Gammastrahlung

Gammastrahlung ist eine ionisierende Strahlung. In diesem Artikel erklären wir dir ganz genau was die Gammastrahlung ist und geben dir praktische Beispiele mit an die Hand. Die Gammastrahlung gehört zum Teilgebiet der Kernphysik und wird im Fach Physik unterrichtet.

Was genau ist Gammastrahlung?

Gammastrahlung ist die ionisierende Strahlung, welche bei einem „Gammazerfall“ (besser: Gammaübergang) austritt. Beim Gammazerfall handelt es sich um einen radioaktiven Zerfall, da dieser zufällig und ohne Einwirkung von außen geschehen kann. Da beim Gammaübergang keine Teilchen sondern elektromagnetischen Wellen ausgesendet werden, gehört die Gammastrahlung zu den elektromagnetischen Strahlungen. Das heißt, es werden keine Teilchen aus dem Atomkern geschlagen, sondern Photonen oder Quanten. Diese sind ungeladen und gehen daher keine oder nur sehr schwache Wechselwirkung mit der Umgebung ein. 

Im Gegensatz zum Alpha- oder Betazerfall spricht man bei Gammastrahlung nicht von einem Gammazerfall, sondern von einem Gammaübergang. Die Anzahl der Protonen und Neutronen bleibt nämlich unverändert und der Kern zerfällt nicht in seine Bestandteile. 

Abb. 1: Gammastrahlung

Quelle über wikipedia

Unterscheide Gammastrahlung und Röntgenstrahlung

Im allgemeineren Sinne bezeichnet man als Gammastrahlung jede Strahlung mit einer Energie über 200 keV. Diese Bezeichnung wird vor allem verwendet, wenn nicht klar, oder es egal ist wie die Strahlung entstanden ist. Wichtig ist nur, dass man die Strahlung von der Röntgenstrahlung, welche im 100 eV bis 300 keV liegt, abgrenzt. 

Achtung: Die Wörter Gammastrahlung und Röntgenstrahlung werden oft austauschbar verwendet, da sich ihre Energiespektren überlappen. Man unterscheidet die Strahlung aber nach ihrer Herkunft. Gammastrahlung entsteht „von alleine“ - sie ist also radioaktiv. Röntgenstrahlung hingegen wird von uns Menschen, zum Beispiel in einer Röntgenröhre, erzeugt. 

Mehr zu Röntgenstrahlung erfährst du in unserem Artikel zu ionisierender Strahlung.

Wann wird also Gammastrahlung frei?

Gammastrahlung ist immer an einen Alpha- oder Betazerfall gekoppelt. Einen radioaktiven Atomkern nennt man Radionuklid. Bei einem Alpha- oder Betazerfall zerfällt das Mutternuklid in ein Tochternuklid. Dieses Tochternuklid bleibt in einem angeregten Zustand zurück. Das bedeutet, es besitzt überschüssige Energie. Atome und Moleküle streben immer den möglichst energieärmsten Zustand an. Deshalb „fällt“ der angeregte Atomkern in einen niedrigeren Energiezustand oder seinen Grundzustand zurück. Dabei wird Gammastrahlung in Form von Gammaquanten γ freigesetzt. Dabei ändern sich die Kernladungszahl und die Ordnungszahl nicht. 

Allgemein gilt:

Dabei entspricht Y* dem angeregten Tochternuklid und Y dem Tochternuklid im Grundzustand. Du siehst, es entsteht kein neues Element.

Beispiel: Caesium-137 zerfällt in einem Betazerfall zu dem angeregten Bariumkern-137 (Ba). Mit einer Halbwertzeit von 2,5 Minuten fällt der angeregter Bariumkern in seinen stabilen Grundzustand. Die dabei freiwerdende Energie beträgt 0,662 MeV.

Eigenschaften der Gammastrahlung

• Die Gammaquanten bewegen sich mit Vakuumlichtgeschwindigkeit. Diese liegt konstant bei c=299792458ms.
• Entstehen mehrere Gammaquanten währen eines Gammaübergangs, haben diese mehr oder weniger die gleiche Energie. Wie viel Energie abgegeben wird hängt vom vorangegangenen Zerfallsprozess ab. 
• Das Energiespektrum ist für jedes Nuklid spezifisch und ähnelt einem Linienspektrum. 
• Auch wenn die Gammastrahlung zu den elektromagnetischen Strahlungen gehört, sind die Gammaquanten nicht elektrisch geladen. Sie könne also nicht durch ein Magnetfelder ablenkt werden.

Bezeichnung der Gammastrahlung

Die Zeit zwischen dem Alpha- oder Betazerfall und der emittierenden Gammastrahlung hängt vom Nuklid ab. In den meisten Fällen ist die Verzögerungszeit nur ein Sekundenbruchteil. Deshalb benennt man die Gammastrahlung immer nach dem Mutternuklid.

Beispiel: Cobald-60 zerfällt in einem Betazerfall zu Nickel-60. Die Gammastrahlung, welche vom Tochternuklid Nickel ausgeht, nennt man trotzdem Kobald-60-Strahlung.

Nur in seltenen Fällen, in denen die Gammastrahlung erst Sekunden, Minuten oder später, ausgesandt wird, benennt man die Gammastrahlung nach dem Tochternuklid. Diese Atomkerne sind metastabil und werden Kernisomere genannt.

Ein Beispiel dafür ist das Technetium Isotop , welches in der Medizintechnik eingesetzt wird. Bei einem Betazerfall entsteht aus einem Molybdän-99 ein Technetium-99m. Die Halbwertszeit von  beträgt 6 Stunden.

Wirkung der Gammastrahlung auf die Umgebung 

Die Intensität der Gammastrahlung nimmt, wenn sie auf Materie trifft, exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Die Halbwertsdicke ist die Dicke eines durchstrahlten Materials, welche die elektromagnetische Strahlung halbiert. Die Anzahl der Gammastrahlen wird pro Halbwertsdicke also um die Hälfte reduziert. Die Halbwertsdicke wird durch die Wellenlänge der Gammastrahlung und der Ordnungszahl des durchstrahlten Materials bestimmt.

Beispiele: Wasser kann Gammastrahlung nur sehr schlecht abschirmen. Bei einer Gammastrahlung von 5 MeV liegt die Halbwertsdicke bei 23,1 cm. Das meistverwendete Material zur Abschirmung von Gammastrahlung ist Blei. Blei hat die Ordnungszahl 82. Bei Gammastrahlung mit einer Energie von 5 MeV beträgt die Halbwertsdicke 14,4 mm. Wird eine Energie von 5 MeV gar nicht abgeschirmt, beträgt die Halbwertsdicke 196 Meter!

Teilchenstrahlung kann viel weniger stark Materie durchdringen. Um Alphastrahlung abzuschirmen reicht schon ein Blattpapier. Betastrahlung kann durch ein Aluminiumblech ausreichend abgeschirmt werden. 

Abb. 2: Gammastrahlung 

Quelle via Wikipedia

Wirkung der Gammastrahlung auf den Menschen

Trifft Gammastrahlung auf menschliches oder tierisches Gewebe können Sekundärstrahlungen, wie freie Elektronen oder Röntgenstrahlung auftreten. Diese sind für den Organismus schädlich und es kommt zum Aufbrechen von chemischen Bindungen. Wenn dadurch das Erbgut verändert wird, hat dies Auswirkungen auf die Nachkommen. 

Bei einer hohen Strahlendosis kommt es zur sogenannten Strahlenkrankheit. Am Anfang bleiben die Zellen noch funktionsfähig. Doch sobald die Zellen sich teilen wollen, können geschädigte Zellorganellen zum Absterben der Zelle führen. Dadurch sind lebensnotwendige Zellen nicht mehr in ausreichender Anzahl vorhanden und der Organismus stirbt.
Gammastrahlung kann aber auch dazu führen, dass die Zellen anfangen sich unkontrolliert zu teilen. Meistens verlieren sie dabei ihre biologische Funktion. Die Zunahme an Gewebe durch übermäßige Zellteilung nennt man Tumor. Tumore können sich zu Krebs entwickeln. 

Anwendung der Gammastrahlung

In der Medizin wird Gammastrahlung in der Strahlentherapie eingesetzt. Die Idee ist, dass das betroffene und geschädigte Gewebe bestrahlt und damit abgetötet wird. Vor allem im Kampf gegen Krebs kommt die Strahlentherapie zum Einsatz. 

Gammastrahlung wird auch in der Sensorik und Materialprüfung eingesetzt. Zum Beispiel um den Füllstand eines Gefäßes zu ermitteln. 

In der Grenzkontrolle werden „Radionuclide Identifying Devices“ (auf Deutsch: Radionuklid-identifizierende Geräte) eingesetzt. Diese erlauben dem Zoll festzustellen, welche radioaktiven Substanzen in den LKWs transportiert werden. 

Gammastrahlung kann, wie auch Alpha- und Betastrahlung zur Sterilisation von Gerätschaften und Materialien verwendet werden. Auch Lebensmittel können mit Gammastrahlung bestrahlt werden, um Keime auf diesen zu zerstören. Dies ist aber in Deutschland, anders als zum Beispiel in den Niederlanden, nicht zugelassen.

Gammastrahlung – das Wichtigste auf einen Blick!

• Gammastrahlung ist eine ionisierende, elektromagnetische Strahlung. Man spricht auch von einem radioaktivem Zerfall, weil der Atomkern ohne Auswirkung von außen, spontan zerfällt. 
• Gammastrahlung ist immer an einen Alpha- oder Betazerfall gekoppelt. Dabei zerfällt der Atomkern nicht. Man spricht deshalb von einer Gammaübertragung und nicht von einem Gammazerfall.
• Gammastrahlung wird frei, wenn ein angeregter Atomkern in einen energieärmeren, stabilen Zustand „fällt“.
• Die Kernladungszahl und die Ordnungszahl ändern sich bei der Gammaübertragung nicht. 
• Die freiwerdende Energie bei der Gammaübertragung wird in Form von Gammaquanten frei.  
• Wenn das angeregte Tochternuklid nicht sofort Gammastrahlung aussendet, nennt man es metastabil. Atomkerne die die gleiche Anzahl an Protonen und Neutronen haben, sich aber in ihren Energiezuständen unterscheiden, nennt man Kernisomere. 
• Gammastrahlung kann durch dicke Bleiwände abgeschwächt werden.