Gammastrahlung

Illustration der Emission einer Gammastrahlung (γ) von einem Atomkern

Gammastrahlen werden bei der Kernspaltung in Kernexplosionen emittiert. ⓘ

NASA-Leitfaden zum elektromagnetischen Spektrum, der die Überschneidung der Frequenzen von Röntgen- und Gammastrahlen zeigt ⓘ

Eine Gammastrahlung, auch bekannt als Gammastrahlung (Symbol γ oder $\gamma$), ist eine durchdringende Form der elektromagnetischen Strahlung, die durch den radioaktiven Zerfall von Atomkernen entsteht. Sie besteht aus elektromagnetischen Wellen kürzester Wellenlänge, die in der Regel kürzer ist als die der Röntgenstrahlung. Mit Frequenzen über 30 Exahertz (30×10¹⁸ Hz) weist sie die höchste Photonenenergie auf. Paul Villard, ein französischer Chemiker und Physiker, entdeckte die Gammastrahlung im Jahr 1900 bei der Untersuchung der von Radium ausgesandten Strahlung. Im Jahr 1903 gab Ernest Rutherford dieser Strahlung aufgrund ihrer relativ starken Durchdringung der Materie den Namen Gammastrahlen; im Jahr 1900 hatte er bereits zwei weniger durchdringende Arten von Zerfallsstrahlung (entdeckt von Henri Becquerel) Alpha- und Betastrahlen in aufsteigender Reihenfolge ihrer Durchdringungskraft genannt. ⓘ

Gammastrahlen aus radioaktiven Zerfällen liegen im Energiebereich von einigen Kiloelektronenvolt (keV) bis etwa 8 Megaelektronenvolt (~8 MeV), was den typischen Energieniveaus in Kernen mit relativ langer Lebensdauer entspricht. Das Energiespektrum der Gammastrahlen kann zur Identifizierung der zerfallenden Radionuklide mittels Gammaspektroskopie verwendet werden. Sehr energiereiche Gammastrahlen im Bereich von 100-1000 Teraelektronenvolt (TeV) wurden von Quellen wie dem Mikroquasar Cygnus X-3 beobachtet. ⓘ

Natürliche Quellen von Gammastrahlen auf der Erde sind meist das Ergebnis von radioaktivem Zerfall und sekundärer Strahlung aus atmosphärischen Wechselwirkungen mit kosmischen Strahlungsteilchen. Es gibt jedoch auch andere seltene natürliche Quellen, wie z. B. terrestrische Gammastrahlenblitze, bei denen Gammastrahlen durch die Einwirkung von Elektronen auf den Atomkern entstehen. Zu den bemerkenswerten künstlichen Quellen von Gammastrahlen gehören die Kernspaltung, wie sie in Kernreaktoren stattfindet, und Experimente der Hochenergiephysik, wie der neutrale Pionenzerfall und die Kernfusion. ⓘ

Gammastrahlen und Röntgenstrahlen sind beide elektromagnetische Strahlung, und da sie sich im elektromagnetischen Spektrum überschneiden, variiert die Terminologie zwischen den wissenschaftlichen Disziplinen. In einigen Bereichen der Physik werden sie nach ihrem Ursprung unterschieden: Gammastrahlen entstehen durch Kernzerfall, während Röntgenstrahlen ihren Ursprung außerhalb des Kerns haben. In der Astrophysik werden Gammastrahlen üblicherweise als Strahlung mit Photonenenergien über 100 keV definiert und sind Gegenstand der Gammastrahlenastronomie, während Strahlung unter 100 keV als Röntgenstrahlung klassifiziert wird und Gegenstand der Röntgenastronomie ist. ⓘ

Gammastrahlen gehören zu den ionisierenden Strahlen und sind daher lebensgefährlich. Aufgrund ihrer hohen Durchschlagskraft können sie Knochenmark und innere Organe schädigen. Im Gegensatz zu Alpha- und Betastrahlen durchdringen sie den Körper leicht und stellen daher eine große Herausforderung für den Strahlenschutz dar, der Abschirmungen aus dichten Materialien wie Blei oder Beton erfordert. Auf der Erde schützt die Magnetosphäre das Leben vor den meisten Arten tödlicher kosmischer Strahlung, mit Ausnahme der Gammastrahlung, die beim Durchdringen der Atmosphäre von 0,53 Bar absorbiert wird. ⓘ

Gammastrahlen können nicht von einem Spiegel reflektiert werden, und ihre Wellenlängen sind so klein, dass sie zwischen den Atomen eines Detektors hindurchgehen können. ⓘ

Gammastrahlung (anschauliche Darstellung) ⓘ

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. ⓘ

Verschiedene Typen des elektromagnetischen Spektrums (englisch gamma rays) ⓘ

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. ⓘ

Der kleine griechische Buchstabe $\gamma$ (Gamma) wird allgemein als Formelsymbol für ein Photon beliebiger Energie und Entstehungsart benutzt. ⓘ

Geschichte der Entdeckung

Die erste Gammastrahlenquelle, die entdeckt wurde, war der radioaktive Zerfallsprozess, der als Gammazerfall bezeichnet wird. Bei dieser Art von Zerfall sendet ein angeregter Atomkern fast unmittelbar nach seiner Entstehung einen Gammastrahl aus. Paul Villard, ein französischer Chemiker und Physiker, entdeckte die Gammastrahlung im Jahr 1900, als er die von Radium ausgehende Strahlung untersuchte. Villard wusste, dass die von ihm beschriebene Strahlung stärker war als die zuvor beschriebenen Strahlungsarten des Radiums, darunter die Betastrahlen, die 1896 von Henri Becquerel erstmals als "Radioaktivität" bezeichnet wurden, und die Alphastrahlen, die 1899 von Rutherford als eine weniger durchdringende Form der Strahlung entdeckt wurden. Villard zog jedoch nicht in Erwägung, sie als einen anderen Grundtyp zu bezeichnen. Später, im Jahr 1903, wurde Villards Strahlung von Ernest Rutherford als ein Typ erkannt, der sich grundlegend von den zuvor benannten Strahlen unterscheidet, und er nannte Villards Strahlen "Gammastrahlen" in Analogie zu den Beta- und Alphastrahlen, die Rutherford 1899 unterschieden hatte. Die von radioaktiven Elementen ausgesandten "Strahlen" wurden in der Reihenfolge ihres Durchdringungsvermögens für verschiedene Materialien benannt, wobei die ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets verwendet wurden: Alphastrahlen als die am wenigsten durchdringenden, gefolgt von Betastrahlen, gefolgt von Gammastrahlen als die am stärksten durchdringenden. Rutherford stellte auch fest, dass Gammastrahlen nicht abgelenkt wurden (oder zumindest nicht leicht durch ein Magnetfeld abgelenkt werden, eine weitere Eigenschaft, die sie von Alpha- und Betastrahlen unterscheidet. ⓘ

Gammastrahlen wurden zunächst für Teilchen mit Masse gehalten, wie Alpha- und Betastrahlen. Rutherford glaubte zunächst, dass es sich dabei um extrem schnelle Betateilchen handeln könnte, aber ihre fehlende Ablenkbarkeit durch ein Magnetfeld deutete darauf hin, dass sie keine Ladung hatten. Im Jahr 1914 wurde beobachtet, dass Gammastrahlen von Kristalloberflächen reflektiert werden, was beweist, dass es sich um elektromagnetische Strahlung handelt. Rutherford und sein Mitarbeiter Edward Andrade maßen die Wellenlängen der Gammastrahlen von Radium und stellten fest, dass sie den Röntgenstrahlen ähneln, jedoch kürzere Wellenlängen und damit eine höhere Frequenz aufweisen. Dies führte dazu, dass man erkannte, dass sie mehr Energie pro Photon haben, sobald sich dieser Begriff allgemein durchgesetzt hatte. Unter einem Gammazerfall verstand man dann in der Regel die Aussendung eines Gammaphotons. ⓘ

Quellen

Diese Animation verfolgt mehrere Gammastrahlen durch Raum und Zeit, von ihrer Emission im Jet eines fernen Blazars bis zu ihrem Eintreffen im Large Area Telescope (LAT) von Fermi. ⓘ

Zu den natürlichen Quellen von Gammastrahlen auf der Erde gehören der Gammazerfall von natürlich vorkommenden Radioisotopen wie Kalium-40 und die Sekundärstrahlung verschiedener atmosphärischer Wechselwirkungen mit kosmischen Strahlungsteilchen. Einige seltene terrestrische natürliche Quellen, die Gammastrahlen erzeugen, die nicht nuklearen Ursprungs sind, sind Blitzeinschläge und terrestrische Gammastrahlenblitze, die hochenergetische Emissionen aus natürlichen Hochspannungen erzeugen. Gammastrahlen werden durch eine Reihe von astronomischen Prozessen erzeugt, bei denen sehr energiereiche Elektronen erzeugt werden. Solche Elektronen erzeugen sekundäre Gammastrahlung durch Bremsstrahlung, inverse Compton-Streuung und Synchrotronstrahlung. Ein großer Teil dieser astronomischen Gammastrahlung wird von der Erdatmosphäre abgeschirmt. Zu den bemerkenswerten künstlichen Quellen von Gammastrahlen gehören die Kernspaltung, wie sie in Kernreaktoren vorkommt, sowie Experimente der Hochenergiephysik, wie der neutrale Pionenzerfall und die Kernfusion. ⓘ

Eine Probe von Gammastrahlen emittierendem Material, die zur Bestrahlung oder Bildgebung verwendet wird, wird als Gammaquelle bezeichnet. Sie wird auch als radioaktive Quelle, Isotopenquelle oder Strahlungsquelle bezeichnet, obwohl diese allgemeineren Begriffe auch für Alpha- und Betastrahlungsgeräte gelten. Gammastrahler sind in der Regel versiegelt, um eine radioaktive Kontamination zu verhindern, und werden in einer schweren Abschirmung transportiert. ⓘ

Radioaktiver Zerfall (Gammazerfall)

Gammastrahlen werden beim Gammazerfall erzeugt, der in der Regel nach anderen Zerfallsformen wie dem Alpha- oder Betazerfall auftritt. Ein radioaktiver Kern kann durch die Emission eines
α
oder
β
Teilchens zerfallen. Der dabei entstehende Tochterkern verbleibt normalerweise in einem angeregten Zustand. Er kann dann durch Aussendung eines Gammastrahlenphotons in einen niedrigeren Energiezustand zerfallen, was als Gammazerfall bezeichnet wird. ⓘ

Die Emission eines Gammastrahls von einem angeregten Kern dauert normalerweise nur 10-12 Sekunden. Der Gammazerfall kann auch auf Kernreaktionen wie Neutroneneinfang, Kernspaltung oder Kernfusion folgen. Der Gammazerfall ist auch eine Entspannungsform vieler angeregter Zustände von Atomkernen, die anderen Arten von radioaktivem Zerfall, wie z. B. dem Betazerfall, folgen, sofern diese Zustände die notwendige Komponente des Kernspins besitzen. Wenn hochenergetische Gammastrahlen, Elektronen oder Protonen auf Materialien treffen, senden die angeregten Atome charakteristische "sekundäre" Gammastrahlen aus, die aus der Erzeugung angeregter Kernzustände in den beschossenen Atomen resultieren. Solche Übergänge, eine Form der Kern-Gamma-Fluoreszenz, sind ein Thema der Kernphysik, das als Gammaspektroskopie bezeichnet wird. Die Bildung von fluoreszierenden Gammastrahlen ist eine schnelle Unterart des radioaktiven Gammazerfalls. ⓘ

In bestimmten Fällen kann der angeregte Kernzustand, der der Emission eines Betateilchens oder einer anderen Art von Anregung folgt, stabiler als der Durchschnitt sein und wird als metastabiler angeregter Zustand bezeichnet, wenn sein Zerfall (mindestens) 100 bis 1000 Mal länger dauert als die durchschnittlichen 10-12 Sekunden. Solche relativ langlebigen angeregten Kerne werden als Kernisomere bezeichnet, und ihre Zerfälle werden als isomere Übergänge bezeichnet. Solche Kerne haben Halbwertszeiten, die leichter messbar sind, und seltene Kernisomere können Minuten, Stunden, Tage oder gelegentlich auch viel länger in ihrem angeregten Zustand bleiben, bevor sie einen Gammastrahl aussenden. Der Prozess des Isomerenübergangs ähnelt also jeder Gammastrahlung, unterscheidet sich aber insofern, als er den oder die metastabilen angeregten Zwischenzustände der Kerne einbezieht. Metastabile Zustände zeichnen sich häufig durch einen hohen Kernspin aus, so dass beim Gammazerfall eine Spinänderung von mehreren Einheiten oder mehr erforderlich ist, im Gegensatz zu einem Übergang um eine Einheit, der in nur 10-12 Sekunden erfolgt. Die Geschwindigkeit des Gammazerfalls ist ebenfalls verlangsamt, wenn die Anregungsenergie des Kerns gering ist. ⓘ

Ein Gammastrahl, der aus einem beliebigen angeregten Zustand emittiert wird, kann seine Energie direkt auf ein beliebiges Elektron übertragen, höchstwahrscheinlich aber auf eines der Elektronen der K-Schale des Atoms, wodurch es aus dem Atom herausgeschleudert wird, und zwar in einem Prozess, der allgemein als photoelektrischer Effekt bezeichnet wird (externe Gammastrahlen und ultraviolette Strahlen können diesen Effekt ebenfalls verursachen). Der photoelektrische Effekt ist nicht zu verwechseln mit dem internen Umwandlungsprozess, bei dem kein Gammastrahlenphoton als Zwischenteilchen erzeugt wird (man geht vielmehr davon aus, dass ein "virtueller Gammastrahl" den Prozess vermittelt). ⓘ

Zerfallsschemata

Radioaktives Zerfallsschema von ⁶⁰
Co ⓘ

Gammastrahlen-Spektrum von Kobalt-60 ⓘ

Ein Beispiel für die Erzeugung von Gammastrahlen durch den Zerfall von Radionukliden ist das Zerfallsschema von Kobalt-60, das im nebenstehenden Diagramm dargestellt ist. Zunächst zerfällt ⁶⁰
Co
zu angeregtem ⁶⁰
Ni
durch Betazerfall und Emission eines Elektrons von 0,31 MeV. Dann zerfällt das angeregte ⁶⁰
Ni
in den Grundzustand (siehe Kernschalenmodell), indem es nacheinander Gammastrahlen von 1,17 MeV und anschließend 1,33 MeV aussendet. Dieser Weg wird in 99,88 % der Fälle beschritten:

{border="0"

|- style="height:2em;" |⁶⁰
₂₇Co
 ||→ ||⁶⁰
₂₈Ni^*
 ||+ ||
e-
 ||+ ||
ν
_e ||+ ||
γ
||+ ||1,17 MeV |- style="height:2em;" |⁶⁰
₂₈Ni^*
 ||→ ||⁶⁰
₂₈Ni
 || || || || ||+ ||
γ
||+ ||1.33 MeV |} ⓘ

Ein weiteres Beispiel ist der Alphazerfall von ²⁴¹
Am
zur Bildung von ²³⁷
Np
; auf den eine Gammastrahlung folgt. In einigen Fällen ist das Gammastrahlungsspektrum des Tochterkerns recht einfach (z. B. ⁶⁰
Co
/⁶⁰
Ni
), während in anderen Fällen, wie z. B. bei (²⁴¹
Am
/²³⁷
Np
und ¹⁹²
Ir
/¹⁹²
Pt
), ist das Gammastrahlungsspektrum komplex und zeigt, dass es eine Reihe von Kernenergieniveaus gibt. ⓘ

Teilchenphysik

Gammastrahlen werden in vielen Prozessen der Teilchenphysik erzeugt. In der Regel sind Gammastrahlen die Produkte von neutralen Systemen, die durch elektromagnetische Wechselwirkungen (und nicht durch schwache oder starke Wechselwirkung) zerfallen. Bei einer Elektron-Positron-Annihilation zum Beispiel entstehen in der Regel zwei Gammastrahlen-Photonen. Wenn das annihilierende Elektron und das Positron in Ruhe sind, hat jede der entstehenden Gammastrahlen eine Energie von ~ 511 keV und eine Frequenz von ~ 1,24×10²⁰ Hz. In ähnlicher Weise zerfällt ein neutrales Pion am häufigsten in zwei Photonen. Viele andere Hadronen und massive Bosonen zerfallen ebenfalls elektromagnetisch. Bei Experimenten der Hochenergiephysik, wie z. B. dem Large Hadron Collider, werden daher umfangreiche Strahlungsabschirmungen eingesetzt. Da subatomare Teilchen meist eine viel kürzere Wellenlänge haben als Atomkerne, ist die Gammastrahlung der Teilchenphysik im Allgemeinen um mehrere Größenordnungen energiereicher als die Gammastrahlung des Kernzerfalls. Da Gammastrahlen energetisch am oberen Ende des elektromagnetischen Spektrums liegen, sind alle extrem energiereichen Photonen Gammastrahlen; ein Photon mit der Planck-Energie wäre zum Beispiel ein Gammastrahl. ⓘ

Andere Quellen

Von einigen wenigen Gammastrahlen in der Astronomie ist bekannt, dass sie durch Gammazerfall entstehen (siehe Diskussion über SN1987A), die meisten jedoch nicht. ⓘ

Photonen aus astrophysikalischen Quellen, die Energie im Bereich der Gammastrahlung aufweisen, werden oft ausdrücklich als Gammastrahlung bezeichnet. Zusätzlich zu nuklearen Emissionen werden sie oft durch subatomare Teilchen- und Teilchen-Photonen-Wechselwirkungen erzeugt. Dazu gehören Elektron-Positron-Annihilation, neutraler Pionenzerfall, Bremsstrahlung, inverse Compton-Streuung und Synchrotronstrahlung. ⓘ

Die roten Punkte zeigen einige der etwa 500 terrestrischen Gammastrahlenblitze, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope bis 2010 täglich entdeckt hat. Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center. ⓘ

Quellen im Labor

Im Oktober 2017 schlugen Wissenschaftler verschiedener europäischer Universitäten eine Möglichkeit vor, Quellen für GeV-Photonen mit Lasern als Erreger durch ein kontrolliertes Zusammenspiel von Kaskade und anomalem Strahlungseinfang zu erzeugen. ⓘ

Terrestrische Gewitterstürme

Gewitter können einen kurzen Impuls von Gammastrahlung erzeugen, der als terrestrischer Gammastrahlenblitz bezeichnet wird. Man nimmt an, dass diese Gammastrahlen durch statische elektrische Felder hoher Intensität erzeugt werden, die Elektronen beschleunigen, die dann durch Bremsstrahlung Gammastrahlen erzeugen, wenn sie mit Atomen in der Atmosphäre zusammenstoßen und von diesen abgebremst werden. Gammastrahlen bis zu 100 MeV können von irdischen Gewittern emittiert werden und wurden von weltraumgestützten Observatorien entdeckt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit eines Gesundheitsrisikos für Passagiere und Besatzungen von Flugzeugen, die in oder in der Nähe von Gewitterwolken fliegen. ⓘ

Sonneneruptionen

Die heftigsten Sonneneruptionen emittieren das gesamte EM-Spektrum, einschließlich γ-Strahlen. Die erste sichere Beobachtung erfolgte 1972. ⓘ

Kosmische Strahlung

Zu den extraterrestrischen, hochenergetischen Gammastrahlen gehört der Gammastrahlenhintergrund, der entsteht, wenn kosmische Strahlen (entweder Hochgeschwindigkeitselektronen oder Protonen) mit gewöhnlicher Materie kollidieren und dabei paarweise Gammastrahlen mit 511 keV erzeugen. Alternativ dazu wird Bremsstrahlung mit Energien von einigen zehn MeV oder mehr erzeugt, wenn Elektronen der kosmischen Strahlung mit Kernen mit ausreichend hoher Ordnungszahl wechselwirken (siehe zur Veranschaulichung das Gammastrahlenbild des Mondes am Ende dieses Artikels). ⓘ

Bild des gesamten Himmels mit Gammastrahlen von 100 MeV oder mehr, wie es das EGRET-Instrument an Bord der CGRO-Sonde zeigt. Helle Flecken innerhalb der galaktischen Ebene sind Pulsare, während die Flecken oberhalb und unterhalb der Ebene als Quasare angesehen werden. ⓘ

Pulsare und Magnetare

Der Gammastrahlenhimmel (siehe Abbildung rechts) wird von der häufigeren und längerfristigen Produktion von Gammastrahlen dominiert, die von Pulsaren innerhalb der Milchstraße ausgehen. Bei den Quellen am übrigen Himmel handelt es sich meist um Quasare. Man geht davon aus, dass Pulsare Neutronensterne mit Magnetfeldern sind, die gebündelte Strahlen erzeugen. Sie sind weitaus weniger energiereich, häufiger und viel näher gelegene Quellen (typischerweise nur in unserer eigenen Galaxie zu sehen) als Quasare oder die selteneren Gammastrahlenburst-Quellen. Pulsare haben relativ langlebige Magnetfelder, die gebündelte Strahlen geladener Teilchen mit relativistischer Geschwindigkeit erzeugen, die Gammastrahlen (Bremsstrahlung) aussenden, wenn diese auf Gas oder Staub in ihrem nahen Medium treffen und abgebremst werden. Dies ist ein ähnlicher Mechanismus wie die Erzeugung von hochenergetischen Photonen in Megavolt-Strahlentherapiegeräten (siehe Bremsstrahlung). Umgekehrte Compton-Streuung, bei der geladene Teilchen (in der Regel Elektronen) den Photonen mit niedriger Energie Energie Energie zuführen und sie zu Photonen mit höherer Energie aufladen. Solche Stöße von Photonen auf relativistische geladene Teilchenstrahlen sind ein weiterer möglicher Mechanismus für die Erzeugung von Gammastrahlen. Neutronensterne mit einem sehr starken Magnetfeld (Magnetare), von denen man annimmt, dass sie astronomische weiche Gammastrahlen erzeugen, sind eine weitere relativ langlebige, von Sternen angetriebene Quelle von Gammastrahlung. ⓘ

Quasare und aktive Galaxien

Stärkere Gammastrahlen von sehr weit entfernten Quasaren und näheren aktiven Galaxien werden vermutlich von einer Gammastrahlenquelle erzeugt, die einem Teilchenbeschleuniger ähnelt. Die vom Quasar erzeugten hochenergetischen Elektronen, die der inversen Compton-Streuung, der Synchrotronstrahlung oder der Bremsstrahlung ausgesetzt sind, sind wahrscheinlich die Quelle der Gammastrahlen dieser Objekte. Man geht davon aus, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum solcher Galaxien die Energiequelle darstellt, die intermittierend Sterne zerstört und die dabei entstehenden geladenen Teilchen in Strahlen bündelt, die aus ihren Rotationspolen austreten. Wenn diese Strahlen mit Gas, Staub und Photonen niedrigerer Energie interagieren, erzeugen sie Röntgen- und Gammastrahlung. Es ist bekannt, dass diese Quellen mit einer Dauer von einigen Wochen fluktuieren, was darauf hindeutet, dass sie relativ klein sind (weniger als ein paar Lichtwochen Durchmesser). Solche Quellen von Gamma- und Röntgenstrahlung sind die am häufigsten sichtbaren Quellen hoher Intensität außerhalb unserer Galaxie. Sie leuchten nicht in Bursts (siehe Abbildung), sondern relativ kontinuierlich, wenn sie mit Gammastrahlenteleskopen beobachtet werden. Die Leistung eines typischen Quasars beträgt etwa 10⁴⁰ Watt, wovon ein kleiner Teil Gammastrahlung ist. Der Rest wird in Form von elektromagnetischen Wellen aller Frequenzen, einschließlich Radiowellen, abgestrahlt. ⓘ

Eine Hypernova. Illustration eines Künstlers, die das Leben eines massiven Sterns zeigt, in dem die Kernfusion leichtere Elemente in schwerere umwandelt. Wenn die Kernfusion nicht mehr genügend Druck erzeugt, um der Schwerkraft entgegenzuwirken, kollabiert der Stern schnell und bildet ein Schwarzes Loch. Theoretisch kann während des Kollapses entlang der Rotationsachse Energie freigesetzt werden, die einen lang anhaltenden Gammastrahlenausbruch verursacht. ⓘ

Gammastrahlenausbrüche

Die intensivsten Quellen von Gammastrahlen sind auch die intensivsten Quellen jeglicher Art von elektromagnetischer Strahlung, die derzeit bekannt sind. Sie sind in der Astronomie als "lange Gammastrahlenausbrüche" bekannt ("lang" bedeutet in diesem Zusammenhang einige zehn Sekunden) und sind im Vergleich zu den oben genannten Quellen selten. Im Gegensatz dazu werden "kurze" Gammastrahlenausbrüche von zwei Sekunden oder weniger, die nicht mit Supernovae in Verbindung gebracht werden, vermutlich bei der Kollision von Neutronensternpaaren oder von einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch erzeugt. ⓘ

Die so genannten lang anhaltenden Gammastrahlenausbrüche erzeugen eine Gesamtenergie von etwa 10⁴⁴ Joule (so viel Energie wie unsere Sonne in ihrer gesamten Lebenszeit produziert), allerdings in einem Zeitraum von nur 20 bis 40 Sekunden. Die Gammastrahlung macht etwa 50 % der Gesamtenergie aus. Die führenden Hypothesen für den Mechanismus der Erzeugung dieser Strahlen höchster Intensität sind die inverse Compton-Streuung und die Synchrotronstrahlung von hochenergetischen geladenen Teilchen. Diese Prozesse treten auf, wenn relativistisch geladene Teilchen den Bereich des Ereignishorizonts eines neu entstandenen Schwarzen Lochs verlassen, das bei einer Supernova-Explosion entsteht. Der Strahl von Teilchen, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen, wird für einige Dutzend Sekunden durch das Magnetfeld der explodierenden Hypernova gebündelt. Die Fusionsexplosion der Hypernova treibt die Energie des Prozesses an. Wenn der eng gerichtete Strahl zufällig auf die Erde gerichtet ist, leuchtet er bei Gammastrahlenfrequenzen mit einer solchen Intensität, dass er selbst in Entfernungen von bis zu 10 Milliarden Lichtjahren, also nahe dem Rand des sichtbaren Universums, nachgewiesen werden kann. ⓘ

Eigenschaften

Durchdringung von Materie

Alphastrahlung besteht aus Heliumkernen und wird leicht von einem Blatt Papier aufgehalten. Betastrahlung, die aus Elektronen oder Positronen besteht, wird durch eine Aluminiumplatte aufgehalten, während Gammastrahlung durch dichtes Material wie Blei oder Beton abgeschirmt werden muss. ⓘ

Aufgrund ihrer durchdringenden Natur benötigen Gammastrahlen große Mengen an Abschirmungsmasse, um sie auf ein Niveau zu reduzieren, das für lebende Zellen nicht schädlich ist, im Gegensatz zu Alphateilchen, die durch Papier oder Haut aufgehalten werden können, und Betateilchen, die durch dünnes Aluminium abgeschirmt werden können. Gammastrahlen werden am besten von Materialien mit hoher Ordnungszahl (Z) und hoher Dichte absorbiert, die zur Gesamtstoppleistung beitragen. Aus diesem Grund ist eine Abschirmung aus Blei (mit hoher Z-Zahl) als Gammastrahlenabschirmung um 20-30 % besser als die gleiche Masse eines anderen Abschirmungsmaterials mit niedriger Z-Zahl, z. B. Aluminium, Beton, Wasser oder Erde; der Hauptvorteil von Blei liegt nicht im geringeren Gewicht, sondern in seiner Kompaktheit aufgrund seiner höheren Dichte. Schutzkleidung, Schutzbrillen und Atemschutzmasken können vor dem inneren Kontakt mit oder dem Verschlucken von Alpha- oder Betateilchen schützen, bieten aber keinen Schutz vor Gammastrahlung aus externen Quellen. ⓘ

Je höher die Energie der Gammastrahlung ist, desto dicker muss die Abschirmung aus demselben Abschirmungsmaterial sein. Materialien zur Abschirmung von Gammastrahlen werden in der Regel an der Dicke gemessen, die erforderlich ist, um die Intensität der Gammastrahlen um die Hälfte zu reduzieren (Halbwertschicht oder HVL). Beispielsweise wird die Intensität von Gammastrahlen, die 1 cm (0,4″) Blei benötigen, um ihre Intensität um 50 % zu verringern, auch durch 4,1 cm Granitgestein, 6 cm (2½″) Beton oder 9 cm (3½″) verdichteten Boden halbiert. Die Masse von so viel Beton oder Erde ist jedoch nur 20-30 % größer als die von Blei mit der gleichen Absorptionsfähigkeit. Abgereichertes Uran wird zur Abschirmung von tragbaren Gammastrahlenquellen verwendet, aber hier ist die Gewichtsersparnis gegenüber Blei größer, da eine tragbare Quelle im Verhältnis zur erforderlichen Abschirmung sehr klein ist, so dass die Abschirmung in gewisser Weise einer Kugel ähnelt. Das Volumen einer Kugel hängt von der dritten Potenz des Radius ab; bei einer Quelle, deren Radius halbiert wurde, verringert sich das Volumen (und das Gewicht) um den Faktor acht, was die größere Dichte von Uran (und die geringere Masse) mehr als ausgleicht. In einem Kernkraftwerk kann die Abschirmung durch Stahl und Beton im Druck- und Partikeleindämmungsbehälter erfolgen, während Wasser einen Strahlenschutz für die Brennstäbe während der Lagerung oder des Transports in den Reaktorkern bietet. Der Verlust von Wasser oder die Entnahme eines "heißen" Brennelements in die Luft würde zu wesentlich höheren Strahlungswerten führen als bei einer Aufbewahrung unter Wasser. ⓘ

Wechselwirkung von Materie

Der Gesamtabsorptionskoeffizient von Aluminium (Ordnungszahl 13) für Gammastrahlen, aufgetragen gegen die Gammastrahlungsenergie, und die Beiträge der drei Effekte. Wie üblich ist der photoelektrische Effekt bei niedrigen Energien am größten, bei mittleren Energien dominiert die Compton-Streuung und bei hohen Energien die Paarbildung. ⓘ

Der Gesamtabsorptionskoeffizient von Blei (Ordnungszahl 82) für Gammastrahlen, aufgetragen gegen die Gammaenergie, und die Beiträge der drei Effekte. Hier dominiert der photoelektrische Effekt bei niedriger Energie. Oberhalb von 5 MeV beginnt die Paarbildung zu dominieren. ⓘ

Wenn eine Gammastrahlung Materie durchdringt, ist die Absorptionswahrscheinlichkeit proportional zur Dicke der Schicht, der Dichte des Materials und dem Absorptionsquerschnitt des Materials. Die Gesamtabsorption zeigt eine exponentielle Abnahme der Intensität mit der Entfernung von der Einfallsfläche:

$I(x)=I_{0}\cdot e^{-\mu x}$

Dabei ist x die Dicke des Materials ab der Einfallsfläche, μ= nσ der Absorptionskoeffizient, gemessen in cm-1, n die Anzahl der Atome pro cm³ des Materials (atomare Dichte) und σ der Absorptionsquerschnitt in cm². ⓘ

Beim Durchgang durch Materie ionisiert die Gammastrahlung durch drei Prozesse:

• Der photoelektrische Effekt: Dieser beschreibt den Fall, in dem ein Gammaphoton mit einem atomaren Elektron wechselwirkt und seine Energie auf dieses überträgt, wodurch das Elektron aus dem Atom ausgestoßen wird. Die kinetische Energie des entstehenden Photoelektrons ist gleich der Energie des einfallenden Gammaphotons abzüglich der Energie, die das Elektron ursprünglich an das Atom gebunden hat (Bindungsenergie). Der photoelektrische Effekt ist der vorherrschende Energietransfermechanismus für Röntgen- und Gammastrahlenphotonen mit Energien unter 50 keV (Tausend Elektronenvolt), bei höheren Energien ist er jedoch weit weniger wichtig.
• Compton-Streuung: Hierbei handelt es sich um eine Wechselwirkung, bei der ein einfallendes Gammaphoton genügend Energie an ein atomares Elektron verliert, um es auszustoßen, wobei der Rest der Energie des ursprünglichen Photons als neues, energieärmeres Gammaphoton emittiert wird, dessen Emissionsrichtung sich von der des einfallenden Gammaphotons unterscheidet, daher der Begriff "Streuung". Die Wahrscheinlichkeit der Compton-Streuung nimmt mit zunehmender Photonenenergie ab. Es wird angenommen, dass dies der wichtigste Absorptionsmechanismus für Gammastrahlen im mittleren Energiebereich von 100 keV bis 10 MeV ist. Die Compton-Streuung ist relativ unabhängig von der Atomzahl des absorbierenden Materials, weshalb sehr dichte Materialien wie Blei, bezogen auf das Gewicht, nur eine geringfügig bessere Abschirmung bieten als weniger dichte Materialien.
• Erzeugung von Paaren: Diese ist ab einer Gammaenergie von 1,02 MeV möglich und wird bei Energien über 5 MeV als Absorptionsmechanismus wichtig (siehe Abbildung rechts für Blei). Durch Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld eines Kerns wird die Energie des einfallenden Photons in die Masse eines Elektron-Positron-Paares umgewandelt. Jede Gammaenergie, die über die äquivalente Ruhemasse der beiden Teilchen (insgesamt mindestens 1,02 MeV) hinausgeht, erscheint als kinetische Energie des Paares und im Rückstoß des emittierenden Kerns. Am Ende der Reichweite des Positrons verbindet es sich mit einem freien Elektron, und die beiden annihilieren, wobei die gesamte Masse der beiden in zwei Gammaphotonen mit einer Energie von jeweils mindestens 0,51 MeV (oder mehr, je nach der kinetischen Energie der annihilierten Teilchen) umgewandelt wird. ⓘ

Die sekundären Elektronen (und/oder Positronen), die bei einem dieser drei Prozesse entstehen, haben häufig genug Energie, um selbst eine starke Ionisierung zu erzeugen. ⓘ

Darüber hinaus können Gammastrahlen, insbesondere hochenergetische, mit Atomkernen wechselwirken, was zum Ausstoß von Teilchen bei der Photodisintegration oder in einigen Fällen sogar zur Kernspaltung (Photofission) führt. ⓘ

Gammastrahlung ist die am aufwändigsten abzuschirmende ionisierende Strahlung. ⓘ

Im Gegensatz zur Bragg-Kurve bei geladenen Teilchenstrahlungen nimmt die Intensität (und damit der Energieeintrag) der Gammastrahlung exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Das heißt, die Anzahl der Gammastrahlen wird nach jeweils einer Halbwertsdicke halbiert. Die Halbwertsdicke hängt von der Wellenlänge der Gammastrahlung und von der Ordnungszahl des abschirmenden Materials ab: Blei ist deshalb das gängigste zum Strahlenschutz gegen Gammastrahlung verwendete Material. Seine Halbwertsdicke für Gammastrahlung der Energie 2 MeV beträgt 14 mm. Hieraus wird die im Vergleich zu geladenen Teilchenstrahlungen viel durchdringendere Wirkung gut ersichtlich. ⓘ

Wechselwirkung mit Licht

Hochenergetische Gammastrahlen (von 80 GeV bis ~10 TeV), die von weit entfernten Quasaren kommen, werden zur Schätzung des extragalaktischen Hintergrundlichts im Universum verwendet: Die energiereichsten Strahlen wechselwirken leichter mit den Photonen des Hintergrundlichts, so dass die Dichte des Hintergrundlichts durch die Analyse der eintreffenden Gammastrahlenspektren geschätzt werden kann. ⓘ

Gammaspektroskopie

Die Gammaspektroskopie ist die Untersuchung der energetischen Übergänge in Atomkernen, die im Allgemeinen mit der Absorption oder Emission von Gammastrahlen verbunden sind. Wie in der optischen Spektroskopie (siehe Franck-Condon-Effekt) ist die Absorption von Gammastrahlen durch einen Kern besonders wahrscheinlich (d. h. Spitzenwerte in einer "Resonanz"), wenn die Energie der Gammastrahlung mit der eines Energieübergangs im Kern übereinstimmt. Im Falle der Gammastrahlung wird eine solche Resonanz bei der Mössbauer-Spektroskopie beobachtet. Beim Mössbauer-Effekt kann die enge Resonanzabsorption für die nukleare Gamma-Absorption erfolgreich durch die physikalische Immobilisierung von Atomkernen in einem Kristall erreicht werden. Die Immobilisierung der Kerne an beiden Enden einer Gamma-Resonanz-Wechselwirkung ist erforderlich, damit keine Gamma-Energie an die kinetische Energie der zurückprallenden Kerne am emittierenden oder absorbierenden Ende eines Gamma-Übergangs verloren geht. Ein solcher Energieverlust führt zum Scheitern der Gammaresonanzabsorption. Wenn jedoch die emittierten Gammastrahlen im Wesentlichen die gesamte Energie der atomaren Kernentladung, die sie erzeugt, in sich tragen, reicht diese Energie auch aus, um denselben Energiezustand in einem zweiten immobilisierten Kern des gleichen Typs anzuregen. ⓘ

Anwendungen

Gammastrahlenbild eines Lastwagens mit zwei blinden Passagieren, aufgenommen mit einem VACIS (Vehicle and Container Imaging System) ⓘ

Gammastrahlen liefern Informationen über einige der energiereichsten Phänomene im Universum; sie werden jedoch weitgehend von der Erdatmosphäre absorbiert. Instrumente an Bord von Höhenballons und Satellitenmissionen wie das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop liefern uns den einzigen Blick auf das Universum in Gammastrahlen. ⓘ

Durch Gammastrahlen hervorgerufene molekulare Veränderungen können auch dazu genutzt werden, die Eigenschaften von Halbedelsteinen zu verändern, und werden häufig verwendet, um weißen Topas in blauen Topas zu verwandeln. ⓘ

Berührungslose industrielle Sensoren nutzen Gammastrahlenquellen in der Raffinerie-, Bergbau-, Chemie-, Lebensmittel-, Seifen- und Waschmittel- sowie Zellstoff- und Papierindustrie zur Messung von Füllständen, Dichte und Dicke. Gammastrahlensensoren werden auch zur Messung von Flüssigkeitsständen in der Wasser- und Ölindustrie eingesetzt. In der Regel verwenden sie Co-60- oder Cs-137-Isotope als Strahlungsquelle. ⓘ

In den USA werden im Rahmen der Container Security Initiative (CSI) zunehmend Gammastrahlendetektoren eingesetzt. Diese Geräte werden damit beworben, dass sie 30 Container pro Stunde scannen können. ⓘ

Gammastrahlung wird häufig zur Abtötung lebender Organismen in einem Prozess verwendet, der als Bestrahlung bezeichnet wird. Zu den Anwendungen gehören die Sterilisierung medizinischer Geräte (als Alternative zu Autoklaven oder chemischen Mitteln), die Entfernung von Fäulnisbakterien aus vielen Lebensmitteln und die Verhinderung des Austriebs von Obst und Gemüse, um Frische und Geschmack zu erhalten. ⓘ

Trotz ihrer krebserregenden Eigenschaften werden Gammastrahlen auch zur Behandlung bestimmter Krebsarten eingesetzt, da die Strahlen auch Krebszellen abtöten. Bei der so genannten Gamma-Knife-Chirurgie werden mehrere konzentrierte Gammastrahlenstrahlen auf das Wachstum gerichtet, um die Krebszellen abzutöten. Die Strahlen werden aus verschiedenen Winkeln gerichtet, um die Strahlung auf die Geschwulst zu konzentrieren und gleichzeitig die Schädigung des umliegenden Gewebes zu minimieren. ⓘ

Gammastrahlen werden auch zu diagnostischen Zwecken in der Nuklearmedizin bei bildgebenden Verfahren eingesetzt. Es werden verschiedene gammastrahlende Radioisotope verwendet. Bei einer PET-Untersuchung beispielsweise emittiert ein radioaktiv markierter Zucker namens Fluordesoxyglukose Positronen, die von Elektronen vernichtet werden, wodurch Gammastrahlenpaare entstehen, die den Krebs hervorheben, da der Krebs oft eine höhere Stoffwechselrate hat als das umliegende Gewebe. Der in der Medizin am häufigsten verwendete Gammastrahler ist das Kernisomer Technetium-99m, das Gammastrahlen im gleichen Energiebereich wie diagnostische Röntgenstrahlen aussendet. Wenn dieser Radionuklid-Tracer einem Patienten verabreicht wird, kann mit einer Gammakamera ein Bild der Verteilung des Radioisotops erstellt werden, indem die emittierte Gammastrahlung erfasst wird (siehe auch SPECT). Je nachdem, welches Molekül mit dem Tracer markiert wurde, können diese Techniken zur Diagnose einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt werden (z. B. die Ausbreitung von Krebs auf die Knochen mittels Knochenscan). ⓘ

In der Technik eingesetzte Gammastrahler sind hauptsächlich ⁶⁰Co, ⁷⁵Se, ¹⁶⁹Yb und ¹⁹²Ir. 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. ⓘ

Medizin

Gammastrahlung aus radioaktiven Quellen wird in der Strahlentherapie verwendet. Die Strahlenenergie in der Teletherapie muss möglichst hoch sein, Werte bis zu 23 MeV sind möglich; verwendet wird z. B. ⁶⁰Co, das Gammaquanten mit den Energien 1,17 MeV und 1,33 MeV abstrahlt. Aufgrund des Bedarfs an möglichst hochenergetischen Photonen und der mit radioaktiven Strahlern verbundenen Sicherheitsprobleme wird in der Teletherapie die Gammastrahlung jedoch meist als Elektronen-Bremsstrahlung an einer Wolframplatte gewonnen und auch als hochenergetische Röntgenstrahlung bezeichnet. Der Elektronenstrahl wird mit einem Linearbeschleuniger erzeugt. Dieser kann im Gegensatz zu radioaktiven Strahlenquellen im Rahmen der Behandlung ein- oder ausgeschaltet werden. ⓘ

In der Brachytherapie („Bestrahlung von innen“) wird Gammastrahlung mittels kleiner, in den Körper eingeführter Präparate angewendet, meist ¹⁹²Ir. ⓘ

Für diagnostische Zwecke – Szintigrafie und Single-Photon-Emissionscomputertomographie – werden kurzlebige Gammastrahler wie ^99mTc, ¹²³I, ¹³¹I, ¹³³Xe oder ¹¹¹In verwendet. ⓘ

Sensorik und Materialprüfung

Gammastrahlung kann Materie durchdringen, ohne reflektiert oder gebrochen zu werden. Ein Teil der Strahlung wird beim Durchgang absorbiert, abhängig von der Dichte und der Dicke des Mediums. Bei der Füllstandsmessung mit Gammastrahlung nutzt man diesen Umstand, denn die gemessene Strahlungsintensität hängt davon ab, ob sich in dem betrachteten Gefäß ein Medium befindet oder nicht. ⓘ

Eine weitere Anwendung von Gammastrahlen findet man bei der Durchstrahlungsprüfung, mit deren Hilfe man Ablagerungen, Korrosionsschäden oder Erosionsschäden an der Innenseite von Apparaten und Rohrleitungen nachweisen kann. ⓘ

Grenzschutz und Grenzfahndung

Im Grenzschutz werden Radionuclide Identifying Devices eingesetzt, die über die Gammastrahlung Rückschlüsse auf die transportierten radioaktiven Stoffe zulassen. ⓘ

Im Auftrag des Ministeriums für Staatssicherheit der Deutschen Demokratischen Republik wurden an den Grenzkontrollstellen an der innerdeutschen Grenze sogenannte Gammakanonen mit dem radioaktiven ¹³⁷Cs installiert. Diese durchleuchteten die von Ost nach West ausfahrenden Fahrzeuge, um Flüchtlinge aus der DDR aufzuspüren. ⓘ

Sterilisation, Keimverminderung, strahlenchemische Vernetzung

Zur Strahlensterilisation und zur Vernetzung von Polymer-Kunststoffen werden Gammabestrahlungsanlagen verwendet. Sie arbeiten fast ausschließlich mit ⁶⁰Co, das aus ⁵⁹Co in Kernreaktoren durch Neutroneneinfang hergestellt wird. Die Strahlensicherheit bei den Anlagen wird durch die Versenkbarkeit der Strahlenquellen in ein tiefes Wasserbecken oder einen tiefen, schachtförmigen Betonbunker erreicht. ⓘ

Die Gammasterilisation medizinischer Produkte, z. B. eingeschweißter Notfallbestecke, hat vor anderen Verfahren den Vorteil, dass sie in der Verkaufsverpackung erfolgen kann. ⓘ

Auf dem Gebiet der Lebensmittelbestrahlung ist vor allem die Zwiebelbestrahlung zu nennen, die in der DDR in der Zeit von 1986 bis 1990 durchgeführt wurde. Eine hierauf spezialisierte Gammabestrahlungsanlage gab es bei der Landwirtschaftlichen Produktionsgenossenschaft Queis in Spickendorf. In der DDR wurden auch viele andere Lebensmittel bestrahlt (Geflügel, Gewürze, Volleipulver etc.); eine Kennzeichnung der Produkte war nicht vorgesehen. Mit der Deutschen Wiedervereinigung erloschen diese Zulassungen. ⓘ

Großbestrahlungsanlagen gibt es z. B. in den Niederlanden und in Südafrika. ⓘ

Mößbauer-Spektroskopie

Der Rückstoß, den der Atomkern bei der Emission des Gammaquants normalerweise erhält, kann unter Umständen von dem gesamten Kristallgitter übernommen werden, in das dieser eingebettet ist. Dadurch wird der Energieanteil, der dem Photon durch Rückstoß verloren geht, vernachlässigbar klein. Ist zudem die Halbwertszeit des angeregten Zustands hoch, entstehen Gammastrahlen mit einer extrem scharfen Energie. Darauf beruht die in der chemischen Analytik wichtige Mößbauer-Spektroskopie. ⓘ

Gesundheitliche Auswirkungen

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 Äquivalentdosis beschrieben. Die Folgen können am bestrahlten Organismus selbst (somatische Schäden) oder, durch Schädigung des Erbguts, an seinen Nachkommen als genetische Schäden auftreten. ⓘ

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). ⓘ

Gammastrahlen verursachen Schäden auf zellulärer Ebene und sind durchdringend, so dass sie im gesamten Körper diffuse Schäden verursachen. Sie sind jedoch weniger ionisierend als Alpha- oder Betateilchen, die weniger durchdringend sind. ⓘ

Niedrige Gammastrahlendosen verursachen ein stochastisches Gesundheitsrisiko, das bei der Bewertung der Strahlendosis als Wahrscheinlichkeit der Krebsentstehung und genetischer Schäden definiert wird. Hohe Dosen haben deterministische Wirkungen, d. h. die Schwere der akuten Gewebeschäden, die mit Sicherheit eintreten werden. Diese Wirkungen werden mit der physikalischen Größe Energiedosis verglichen, die in der Einheit Grau (Gy) gemessen wird. ⓘ

Reaktion des Körpers

Wenn Gammastrahlung DNA-Moleküle bricht, kann eine Zelle das geschädigte genetische Material innerhalb bestimmter Grenzen reparieren. Eine Studie von Rothkamm und Lobrich hat jedoch gezeigt, dass dieser Reparaturprozess nach einer hohen Dosis gut funktioniert, bei einer niedrigen Dosis jedoch viel langsamer ist. ⓘ

Risikobewertung

Die natürliche Exposition im Freien liegt im Vereinigten Königreich zwischen 0,1 und 0,5 µSv/h, wobei sie in der Nähe bekannter nuklearer und kontaminierter Standorte deutlich höher ist. Die natürliche Exposition gegenüber Gammastrahlen beträgt etwa 1 bis 2 mSv pro Jahr, und die durchschnittliche Gesamtstrahlungsmenge, die ein Einwohner der USA in einem Jahr erhält, beträgt 3,6 mSv. Die Dosis der natürlich vorkommenden Gammastrahlung wird durch den photoelektrischen Effekt in der Nähe kleiner Partikel von Materialien mit hoher Ordnungszahl im menschlichen Körper leicht erhöht. ⓘ

Im Vergleich dazu beträgt die Strahlendosis bei einer Thorax-Radiographie (etwa 0,06 mSv) nur einen Bruchteil der jährlichen natürlich vorkommenden Hintergrunddosis. Eine Thorax-CT liefert 5 bis 8 mSv. Ein Ganzkörper-PET/CT-Scan kann je nach Protokoll 14 bis 32 mSv liefern. Die Dosis bei der Durchleuchtung des Magens ist viel höher, etwa 50 mSv (das 14-fache der jährlichen Hintergrundstrahlung). ⓘ

Eine akute Ganzkörper-Äquivalentdosis von 1 Sv (1000 mSv) verursacht leichte Blutveränderungen, aber 2,0-3,5 Sv (2,0-3,5 Gy) verursacht ein sehr schweres Syndrom mit Übelkeit, Haarausfall und Blutungen und führt in einer beträchtlichen Anzahl von Fällen zum Tod - etwa 10 % bis 35 % ohne medizinische Behandlung. Eine Dosis von 5 Sv (5 Gy) gilt als ungefährer LD₅₀-Wert (tödliche Dosis für 50 % der exponierten Bevölkerung) für eine akute Strahlenexposition, selbst bei medizinischer Standardbehandlung. Bei einer Dosis von mehr als 5 Sv (5 Gy) steigt die Wahrscheinlichkeit des Todes auf über 50 %. Ab einer Ganzkörperdosis von 7,5-10 Sv (7,5-10 Gy) können auch außergewöhnliche Behandlungen wie Knochenmarkstransplantationen den Tod der exponierten Person nicht verhindern (siehe Strahlenvergiftung). (Im Rahmen einer Strahlentherapie können jedoch viel höhere Dosen an ausgewählte Körperteile abgegeben werden). ⓘ

Bei einer niedrigen Strahlendosis, z. B. bei Nukleararbeitern, die im Durchschnitt eine jährliche Strahlendosis von 19 mSv erhalten, steigt das Risiko, an Krebs (außer Leukämie) zu sterben, um 2 %. Bei einer Dosis von 100 mSv beträgt die Risikoerhöhung 10 %. Zum Vergleich: Das Risiko, an Krebs zu sterben, war für die Überlebenden der Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki um 32 % erhöht. ⓘ

Maßeinheiten und Exposition

Die folgende Tabelle zeigt Strahlungsgrößen in SI- und Nicht-SI-Einheiten:

Ionisierende Strahlung bezogene Größen ansehen ‧ sprechen ‧ bearbeiten

Größe	Einheit	Symbol	Ableitung	Jahr	SI-Äquivalenz ⓘ
Aktivität (A)	Becquerel	Bq	s-1	1974	SI-Einheit
	Curie	Ci	3.7 × 1010 s-1	1953	3,7 × 101010 Bq
	rutherford	Rd	106 s-1	1946	1.000.000 Bq
Exposition (X)	Coulomb pro Kilogramm	C/kg	C⋅kg-1 der Luft	1974	SI-Einheit
	Röntgen	R	esu / 0,001293 g Luft	1928	2,58 × 10-4 C/kg
Absorbierte Dosis (D)	grau	Gy	J⋅kg-1	1974	SI-Einheit
	erg pro Gramm	erg/g	erg⋅g-1	1950	1,0 × 10-4 Gy
	rad	rad	100 erg⋅g-1	1953	0,010 Gy
Äquivalentdosis (H)	Sievert	Sv	J⋅kg-1 × WR	1977	SI-Einheit
	Röntgen-Äquivalentmann	rem	100 erg⋅g-1 x WR	1971	0,010 Sv
Effektive Dosis (E)	Sievert	Sv	J⋅kg-1 × WR × WT	1977	SI-Einheit
	Röntgen-Äquivalentmann	rem	100 erg⋅g-1 × WR × WT	1971	0,010 Sv

Das Maß für die ionisierende Wirkung von Gamma- und Röntgenstrahlen in trockener Luft wird als Exposition bezeichnet, für die seit 1928 eine alte Einheit, das Röntgen, verwendet wurde. Sie wurde durch die Einheit Kerma ersetzt, die heute hauptsächlich für die Kalibrierung von Geräten, nicht aber für die empfangene Dosis verwendet wird. Die Wirkung von Gammastrahlung und anderer ionisierender Strahlung auf lebendes Gewebe hängt eher mit der im Gewebe deponierten Energiemenge als mit der Ionisierung der Luft zusammen. Daher wurden ab 1953 neue radiometrische Einheiten und Größen für den Strahlenschutz definiert und entwickelt. Diese sind:

• Das Gray (Gy) ist die SI-Einheit für die Energiedosis, d. h. die Menge an Strahlungsenergie, die in dem bestrahlten Material deponiert wird. Für Gammastrahlung ist dies numerisch äquivalent zur Äquivalentdosis, die mit dem Sievert gemessen wird, das die stochastische biologische Wirkung geringer Strahlungsmengen auf menschliches Gewebe angibt. Der Umrechnungsfaktor von der Energiedosis zur Äquivalentdosis beträgt für Gammastrahlung 1, während für Alphateilchen ein Faktor von 20 gilt, der ihre größere ionisierende Wirkung auf das Gewebe widerspiegelt.
• Das Rad ist die veraltete CGS-Einheit für die Energiedosis und das Rem ist die veraltete CGS-Einheit für die Äquivalentdosis, die hauptsächlich in den USA verwendet wird. ⓘ

Abgrenzung zur Röntgenstrahlung

In der Praxis überschneiden sich die Energien der Gammastrahlung mit denen der Röntgenstrahlung, insbesondere im höherfrequenten Bereich, der als "harte" Röntgenstrahlung bezeichnet wird. Diese Darstellung folgt der älteren Konvention der Unterscheidung nach Wellenlängen. ⓘ

Die herkömmliche Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen hat sich im Laufe der Zeit geändert. Ursprünglich hatte die von Röntgenröhren ausgesandte elektromagnetische Strahlung fast immer eine größere Wellenlänge als die von radioaktiven Kernen ausgesandte Strahlung (Gammastrahlen). In der älteren Literatur wurde zwischen Röntgen- und Gammastrahlung auf der Grundlage der Wellenlänge unterschieden, wobei Strahlung, die kürzer als eine beliebige Wellenlänge (z. B. 10-11 m) war, als Gammastrahlung definiert wurde. Da die Energie von Photonen proportional zu ihrer Frequenz und umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, kann diese frühere Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen auch in Bezug auf ihre Energie betrachtet werden, wobei Gammastrahlen als elektromagnetische Strahlung mit höherer Energie als Röntgenstrahlen gelten. ⓘ

Da die heutigen künstlichen Quellen jedoch in der Lage sind, jede elektromagnetische Strahlung zu duplizieren, die vom Kern ausgeht, und auch weitaus höhere Energien zu erzeugen, überschneiden sich die für radioaktive Gammastrahlenquellen und andere Arten charakteristischen Wellenlängen nun vollständig. Daher werden Gammastrahlen heute in der Regel nach ihrem Ursprung unterschieden: Röntgenstrahlen werden definitionsgemäß von Elektronen außerhalb des Kerns ausgesandt, während Gammastrahlen vom Kern ausgesandt werden. Ausnahmen von dieser Konvention gibt es in der Astronomie, wo der Gammazerfall im Nachleuchten bestimmter Supernovas zu sehen ist. Die Strahlung von Hochenergieprozessen, die bekanntermaßen andere Strahlungsquellen als den radioaktiven Zerfall betreffen, wird jedoch weiterhin als Gammastrahlung eingestuft. ⓘ

Der Mond, gesehen vom Compton-Gammastrahlen-Observatorium, mit Gammastrahlen von mehr als 20 MeV. Diese werden durch den Beschuss der Mondoberfläche mit kosmischer Strahlung erzeugt. Die Sonne, die keine vergleichbare Oberfläche mit hoher Ordnungszahl hat, die als Ziel für kosmische Strahlung dienen könnte, ist bei diesen Energien, die zu hoch sind, um aus primären Kernreaktionen wie der solaren Kernfusion zu stammen, in der Regel überhaupt nicht zu sehen (obwohl die Sonne gelegentlich Gammastrahlen durch zyklotronartige Mechanismen während Sonneneruptionen erzeugt). Gammastrahlen haben in der Regel eine höhere Energie als Röntgenstrahlen. ⓘ

Moderne hochenergetische Röntgenstrahlen, die von Linearbeschleunigern für die Megavolt-Behandlung von Krebs erzeugt werden, haben zum Beispiel oft eine höhere Energie (4 bis 25 MeV) als die meisten klassischen Gammastrahlen, die durch den Gammazerfall in Kernen entstehen. Eines der am häufigsten in der diagnostischen Nuklearmedizin verwendeten gammastrahlenemittierenden Isotope, Technetium-99m, erzeugt Gammastrahlung mit derselben Energie (140 keV) wie die von diagnostischen Röntgengeräten erzeugte, aber mit einer wesentlich geringeren Energie als die therapeutischen Photonen aus linearen Teilchenbeschleunigern. In der medizinischen Fachwelt gilt heute noch die Konvention, dass nur die durch Kernzerfall erzeugte Strahlung als "Gammastrahlung" bezeichnet wird. ⓘ

Aufgrund dieser weitreichenden Überschneidung der Energiebereiche werden die beiden Arten elektromagnetischer Strahlung in der Physik nun häufig nach ihrem Ursprung definiert: Röntgenstrahlen werden von Elektronen ausgesandt (entweder in Orbitalen außerhalb des Kerns oder während sie beschleunigt werden, um bremsstrahlartige Strahlung zu erzeugen), während Gammastrahlen vom Kern oder durch andere Teilchenzerfälle oder Annihilationsereignisse ausgesandt werden. Es gibt keine untere Grenze für die Energie von Photonen, die durch Kernreaktionen erzeugt werden, so dass auch ultraviolette oder energieärmere Photonen, die durch diese Prozesse erzeugt werden, als "Gammastrahlen" definiert würden. Die einzige Namenskonvention, die immer noch allgemein eingehalten wird, ist die Regel, dass elektromagnetische Strahlung, von der man weiß, dass sie atomaren Ursprungs ist, immer als "Gammastrahlen" und niemals als Röntgenstrahlen bezeichnet wird. In der Physik und Astronomie wird jedoch häufig gegen die umgekehrte Konvention (dass alle Gammastrahlen als nuklearen Ursprungs gelten) verstoßen. ⓘ

In der Astronomie werden höherenergetische Gamma- und Röntgenstrahlen durch ihre Energie definiert, da die Prozesse, die sie erzeugen, ungewiss sein können und die Energie der Photonen, nicht ihr Ursprung, die erforderlichen astronomischen Detektoren bestimmt. In der Natur kommen hochenergetische Photonen vor, von denen bekannt ist, dass sie durch andere Prozesse als den Kernzerfall erzeugt werden, die aber dennoch als Gammastrahlung bezeichnet werden. Ein Beispiel ist die Gammastrahlung von Blitzentladungen mit einer Energie von 10 bis 20 MeV, die bekanntermaßen durch den Bremsstrahlungsmechanismus erzeugt wird. ⓘ

Ein weiteres Beispiel sind Gammastrahlenausbrüche, von denen man inzwischen weiß, dass sie durch Prozesse entstehen, die zu stark sind, als dass es sich um einfache Ansammlungen von Atomen handeln könnte, die einem radioaktiven Zerfall unterliegen. Dies ist Teil der allgemeinen Erkenntnis, dass viele Gammastrahlen, die in astronomischen Prozessen erzeugt werden, nicht durch radioaktiven Zerfall oder Teilchenvernichtung entstehen, sondern durch nicht-radioaktive Prozesse, ähnlich wie bei Röntgenstrahlen. Obwohl die Gammastrahlen in der Astronomie oft aus nicht-radioaktiven Ereignissen stammen, sind einige wenige Gammastrahlen in der Astronomie speziell dafür bekannt, dass sie aus dem Gammazerfall von Kernen stammen (was durch ihre Spektren und Emissionshalbwertszeiten belegt wird). Ein klassisches Beispiel ist die Supernova SN 1987A, die ein "Nachglühen" von Gammastrahlenphotonen aus dem Zerfall von neu entstandenem radioaktivem Nickel-56 und Kobalt-56 aussendet. Die meisten Gammastrahlen in der Astronomie entstehen jedoch durch andere Mechanismen. ⓘ

Entstehung

Radioaktivität: „Gammazerfall“

Spektrum

Gemessenes Gammaspektrum von ⁶⁰Co, Linien bei 1173 und 1332 keV ⓘ

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 $\tau$ eines Übergangs umgekehrt proportional seiner Energieunschärfe oder Linienbreite $\Gamma$:

$\Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}$. ⓘ

Die Lebensdauern angeregter Kernzustände sind stets größer als etwa 10⁻¹⁵ Sekunden und führen daher zu diskreten Photonenenergien mit Halbwertsbreiten unter 0,3 eV. ⓘ

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 (englisch Gamma Ray Bursts) – 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 natürlicher Gamma- und Röntgenstrahlung überlappen sich, was eine gewisse Unschärfe dieser Begriffe zur Folge hat. Mancher Autor verwendet die Begriffe weiterhin im klassischen Sinne, um die Herkunft der Strahlung (Gammastrahlung aus Kernprozessen, Röntgenstrahlung aus hochenergetischen Prozessen mit Elektronen) zu kennzeichnen. Andere Autoren unterscheiden hingegen nach der Quantenenergie, wobei die Trennlinie dann bei ca. 100 bis 250 Kiloelektronenvolt liegt. Eine genaue Festlegung gibt es hierfür aber nicht. Zur Vermeidung von Missverständnissen ist es daher immer sinnvoll, Quantenenergie und Entstehungsprozess explizit anzugeben. Andererseits führen genau diese exakten Angaben in populärwissenschaftlicher Literatur regelmäßig zu Verständnisschwierigkeiten, weil viele Leser mit keV-Angaben oder Begriffen wie Bremsstrahlung oder Synchrotronstrahlung überfordert sind, während die Bezeichnungen Gamma- und Röntgenstrahlung allgemein bekannt sind. Daher müssen Autoren zwischen Verständlichkeit und Unschärfe ihrer Formulierungen abwägen. ⓘ

Nachweis

Gammastrahlung kann durch ihre Wechselwirkung mit Materie nachgewiesen werden, z. B. mit Teilchendetektoren wie der Ionisationskammer oder dem Geiger-Müller-Zählrohr, Szintillationszählern, Halbleiterdetektoren oder Tscherenkow-Zählern. ⓘ