Gammastrålning

Gammastrålning (illustrativ representation)

Gamma-strålning - även skriven ɣ-strålning - är i smalare bemärkelse en särskilt penetrerande elektromagnetisk strålning , som uppstår från spontana transformationer ("förfall") av atomkärnorna hos många naturligt förekommande eller artificiellt producerade radioaktiva nuklider .

Namnet kommer från uppdelningen av joniserande strålning från radioaktivt sönderfall i alfastrålning , betastrålning och gammastrålning med deras ökande förmåga att tränga igenom material. Alfa- och beta-strålning består av laddade partiklar och interagerar därför mycket starkare med materia än de uppladdade fotonerna eller kvantorna av gammastrålning. Följaktligen har de senare en betydligt högre penetrationsförmåga.

Olika typer av det elektromagnetiska spektrumet ( engelska gammastrålar )

I vidare bemärkelse används gammastrålning för att beteckna eventuell elektromagnetisk strålning med kvantenergier över cirka 200  keV , oavsett hur den genereras . Detta motsvarar våglängder som är kortare än 0,005 nm (5 pm ). I denna allmänna mening används termen särskilt när strålningens bildningsprocess är okänd, spelar ingen roll (till exempel i astronomi) eller för den specifika uppgiften (till exempel i önskat strålskydd ), men uttrycks emellertid att högre energier än med röntgenstrålning (cirka 100 eV till 300 keV) är närvarande.

Den lilla grekiska bokstaven ( gamma ) används i allmänhet som en formelsymbol för en foton av vilken energi som helst och ursprungstyp.

Tillväxt

Radioaktivitet: "gammaförfall"

Gammastrålning i ordets ursprungliga bemärkelse uppstår när kärnan ( dotterkärnan ) som finns kvar efter ett radioaktivt alfa- eller betaförfall är i ett upphetsat tillstånd ; detta gäller för många, men inte för alla alfa- och betaförfall. Den upphetsade kärnan vibrerar eller roterar - för att uttrycka det tydligt - under lång tid. Under övergången till ett mindre starkt upphetsat tillstånd eller marktillståndet släpper det ut den frigjorda energin i form av gammastrålning (se förfallsschema ). Denna förändring i kärnans tillstånd är känd som en gammaövergång eller "gammaförfall", även om kärnan inte på något sätt "sönderfaller i dess komponenter" eftersom antalet neutroner och protoner förblir konstant.

Det upphetsade tillståndet kan också ha uppstått på andra sätt, till exempel neutronfångst eller andra kärnreaktioner eller tidigare absorption av en kvantitet med högre energi .

spektrum

Mätt gammaspektrum på 60 Co , linjer vid 1173 och 1332 keV

Gamstrålarnas våglängder eller energier är diskreta och är karakteristiska för respektive radionuklid, jämförbar med det optiska linjespektrumet för kemiska element. Mätningen av gammaspektrumet hos en okänd substans ( gammaspektroskopi ) är därför lämplig för att ge information om typerna och proportionerna av de radionuklider som den innehåller.

De skarpa energierna i gammaspektrallinjerna förklaras av det faktum att gammatransitions livstider är relativt långa när det gäller kärnfysik. Den upphetsade kärnan - som du kan föreställa dig som en pulserande rugbyboll - bygger upp ett oscillerande elektromagnetiskt fyrfältfält . En gammakvant kan bara absorbera dipoloscillationer; dess utsläpp är därför relativt osannolikt. Enligt osäkerhetsrelationen mellan energi och energi är livslängden för en övergång omvänt proportionell mot dess energisäkerhet eller linjebredd :

.

Livslängden för upphetsade kärnstater är alltid längre än cirka 10–15  sekunder och leder därför till diskreta fotonergier med halvbredder under 0,3 eV.

Beteckning enligt modernukliden för alfa- eller betaförfallet

Den genomsnittliga fördröjningen eller halveringstiden mellan alfa- eller beta-sönderfallet och gammaövergången beror på nukliden och respektive exciterade tillstånd. Även om det är ”långt” i kärnans fysiska bemärkelse är det i praktiken vanligtvis mycket kort (bråkdelar av en sekund). Om du vill använda gammastrålning för forskning, medicinska eller tekniska ändamål - till exempel kaskad av två fotoner på 1,17 och 1,33 MeV som emitteras av 2,5 MeV-tillståndet av nukliden 60 Ni - behöver du därför en beredning av betaemittern 60 Co . Denna nuklid sönderfaller till önskat 60 Ni-tillstånd med en halveringstid på 5,26 år .

Förfallsschema på 60 Co

Av denna praktiska skäl, gammastrålar (inte bara för 60 Ni, men i allmänhet, även i vetenskapliga och tekniska dokument, tabeller, nuklidspecifika kartor etc.) alltid tilldelas modern nukliden av föregående alfa- eller betasönderfall i exempel 60 Co: Människan talar om kobolt-60-strålning, koboltkanon , etc., även om det bara handlar om gammastrålning som emitteras av dotterkärnan 60 Ni.

De sällsynta fallen av upphetsade atomkärnor vars gammaövergångar har halveringstider på sekunder, minuter eller ännu längre kallas metastabila eller nukleära isomerer . Endast i dessa fall används den faktiska gamma-emitterande nukliden som beteckning. Ett exempel är teknetium isotopen 99 m Tc, som används i medicinsk diagnostik (se scintigrafi ).

Parförintelse

Under parförintelse , reaktionen av en partikel med tillhörande antipartiklar , uppstår också fotoner (ensamma eller förutom andra möjliga reaktionsprodukter), som också kallas gammastrålning. Denna gammakvantum bär med sig energin i massan som motsvarar de förstörda partiklarna mindre slutlig bindningsenergi om de två partiklarna redan var bundna till varandra eller varandra, "cirkulerande", plus eventuell redan existerande rörelseenergi .

Gammastrålning i astronomi

Gamma-ray bursts ( engelska gamma ray bursts ) - även känd som gammastrålningsexplosioner - är ett av de mest energiska fenomenen i universum är din bildningsmekanism bara delvis förstådd .. Spektrumet är kontinuerligt med fotonenergier från cirka 1 keV till MeV-området. Den innehåller bland annat röntgen . Det handlar inte om gammastrålning i smalare, nukleär fysisk mening (se inledningen).

Terminologi: gammastrålar och röntgenstrålar

Energiområdena för naturlig gamma och röntgenstrålar överlappar varandra, vilket resulterar i en viss suddighet av dessa termer. Vissa författare fortsätter att använda termerna i klassisk mening för att identifiera strålningens ursprung (gammastrålning från kärnprocesser, röntgenstrålar från högenergiprocesser med elektroner). Andra författare differentierar emellertid efter kvantenergin, delningslinjen är då cirka 100 till 250 kiloelektronvolt. Det finns dock ingen exakt definition för detta. För att undvika missförstånd är det därför alltid användbart att uttryckligen ange kvantenergin och dess skapande. Å andra sidan leder just denna exakta information i populärvetenskaplig litteratur regelbundet till svårigheter att förstå, eftersom många läsare är överväldigade av keV-information eller termer som bremsstrahlung eller synkrotronstrålning , medan termerna gamma- och röntgenstrålning är allmänt kända. Författare måste därför väga upp mellan begripligheten och oklarheten i deras formulering.

Interaktion med materia

Gamma-strålning är den mest komplexa joniserande strålningen som behöver skyddas.

Till skillnad från Bragg-kurvan för laddade partikelstrålningar minskar intensiteten (och därmed energiinmatningen) av gammastrålningen exponentiellt med penetrationsdjupet. Detta innebär att antalet gammastrålningar halveras efter varje tjocklek med halv värde . Halvvärdets tjocklek beror på gammastrålningens våglängd och skärmmaterialets atomnummer : bly är därför det vanligaste materialet som används för strålskydd mot gammastrålning. Dess halvvärde tjocklek för gammastrålning med en energi på 2 MeV är 14 mm. Detta visar tydligt den mycket mer genomträngande effekten jämfört med laddad partikelstrålning.

De viktigaste interaktionsprocesserna när gammastrålning passerar genom materia är fotojonisering , Compton -spridning ( Compton -effekt ) och parbildning .

Biologisk effekt

Om gammastrålning absorberas i vävnader från människor, djur eller växter blir dess energi effektiv vid jonisering och andra processer. Sekundär strålning såsom frigjorda elektroner och röntgenstrålar förekommer i vävnaden . Sammantaget resulterar brytningen av kemiska bindningar i effekter som är mestadels skadliga för organismen. Omfattningen av den totala effekten beskrivs av dosekvivalenten . Konsekvenserna kan inträffa på den bestrålade organismen själv ( somatisk skada) eller, genom skada på det genetiska sminket , på dess avkomma som genetisk skada.

Cellernas funktionalitet bibehålls inledningsvis mestadels även med höga doser strålning. Så snart cellen delar eller producerar proteiner kan förändringar i det genetiska materialet och skador på cellorganeller leda till cellens död. Den strålnings sjukdom drabbar så först efter en viss tid dödlig om vissa viktiga celltyper som regelbundet dör även hos friska människor och ombildas, inte längre existerar i tillräckligt antal. Blodceller påverkas särskilt av detta. Alternativt kan mutationer orsakade av strålning leda till okontrollerad celldelning, där delande celler för det mesta förlorar sin ursprungliga biologiska funktion. Det orsakade tumörer som bortom metastaser kan bildas ( cancer ).

Applikationer

Gammasändare som används inom teknik är främst 60 Co , 75 Se , 169 Yb och 192 Ir . En nackdel med gammastrålning är att strålningskällorna inte kan stängas av. Vid användning av gammastrålning i drift måste omfattande strålskyddsåtgärder vidtas på grund av dess farlighet .

medicin

Gamma-strålar från radioaktiva källor används i strålterapi . Strålningsenergin vid teleterapi måste vara så hög som möjligt, värden på upp till 23 MeV är möjliga; används t.ex. B. 60 Co , som avger gammakvanta med energierna 1,17 MeV och 1,33 MeV. På grund av behovet av hög-energifotoner som möjligt och de säkerhetsproblem som är förknippade med radioaktiva emittrar är gammastrålning i teleterapi erhålles vanligen som elektronbromsstrålning på en volframplatta och är även kallad hög energi röntgenstrålning . Elektronstrålen genereras med en linjär accelerator . Till skillnad från radioaktiva strålningskällor kan detta slås på eller av som en del av behandlingen.

Vid brachyterapi ("bestrålning från insidan") används gammastrålning med hjälp av små preparat som införs i kroppen, vanligtvis 192 Ir .

För diagnostiska ändamål - scintigrafi och datortomografi med enkelfotonemission - används kortlivade gammastrålare som 99m Tc , 123 I , 131 I, 133 Xe eller 111 In .

Sensorteknik och materialtestning

Gammastrålar kan tränga igenom materia utan att reflekteras eller brytas . En del av strålningen absorberas när den passerar igenom , beroende på mediets densitet och tjocklek. I nivåmätningen med gammastrålning använder man denna omständighet, eftersom den uppmätta strålningsintensiteten beror på om det finns i det betraktade kärlet ett medium eller inte.

En annan tillämpning av gammastrålar finns i radiografiska tester , som kan användas för att upptäcka avlagringar, korrosionsskador eller erosionsskador på insidan av apparaten och rörledningarna.

Gränsskydd och gränssökning

Radionuklide Identifying Devices används i gränsvakter , som gör det möjligt att dra slutsatser om de transporterade radioaktiva ämnena via gammastrålningen.

På uppdrag av ministeriet för statens säkerhet i den tyska demokratiska republiken , så kallade gamma kanoner med det radioaktiva 137 Cs har installerats vid gränskontrollpunkternainre tyska gränsen . Dessa röntgade de fordon som körde från öst till väst för att spåra flyktingar från DDR .

Sterilisering, bakteriereduktion, strålningskemisk tvärbindning

För strålningssterilisering och tvärbindning av polymer -Kunststoffen används gammastrålningsanläggningar . De arbetar nästan uteslutande med 60 Co, som produceras från 59 Co i kärnreaktorer genom neutronupptagning . Den säkerhets strålning vid anläggningen är djup genom sammandragbarhet strålningskällor till en djup pool av vatten eller når axeln formade betongbunkrar.

Gamma-sterilisering av medicinska produkter, t.ex. B. svetsade nödsatser, har fördelen framför andra metoder att det kan göras i försäljningsförpackningen.

Inom området för bestrålning av livsmedel bör särskilt bestrålning av lök, som utfördes i DDR mellan 1986 och 1990, nämnas. Det fanns ett specialiserat gamma-bestrålningssystem vid Queis jordbruksproduktionskooperativ i Spickendorf. I DDR bestrålades också många andra livsmedel (fjäderfä, kryddor, heläggspulver etc.); märkningen av produkterna var inte avsedd. Med den tyska återföreningen upphörde dessa godkännanden.

Det finns stora bestrålningssystem, till exempel. B. i Nederländerna och i Sydafrika.

Mössbauer -spektroskopi

Den rekyl att atomkärnan får normalt när gammakvantum emitteras kan, under vissa omständigheter, vara övertas av hela kristallgittret i vilket det är inbäddat. Som ett resultat blir mängden energi som foton tappar genom rekyl försumbar liten. Dessutom skapas gammastrålar med extremt skarp energi om halveringstiden för det exciterade tillståndet är hög. Mössbauer -spektroskopin, som är viktig i kemisk analys, bygger på detta.

bevis

Gamma-strålning kan detekteras genom dess interaktion med materia, t.ex. B. med partikeldetektorer som joniseringskammaren eller Geiger-Müller motrör , scintillationsräknare , halvledardetektorer eller Cherenkov-räknare .

Forskningshistoria

År 1900 hittade Paul Villard en komponent i den radioaktiva strålningen som upptäcktes fyra år tidigare av Antoine Henri Becquerel , som inte kunde avböjas av magnetfält och visade en mycket hög permeabilitet av materia. Eftersom det var den tredje strålkomponenten som hittades, myntade Ernest Rutherford termen gammastrålning .

Genom diffraktion av gammastrålning på kristaller lyckades Rutherford och Edward Andrade 1914 visa att det är en form av elektromagnetisk strålning . De våglängder som hittades var mycket korta och jämförbara med röntgenstrålar .

Se även

litteratur

  • Werner Stolz, radioaktivitet. Basics - Measurement - Applications , Teubner, 5: e upplagan 2005, ISBN 3-519-53022-8
Kärnfysik
Forskningshistoria
  • Milorad Mlađenović, Historien om tidig kärnfysik (1896–1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3
Strålskydd
  • Hanno Krieger: Grunderna i strålningsfysik och strålskydd . Vieweg + Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
  • Claus Grupen, grundkurs i strålskydd. Praktisk kunskap för hantering av radioaktiva ämnen , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
  • James E Martin, Physics for Radiation Protection , Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6
medicin
  • Günter Goretzki, medicinsk strålningsvetenskap. Fysikalisk-tekniska grunder , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
  • Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Clinical Radiation Biology - i ett nötskal , Urban & Fischer februari 2006, ISBN 3-437-23960-0

webb-länkar

Commons : Gamma Radiation  - samling av bilder, videor och ljudfiler
Wiktionary: Gammastrålning  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

Individuella bevis

  1. ^ Informationsbrev från BG RCI ( Memento den 2 april 2015 i Internetarkivet ) (PDF; 136 kB).
  2. Det finns ingen flugspegel från den 19 december 1994