Kernphysik

Gamma Strahlung

In diesem Artikel erfährst du, welche Auswirkungen die Gamma Strahlung auf den Menschen hat, wie sie entsteht und wo sie in der Natur vorzufinden ist. Wir gehen auch auf den Zerfallsprozess ein und erklären die Unterschiede zur Beta- und Alpha Strahlung .

Schau dir zum besseren Verständnis am besten noch das Video zur Gamma Strahlung  an. Hier ist für dich das Thema audiovisuell bereits aufbereitet. Viel Spaß!

Inhaltsübersicht

Gamma Strahlung einfach erklärt

Die Gamma Strahlung oder auch \gamma-Strahlung ist eine ionisierende, elektromagnetische Strahlung. Sie hat das höchste Durchdringungsvermögen und entsteht beim spontanen Zerfall von radioaktiven Atomkernen (Nuklide). Nach dem Alpha- oder Beta-Minus-Zerfall verbleiben Kerne meist in einem angeregten Zustand. Diese überschüssige Energie wird durch Photonen, sogenannten Gammaquanten abgegeben, um den Kern in einen stabilen Grundzustand zu überführen. Dieser Zerfall führt zu keiner Änderung in der Massenzahl oder Kernladungszahl des Atoms. Sie hat eine sehr große Reichweite und durchdringt nahezu jeden Stoff. Um sie effektiv abzuschirmen sind daher dicke Bleiplatten notwendig.

Die Bezeichnung Gamma Strahlung umfasst jede elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien von über 200 keV (kilo-Elektronen-Volt). Verlässt ein solches Gammaquant den zerfallenden Kern, hat es eine konstante Geschwindigkeit in Höhe der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Die Art der Erzeugung spielt hierbei keine Rolle. Insofern ist sie nahezu identisch mit der Röntgen Strahlung. Verwendet wird sie zumeist in der Astronomie, um Strahlung zu bezeichnen, deren Herkunft unklar ist oder beim Strahlenschutz, wenn die Entstehung der Strahlung keine Rolle spielt.

Die Bezeichnung geht auf den Atomphysiker Ernest Rutherford zurück, welcher die Strahlung radioaktiver Stoffe nach ihrem Durchdringungsvermögen in Alpha- Beta- und Gamma Strahlung eingeteilt hat. Du siehst also, obwohl die ausgesandten Teilchen der Alpha- und Beta Strahlung meist sehr energiereich sind, durchdringen sie Materie sehr viel schlechter als die ungeladenen Photonen der Gamma Strahlung.

Gammastrahlung - Durchdringungstiefe Gammastrahlen Länge
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Gammastrahlung – Durchdringungstiefe

Gammazerfall

Im eigentlichen Sinne entsteht Gamma Strahlung nicht aufgrund eines Zerfalls, da sich die Kernzahlen durch das Abstrahlen von Gammaquanten nicht verändern. Allerdings tritt Gammastrahlung immer im Zusammenhang mit Alpha- und Beta Strahlung auf. Dennoch führt nicht jeder Alpha- und Betazerfall zu Gammastrahlung.
Die Reaktionsgleichung des „Gammazerfalls“ lautet wie folgt:

^{A} _{Z} X^* \rightarrow ^{A} _{Z} X + \gamma

Hierbei steht A für die Massenzahl, Z für die Kernladungszahl, X für den Atomkern und X^* für den angeregten Atomkern. Ein Atomkern im angeregten Energiezustand E_k sendet demnach ein Gammaquant aus um in einen energetisch niedrigeren Zustand E_i überzugehen. Die durch das emittierte Gammaquant freiwerdende Energie wird durch folgenden Zusammenhang dargestellt:

h\nu = E_i - E_k

Mit dem Planck’schen Wirkungsquantum h und der Frequenz \nu. Solche emittierten Gammaquanten tragen hohe Energien zwischen 10^4 bis 10^7eV, weswegen sie auch fast mit Lichtgeschwindigkeit den Kern verlassen.

Gammazerfall Gammastrahlung Energetischer Zerfall
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Gammazerfall

Gamma Strahlung Beispiel

Betrachte dir als Beispiel einen angeregten, metastabilen Bariumkern. Wie bereits erklärt ist der Grund für einen Zerfall, dass ein Atomkern von einem angeregten Energiezustand in einen niedrigeren, vorzugsweise, stabilen Grundzustand übergehen soll. Unter Benutzung folgender Reaktionsgleichung, erhältst du den folgenden Zusammenhang:

^{137} _{56} Ba^* \rightarrow ^{137} _{56} Ba + \gamma

Bei diesem Prozess beträgt die durch das Gammaquant freiwerdende Energie 0,662 MeV.

Wirkung auf Menschen

Gammastrahlung in hoher Dosis hat auf den menschlichen Körper meist verheerende Wirkung. In menschlichem Gewebe absorbierte Gammastrahlen, ionisieren den Organismus. Aufgrund der Ionisation entstehen Sekundärstrahlungen durch freiwerdender Elektronen und Röntgenstrahlung. Dies alles zusammen beginnt chemische Verbindungen im Körper aufzubrechen und den Menschen direkt oder aber sein Erbgut zu schädigen. In letzterem Fall erleiden dessen Nachkommen Schäden meist in Form verschiedener Behinderungen.

Das gefährliche an so einer Bestrahlung ist, dass die Körperzellen vorerst ihre Funktion beibehalten. Erst bei der Produktion von Proteinen oder Zellteilungen zeigen sich Veränderungen. Diese können dann entweder die Zellen selbst abtöten oder zur genannten Veränderung am Erbgut führen. In anderen Fällen können Mutationen auftreten, welche zu unkontrollierter Zellteilung führen. Aus diesen entstehen in Folge Tumore bis hin zu Krebs.

Gamma Strahlung Anwendung

In vielen technischen Bereichen findet Gammastrahlung Anwendung. Die Anwendung hat allerdings den Nachteil, dass Gammastrahler nicht abschaltbar sind. Daher sind umfangreiche und kostspielige Sicherheitsvorkehrungen unumgänglich.

Wie alle Strahlungen findet auch die Gamma Strahlung Anwendung in der Medizin. In der Strahlentherapie muss die Strahlenenergie möglichst hoch sein. Hier sind dann Werte von bis zu 23 MeV erreichbar. Allerdings werden die Gammastrahlen, aus Sicherheitsgründen, zumeist aus Elektronen-Bremsstrahlung durch Wolframplatten gewonnen. Hierzu erzeugt ein Linearbeschleuniger den Elektronenstrahl.Dieser hat den Vorteil abschaltbar zu sein, im Unterschied zu gewöhnlichen Gammastrahlern. Dadurch ist größere Sicherheit gegeben, da auch das medizinische Personal die Bedienung übernehmen kann.

Eine weitere Anwendung war die sogenannte Gammakanone, welche in der ehemaligen DDR Anwendung fand. Da Gammastrahlen nahezu alles durchdringen können und die Absorption von der Dichte des Mediums abhängt, konnte diese Gammakanone verwendet werden um Flüchtlinge die von Osten nach Westen fliehen wollten aufzuspüren.
Aber auch der heutige Grenzschutz benutzt Messgeräte zur Identifizierung von Gamma Strahlen. Diese können aufgrund der emittierten Gamma Strahlung Rückschlüsse auf die transportierten radioaktiven Stoffe zulassen.

Alpha Beta Gamma Strahlung

Wie du bereits gesehen hast, gibt es eine Unterteilung in drei Kategorien von Strahlung. Nämlich in Alpha Strahlung, Beta Strahlung und Gamma Strahlung. Hier wird genauer auf deren Besonderheiten und Unterschiede eingegangen.

Alpha Strahlung

Die Alphastrahlung ist eine stark ionisierende Teilchenstrahlung. Hierbei emittiert der Kern einen Helium-4-Kern, auch Alphateilchen genannt. Dies führt zu einer Verminderung der Massenzahl um 4 und der Kernladungszahl um 2 des Mutterkerns.

Auch wenn das Alphateilchen hoch energetisch sein kann, ist dessen Eindringtiefe sehr gering. Derartige Strahlung kann bereits mit einem Blatt Papier abgeschirmt werden. Schau dir hierzu am besten noch unser Video zur Alpha Strahlung  an.

Beta Strahlung

Die Beta Strahlung ist auch eine ionisierende Teilchenstrahlung. Im Verlauf eines Beta Zerfalls, wird ein Proton in ein Neutron, beziehungsweise ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Ersteres wird als Beta-Plus- letzteres als Beta-Minus-Zerfall bezeichnet.

Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um und emittiert dabei ein Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino. Bei diesem Zerfall bleibt die Massenzahl erhalten, jedoch wird die Kernladungszahl um 1 erhöht.

Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und emittiert ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Bei diesem Zerfall bleibt die Massenzahl erhalten, jedoch wird die Kernladungszahl um 1 reduziert.
Diese Strahlung hat zwar eine höhere Eindringtiefe, kann aber immer noch mit ungefähr 15 Blättern Papier abgeschirmt werden. Grund ist der Ionisationsgrad und die hohe Wechselwirkung mit anderen Atomen.
Auch hierzu haben wir dir bereits ein Video  vorbereitet. Schau es dir am besten noch an. Alle relevanten Inhalte wurden hier kurz für dich aufbereitet.

Gamma Strahlung

Zuletzt sei die Gamma Strahlung genannt. Diese Strahlung ist in der Lage nahezu jede Materie zu durchdringen. Anders als bei den zuvor genannten Strahlungen, handelt es sich bei ihr um eine ionisierende, elektromagnetische Strahlung. Die Gammaquanten sind ungeladen und masselos und ihre Emittierung führt zu keiner Veränderung der Kernzahlen. Sie kann nur mit sehr Dichten Medien, wie Bleiplatten abgeschirmt werden.

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