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Viele Superhelden erlangen Ihre Kräfte durch Strahlung aus radioaktiven Prozessen: Spider-Man wird von einer radioaktiven Spinne gebissen und Bruce Banner verwandelt sich in den Hulk, nachdem er einer hohen Dosis Gammastrahlung ausgesetzt ist. Doch was genau ist eigentlich diese Gammastrahlung, welche Eigenschaften besitzt sie und wo kommt sie vor?
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Feedback sendenInsgesamt gibt es drei Arten von ionisierender Strahlung, die bei radioaktiven Zerfallsprozessen freigesetzt werden. Bei ihrer Entdeckung wurden sie in aufsteigender Reihenfolge ihrer Stärke nach den ersten Buchstaben des griechischen Alphabets benannt: alpha (\(\alpha\)), beta (\(\beta\)) und gamma (\(\gamma\)).
Eine ionisierende Strahlung ist in der Lage durch Energieübertragung Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen. Mehr dazu findest Du in der gleichnamigen Erklärung.
Gammastrahlung ist also die stärkste (energiereichste) der drei Strahlungsarten und ist im Gegensatz zu Alphastrahlung und Betastrahlung keine Teilchen-, sondern elektromagnetische Strahlung. Mehr dazu in den gleichnamigen Erklärungen.
Als Gammastrahlung (\(\gamma\)-Strahlung) bezeichnest Du elektromagnetische Strahlung mit einer Energie von mindestens 200 keV (Kiloelektronenvolt). Sie gehört zu den ionisierenden Strahlungsarten.
Häufig wird von "radioaktiver Gammastrahlung" gesprochen. Allerdings ist nicht die Strahlung an sich radioaktiv, sondern nur das Element, welches diese aussendet.
Gammastrahlen sind damit Teil des elektromagnetischen Spektrums (Abbildung 1, ganz rechts), zu dem auch das sichtbare Licht gehört. Allgemein wird das \(\gamma\)-Symbol für elektromagnetische Strahlung (Photonen) verwendet. Wobei Du Photonen im Energiebereich der Gammastrahlung auch als Gammaquanten (\(\gamma\)-Quanten) bezeichnest.
Allgemein gilt bei elektromagnetischer Strahlung, dass die Energie mit der Wellenlänge und Frequenz zusammenhängen: je höher die Energie, desto größer die Frequenz und desto kleiner die Wellenlänge der Gammastrahlung.
Abb. 1 - Das Elektromagnetische Spektrum
Auf der obigen Abbildung siehst Du Gammastrahlung am rechten Ende des elektromagnetischen Spektrums, direkt neben der sogenannten Röntgenstrahlung. Die Abgrenzung zwischen den beiden Strahlungsarten ist nicht ganz eindeutig: Röntgenstrahlung hat eine Energie von etwa 100 eV bis 300 keV, während Gammastrahlung meist eine Energie von über 200 keV besitzt.
Damit überschneiden sich die Energien der beiden Strahlungsarten, weshalb sie häufig aufgrund ihrer Entstehung unterschieden werden.
Im Gegensatz zu Gammastrahlung entsteht Röntgenstrahlung, wenn Elektronen ihr Energieniveau wechseln oder Teilchen ihre Geschwindigkeit ändern. Sie entstehen also außerhalb des Atomkerns. Mehr dazu findest Du auch in der Erklärung zu den Röntgenstrahlen.
Gammastrahlung wird innerhalb des Atomkerns beim sogenannten Gammaübergang freigesetzt.
Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern nach einem Alpha oder Beta Zerfall von einem angeregten Energiezustand in seinen Grundzustand zurückkehrt, indem er Energie in Form von hochenergetischen Photonen (Gammastrahlung) abgibt. Diesen Prozess bezeichnest Du als Gammaübergang.
Mehr zum Alpha und Beta Zerfall kannst Du in der gleichnamigen Erklärung lesen.
Auf atomarer Ebene kannst Du Dir die Entstehung von Gammastrahlung ungefähr folgendermaßen vorstellen:
Abb. 2 - Gammaübergang
Im Gegensatz zum Alpha und Beta Zerfall ändert sich dabei nicht die Kernladungszahl. Das Isotop bleibt also dasselbe und zerfällt nicht. Deshalb sprichst Du auch nicht von einem Gammazerfall, sondern einem Gammaübergang.
Zum Beispiel zerfällt \(\ce{^{60}_{27}Co}\), ein Isotop von Kobalt, durch Beta-Zerfall zu \(\ce{^{60}_{28}Ni}\) (Nickel). Dabei verbleibt es zunächst in einem angeregten Zustand und geht anschließend (durch ein oder mehrere Gammaübergänge) in seinen Grundzustand zurück. Das ganze siehst Du auf dem folgenden Zerfallsschema:
Abb. 3 - Zerfallsschema von Kobalt
Entsprechend kannst Du die allgemeine Zerfallsgleichung für den Gammaübergang aufstellen.
Die Zerfallsgleichung für den Gammaübergang lautet:
\(\ce{^{A}_{Z}X^* -> ^{A}_{Z}X + \gamma}\)
Dabei ist \(\ce{^{A}_{Z}X^*}\) das Element mit der Massenzahl \(A\) und der Kernladungszahl \(Z\) im angeregten Energiezustand. \(\ce{^{A}_{Z}X}\) bezeichnet dasselbe Element nach dem Gammaübergang. Dabei wird Gammastrahlung \(\gamma\) frei.
Manchmal wird elektromagnetische Strahlung, deren Energie über 200 keV liegt, als Gammastrahlung bezeichnet, auch wenn sie nicht durch einen Gammazerfall entsteht. Zum Beispiel entstehen zwei hochenergetische Photonen (Gammaquanten) bei der Annihilation (auch Paarvernichtung) von einem Elektron und einem Positron.
Unter Annihilation verstehst Du den Prozess, in dem Materieteilchen und ihre Antimaterie-Partner zusammentreffen, wobei ihre Masse vollständig in elektromagnetische Strahlung umgesetzt wird.
Auch in der Astronomie wird Strahlung über 200 keV allgemein als Gammastrahlung bezeichnet, insbesondere dann, wenn ihr Ursprung unbekannt ist. Unabhängig von ihrer Entstehung besitzt Gammastrahlung allerdings spezifische Eigenschaften.
Die Eigenschaften von Gammastrahlung hängen im Wesentlichen von ihrer Energie ab, die sich je nach Element unterscheiden kann. In der Tabelle siehst Du einige Beispiele für die Energie der emittierten Gammaquanten verschiedener Elemente.
| Isotop | Symbolschreibweise | Energie der Gammaquanten |
| Cer | \(\ce{^{139}_{58}Ce}\) | 165 keV |
| Strontium | \(\ce{^{85}_{38}Sr}\) | 515 keV |
| Yttrium | \(\ce{^{88}_{39}Y}\) | 900 keV |
Die Tabelle zeigt Dir die maximale Energie von Gammastrahlung für das jeweilige Element. In der Realität können die Energiewerte auch für ein und dasselbe Element schwanken. Dabei gilt: je höher die Energie ist, desto höher ist auch die Frequenz der Gammastrahlung bzw. desto kleiner ist ihre Wellenlänge.
Da es sich bei Gammastrahlung um eine Bezeichnung für hochenergetische Photonen am Rand des elektromagnetischen Spektrums handelt, besitzen Gammastrahlen die typischen Eigenschaften von Licht.
Im Gegensatz zu der positiven Ladung der Alphastrahlung und der negativen bzw. positiven Ladung des Betazerfalls, besitzt Gammastrahlung keine Ladung.
Du unterscheidest zwischen Beta-Plus- und Beta-Minus-Strahlung mit jeweils unterschiedlicher Ladung der emittierten Teilchen. Mehr dazu findest Du in der Erklärung zur Betastrahlung.
Entsprechend wird Gammastrahlung in elektromagnetischen Feldern auch nicht abgelenkt. Außerdem sind die Gammaquanten, wie alle Photonen, masselos und bewegen sich mit der maximal möglichen Geschwindigkeit: der Lichtgeschwindigkeit.
Gammastrahlen besitzen wie alle Photonen keine Ladung. Sie sind masselos und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.
Von diesen Eigenschaften der Gammastrahlung, hängt ihre Wechselwirkung mit Materie ab. Daraus ergibt sich unter anderem, wie gut Du Gammastrahlen abschirmen kannst. Dies ist eine wichtige Grundlage für den Strahlenschutz.
Bei Alphastrahlung und Betastrahlung verstehst Du unter der Reichweite die Entfernung, die Teilchenstrahlung zurücklegen kann, bevor sie ihre Energie vollständig durch Zusammenstöße mit Materie abgegeben hat. Dagegen sprichst Du bei Gammastrahlung statt von einer Reichweite, von einer Halbwertsschicht.
Unter der Halbwertsschicht (auch Halbwertsdicke) verstehst Du diejenige Dicke eines Mediums, nach der die Hälfte der elektromagnetischen Strahlung von diesem Medium absorbiert wurde.
Unterschiedliche Medien absorbieren Gammastrahlung unterschiedlich stark und haben deshalb eine unterschiedliche Halbwertsdicke. Generell haben Materialien mit sehr massereichen Atomkernen und geringer Dichte eine höhere Halbwertsschicht.
| Energie in keV | Halbwertsdicke | |||
| Luft | Wasser | Aluminium | Blei | |
| 200 | 44 m | 51 mm | 21 mm | 0,12 mm |
| 300 | 50 m | 58 mm | 25 mm | 6,8 mm |
| 500 | 62 m | 72 mm | 33 mm | 13 mm |
| 1000 | 84 m | 108 mm | 42 mm | 24 mm |
In der Tabelle siehst Du einige Beispiele für die Halbwertsschicht verschiedenster Materialien. Die Halbwertsdicke hängt dabei stark von der Energie der Gammastrahlung ab.
In Luft halbiert sich die Strahlungsmenge von Gammastrahlung mit einer Energie von 200 keV also beispielsweise alle 44 m. Nach weiteren 44 m halbiert sich die Intensität der Strahlung erneut, es sind nach 88 m also nur noch ein Viertel der ursprünglichen Gammaquanten vorhanden.
Von der Halbwertsschicht hängt entsprechend auch ab, wie gut Gammastrahlung abgeschirmt werden kann. Auf der folgenden Abbildung siehst Du die Abschirmung von Gammastrahlung im Vergleich zu den anderen beiden Strahlungsarten:
Abb. 4 - Abschirmung verschiedener Strahlungsarten
Während Du Alphastrahlung bereits mit einem Blatt Papier und Betastrahlung mit einer 4 mm dicken Aluminiumschicht abschirmen kannst, benötigst Du selbst bei Gammastrahlung mit niedrigerer Energie 6 cm Beton, um die Hälfte der Strahlung abzuschirmen.
Deshalb wird meistens Blei mit einer hohen Halbwertsdicke zur Abschirmung verwendet. Allerdings können auch dann kleine Mengen an Gammastrahlung das Material durchdringen.
Doch welche Wirkung hat Gammastrahlung auf den Menschen, wie gefährlich ist sie und wie wahrscheinlich ist es, dadurch Superkräfte zu erhalten?
Gammastrahlung kann leicht die oberen Hautschichten durchdringen. Gelangen sie in den Zellkern, kann sie dort Schäden an der DNA verursachen. Wie schwer diese Schäden sind, hängt von der Energie und der Menge der Gammaquanten ab.
Bereits kleine Strahlendosis können Schäden im Erbgut verursachen und zum Absterben der Zellen oder Mutationen führen. Leider entspringen dadurch keine Superkräfte, im Gegenteil: Schäden an der DNA steigern das Risiko für Krebs beträchtlich. So hohe Strahlendosen wie die Helden in den Comics ausgesetzt sind, können für Menschen sogar tödlich sein. Mehr zur biologischen Strahlenwirkung findest Du auch in der gleichnamigen Erklärung.
Doch wie groß ist nun die Dosis an Gammastrahlung, der Menschen täglich ausgesetzt sind? Gammastrahlung kommt natürlich in unserer Umwelt vor. Einige in der Natur vorhandene Elemente im Boden oder in Gestein sind radioaktiv und senden Gammaquanten aus. Auch die kosmische Strahlung enthält Photonen im Gammastrahlen-Bereich, wobei jedoch ein großer Teil bereits von der Atmosphäre absorbiert wird.
Sogar vom Menschen gemachte radioaktive Abfälle tragen zur sogenannten Ortsdosisleistung bei.
Als Ortsdosisleistung bezeichnest Du die vorhandene Strahlenmenge pro Zeitraum. Sie ist ortsspezifisch und wird in der Einheit Mikro-Sievert pro Stunde [\(\mu Sv/h\)] angegeben.
Je nach Höhenlage, Bodenbeschaffenheit und Nähe zu abgelagerten radioaktiven Stoffen variiert die Menge der vorhandenen Gammastrahlung, weshalb die Ortsdosisleistung für jeden Ort regelmäßig ermittelt wird. So können bei einer Überschreitung der Ortsdosisleistung eines festgelegten Werts rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden, um Menschen vor zu hoher Strahlendosis zu schützen.
Trotz der gefährlichen Wirkung von Gammastrahlung auf den Menschen, lässt sie sich auch für verschiedene Zwecke einsetzen. In der Medizin wird sie zum Beispiel auch für die Bekämpfung von Krebs verwendet. Also genau die Krankheit, die unter anderem durch Gammastrahlung ausgelöst wird.
Für Krebs gibt es viele verschiedene Auslöser, wobei eine zu hohe Strahlendosis nur einen kleinen Teil der Fälle ausmacht.
In der sogenannten Strahlentherapie wird hochenergetische Gammastrahlung auf von Krebs betroffenes Gewebe gestrahlt, wodurch die Krebszellen absterben. Diese Therapieform wird meist in Kombination mit anderen Behandlungen, wie chirurgischen Eingriffen oder Chemotherapie eingesetzt.
Außerdem kann Gammastrahlung in der Materialprüfung angewendet werden. Je nach Beschaffenheit des Stoffes werden nämlich Gammastrahlen unterschiedlich stark absorbiert oder reflektiert. Damit kannst Du auf die spezifischen Eigenschaften des Stoffes schließen.
In der Astronomie können Teleskope, die Gammastrahlung detektieren, Einblicke ins Universum verschaffen. Zum Beispiel senden Pulsare (schnell rotierende Neutronensterne) häufig regelmäßige Gammablitze aus. Auch die Kollision von zwei massereichen stellaren Objekten oder Supernovae (spektakuläre Explosionen am Ende des Lebens massereicher Sterne) senden Gammastrahlen aus. Diesen Teil der Astronomie bezeichnest Du auch als Gammaastronomie.
Mehr zu Neutronensternen und Supernovae findest Du in der Erklärung zu den Sternen.
Die Menge, Energie und Richtung der Gammastrahlen gibt Astronomen dann Aufschlüsse über ihre Quelle, so können auch neue astronomische Phänomene entdeckt werden.
\[\ce{^{A}_{Z}X^* -> ^{A}_{Z}X + \gamma}\]
Als Ortsdosisleistung bezeichnest Du die vorhandene Strahlenmenge pro Zeitraum. Sie ist ortsspezifisch und wird in der Einheit Mikro-Sievert pro Stunde [\(\mu Sv/h\)] angegeben.
Gammastrahlung wird in der Medizin, der Materialprüfung und der Astronomie angewandt.
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Wie gefährlich ist Gammastrahlung?
Wie gefährlich Gammastrahlung ist, hängt von der Strahlendosis und Energie der Gammastrahlung ab. Allerdings kann sie schon in kleinen Mengen das Risiko von Krebs erhöhen.
Wo tritt Gammastrahlung auf?
Gammastrahlung tritt hauptsächlich beim Gammaübergang radioaktiver Isotope auf. Andere Quellen sind kosmische Strahlung oder die Annihilation von Teilchen.
Was passiert bei der Gammastrahlung?
Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern nach einem alpha- oder beta-Zerfall in einem angeregten Zustand verbleibt. Beim Übergang in den Grundzustand sendet er hochenergetische Photonen (Gammastrahlung) aus.
Ist Gammastrahlung Licht?
Nein, Gammastrahlung und Licht unterscheiden sich in Wellenlängen, Frequenzen und Energien. Allerdings gehört Gammastrahlung genau wie sichtbares Licht zum elektromagnetischen Spektrum.
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