutroneninfang oder annere Karnreakschonen wesen oder dat vörherige absorbeeren vun en γ-Quant.

Wo lang in’n Dörsnitt de Tiet twüschen Verfall un Energie-Emisschoon dör en γ-Quant, d. h. wo groot de Halfweertstiet is, hangt af vun den Karn un den anregten Tostand. Tyypsche Halfweertstieten vun dissen Verfallstyyp sünd in’n Vergliek to annere Karnreakschonen teemlich lang, vun wegen dat de anregte Karn en oszilleren elektromagneetsch Quadrupoolfeld opboet. Man kaan sik dat vörstellen as en Rugbyball, de pulseeren deit. Dat afstrahlte γ-Quant kann aver blots Dipoolswingen opnehmen, so dat de Karn alltosamen blots langsom afdämpt warrt.

Na de Heisenbergschen Unscharpderelatschoon is de middlere Levensduer τ (de Halfweertstiet deelt dör $\ln(2)$) vun en Övergang ümkehrt proportschonal to sien Energieunscharpde oder Lienenbreed γ:

$\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$.

De Energietostännen in Atomkarns sünd – tomindst bi „lange“ Halfweertstieten vun 10⁻¹⁵ Sekunnen oder mehr – scharp. De Bülgenlängen oder Energien vun Gammstrahlen sünd dorüm för en radioaktiv Nuklid charakteristisch. Dat kenn een veglieken mit de optischen Lienenspektren vun cheemsche Elementen. Dat Meten vun’t Gammaspektrum vun en Stoff, de nich bekannt is (Gammaspektroskopie) kann also Informatschonen geven över de Orden un Mengenandelen vun de Radionukliden, de dorbinnen sünd.

Beteken na’t Modernuklid

De karnphysikaalsch „lange“ Halfweertstiet vun de Gammaövergäng is vun’n praktischen Standpunkt her tomeist jümmer noch bannig kort (weniger as’n Sekunn). Wenn een Gammastrahlen för de Forschung, oder in’n technischen oder in’n medizinischen Sinn bruken will – to’n Bispeel de Kaskaad vun twee Photonen vun 1,17 un 1,33 MeV, de vun’n 2,5-MeV-Tostand vun’t Nuklid Nickel-60 utstrahlt warrt – bruukt een dorför en Präparat vun den Betastrahler Kobalt-60. Dat Nuklid verfallt mit en Halfweertstiet vun 5,26 Johren in den wünschten Ni-60-Tostand.

Verfallsschema vun ⁶⁰Co

Ut dissen praktischen grund warrt Gammastrahlen allegemeen (nich blots bi’t Ni-60) jümmer to dat Modernuklid toordent as in’t BIspeel to dat Co-60. Man snackt vun Kobalt-60-Strahlen, Kobaltkanoon o.a., ofschoonst dormit de Gammastrahlen vun’t Dochternuklid Ni-60 meent is.

De roren Fäll, bi de dat üm anregte Atomkarns mit Halfweertstieten vun Sekunnen, Minuuten oder noch länger geith, warrt as metabestännig betekent oder ok as Karnisomeren

Emisschoon ahn Torüchstöten

Hööftartikel: Mößbauer-Effekt

De Torüchstoot, de normalerwies bi’t Emitteren op den Atomkarn wirkt, kann mitünner vun’t hele Kristallgidder övernahmen warrn, in dat de Karn inbett is. De Energieandeel, den dat Photon dör den torüchstoot verleren deit, warrt dordör so lütt, dat he keen Rull speelt. Wenn butendem de Halfweertstiet vun’n anregten Tostand hooch is, kamt dorbi Gammstrahlen mit en bannig scharpe Energie tostannen, de sik för hoochnaue relative Meten düchtig goot egen doot. De Lienenbreed vun disse γ-Strahlen liggt in en Gröttenornen vun Övergäng, de för Atomklocken bruukt warrt.

Poorvernichten

Bi’t Poorvernichten, also bi’t Tohopenstöten vun en Deelken mit sien tohören Antideelken, entsteiht (blangen annere Rakschoonsprodukten) ok Gammastrahlen. Disse Gammaquanten drägt tosamen en Energie, de so groot is as de Rohmasse vun de Deelken, de dorbi tonichten maakt weern. Dorvun mööt möögliche Binnenenergien aftogen warrn, falls de beiden Deelken al üm’nannar kreist hebbt, oder mögliche Bewegungsenergien torekent warrn, de de Deelken vörher al harrn.

Gammablitzen in de Astronomie

Gammablitzen (engelsch: gamma ray bursts), ok Gammstrahlen-Explosionen nöömt, höört to de energierieksten Vögäng in’n Weltruum. Woans se tostannen kamt, is opstunns noch nicht kloor. Üm Gammstrahlen in’n egentlichen Sinn hannelt sik dat dorbi aver nich.

Begrepen: Gammastrahlen un Röntgenstrahlen

De Energierebeden vun natürlich Gamma- und Röntgenstrahlen översniedt sik, so dat de Begrepen mitünner nich akkerat to scheden sünd. Eenige Schrievers bruukt den Begreep wieter in’n klassischen Sinn, üm de Afkumst vun de Strahlen to kennteken, also Gammastrahlen ut Karnreakschonen un Röntgenstrahlen ut hoochenergeetsche Vörgäng mit Elektronen. Annere Schrievers dorgegen ünnerscheedt na de Quantenenergie un bruukt dorbi en Grenz twüschen ruchweg 100 bit 250 keV. Nipp un nau fastleggt is dat aver nich. Üm to hinnern, dat dat verkehrt verstahn warrt maakt dat jümmer Sinn, dat Entstahn vun de Strahlen un de Quantenenergien dorbitoschrieven. Op de annern Siet sünd dat jüst disse nauen Angaven in de popolärwetenschoppliche Literatur, de regelmatig to Unsekerheiten föhrt, vunwegen dat vele Lesers mit keV-Angaven oder Fackbegrepen as Bremsstrahlen oder Synchrotronstrahlen nix antofangen weet, wiel de Begrepen Röntgen- un Gammastrahlen allgemeen bekannt sünd.

Wesselwirken mit Materie

Gammastrahlen geiht vun de ioniseeren Strahlen an’n swoorsten aftoschirmen

In’n Gegensatz to de Bragg-Kurv bi Deelkenstrahlen verlöpt de Energieindrag vun de Gammstrahlen exponentiell affallen mit de Indringdeep. In Vergliek to de laadten Deelken gaht de Gammstrahlen sünners wiet in de Materie rin. Üm jem aftoschirmen warrt düütlich dickere Materieschichten bruukt as för Alpha- un Betastrahlen. Je höger de Atomtall vun en Material is, desto beter is sien Afschirmwirken. To’n Strahlenschuul warrt dorüm to’n Bispeel Blieplaten bruukt. De Afschirmwirken vun en Material warrt quantitativ över de Halfweertsschicht beschreven. En 14 mm starke Blieschicht, to’n Bispeel, reduzeert Gammstrahlen mit de Energie 2 MeV op de halve Intensität.

De wichtigsten Vörgäng bi Wesselwirken mit Gammastrahlen sünd de Photoionisatschoon, Compton-Strein un Poorbilln.

Bioloogsch Wirken

Wenn Gammstrahlen op Geweev vun Minschen, Deerten oder Planten dröpt un absorbeert warrt, wiest sik de Energie in Ionisatschoon un annere Vörgäng. In’t Geweev kummt dat to Sekundärstrahlen as freesette Elektronen oder Röntgenstrahlen. Tohopen kummt dat to Wirkungen dör dat Opbreken vun cheemsche Binnen, wat bi den Organismus tomeist Schaden maken deit. Wo groot de Samtwirken is, warrt dör de Äquivalentdosis beschreven. De Naklapp kann an’n bestrahlten Organismus sülvst (somaatsch Schaden) oder dör Schaden an’t Genom an sien Nakamen as geneetschen Schaden opduken.

Dat Funkschoonsvermögen vun de Zellen blifft ok bi hoge Strahlendosen tomeist eerst noch bestahn. Man, wenn sik de Zell deelt oder Proteinen produzeert, künnt Verännern an’t Genom oder Schadens an de Zellorganellen to’n Doodblieven vun de Zellen föhren. De Strahlenkrankheit wirkt dorüm eerst na eenige Tiet döödlich, wenn sünnere Zellen, de to’n Leven wichtig sünd un ok bi gesunne Minschen regelmatig afstarven doot un nee billt warrt, nich mehr in groot noge Tall dor sünd. Vör allem sünd dorvun de Bloodzellen bedrapen. Butendem kann dat dorto kamen, dat de Mutatschonen, de dör de Strahlen utlöst warrn künnt, to en nich kontrolleerte Zelldeelen föhrt, wobi de meisten Zellen jemehr egentlich bioloogsche Funkschoon verleren doot. Dorbi entstaht Tumoren, de blangento ok Metastasen billn künnt, d. h. Kreeft warrt utlöst.

Anwennen

Medizin

Gammatsrahlen ut radioaktive Borns warrt in de Strahlentherapie insett. De Strahlenenergie in de Teletherapie mutt mööglichst hooch wesen. To’n Bispeel warrt Kobalt-60 bruukt, dat γ-Quanten vun 1,17 un 1,33 MeV afstrahlt. Vunwegen dat mööglichst hoochenergeetsche Photonen bruukt warrt, wat Sekerheritsproblemen dör de radioaktiven Strahlers mit sik bringt, warrt in de Teletherapie intwüschen aver meist blots noch Bremsstrahlen ut Lineargaumakers för Elektronen insett. Ok in de Brachytherapie warrt Gammastrahlen ut Präparaten (tomeist Iridium-192) bruukt, de in den Lief inföhrt warrt.

In de Szintigrafie un bi de Single-Photon-Emisschoonsreeknertomografie warrt kortlevige Gammastrahlers as Technetium-99m, Jod-123, Xenon-133 oder Indium-111 för diagnostische Sacken insett.

Sensorik un Materialproov

Gammastrahlen gaht dör Mateire ahn reflekteert oder broken to warrn. En Deel vun de Strahlen warrt bi’n Dörgang dör Materie afhangig vun de Dicht un vun de Dick vun’t Medium absobeert. Bi de Füllstandsmeten mit Gammastrahlen kann disse Ümstand utnütt warrn, as de meten Strahlintensität dorvun afhangt, wat in en Fatt binnen is.

En annere Anwennen vun Gammastrahlen gifft dat bi de Dörstrahlproov, mit de man Aflagern, Korrosionsschaden oder Erosionsschaden an de Binnensiet vun Apparaten un Rohrleitungen nawiesen kann.

In’n Grenzschuul warrt Radionuclide Identifying Devices insett, de över de Gammastrahlen Utkunft geevt över radioaktive Stoffen in Transporten.

Gammastrahlers, de in de Technik in sett warrt sünd Iridium-192 oder Kobalt-60. En Nadeel vun Gammastrahlen is, dat een de Strahlenborns nich afschalten kann. Bi’n Bruuk vun Gammastrahlen in en Bedrief mööt wegen de Gefohren jümmers ümfangrieke Vörgaven to’n Strahlenschuul beacht warrn.

Sterilisatschoon, Keemminnern strahlencheemsch Vernetten

För de Strahlensterilisatschoon un för’t Vernetten vun Polymer-Kunststoffen warrt Gammabestrahlanlagen insett. Se arbeit egentlich blots mit Kobalt-60, de ut Kobalt-59 in Karnreakters dör Neutroneninfang herstellt warrt. De Strahlensekerheit bi de Anlagen warrt dör de Versenkborkeit vun de Strahlenborns in en deep Waterbecken oder in en deepen, schachtordigen Bunker herstellt.

De Gammasterilisatschoon vun medizinische Produkten as inschweißte Nootfallreedschoppen hett gegenöver de annern Verfohren den Vördeel, dat se in de Verkoopspackung maakt warrn kann.

Op dat Rebeet vun’t Levensmiddelbestrahlen is vör allen dat Bestrahlen vun Zibbeln to nömen, wat in de DDR in de Tiet vun 1986 bit 1990 maakt worrn is. En Anlaag, de dorop spezialiseert weer, geev dat bi de LGP Queis in Spickendorf. In de DDR sünd ok vele annere Nehrmiddel bestrahlt worrn as Fedderveeh, Krüdermiddel, Vulleipulver usw. De Prdoukten müssen nich egens kenntekent warrn. Mit den Bitritt to de Bundsrepubliek Düütschland sünd all Tolaten för disse Methood henfallig worrn. Grootbestrahlanlagen gifft dat t. B. in de Nedderlannen un in Süüdafrika.

Nawies

Gammastrahlen künnt dör jemehr Wesselwirken mit Materie nawiest warrn. Dorto gifft dat Deelkendetekters as de Ionisatschoonskamer, dat Geiger-Müller-Tellrohr, Szinitillatischoonstellers, Halfleiderdetekters oder Tscherenkow-Teller (kiek ok Tscherenkow-Licht)

Forschungshistorie

De radioaktive Strahlen weer 1886 vun Antoine Henri Becquerel opdeckt. Veer Johren later hett Ulrich Villard en Komponente dorvun funnen, de sik nich dör Megnetfeller aflenken leet. Dorgegen wies se aver en groot Vermögen, dör Materie to strahlen. Vun wegen dat dit de drüdde Strahlenkomponente weer, weer vun Ernest Rutherford de Begreep Gammastrahlen prägt.

Dör’t Bögen vun Gammastrahlen an Kristallen künnen Rutherford un Edward Andrade 1914 wiesen, dat disse Komponente en Form vun elektromagneetsche Strahlen dorstellt. Se hebbt rutfunnen, dat de Bölgenlängen bannig kort un mit de Röntgenstrahlen to verglieken weern.

Literatur

• Werner Stolz, Radioaktivität. Grundlagen – Messung – Anwendungen, Teubner, 5. Opl. 2005, ISBN 3-519-53022-8

Karnphysik

• Theo Mayer-Kuckuk, Kernphysik, Teubner, 6. Opl. 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge, Kernphysik, Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, Fundamentals in Nuclear Physics: From Nuclear Structure to Cosmology, Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Forschungshistorie

• Milorad Mlađenović, The History of Early Nuclear Physics (1896–1931), World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Strahlenschuul

• Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. Vieweg+Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
• Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz. Praxiswissen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen, Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin, Physics for Radiation Protection, Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

Medizin

• Günter Goretzki, Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen, Urban&Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig, Urban&Fischer Februar 2006, ISBN 3-437-23960-0

Weblenken

Gammastrahlen. Mehr Biller, Videos oder Audiodateien to’t Thema gifft dat bi Wikimedia Commons.

• Dat „Glossar Strahlenschutz“ vun’t Forschungszentrum Jülich verkloort vele Begrepen ründ um ioniseeren Strahlen. (Hoochdüütsch)
• MAGIC Telescopes La Palma, Gamma-ray astronomy at low energies with high sensitivity (engelsch)