Gammastrahlung
Gammastrahlung besteht aus hochenergetischen Photonen, die emittiert werden, wenn ein Kern von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand übergeht. Bei einem reinen Gammaübergang ändern sich weder Protonen- noch Neutronenzahl; geändert werden die innere Energie des Kerns und häufig sein Drehimpulszustand.
Ein Übergang zwischen Kernenergieniveaus
Ein angeregter Kern kann Energie als Gammaphoton abgeben. Die Photonenenergie entspricht der Differenz zwischen den beiden Kernniveaus: Eγ = hν = hc/λ. Da Kernenergieniveaus quantisiert sind, enthalten Gammaspektren häufig charakteristische Linien.
Gammaemission folgt häufig auf einen anderen Zerfall
Ein Alpha- oder Betazerfall kann den Tochterkern in einem angeregten Zustand zurücklassen. Beim Übergang zu niedrigeren Niveaus kann der Tochterkern anschließend ein oder mehrere Gammaphotonen emittieren. „Gammastrahlung“ beschreibt daher häufig den Abregungsschritt und nicht einen Elementwechsel. Gammaemission sollte begrifflich von der Umwandlung getrennt werden, die den angeregten Kern erzeugt hat.
Die Abschwächung ist exponentiell
Für einen schmalen Strahl in einem homogenen Absorber lautet ein häufiges Modell I = I₀e−μx, wobei μ der lineare Schwächungskoeffizient und x die Schichtdicke ist. Die Halbwertsschicht ist die Dicke, die die Strahlintensität auf die Hälfte reduziert. Der Koeffizient hängt stark von Photonenenergie und Materialzusammensetzung ab.
Schwächungs-Explorer
Photonen wechselwirken anders als geladene Teilchen
Gammaphotonen tragen keine elektrische Ladung und ionisieren deshalb nicht kontinuierlich entlang einer Spur wie Alphateilchen. Stattdessen können einzelne Photonen je nach Energie und Material Wechselwirkungen wie Photoabsorption, Compton-Streuung oder Paarbildung eingehen. „Durchdringend“ bedeutet daher nicht „wechselwirkt nie“, sondern dass die Wahrscheinlichkeit, eine gegebene Dicke zu durchqueren, beträchtlich sein kann.
Durchgerechnete Beispiele
1. Photonenenergie aus der Frequenz
Lösung
Für ν = 3,0 × 10¹⁹ Hz gilt E = hν ≈ 6,63 × 10⁻³⁴ × 3,0 × 10¹⁹ = 1,99 × 10⁻¹⁴ J.
2. Was ändert sich bei reiner Gammaemission?
Lösung
Der Kern geht in einen niedrigeren Energiezustand über, A und Z bleiben jedoch unverändert. Das emittierte Photon trägt Energie und Impuls.
3. Abschwächung anwenden
Lösung
Gilt μx = ln 2, dann ist I/I₀ = e−ln 2 = 1/2. Diese Dicke entspricht einer Halbwertsschicht.