Gammastrahlung
Gammastrahlung, elektromagnetische Strahlung mit der kürzesten Wellenlänge und der höchsten Energie.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Gammastrahlen entstehen beim Zerfall radioaktiver Atomkerne und beim Zerfall bestimmter subatomarer Teilchen. Die allgemein akzeptierten Definitionen der Gammastrahlen- und Röntgenbereiche des elektromagnetischen Spektrums beinhalten eine gewisse Überlappung der Wellenlängen, wobei die Wellenlängen der Gammastrahlung im Allgemeinen kürzer als einige Zehntel Angström (10-10 Meter) sind und die Gammastrahlenphotonen Energien von mehr als zehntausend Elektronenvolt (eV) haben. Es gibt keine theoretische Obergrenze für die Energie von Gammastrahlenphotonen und keine Untergrenze für die Wellenlänge von Gammastrahlen; die beobachteten Energien reichen derzeit bis zu einigen Billionen Elektronenvolt – diese extrem energiereichen Photonen werden in astronomischen Quellen durch derzeit noch nicht identifizierte Mechanismen erzeugt.
Der Begriff Gammastrahlung wurde 1903 von dem britischen Physiker Ernest Rutherford geprägt, nachdem er frühe Studien über die Emissionen radioaktiver Kerne durchgeführt hatte. Genauso wie Atome diskrete Energieniveaus haben, die mit verschiedenen Konfigurationen der umlaufenden Elektronen verbunden sind, haben Atomkerne Energieniveaustrukturen, die durch die Konfigurationen der Protonen und Neutronen, aus denen die Kerne bestehen, bestimmt werden. Während die Energieunterschiede zwischen den Energieniveaus von Atomen in der Regel im Bereich von 1 bis 10 eV liegen, bewegen sich die Energieunterschiede in Atomkernen in der Regel im Bereich von 1 keV (tausend Elektronenvolt) bis 10 MeV (Millionen Elektronenvolt). Wenn ein Kern von einem hohen Energieniveau in ein niedrigeres übergeht, wird ein Photon emittiert, um die überschüssige Energie abzutransportieren; die Unterschiede zwischen den Energieniveaus der Kerne entsprechen den Wellenlängen der Photonen im Gammastrahlenbereich.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Alle Videos zu diesem Artikel ansehen
Wenn ein instabiler Atomkern in einen stabileren Kern zerfällt (siehe Radioaktivität), entsteht der „Tochter“-Kern manchmal in einem angeregten Zustand. Die anschließende Relaxation des Tochterkerns zu einem energieärmeren Zustand führt zur Emission eines Gammastrahlenphotons. Die Gammastrahlenspektroskopie, bei der die Energie der von verschiedenen Kernen ausgesandten Gammastrahlenphotonen genau gemessen wird, ermöglicht den Nachweis von Kernenergieniveaus und die Identifizierung von radioaktiven Spurenelementen anhand ihrer Gammastrahlenemissionen. Gammastrahlen werden auch bei dem wichtigen Prozess der Paarvernichtung erzeugt, bei dem ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, verschwinden und zwei Photonen entstehen. Die Photonen werden in entgegengesetzte Richtungen emittiert und müssen jeweils 511 keV Energie tragen – die Energie der Ruhemasse (siehe relativistische Masse) von Elektron und Positron. Gammastrahlen können auch beim Zerfall einiger instabiler subatomarer Teilchen, wie dem neutralen Pion, erzeugt werden.
Gammastrahlen-Photonen sind wie ihre Röntgen-Gegenstücke eine Form von ionisierender Strahlung; wenn sie Materie durchdringen, geben sie normalerweise ihre Energie ab, indem sie Elektronen aus Atomen und Molekülen freisetzen. In den niedrigeren Energiebereichen wird ein Gammastrahlenphoton oft vollständig von einem Atom absorbiert und die Energie der Gammastrahlung auf ein einzelnes herausgeschleudertes Elektron übertragen (siehe photoelektrischer Effekt). Höherenergetische Gammastrahlen werden eher an den Atomelektronen gestreut und geben bei jeder Streuung einen Teil ihrer Energie ab (siehe Compton-Effekt). Standardmethoden zum Nachweis von Gammastrahlen beruhen auf der Wirkung der freigesetzten atomaren Elektronen in Gasen, Kristallen und Halbleitern (siehe Strahlungsmessung und Szintillationszähler).
Gammastrahlen können auch mit Atomkernen wechselwirken. Bei der Paarbildung wird ein Gammastrahlen-Photon mit einer Energie von mehr als dem Doppelten der Ruhemassenenergie des Elektrons (mehr als 1,02 MeV) in der Nähe eines Kerns direkt in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt (siehe Foto). Bei noch höheren Energien (mehr als 10 MeV) kann eine Gammastrahlung direkt von einem Kern absorbiert werden, was zum Ausstoß von Kernteilchen (siehe Photodisintegration) oder zur Spaltung des Kerns in einem als Photospaltung bekannten Prozess führt.
Mit freundlicher Genehmigung des Lawrence Berkeley Laboratory der University of California, Berkeley
Medizinische Anwendungen von Gammastrahlen umfassen die wertvolle Bildgebungstechnik der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und wirksame Strahlentherapien zur Behandlung von Krebstumoren. Bei einem PET-Scan wird ein kurzlebiges, Positronen emittierendes radioaktives Arzneimittel, das aufgrund seiner Beteiligung an einem bestimmten physiologischen Prozess (z. B. Gehirnfunktion) ausgewählt wurde, in den Körper injiziert. Die emittierten Positronen verbinden sich schnell mit nahegelegenen Elektronen und erzeugen durch Paarvernichtung zwei 511-keV-Gammastrahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Nach der Detektion der Gammastrahlen erzeugt eine computergenerierte Rekonstruktion der Orte der Gammastrahlenemissionen ein Bild, das den Ort des untersuchten biologischen Prozesses hervorhebt.
Als tief eindringende ionisierende Strahlung verursachen Gammastrahlen erhebliche biochemische Veränderungen in lebenden Zellen (siehe Strahlenschäden). Strahlentherapien machen sich diese Eigenschaft zunutze, um Krebszellen in kleinen, lokal begrenzten Tumoren selektiv zu zerstören. Radioaktive Isotope werden in die Nähe des Tumors injiziert oder implantiert; Gammastrahlen, die kontinuierlich von den radioaktiven Kernen ausgesandt werden, beschießen den betroffenen Bereich und stoppen die Entwicklung der bösartigen Zellen.
Mit luftgestützten Untersuchungen der Gammastrahlenemissionen der Erdoberfläche wird nach Mineralien gesucht, die radioaktive Spurenelemente wie Uran und Thorium enthalten. Die Gammastrahlenspektroskopie aus der Luft und am Boden wird zur Unterstützung der geologischen Kartierung, der Mineralienexploration und der Identifizierung von Umweltverschmutzungen eingesetzt. Gammastrahlen wurden erstmals in den 1960er Jahren aus astronomischen Quellen entdeckt, und die Gammastrahlenastronomie ist heute ein gut etabliertes Forschungsgebiet. Wie bei der Erforschung der astronomischen Röntgenstrahlung müssen Gammastrahlenbeobachtungen oberhalb der stark absorbierenden Erdatmosphäre durchgeführt werden – typischerweise mit umlaufenden Satelliten oder Höhenballons (siehe Teleskop: Gammastrahlenteleskope). Es gibt viele faszinierende und schlecht verstandene astronomische Gammastrahlenquellen, einschließlich starker Punktquellen, die vorläufig als Pulsare, Quasare und Supernovaüberreste identifiziert wurden. Zu den faszinierendsten unerklärten astronomischen Phänomenen gehören die so genannten Gammastrahlenausbrüche – kurze, extrem intensive Emissionen von Quellen, die scheinbar isotropisch am Himmel verteilt sind.