mini|300px|Gammastrahlung (schematische Darstellung) Gammastrahlung – auch γ-Strahlung geschrieben – ist im engeren Sinne eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung, die bei spontanen Umwandlungen („Zerfall“) der Atomkerne vieler natürlich vorkommender oder künstlich erzeugter radioaktiver Nuklide entsteht.
Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Alpha- und Betastrahlung bestehen aus geladenen Teilchen und wechselwirken daher deutlich stärker mit Materie als die ungeladenen Photonen oder Quanten der Gammastrahlung. Entsprechend haben letztere ein deutlich höheres Durchdringungsvermögen. rechts|mini|300px|Verschiedene Typen des elektromagnetischen Spektrums Im weiteren Sinne wird mit Gammastrahlung jede elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien über etwa 200 keV bezeichnet, unabhängig von der Art ihrer Entstehung. Dies entspricht Wellenlängen kürzer als 0,005 nm (5 pm). In diesem allgemeinen Sinn wird die Bezeichnung insbesondere dann verwendet, wenn der Entstehungsprozess der Strahlung nicht bekannt ist (beispielsweise in der Astronomie) oder für die konkrete Aufgabenstellung gleichgültig ist (beispielsweise im Strahlenschutz), jedoch ausgedrückt werden soll, dass höhere Energien als bei Röntgenstrahlung (rund 100 eV bis 300 keV) vorliegen.
Unabhängig davon wird der kleine griechische Buchstabe (Gamma) allgemein als Formelsymbol für ein Photon beliebiger Energie und Entstehungsart benutzt.
Entstehung Radioaktivität: „Gammazerfall“ Gammastrahlung im ursprünglichen Wortsinn entsteht dann, wenn sich nach einem radioaktiven Alpha- oder Betazerfall der zurückbleibende Kern (Tochterkern) in einem angeregten Zustand befindet; das gilt für viele, aber nicht für alle Alpha- und Beta-Zerfälle. Der angeregte Kern schwingt oder rotiert – anschaulich gesagt – eine geraume Zeit lang. Beim Übergang in einen weniger hoch angeregten Zustand oder den Grundzustand gibt er die frei werdende Energie in Form von Gammastrahlung ab (siehe Zerfallsschema). Diese Zustandsänderung des Kerns wird als Gammaübergang oder auch „Gammazerfall“ bezeichnet, obwohl der Kern dabei keineswegs „in seine Bestandteile zerfällt“, denn die Anzahl seiner Neutronen und Protonen bleibt konstant. Die Emission von Gammastrahlung steht dabei in Konkurrenz zu innerer Konversion.
Der angeregte Zustand kann auch auf andere Weise, wie Neutroneneinfang oder andere Kernreaktionen oder die vorherige Absorption eines energiereicheren -Quants, entstanden sein.
Spektrum mini|Gemessenes Gammaspektrum von 60Co, Linien bei 1,173 und 1,332 MeV Die Wellenlängen oder Energien der Gammastrahlen sind diskret und sind charakteristisch für das jeweilige Radionuklid, vergleichbar etwa dem optischen Linienspektrum chemischer Elemente. Die Messung des Gammaspektrums einer unbekannten Substanz (Gammaspektroskopie) ist daher geeignet, Aufschluss über Arten und Mengenanteile der darin enthaltenen Radionuklide zu geben.
Die scharfen Energien der Gamma-Spektrallinien erklären sich daraus, dass die Lebensdauern von Gammaübergängen kernphysikalisch gesehen vergleichsweise lang sind. Der angeregte Kern – den man sich etwa wie einen pulsierenden Rugbyball vorstellen kann – baut ein oszillierendes elektromagnetisches Quadrupolfeld auf. Ein Gamma-Quant kann aber nur Dipolschwingungen aufnehmen; seine Emission ist daher relativ unwahrscheinlich. Gemäß der Energie-Zeit-Unschärferelation ist die Lebensdauer eines Übergangs umgekehrt proportional seiner Energieunschärfe oder Linienbreite :
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Die Lebensdauern angeregter Kernzustände sind stets größer als etwa 10−15 Sekunden und führen daher zu diskreten Photonenenergien mit Halbwertsbreiten unter 0,3 eV.
Bezeichnung nach Mutternuklid des Alpha- oder Betazerfalls Die durchschnittliche Verzögerungs- oder Halbwertszeit zwischen dem Alpha- oder Betazerfall und dem Gammaübergang hängt vom Nuklid und dem jeweiligen angeregten Zustand ab. Sie ist, wenngleich im kernphysikalischen Sinne „lang“, vom praktischen Standpunkt gesehen meist sehr kurz (Sekundenbruchteile). Will man Gammastrahlung für Forschungs-, medizinische oder technische Zwecke nutzen – beispielsweise die vom 2,5-MeV-Zustand des Nuklids 60Ni ausgesandte Kaskade zweier Photonen von 1,17 und 1,33 MeV – braucht man daher ein Präparat des Betastrahlers Cobalt-60, 60Co. Dieses Nuklid zerfällt mit 5,26 Jahren Halbwertszeit zum gewünschten 60Ni-Zustand. mini|Zerfallsschema von 60Co Aus diesem praktischen Grund werden Gammastrahlen (nicht nur beim 60Ni, sondern ganz allgemein, auch in wissenschaftlich-technischen Unterlagen, Tabellen, Nuklidkarten usw.) immer dem Mutternuklid des vorangehenden Alpha- oder Betazerfalls, im Beispiel dem 60Co, zugeordnet: Man spricht von Cobalt-60-Strahlung, Kobaltkanone usw., auch wenn es nur um die Gammastrahlung geht, die vom Tochterkern 60Ni emittiert wird.
Die seltenen Fälle von angeregten Atomkernen, deren Gammaübergänge Halbwertszeiten von Sekunden, Minuten oder noch länger haben, werden als metastabil oder als Kernisomere bezeichnet. Nur in diesen Fällen wird als Bezeichnung das eigentliche gammastrahlende Nuklid genannt. Ein Beispiel ist das Technetium-Isotop 99mTc, das in der medizinischen Diagnostik (siehe Szintigrafie) verwendet wird.
Paarvernichtung Bei der Paarvernichtung, der Reaktion eines Teilchens mit dem zugehörigen Antiteilchen, entstehen (allein oder neben anderen möglichen Reaktionsprodukten) auch Photonen, die ebenfalls Gammastrahlung genannt werden. Diese Gammaquanten tragen zusammen die Energie, die der Masse der vernichteten Teilchen entspricht, abzüglich der eventuellen Bindungsenergie, falls die beiden Teilchen bereits aneinander gebunden waren bzw. einander „umkreisten“, und zuzüglich eventuell vorher vorhandener Bewegungsenergie.
Gammablitze in der Astronomie Gammablitze () – auch Gammastrahlen-Explosionen genannt – stellen eines der energiereichsten Phänomene im Weltall dar. Ihr Entstehungsmechanismus ist nur ansatzweise geklärt. Das Spektrum ist kontinuierlich mit Photonenenergien von etwa 1 keV bis in den MeV-Bereich. Es enthält unter anderem Röntgenstrahlung. Es handelt sich nicht um Gammastrahlung im engeren, kernphysikalischen Sinne (siehe Einleitung).
Terminologie: Gammastrahlung und Röntgenstrahlung Die Energiebereiche der als Gamma- oder Röntgenstrahlung bezeichneten Photonen überlappen sich, die Begriffsverwendung ist unscharf abgegrenzt. Häufig wird nach der Herkunft der Strahlung unterschieden:
Röntgenstrahlung: entsteht bei der Kollision hochenergetischer Elektronen mit Materie, Charakteristische Röntgenstrahlung, die je nach Target sehr weiche Röntgenstrahlung (Beryllium: typ. 163 eV) bis harte Röntgenstrahlung (Uran: bis 115 keV) ergibt. Bremsstrahlung, deren Obergrenze sich aus der maximalen Beschleunigungsspannung ergibt. In der Medizin-Technik sind 1…100 keV üblich, in der Nuklearchemie bis 25 MeV.
Gammastrahlung: stammt aus Kernprozessen, Paarvernichtung oder dem Weltall (siehe auch Gammablitz) Applikationen am unteren Rand des Spektrums liegen bei 140,1 und 140,6 keV (99mTc) sowie bei 159 keV (123I)
Als „Grenze“ zwischen Röntgenstrahlung und Gammastrahlung findet man daher häufig Werte von 100 keV, 120 keV, 124 keV (≈10 pm Wellenlänge) und 200 keV. Die Grenze ist aber willkürlich (wie auch die zwischen UV- und Röntgenstrahlung) und berücksichtigt nicht die Art der Erzeugung.
So gibt es niederenergetische Gammastrahlung: Im Röntgenbereich liegt z. B. 125I mit 35,5 keV Im UV-Bereich liegt z. B. 229mTh mit 0,008355733 keV wie auch hochenergetische Bremsstrahlung von Elektronen.
Die Quantenenergiegrenze, ab der oft Gammastrahlung vorliegt, beträgt ca. 100 bis 250 Kiloelektronenvolt. Sie entspricht der Beschleunigungsspannung in Kilovolt, mit der Röntgenröhren noch betrieben werden können. Elektronenbeschleuniger und auch Gewitterblitze erzeugen jedoch schnellere Elektronen und diese erzeugen bei Auftreffen auf Materie Bremsstrahlung mit Quantenenergien im Megaelektronenvolt-Bereich. Terrestrische Gammablitze werden dennoch nicht Röntgenblitze genannt. Hingegen gibt es weiche Gammastrahler wie das Radioisotop 125Iod, die Quanten im typischen Röntgen-Energiebereich aussenden.
Wechselwirkung mit Materie mini|Während Alphastrahlung bereits durch Papier und Betastrahlung durch ein Blech abgeschirmt werden kann, muss für Gammastrahlung ein dickes, dichtes Material mit hoher Ordnungszahl verwendet werden Im Gegensatz zur Bragg-Kurve bei Bestrahlung durch geladene Teilchen nimmt die Intensität (und damit der Energieeintrag) der Gammastrahlung exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Das heißt, die Anzahl der Gammaquanten beträgt nach jeweils einer Halbwertsdicke die Hälfte. Die Halbwertsdicke hängt von der Wellenlänge der Gammastrahlung und vom Material, insbesondere von dessen Ordnungszahl, ab: Blei ist mit seiner hohen Atomdichte, Ordnungszahl und seiner leichten Verfüg- und Verarbeitbarkeit das gängigste zum Strahlenschutz gegen Gammastrahlung verwendete Material. Selbst Blei hat für Gammastrahlung der Energie 2 MeV eine Halbwertsdicke von 14 mm.
Wechselwirkungen beim Durchgang von Gammastrahlung durch Materie sind Photoionisation, Compton-Streuung (Compton-Effekt) und bei ausreichender Photonenenergie Paarbildung.
Biologische Wirkung Wird Gammastrahlung in menschlichem, tierischem oder pflanzlichem Gewebe absorbiert, wird ihre Energie in Ionisations- und anderen Vorgängen wirksam. Dabei treten im Gewebe Sekundärstrahlungen wie freigesetzte Elektronen und Röntgenstrahlung auf. Insgesamt ergeben sich – für den Organismus meist schädliche – Wirkungen durch das Aufbrechen chemischer Bindungen. Das Ausmaß der Gesamtwirkung wird durch die in Sievert (Sv) gemessene Äquivalentdosis beschrieben. Die durch die Absorption verursachten Folgen können nicht allein als somatische Schäden am bestrahlten Organismus selbst auftreten, sondern betreffen nicht selten wegen der Schädigung des Erbguts als genetische Schäden auch die Nachkommen.
Die Funktionsfähigkeit der Zellen bleibt auch bei hohen Strahlendosen zunächst meist erhalten. Sobald sich die Zelle aber teilt oder Proteine produziert, können Veränderungen am Erbgut und Schäden an Zellorganellen zum Absterben der Zelle führen. Die Strahlenkrankheit wirkt deswegen erst nach einiger Zeit tödlich, wenn bestimmte, lebenswichtige Zelltypen, die auch beim gesunden Menschen regelmäßig absterben und neu gebildet werden, nicht mehr in ausreichender Zahl vorhanden sind. Besonders betroffen sind hiervon Blutzellen. Alternativ kann es dazu kommen, dass durch die Strahlung verursachte Mutationen zu unkontrollierter Zellteilung führen, wobei die sich teilenden Zellen meistens ihre ursprüngliche biologische Funktion verlieren. Es entstehen Tumoren, die darüber hinaus Metastasen bilden können (Krebs).
Anwendungen In der Technik eingesetzte Gammastrahler sind hauptsächlich 60Co, 75Se, 169Yb und 192Ir. (PDF; 136 kB). Ein Nachteil von Gammastrahlen ist, dass die Strahlenquellen nicht abgeschaltet werden können. Bei der Verwendung von Gammastrahlung im Betrieb müssen wegen ihrer Gefährlichkeit umfangreiche Strahlenschutzmaßnahmen ergriffen werden.
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