Gammastrahlung und Strahlungsarten im Vergleich
γ-Strahlung als elektromagnetische Strahlung aus dem Kern, die Bestimmung der Strahlungsart aus Zerfallsgleichungen und der Vergleich von α-, β- und γ-Strahlung nach Ablenkung und Energiespektrum.
Das Wichtigste in Kürze
- γ-Strahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung aus angeregten Atomkernen, keine Teilchenstrahlung.
- Bei γ-Emission bleiben Kernladungszahl und Massenzahl unverändert, etwa \(\ce{^{137m}_{56}Ba -> ^{137}_{56}Ba + \gamma}\).
- Bleiben in einer Zerfallsgleichung \(Z\) und \(A\) gleich, wurde γ-Strahlung emittiert; α senkt \(A\) um 4 und \(Z\) um 2, β⁻ erhöht \(Z\) um 1.
- α- und β⁻-Strahlen werden im elektrischen und magnetischen Feld entgegengesetzt abgelenkt, γ- und Neutronenstrahlen nicht.
- α-Teilchen zeigen ein Linienspektrum, β⁻-Teilchen wegen des Antineutrinos ein kontinuierliches Spektrum bis \(E_{max}\).
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Worum es geht
Nach einem α- oder β-Zerfall bleibt der Tochterkern oft angeregt zurück und gibt die überschüssige Energie als γ-Strahlung ab. Diese Einheit ordnet γ-Strahlung ein und stellt die drei klassischen Strahlungsarten nebeneinander. In der Pharmazie begegnet dir das etwa beim γ-Strahler \(\ce{^{99m}Tc}\) in der nuklearmedizinischen Diagnostik.
Natur der γ-Strahlung
Anders als α-Strahlung und β-Strahlung verlässt bei der γ-Emission kein Teilchen mit Masse den Kern. Der Kern springt nur von einem angeregten Zustand in einen energieärmeren, ähnlich wie ein Elektron in der Hülle beim Aussenden von Licht.
γ-Strahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung aus dem Atomkern. Sie besteht aus Photonen (γ-Quanten), also weder aus Elektronen noch aus Nukleonen.
Weil kein Nukleon und keine Ladung abgegeben wird, bleiben Kernladungszahl und Massenzahl unverändert. Aus dem angeregten Barium wird wieder Barium mit gleicher Massenzahl:
\[\ce{^{137m}_{56}Ba -> ^{137}_{56}Ba + \gamma}\]
Das γ-Quant trägt hier 662 keV. Der angeregte Bariumkern entsteht zuvor beim β⁻-Zerfall von \(\ce{^{137}Cs}\).
„Hochenergetisch“ heißt nicht, dass γ-Quanten mehr Energie tragen als die α-Teilchen desselben Nuklids. α-Teilchen haben meist einige MeV. γ-Quanten liegen oft im keV-Bereich oder bei wenigen MeV.
Zerfallsart bestimmen
Jede Zerfallsgleichung gehorcht zwei Erhaltungssätzen: Die Summe der Massenzahlen und die Summe der Ladungszahlen sind links und rechts gleich. Das Bilanzieren selbst steht unter Kernreaktionen und Erhaltungssätze. Hier geht es darum, aus der Bilanz die Strahlungsart oder das Tochternuklid abzulesen.
| Zerfallsart | Änderung \(A\) | Änderung \(Z\) | Beispiel |
|---|---|---|---|
| α | −4 | −2 | \(\ce{^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn}\) |
| β⁻ | 0 | +1 | \(\ce{^{60}_{27}Co -> ^{60}_{28}Ni}\) |
| β⁺ | 0 | −1 | \(\ce{^{18}_{9}F -> ^{18}_{8}O}\) |
| γ | 0 | 0 | \(\ce{^{99m}_{43}Tc -> ^{99}_{43}Tc}\) |
- Massenzahlen vergleichen: Sinkt \(A\) um 4, wurde ein α-Teilchen abgegeben.
- Kernladungszahlen vergleichen: Steigt \(Z\) um 1 bei gleichem \(A\), liegt β⁻ vor, sinkt \(Z\) um 1, β⁺.
- Beides unverändert: Dann kann nur ein γ-Quant entstanden sein. Das Element bleibt dasselbe.
Umgekehrt liefert die Zerfallsart das Tochternuklid. Ein β⁻-Strahler mit \(Z = 27\) wird zum Element mit \(Z = 28\), also Nickel.
Ablenkung in Feldern
Ob ein Strahl im Feld abgelenkt wird, hängt allein von der Ladung seiner Teilchen ab. Auf eine Ladung wirkt im elektrischen Feld die Kraft \(F = qE\), im Magnetfeld die Lorentzkraft. Ungeladene Strahlung läuft geradeaus.
α-Teilchen (Ladung +2e) und β⁻-Teilchen (Ladung −e) werden deshalb im elektrischen und im magnetischen Feld abgelenkt. Wegen der entgegengesetzten Ladung biegen sie in entgegengesetzte Richtungen ab. Das schwere α-Teilchen krümmt sich nur schwach, das leichte Elektron stark.
γ-Strahlung besteht aus ungeladenen Photonen und bleibt in beiden Feldern unbeeinflusst. Dasselbe gilt für Neutronenstrahlen. Neutronen haben zwar Masse, aber keine Ladung, und laufen daher auch durch ein elektrisches Feld ohne Richtungsänderung.
Abgelenkt wird nur, was geladen ist: α und β⁻ ja, γ und Neutronen nein.
Energiespektren
Auch die Energieverteilung unterscheidet die Strahlungsarten. Beim α-Zerfall teilen sich nur zwei Partner die freiwerdende Energie: Tochterkern und α-Teilchen. Die Energie des α-Teilchens ist deshalb fest durch die Energiedifferenz der Kernniveaus bestimmt. Es entsteht ein Linienspektrum mit diskreten Energien.
Beim β⁻-Zerfall entsteht zusätzlich ein Antineutrino. Die Energie verteilt sich zufällig auf drei Teilchen. Das Elektron kann daher jede Energie zwischen null und einer Maximalenergie \(E_{max}\) tragen. Das Ergebnis ist ein kontinuierliches Spektrum.
Ein Bandenspektrum entsteht bei radioaktiven Kernen nie. Banden stammen aus Schwingungs- und Rotationsübergängen von Molekülen, nicht aus Atomkernen.
Quiz
Aussage 1
Bei der Emission eines γ-Quants sinkt die Massenzahl des Kerns um eins.
Ein γ-Quant ist ein Photon ohne Masse und Ladung. Massenzahl und Kernladungszahl bleiben unverändert.
Aussage 2
Alle β⁻-Teilchen eines Nuklids verlassen den Kern mit derselben kinetischen Energie.
Die Energie verteilt sich auf Elektron, Antineutrino und Kern. β⁻-Teilchen zeigen daher ein kontinuierliches Spektrum von null bis zur Maximalenergie.
Aussage 3
Sind in einer Zerfallsgleichung Massenzahl und Kernladungszahl links und rechts gleich, wurde γ-Strahlung abgegeben.
Nur die γ-Emission lässt beide Zahlen unverändert. α und β ändern mindestens die Kernladungszahl.
Aussage 4
Ein Neutronenstrahl durchläuft das elektrische Feld zwischen zwei Kondensatorplatten ohne Richtungsänderung.
Neutronen sind ungeladen. Auf sie wirkt im elektrischen Feld keine Kraft, sie werden nicht abgelenkt.
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