Gammastrahlung (Gamma ray)

Gammastrahlen, auch Gammastrahlung genannt (symbolisiert als γ), stellen eine äußerst durchdringende Form elektromagnetischer Strahlung dar. Diese Emissionen entstehen durch hochenergetische Wechselwirkungen wie den radioaktiven Zerfall von Atomkernen oder bedeutende astronomische Phänomene wie Sonneneruptionen. Während Gammastrahlung niedrigerer Energie spektrale Überlappungen mit dem oberen Bereich der Röntgenstrahlung aufweist, liegt ihr grundlegender Unterschied in ihren unterschiedlichen Ursprüngen. Die Photonenenergie von Gammastrahlen liegt typischerweise zwischen 10 keV und 10.000 keV am unteren Ende, wobei ultrahochenergetische Gammastrahlen 1011 keV überschreiten. Im Jahr 1900 identifizierte Paul Villard, ein französischer Chemiker und Physiker, bei seinen Untersuchungen zu den Emissionen von Radium Gammastrahlung. Ernest Rutherford bezeichnete diese Strahlung 1903 später als Gammastrahlung und würdigte damit ihre bemerkenswerte Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Diese Nomenklatur folgte seiner früheren Klassifizierung im Jahr 1900 von zwei weniger durchdringenden Formen der Zerfallsstrahlung – Alphastrahlen und Betastrahlen (ursprünglich von Henri Becquerel entdeckt) –, die er nach zunehmender Durchdringungskraft ordnete.

Eine Gammastrahlung, auch bekannt als Gammastrahlung (Symbol γ), ist eine durchdringende Form elektromagnetischer Strahlung, die durch hochenergetische Wechselwirkungen wie den radioaktiven Zerfall von Atomkernen oder astronomische Ereignisse wie Sonneneruptionen entsteht. Gammastrahlung niedrigerer Energie überlagert das obere Ende der Röntgenstrahlung; Sie zeichnen sich durch ihre unterschiedliche Herkunft aus. Gammastrahlenphotonen haben eine Photonenenergie am unteren Ende von 10 keV bis 10.000 keV; Ultrahochenergetische Gammastrahlen haben Energien über 10¹¹ keV. Paul Villard, ein französischer Chemiker und Physiker, entdeckte die Gammastrahlung im Jahr 1900, als er die von Radium emittierte Strahlung untersuchte. Im Jahr 1903 nannte Ernest Rutherford diese Strahlung Gammastrahlen, weil sie Materie relativ stark durchdringt; Bereits im Jahr 1900 hatte er zwei weniger durchdringende Arten von Zerfallsstrahlung (entdeckt von Henri Becquerel) Alphastrahlen und Betastrahlen in aufsteigender Reihenfolge ihrer Durchdringungsstärke benannt.

Gammastrahlen, die aus dem radioaktiven Zerfall resultieren, weisen typischerweise Energien im Bereich von zehn Kiloelektronenvolt (keV) bis 10 Megaelektronenvolt (MeV) auf, was den charakteristischen Energieniveaus von Kernen mit relativ langen Halbwertszeiten entspricht. Die Gammaspektroskopie ermöglicht die Identifizierung zerfallender Radionuklide durch die Analyse ihrer charakteristischen Gammastrahlen-Energiespektren. Es wurde beobachtet, dass astronomische Quellen, darunter der Mikroquasar Cygnus Dennoch erzeugen auch bestimmte seltene Naturphänomene, wie zum Beispiel terrestrische Gammastrahlenblitze, Gammastrahlen durch Elektronenwechselwirkungen mit Atomkernen. Bedeutende künstliche Quellen von Gammastrahlen umfassen die Kernspaltung, wie sie in Kernreaktoren beobachtet wird, und Experimente in der Hochenergiephysik, einschließlich des Zerfalls neutraler Pionen und der Kernfusion.

Die Energiespektren von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen überlappen sich innerhalb des elektromagnetischen Spektrums, was zu unterschiedlichen Terminologien für diese elektromagnetischen Wellen in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen führt. Innerhalb bestimmter Teilgebiete der Physik erfolgt die Unterscheidung nach ihrem Ursprung: Gammastrahlen sind Produkte des Kernzerfalls, während Röntgenstrahlen aus extranuklearen Prozessen stammen. In der Astrophysik werden Gammastrahlen üblicherweise als Photonen definiert, die Energien über 100 keV besitzen und den Schwerpunkt der Gammastrahlenastronomie bilden. Umgekehrt wird Strahlung unter 100 keV als Röntgenstrahlung kategorisiert und ist die Domäne der Röntgenastronomie.

Als eine Form ionisierender Strahlung stellen Gammastrahlen eine erhebliche Gefahr für lebende Organismen dar. Die Exposition kann DNA-Mutationen hervorrufen, zur Entstehung von Krebs und Tumoren beitragen und bei erhöhten Dosen zu Verbrennungen und akuter Strahlenkrankheit führen. Ihre große Durchdringungskraft ermöglicht es ihnen, Knochenmark und innere Organe zu schädigen. Im Gegensatz zu Alpha- und Betastrahlen durchdringen Gammastrahlen problemlos zahlreiche gängige Materialien und stellen eine erhebliche Herausforderung für den Strahlenschutz dar. Eine wirksame Abschirmung erfordert die Verwendung dichter Substanzen wie Blei oder Beton. Auf der Erde bietet die Magnetosphäre Schutz vor den meisten tödlichen Arten kosmischer Strahlung, mit der bemerkenswerten Ausnahme von Gammastrahlen.

Entdeckungsverlauf

Die erste Identifizierung einer Gammastrahlenquelle wurde dem radioaktiven Zerfallsprozess zugeschrieben, der als Gammazerfall bekannt ist. Während dieses Zerfalls sendet ein angeregter Atomkern nach seiner Bildung sofort ein Gammastrahlenphoton aus. Paul Villard, ein französischer Chemiker und Physiker, entdeckte im Jahr 1900 bei seinen Untersuchungen zu den Emissionen von Radium Gammastrahlung. Villard erkannte, dass die Strahlung, die er charakterisierte, eine größere Durchdringungskraft besaß als andere Formen von Radiumemissionen, insbesondere Betastrahlen, die Henri Becquerel 1896 erstmals als „Radioaktivität“ beschrieben hatte, und Alphastrahlen, die Rutherford 1899 als weniger durchdringende Strahlungsart identifizierte. Dennoch schlug Villard zunächst nicht vor, sie als eigenständige Grundstrahlungsart zu klassifizieren. Anschließend, im Jahr 1903, unterschied Ernest Rutherford die Villard-Strahlung grundlegend von zuvor identifizierten Strahlen und prägte den Begriff „Gammastrahlen“, indem er eine Analogie zu den Beta- und Alphastrahlen zog, die er 1899 unterschieden hatte. Die Nomenklatur für die von radioaktiven Elementen emittierten „Strahlen“ folgte ihrer Durchdringungsfähigkeit durch verschiedene Materialien, wobei die ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets verwendet wurden: Alphastrahlen wurden als die am wenigsten durchdringenden Strahlen bezeichnet, gefolgt von Betastrahlen, wobei Gammastrahlen am durchdringendsten sind. Rutherford stellte außerdem fest, dass Gammastrahlen durch ein Magnetfeld nicht abgelenkt wurden (oder nicht leicht abgelenkt wurden), eine Eigenschaft, die sie weiter von Alpha- und Betastrahlen unterschied.

Anfangs wurde angenommen, dass es sich bei Gammastrahlen um massive Teilchen handelt, ähnlich wie Alpha- und Betastrahlen. Rutherford vermutete zunächst, dass es sich um außergewöhnlich schnelle Betateilchen handeln könnte; Ihre beobachtete fehlende Ablenkung in einem Magnetfeld deutete jedoch auf das Fehlen einer elektrischen Ladung hin. Im Jahr 1914 wurde die Reflexion von Gammastrahlen an Kristalloberflächen beobachtet, was den Beweis erbrachte, dass es sich um elektromagnetische Strahlung handelte. Rutherford und sein Kollege Edward Andrade maßen die Wellenlängen der von Radium ausgehenden Gammastrahlen und stellten fest, dass sie den Röntgenstrahlen ähneln, jedoch kürzere Wellenlängen und folglich höhere Frequenzen aufweisen. Später wurde davon ausgegangen, dass diese Eigenschaft eine größere Energie pro Photon verleiht, als das Konzept eines Photons weit verbreitete Akzeptanz erlangte. Folglich wurde damals erkannt, dass der Gammazerfall typischerweise mit der Emission eines Gammaphotons einhergeht.

Ursprünge

Terrestrische natürliche Gammastrahlenquellen umfassen den Gammazerfall natürlich vorkommender Radioisotope wie Kalium-40 und Sekundärstrahlung, die aus atmosphärischen Wechselwirkungen mit kosmischen Strahlungspartikeln resultiert. Andere natürliche terrestrische Quellen, die Gammastrahlen erzeugen, sind Blitzeinschläge und terrestrische Gammastrahlenblitze, die beide energiereiche Emissionen erzeugen, die aus natürlich vorkommenden Hochenergiespannungen resultieren. Astronomisch gesehen entstehen Gammastrahlen durch verschiedene Prozesse, bei denen extrem energiereiche Elektronen erzeugt werden. Diese Elektronen erzeugen anschließend sekundäre Gammastrahlen durch Mechanismen wie Bremsstrahlung, inverse Compton-Streuung und Synchrotronstrahlung. Ein erheblicher Teil dieser astronomischen Gammastrahlung wird durch die Erdatmosphäre gedämpft. Zu den wichtigsten künstlichen Quellen von Gammastrahlen gehören die Kernspaltung, wie sie in Kernreaktoren beobachtet wird, und Experimente in der Hochenergiephysik, beispielsweise durch den Zerfall neutraler Pionen und die Kernfusion.

Eine Materialprobe, die Gammastrahlen zu Bestrahlungs- oder Bildgebungszwecken aussendet, wird als Gammaquelle bezeichnet. Während es auch als radioaktive Quelle, Isotopenquelle oder Strahlungsquelle bezeichnet werden kann, gelten diese umfassenderen Bezeichnungen auch für Geräte, die Alpha- und Betateilchen aussenden. Um eine radioaktive Kontamination zu verhindern, werden Gammaquellen normalerweise versiegelt und in einer starken Abschirmung transportiert.

Radioaktiver Zerfall (Gamma-Zerfall)

Gammastrahlen entstehen beim Gammazerfall, einem Prozess, der typischerweise auf andere Formen des radioaktiven Zerfalls folgt, wie zum Beispiel den Alpha- oder Betazerfall. Ein radioaktiver Kern kann durch die Emission eines α- oder β-Partikels zerfallen. Der resultierende Tochterkern verbleibt üblicherweise in einem angeregten Energiezustand. Dieser angeregte Kern kann anschließend in einen Zustand niedrigerer Energie übergehen, indem er ein Gammastrahlenphoton aussendet, ein Vorgang, der als Gammazerfall bezeichnet wird.

Die Emission von Gammastrahlen aus einem angeregten Kern erfolgt im Allgemeinen innerhalb eines kurzen Zeitraums, typischerweise 10⁻¹² Sekunden. Gammazerfall kann auch ein Folgeereignis verschiedener Kernreaktionen sein, darunter Neutroneneinfang, Kernspaltung oder Kernfusion. Darüber hinaus dient der Gamma-Zerfall als Mechanismus zur Entspannung zahlreicher angeregter Zustände in Atomkernen, die häufig nach anderen Formen des radioaktiven Zerfalls wie dem Beta-Zerfall auftreten, sofern diese Zustände die erforderliche Kernspinkomponente aufweisen. Wenn Materialien mit hochenergetischen Gammastrahlen, Elektronen oder Protonen bombardiert werden, emittieren die resultierenden angeregten Atome anschließend charakteristische „sekundäre“ Gammastrahlen. Diese Emissionen sind eine direkte Folge der Bildung angeregter Kernzustände innerhalb der beschossenen Atome. Diese Übergänge, die eine Form der nuklearen Gammafluoreszenz darstellen, sind ein zentrales Thema der Kernphysik, insbesondere bekannt als Gammaspektroskopie. Die Erzeugung fluoreszierender Gammastrahlen stellt eine schnelle Unterart des radioaktiven Gammazerfalls dar.

In bestimmten Fällen kann ein angeregter Kernzustand, der nach der Emission von Betateilchen oder anderen Anregungsprozessen entsteht, eine größere Stabilität als üblich aufweisen. Ein solcher Zustand wird als metastabiler angeregter Zustand bezeichnet, wenn seine Zerfallsdauer mindestens 100 bis 1000 Mal länger als die durchschnittlichen 10⁻¹² Sekunden ist. Diese relativ langlebigen angeregten Kerne werden als Kernisomere und ihre Zerfallsprozesse als isomere Übergänge bezeichnet. Die Halbwertszeiten dieser Kerne sind leichter messbar. Darüber hinaus können ungewöhnliche Kernisomere in ihrem angeregten Zustand über einen Zeitraum von Minuten, Stunden oder Tagen bis hin zu gelegentlich viel längeren Zeiträumen verharren, bevor eine Gammastrahlung emittiert wird. Folglich ähnelt der isomere Übergangsprozess der allgemeinen Gammaemission, zeichnet sich jedoch durch die Beteiligung eines oder mehrerer metastabiler angeregter Zwischenzustände innerhalb der Kerne aus. Metastabile Zustände weisen häufig einen hohen Kernspin auf, was während des Gammazerfalls eine Änderung um mehrere Spineinheiten oder mehr erfordert, im Gegensatz zum Übergang einer einzelnen Einheit, der typischerweise innerhalb von 10⁻¹² Sekunden erfolgt. Darüber hinaus trägt eine verringerte Kernanregungsenergie zu einer Verlangsamung der Geschwindigkeit des Gammazerfalls bei.

Ein von jedem angeregten Zustand emittierter Gammastrahl kann seine Energie direkt auf Elektronen übertragen, am häufigsten auf eines der K-Schale-Elektronen des Atoms, was zu seinem Ausstoß aus dem Atom führt. Dieses Phänomen wird allgemein als photoelektrischer Effekt bezeichnet, der auch durch externe Gammastrahlen und ultraviolette Strahlung hervorgerufen werden kann. Es ist wichtig, den photoelektrischen Effekt nicht mit dem internen Umwandlungsprozess zu verwechseln, bei dem kein Gammastrahlenphoton als Zwischenteilchen erzeugt wird; Stattdessen wird ein „virtueller Gammastrahl“ als Vermittler dieses Prozesses konzipiert.

Zerfallsschemata

Ein anschauliches Beispiel für die Gammastrahlenproduktion infolge des Zerfalls von Radionukliden ist das Zerfallsschema für Kobalt-60, wie im beigefügten Diagramm dargestellt. Zunächst durchläuft ⁶⁰
Co einen Betazerfall und emittiert ein Elektron mit einer Energie von 0,31 MeV und verwandelt sich dadurch in angeregtes ⁶⁰
Ni. Anschließend geht das angeregte Ni durch die sukzessive Emission von Gamma in seinen Grundzustand über (siehe Kernschalenmodell). Strahlen mit Energien von 1,17 MeV und dann 1,33 MeV. Dieser spezifische Zerfallsweg tritt in 99,88 % der Fälle auf:

Ein weiterer Fall betrifft den Alpha-Zerfall von 241Am, der 237Np ergibt, gefolgt von einer Gamma-Emission. Während das Gamma-Emissionsspektrum des Tochterkerns in einigen Fällen relativ einfach sein kann (z. B. 60Co/60Ni), ist es in anderen Fällen komplex, beispielsweise bei (241Am/237Np und 192Ir/192Pt), was auf das Vorhandensein einer Reihe unterschiedlicher Kernenergieniveaus hinweist.

Ein weiteres Beispiel ist der Alpha-Zerfall von ²⁴¹
Am zu ²³⁷
Np; gefolgt von einer Gammaemission. In einigen Fällen ist das Gammaemissionsspektrum des Tochterkerns recht einfach (z. B. ⁶⁰
Co/⁶⁰
Ni) während in anderen Fällen, wie zum Beispiel mit (²⁴¹
Am/²³⁷
Np und ¹⁹²
Ir/¹⁹²
Pt) ist das Gammaemissionsspektrum komplex und zeigt, dass eine Reihe von Kernenergieniveaus existieren.

Teilchenphysik

Gammastrahlen entstehen aus zahlreichen Prozessen der Teilchenphysik. Diese hochenergetischen Photonen entstehen typischerweise beim elektromagnetischen Zerfall neutraler Systeme und unterscheiden sich damit von Zerfällen, die durch schwache oder starke Wechselwirkungen gesteuert werden. Ein Paradebeispiel ist die Elektron-Positron-Vernichtung, bei der üblicherweise zwei Gammastrahlenphotonen entstehen. Wenn das vernichtende Elektron und das Positron ruhen, besitzt jeder resultierende Gammastrahl eine Energie von etwa 511 keV und eine Frequenz von etwa 1,24×10²⁰ Hz. Umgekehrt können Gammastrahlen über 1022 keV die Paarbildung induzieren und bei Wechselwirkung mit Atomkernen ein Elektron und ein Positron erzeugen. Ebenso zerfallen neutrale Pionen überwiegend in zwei Photonen. Auch zahlreiche andere Hadronen und massive Bosonen unterliegen einem elektromagnetischen Zerfall. Daher erfordern Hochenergiephysik-Experimente, wie sie am Large Hadron Collider durchgeführt werden, eine umfassende Strahlenabschirmung. Da subatomare Teilchen typischerweise deutlich kürzere Wellenlängen aufweisen als Atomkerne, sind Gammastrahlen aus teilchenphysikalischen Prozessen im Allgemeinen mehrere Größenordnungen energiereicher als solche aus dem Kernzerfall. Da Gammastrahlen den höchsten Energiebereich des elektromagnetischen Spektrums einnehmen, werden alle Photonen mit extrem hohen Energien als Gammastrahlen klassifiziert; Beispielsweise würde ein Photon mit der Planck-Energie als Gammastrahl betrachtet.

Andere Quellen

Es ist bekannt, dass einige astronomische Gammastrahlen aus dem Gammazerfall stammen, die meisten jedoch nicht.

Photonen, die aus astrophysikalischen Quellen stammen und Energien innerhalb des Gammastrahlungsspektrums besitzen, werden offiziell als Gammastrahlung bezeichnet. Über nukleare Emissionen hinaus ist ihre Entstehung häufig mit Wechselwirkungen zwischen subatomaren Teilchen und Teilchen-Photonen-Kollisionen verbunden. Zu den spezifischen Mechanismen gehören die Elektron-Positron-Vernichtung, der Zerfall neutraler Pionen, Bremsstrahlung, inverse Compton-Streuung und Synchrotronstrahlung.

Laborquellen

Im Oktober 2017 stellten Forscher mehrerer europäischer Universitäten eine vorgeschlagene Methode zur Erzeugung von GeV-Photonen vor. Dieser Ansatz nutzt Laser als Erreger und nutzt ein kontrolliertes Zusammenspiel zwischen Kaskadenphänomenen und anomalem Strahlungseinfang.

Terrestrische Gewitter

Gewitter können vorübergehende Gammastrahlungsimpulse erzeugen, die als terrestrische Gammastrahlenblitze (TGFs) bezeichnet werden. Die vorherrschende Hypothese besagt, dass diese Gammastrahlen aus hochintensiven statischen elektrischen Feldern entstehen, die Elektronen beschleunigen. Diese beschleunigten Elektronen erzeugen anschließend über Bremsstrahlung Gammastrahlen, wenn sie mit atmosphärischen Atomen kollidieren und von diesen abgebremst werden. Erdgewitter können Gammastrahlen mit Energien von bis zu 100 MeV aussenden, ein Phänomen, das ursprünglich von weltraumgestützten Observatorien entdeckt wurde. Folglich stellt dies ein potenzielles Gesundheitsrisiko für Flugzeugpassagiere und Besatzungsmitglieder dar, die innerhalb oder in der Nähe von Gewitterwolken operieren.

Sonneneruptionen

Die energiereichsten Sonneneruptionen emittieren Strahlung im gesamten elektromagnetischen (EM) Spektrum, einschließlich Gammastrahlen. Die erste definitive Beobachtung einer solchen Gammastrahlenemission wurde 1972 aufgezeichnet.

Kosmische Strahlung

Außerirdische hochenergetische Gammastrahlen umfassen den Gammastrahlenhintergrund, der durch die Kollision kosmischer Strahlen (bestehend aus Hochgeschwindigkeitselektronen oder Protonen) mit gewöhnlicher Materie entsteht und dabei Gammastrahlen mit Paarbildung bei 511 keV erzeugt. Alternativ wird Bremsstrahlung mit Energien von mehreren zehn MeV oder mehr erzeugt, wenn Elektronen der kosmischen Strahlung mit Atomkernen interagieren, die eine ausreichend hohe Ordnungszahl besitzen.

Pulsare und Magnetare

Der Gammastrahlenhimmel ist vor allem durch die häufigere und anhaltendere Emission von Gammastrahlen gekennzeichnet, die von Pulsaren innerhalb der Milchstraße ausgehen. Extragalaktische Quellen hingegen sind in erster Linie Quasare. Man geht davon aus, dass es sich bei Pulsaren um Neutronensterne handelt, deren Magnetfelder gebündelte Strahlen erzeugen. Diese Quellen sind im Vergleich zu Quasaren oder den selteneren Gammastrahlenausbrüchen deutlich energieärmer, häufiger und geografisch näher (typischerweise werden sie ausschließlich innerhalb unserer Galaxie beobachtet). Pulsare halten relativ dauerhafte Magnetfelder aufrecht, die fokussierte Strahlen relativistisch geladener Teilchen erzeugen. Diese Teilchen emittieren Gammastrahlen über Bremsstrahlung, wenn sie mit umgebendem Gas oder Staub kollidieren, was zu ihrer Abbremsung führt. Dieser Mechanismus ist analog zur Erzeugung hochenergetischer Photonen in Megavolt-Strahlentherapiegeräten (Bremsstrahlung). Die inverse Compton-Streuung, bei der geladene Teilchen (typischerweise Elektronen) Energie auf Photonen niedriger Energie übertragen und sie dadurch zu Photonen höherer Energie anheben, stellt einen weiteren möglichen Mechanismus für die Erzeugung von Gammastrahlen durch die Wechselwirkung von Photonen mit relativistischen Strahlen geladener Teilchen dar. Neutronensterne mit außergewöhnlich starken Magnetfeldern, sogenannte Magnetare, von denen angenommen wird, dass sie astronomische weiche Gamma-Repeater erzeugen, stellen eine weitere dauerhafte stellare Quelle für Gammastrahlung dar.

Quasare und aktive Galaxien

Es wird angenommen, dass die stärkere Gammastrahlung, die von extrem weit entfernten Quasaren und nahegelegenen aktiven Galaxien ausgeht, ihren Ursprung in einem Produktionsmechanismus hat, der einem Teilchenbeschleuniger ähnelt. Von Quasaren erzeugte hochenergetische Elektronen, die anschließend einer inversen Compton-Streuung, Synchrotronstrahlung oder Bremsstrahlung unterliegen, gelten als wahrscheinliche Quelle der Gammastrahlung dieser Himmelskörper. Es wird angenommen, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch im galaktischen Zentrum die Energie liefert, die Sterne periodisch zerstört und die resultierenden geladenen Teilchen in Strahlen bündelt, die von ihren Rotationspolen ausgestoßen werden. Die Wechselwirkung dieser Strahlen mit Gas, Staub und Photonen niedrigerer Energie erzeugt Röntgen- und Gammastrahlen. Diese Quellen weisen über Zeiträume von mehreren Wochen Schwankungen auf, was auf ihre vergleichsweise kompakte Größe (weniger als ein paar Lichtwochen) hinweist. Solche Gamma- und Röntgenquellen stellen die am häufigsten beobachteten Hochleistungsemitter außerhalb der Milchstraße dar. Sie strahlen nicht in einzelnen Ausbrüchen, sondern mit relativer Kontinuität, wenn sie mit Gammastrahlenteleskopen beobachtet werden. Die Leistungsabgabe eines typischen Quasars beträgt etwa 10⁴⁰ Watt, wobei Gammastrahlung einen geringen Anteil ausmacht; Der Großteil wird als elektromagnetische Wellen im gesamten Spektrum, einschließlich Radiowellen, abgestrahlt.

Gammastrahlenausbrüche

Die intensivsten Gammastrahlenquellen stellen auch die stärksten Emittenten aller derzeit identifizierten elektromagnetischen Strahlung dar. Diese werden in der Astrophysik als „Long-Duration-Burst“-Gammastrahlenquellen kategorisiert, wobei „lang“ eine Dauer von mehreren zehn Sekunden bezeichnet. Solche Ereignisse sind im Vergleich zu anderen bekannten Quellen selten. Umgekehrt wird angenommen, dass „kurze“ Gammastrahlenausbrüche, die zwei Sekunden oder weniger dauern und nicht mit Supernovae in Zusammenhang stehen, Gammastrahlen während der Verschmelzung binärer Neutronensterne oder der Kollision eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch erzeugen.

Die als Langzeit-Gammastrahlenausbrüche bezeichneten Phänomene setzen innerhalb von nur 20 bis 40 Sekunden eine Gesamtenergieabgabe von etwa 10⁴⁴ Joule frei – das entspricht der gesamten Lebensenergieproduktion der Sonne. Gammastrahlen machen etwa 50 % dieser gesamten Energiefreisetzung aus. Die Haupthypothesen, die den Entstehungsmechanismus dieser außergewöhnlich intensiven Strahlenbündel erklären, umfassen inverse Compton-Streuung und Synchrotronstrahlung von hochenergetischen geladenen Teilchen. Diese Prozesse finden statt, wenn relativistisch geladene Teilchen den Ereignishorizontbereich eines entstehenden Schwarzen Lochs verlassen, das sich während einer Supernova-Explosion bildet. Der relativistische Teilchenstrahl wird mehrere zehn Sekunden lang durch das Magnetfeld der explodierenden Hypernova kollimiert, wobei die Fusionsexplosion der Hypernova den gesamten energetischen Prozess antreibt. Sollte dieser eng gerichtete Strahl auf die Erde ausgerichtet sein, sendet er Gammastrahlen mit einer so starken Intensität aus, dass eine Entdeckung sogar in Entfernungen von bis zu 10 Milliarden Lichtjahren möglich ist und sich damit der Grenze des beobachtbaren Universums nähert.

Eigenschaften

Materiedurchdringung

Gammastrahlen erfordern aufgrund ihrer Durchdringungseigenschaften eine erhebliche Abschirmmasse, um ihre Konzentration auf einen für biologische Organismen ungefährlichen Zustand zu senken. Dies steht in krassem Gegensatz zu Alpha-Partikeln, die durch so gängige Materialien wie Papier oder Haut abgeschwächt werden, und Beta-Partikeln, die durch dünnes Aluminium blockiert werden können. Die optimale Absorption von Gammastrahlen erfolgt in Materialien mit hoher Ordnungszahl (Z) und erhöhter Dichte, wobei beide Faktoren erheblich zu ihrer Gesamtbremswirkung beitragen. Folglich bietet eine Bleiabschirmung (gekennzeichnet durch ein hohes Z) eine um 20–30 % höhere Gammastrahlungsdämpfung im Vergleich zu einer äquivalenten Masse eines Abschirmmaterials mit niedrigem Z, wie etwa Aluminium, Beton, Wasser oder Erde. Der Hauptvorteil von Blei liegt nicht in der Gewichtsreduzierung, sondern in der größeren Kompaktheit, die auf die höhere Dichte zurückzuführen ist. Schutzkleidung, Brillen und Atemschutzmasken können zwar vor der inneren Exposition gegenüber oder der Aufnahme von Alpha- oder Beta-emittierenden Partikeln schützen, sie bieten jedoch keinen Schutz vor externer Gammastrahlung.

Die erforderliche Dicke eines bestimmten Abschirmmaterials steigt proportional mit der Energie der Gammastrahlen. Gammastrahlenabschirmende Materialien werden üblicherweise anhand ihrer Halbwertsschicht (HVL) quantifiziert, die die Dicke angibt, die erforderlich ist, um die Intensität der Strahlung um 50 % zu verringern. Beispielsweise erfahren Gammastrahlen, die 1 cm (0,4 Zoll) Blei benötigen, um ihre Intensität um 50 % zu reduzieren, eine entsprechende Halbierung der Intensität, wenn sie 4,1 cm Granitgestein, 6 cm (2,5 Zoll) Beton oder 9 cm (3,5 Zoll) verdichteten Boden durchdringen. Dennoch ist die Masse solcher Beton- oder Bodenmengen lediglich 20–30 % größer als die von Blei mit vergleichbarer Absorptionseffizienz.

Abgereichertes Uran wird gelegentlich zur Abschirmung in tragbaren Gammastrahlenquellen eingesetzt. Diese Bevorzugung ergibt sich aus der im Vergleich zu Blei kleineren Halbwertsschicht (etwa das 0,6-fache der Dicke üblicher Gammastrahlenemitter wie Iridium-192 und Kobalt-60) und den geringeren Kosten im Vergleich zu Wolfram.

In einem Kernkraftwerk dienen Stahl und Beton als Abschirmkomponenten im Druck- und Partikelbehälter. Gleichzeitig fungiert Wasser als Strahlenschutz für Brennstäbe während ihrer Lagerung oder ihrem Transport in den Reaktorkern. Ein erheblicher Anstieg der Strahlungswerte würde entweder durch die Erschöpfung des Wassers oder durch die Übertragung eines „heißen“ Brennelements in die Atmosphäre im Vergleich zu seinem untergetauchten Zustand entstehen.

Interaktion mit Materie

Wenn ein Gammastrahl Materie durchquert, korreliert seine Absorptionswahrscheinlichkeit direkt mit der Dicke der Schicht, der Dichte des Materials und seinem Absorptionsquerschnitt. Die kumulative Absorption manifestiert sich als exponentielle Verringerung der Intensität mit zunehmendem Abstand von der einfallenden Oberfläche:

Ich ( x ) = Ich §2021§ ⋅ e − μ x {\displaystyle I(x)=I_{0}\cdot e^{-\mu x}}

In dieser Gleichung stellt x die Dicke des Materials von der einfallenden Oberfläche aus dar, während μ = nσ den Absorptionskoeffizienten bezeichnet, ausgedrückt in cm⁻¹. Hier bezeichnet n die Atomdichte oder die Anzahl der Atome pro cm§67§ des Materials, und σ bezieht sich auf den Absorptionsquerschnitt, gemessen in cm§8^9§.

Wenn Gammastrahlung Materie durchquert, induziert sie Ionisierung über mehrere unterschiedliche Mechanismen:

• Der photoelektrische Effekt: Dieses Phänomen tritt auf, wenn ein Gammaphoton mit einem Atomelektron interagiert, seine Energie überträgt und anschließend das Elektron aus dem Atom ausstößt. Die kinetische Energie des emittierten Photoelektrons entspricht der Energie des einfallenden Gammaphotons, reduziert um die anfängliche Bindungsenergie des Elektrons im Atom. Der photoelektrische Effekt stellt den primären Energieübertragungsmechanismus für Röntgen- und Gammastrahlenphotonen mit Energien unter 50 keV (Kiloelektronenvolt) dar, obwohl seine Bedeutung bei höheren Energieniveaus erheblich abnimmt.
• Compton-Streuung beschreibt eine Wechselwirkung, bei der ein einfallendes Gammaphoton ausreichend Energie auf ein Atomelektron überträgt, um es auszustoßen. Die Restenergie des ursprünglichen Photons wird dann als neues, energieärmeres Gammaphoton emittiert, das in seiner Emissionsrichtung vom einfallenden Photon abweicht und so das Phänomen der „Streuung“ definiert. Die Wahrscheinlichkeit einer Compton-Streuung nimmt mit zunehmender Photonenenergie ab. Dieser Prozess gilt als primärer Absorptionsmechanismus für Gammastrahlen im mittleren Energiebereich von 100 keV bis 10 MeV. Seine relative Unabhängigkeit von der Ordnungszahl des absorbierenden Materials erklärt, warum hochdichte Substanzen wie Blei im Vergleich zu weniger dichten Alternativen pro Gewicht nur eine geringfügig bessere Abschirmung bieten.
• Paarproduktion ist ein Prozess, der abläuft, wenn Gammaenergien 1,02 MeV überschreiten, und bei Energien über 5 MeV zu einem bedeutenden Absorptionsmechanismus wird. Bei dieser Wechselwirkung wird die Energie des einfallenden Photons durch seine Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld eines Kerns in die Masse eines Elektron-Positron-Paares umgewandelt. Jede Gammaenergie, die über das kombinierte Ruhemassenäquivalent dieser beiden Teilchen (mindestens 1,02 MeV) hinausgeht, manifestiert sich als kinetische Energie des Paares und als Rückstoß des emittierenden Kerns. Am Ende seiner Reichweite verbindet sich das Positron mit einem freien Elektron, was zu deren Vernichtung führt. Die Gesamtmasse dieser beiden Teilchen wird anschließend in zwei Gammaphotonen umgewandelt, die jeweils eine Mindestenergie von 0,51 MeV oder mehr besitzen, abhängig von der kinetischen Energie der vernichteten Teilchen.

• Bei einer photonuklearen Reaktion regt ein Gammastrahl einen Atomkern in einen erhöhten Energiezustand an, der anschließend durch den Ausstoß subatomarer Teilchen oder durch nukleare Photospaltung zerfällt.

Die durch einen dieser drei Prozesse erzeugten Sekundärelektronen und/oder Positronen verfügen häufig über ausreichend Energie, um unabhängig voneinander eine erhebliche Ionisierung auszulösen.

Lichtinteraktion

Hochenergetische Gammastrahlen im Bereich von 80 GeV bis etwa 10 TeV, die von entfernten Quasaren stammen, werden zur Quantifizierung des extragalaktischen Hintergrundlichts im Universum verwendet. Die energiereichsten dieser Strahlen neigen eher zur Wechselwirkung mit Hintergrundlichtphotonen und ermöglichen so die Abschätzung der Hintergrundlichtdichte durch die Analyse der einfallenden Gammastrahlenspektren.

Gammaspektroskopie

Gammaspektroskopie umfasst die Untersuchung von Energieübergängen innerhalb von Atomkernen, die typischerweise mit der Absorption oder Emission von Gammastrahlen verbunden sind. Ähnlich wie bei der optischen Spektroskopie ist die Absorption von Gammastrahlen durch einen Kern besonders wahrscheinlich und manifestiert sich als Resonanzpeak, wenn die Energie der Gammastrahlung mit der eines Kernenergieübergangs übereinstimmt. Für Gammastrahlen wird dieses Resonanzphänomen in der Mössbauer-Spektroskopie beobachtet. Der Mössbauer-Effekt ermöglicht die erfolgreiche Erzielung einer schmalen Resonanzabsorption für die nukleare Gammaabsorption durch physikalische Immobilisierung von Atomkernen innerhalb eines Kristallgitters. Diese Immobilisierung von Kernen sowohl am emittierenden als auch am absorbierenden Ende einer Gammaresonanzwechselwirkung ist entscheidend, um den Verlust von Gammaenergie an die kinetische Energie zurückstoßender Kerne während eines Gammaübergangs zu verhindern. Ein solcher Energieverlust würde eine Gammastrahlen-Resonanzabsorption verhindern. Wenn emittierte Gammastrahlen jedoch praktisch die gesamte Energie aus der atomaren Kernabregung, die sie erzeugt, tragen, reicht diese Energie aus, um einen identischen Energiezustand in einem zweiten immobilisierten Kern desselben Typs anzuregen.

Anwendungen

Gammastrahlen bieten Einblicke in einige der energiereichsten Phänomene des Universums; Sie werden jedoch überwiegend von der Erdatmosphäre absorbiert. Folglich stellen Instrumente an Bord von Ballons in großen Höhen und Satellitenmissionen wie das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop die einzige Möglichkeit dar, das Universum in Gammastrahlenwellenlängen zu beobachten.

Gammainduzierte molekulare Veränderungen können auch verwendet werden, um die Eigenschaften von Halbedelsteinen zu verändern, die häufig zur Umwandlung von weißem Topas in blauen Topas verwendet werden.

Berührungslose Industriesensoren umfassen häufig Gammastrahlungsquellen aus verschiedenen Sektoren, darunter Raffinerie, Bergbau, Chemie, Lebensmittel-, Seifen- und Reinigungsmittel- sowie Zellstoff- und Papierindustrie für präzise Messungen von Füllständen, Dichte und Dicke. Darüber hinaus werden Gammastrahlensensoren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstands in der Wasser- und Ölindustrie eingesetzt. Diese Anwendungen nutzen typischerweise Co-60- oder Cs-137-Isotope als Strahlungsquellen.

In den Vereinigten Staaten werden Gammastrahlen-Detektionssysteme in die Container Security Initiative (CSI) integriert. Diese Geräte werden für ihre Fähigkeit beworben, bis zu 30 Behälter pro Stunde zu scannen.

Gammastrahlung wird häufig in einem als Bestrahlung bezeichneten Prozess eingesetzt, um lebende Organismen zu eliminieren. Seine Anwendungen umfassen die Sterilisation medizinischer Instrumente und dienen als Alternative zu Autoklaven oder chemischen Methoden. Darüber hinaus wird es verwendet, um verderbniserregende Bakterien aus verschiedenen Lebensmitteln zu beseitigen und das Keimen von Obst und Gemüse zu hemmen, wodurch deren Frische und Geschmack erhalten bleiben.

Paradoxerweise werden Gammastrahlen trotz ihres krebserregenden Potenzials aufgrund ihrer Fähigkeit, bösartige Zellen zu zerstören, auch bei der therapeutischen Behandlung bestimmter Krebsarten eingesetzt. Bei einer speziellen Technik, die als Gamma-Knife-Chirurgie bekannt ist, werden mehrere konzentrierte Gammastrahlen präzise auf einen Tumor gerichtet, um Krebszellen auszurotten. Diese Strahlen sind strategisch ausgerichtet, um die Strahlungsdosis auf das Zielwachstum zu maximieren und gleichzeitig die Schädigung benachbarter gesunder Gewebe abzumildern.

In der Nuklearmedizin erfüllen Gammastrahlen diagnostische Funktionen durch verschiedene Bildgebungsmodalitäten. Diese Techniken verwenden mehrere unterschiedliche Gamma-emittierende Radioisotope. Während einer Positronenemissionstomographie (PET) sendet beispielsweise ein radioaktiv markierter Zucker, Fluordesoxyglucose, Positronen aus, die mit Elektronen vernichtet werden und Gammastrahlenpaare erzeugen. Diese Emissionen grenzen Krebsregionen ab, da bösartige Gewebe im Vergleich zu umgebenden gesunden Geweben häufig erhöhte Stoffwechselraten aufweisen. Der in der Medizin am häufigsten vorkommende Gammastrahler ist das Kernisomer Technetium-99m, das Gammastrahlen im diagnostischen Röntgenenergiespektrum erzeugt. Bei der Verabreichung dieses Radionuklid-Tracers an einen Patienten kann eine Gammakamera die emittierte Strahlung erfassen und ein Bild erzeugen, das die Verteilung des Radioisotops veranschaulicht. Das mit dem Tracer markierte spezifische Molekül bestimmt den Bereich der mit diesen Methoden diagnostizierbaren Zustände, beispielsweise die Erkennung der metastatischen Ausbreitung von Krebs auf Knochen durch einen Knochenscan.

Gesundheitliche Auswirkungen

Gammastrahlen verursachen Zellschäden und besitzen eine hohe Durchdringungskraft, was zu weit verbreiteten, diffusen Schäden im gesamten Körper führt. Dennoch ist ihre Ionisierungskapazität geringer als die von Alpha- oder Betateilchen, die eine geringere Penetration aufweisen.

Die Exposition gegenüber geringen Mengen an Gammastrahlen stellt ein stochastisches Gesundheitsrisiko dar, das im Zusammenhang mit der Strahlendosisabschätzung als Wahrscheinlichkeit der Auslösung von Krebs und genetischen Veränderungen charakterisiert wird. Die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) erklärt: „Im niedrigen Dosisbereich, unter etwa 100 mSv, ist es wissenschaftlich plausibel anzunehmen, dass die Inzidenz von Krebs oder vererbbaren Auswirkungen direkt proportional zu einer Erhöhung der Äquivalentdosis in den relevanten Organen und Geweben ansteigt“ (wobei mSv Milli-Sievert bezeichnet). Umgekehrt lösen hohe Dosen deterministische Wirkungen aus, die durch die Schwere der akuten Gewebeschädigung definiert werden, die garantiert auftritt. Diese Effekte korrelieren mit der absorbierten Dosis, einer physikalischen Größe, die in Grautönen (Gy) gemessen wird.

Physiologische Reaktionen und Effekte

Bei der Spaltung von DNA-Molekülen durch Gammastrahlung verfügen zelluläre Mechanismen über eine begrenzte Fähigkeit, das beeinträchtigte genetische Material zu reparieren. Dennoch deuten Untersuchungen von Rothkamm und Lobrich zur Röntgenstrahlung darauf hin, dass dieser Reparaturprozess nach einer hohen Dosisbelastung zwar effektiv funktioniert, seine Effizienz jedoch unter Bedingungen niedriger Dosis erheblich abnimmt.

Untersuchungen deuten darauf hin, dass selbst niedrig dosierte Gammastrahlung ausreichen kann, um die Krebsentstehung auszulösen. Eine Studie mit Mäusen, die für den Menschen relevanter niedrig dosierter Gammastrahlung ausgesetzt waren, zeigte 45 Tage nach der Exposition genotoxische Wirkungen, einschließlich einer signifikanten Zunahme von Chromosomenschäden, DNA-Läsionen und phänotypischen Mutationen in den Blutzellen bestrahlter Tiere, die alle drei Kategorien genotoxischer Aktivität umfassten. Eine weitere Untersuchung untersuchte die Auswirkungen akuter ionisierender Gammastrahlung von bis zu 10 Gy bei Ratten und zeigte akute oxidative Proteinschäden, DNA-Schäden, kardiale Troponin-T-Carbonylierung und nachfolgende langfristige Kardiomyopathie.

Risikobewertung

Im Vereinigten Königreich trägt die natürliche Gammastrahlung etwa 13 % zur durchschnittlichen Strahlendosis bei. Die jährliche natürliche Exposition gegenüber Gammastrahlen liegt typischerweise zwischen 1 und 2 mSv. Die durchschnittliche jährliche Gesamtstrahlendosis pro Einwohner in den Vereinigten Staaten beträgt 3,6 mSv. Darüber hinaus kann es zu einem geringfügigen Anstieg der Strahlendosis kommen, wenn kleine Partikel abgereicherten Urans aus abgebrannter Munition in den menschlichen Körper gelangen, was möglicherweise die Auswirkungen natürlicher Gammastrahlung verstärkt.

Im Gegensatz dazu macht die Strahlenbelastung durch eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs mit etwa 0,06 mSv nur einen kleinen Teil der natürlich vorkommenden jährlichen Hintergrundstrahlung aus. Eine Computertomographie (CT) des Brustkorbs liefert typischerweise eine Dosis im Bereich von 5 bis 8 mSv. Ein umfassender Ganzkörper-Positronenemissionstomographie-/Computertomographie-Scan (PET/CT) kann abhängig vom spezifischen Verfahrensprotokoll zwischen 14 und 32 mSv verabreichen. Die Magendurchleuchtung liefert jedoch eine wesentlich höhere Dosis, die auf 50 mSv geschätzt wird, was dem Vierzehnfachen der jährlichen Hintergrundstrahlung entspricht.

Eine akute, ganzkörperäquivalente Einzelexposition von 1 Sv (1000 mSv oder 1 Gy) führt typischerweise zu leichten Manifestationen des akuten Strahlensyndroms, einschließlich Übelkeit und Erbrechen. Eine Exposition gegenüber 2,0–3,5 Sv (2,0–3,5 Gy) führt zu ausgeprägteren Symptomen wie schwerer Übelkeit, Durchfall, Alopezie, Blutungen und einer Beeinträchtigung der Immunfunktion, was in einem erheblichen Anteil der Fälle, insbesondere in 10–35 %, ohne medizinische Intervention zum Tod führt. Eine Dosis zwischen 3 und 5 Sv (3–5 Gy) wird im Allgemeinen als ungefähre LD₅₀ (letale Dosis für 50 % der exponierten Bevölkerung) für akute Strahlenexposition angesehen, auch bei konventioneller medizinischer Versorgung. Dosen über 5 Sv (5 Gy) erhöhen die Sterblichkeitswahrscheinlichkeit zunehmend auf über 50 %. Bei Ganzkörperexpositionen über 7,5–10 Sv (7,5–10 Gy) reichen selbst fortgeschrittene Therapiemaßnahmen, wie etwa eine Knochenmarktransplantation, nicht aus, um den Tod des betroffenen Individuums abzuwenden. Es ist wichtig zu beachten, dass während der Strahlentherapie wesentlich höhere Dosen an lokalisierte Körperregionen verabreicht werden können.

In Fällen niedriger Dosenexposition, wie sie beispielsweise bei Mitarbeitern der Kernenergieindustrie auftreten, die einer durchschnittlichen jährlichen Strahlendosis von 19 mSv ausgesetzt sind, steigt das Sterblichkeitsrisiko durch Krebs (ausgenommen Leukämie) um 2 Prozent. Eine Exposition von 100 mSv korreliert mit einem Anstieg dieses Risikos um 10 Prozent. Im Vergleich dazu hatten Überlebende der Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki ein um 32 Prozent erhöhtes Risiko, an Krebs zu sterben.

Maßeinheiten und Belichtungsparameter

Die folgende Tabelle beschreibt die Strahlungsmengen, ausgedrückt in SI- und Nicht-SI-Einheiten.

Die Ionisierungskapazität von Gamma- und Röntgenstrahlen in trockener Luft wird als „Exposition“ quantifiziert und in der Vergangenheit in Röntgen gemessen, einer seit 1928 verwendeten Einheit. Diese Metrik wurde durch Kerma ersetzt, das hauptsächlich zur Instrumentenkalibrierung und nicht zur Bewertung der biologischen Auswirkungen der empfangenen Dosen verwendet wird. Die biologische Wirkung von Gamma- und anderer ionisierender Strahlung auf lebendes Gewebe hängt direkter mit der im Gewebe selbst gespeicherten Energie zusammen und nicht mit der Ionisierung der Luft. Infolgedessen wurden seit 1953 neue radiometrische Einheiten und Größen für den Strahlenschutz eingeführt und verfeinert, darunter:

• Das Grau (Gy) stellt die SI-Einheit für die absorbierte Dosis dar und gibt die Menge der Strahlungsenergie an, die in einer bestrahlten Substanz deponiert ist. Im Zusammenhang mit Gammastrahlung entspricht dieser Wert numerisch der in Sievert gemessenen Äquivalentdosis, die die stochastischen biologischen Auswirkungen schwacher Strahlung auf menschliches Gewebe quantifiziert. Der Strahlungsgewichtungsfaktor zur Umrechnung der absorbierten Dosis in die Äquivalentdosis beträgt für Gammastrahlung 1, während Alphateilchen einen Faktor von 20 besitzen, was auf ihr wesentlich höheres Ionisierungspotential im Gewebe hinweist.
• Das Rad ist eine veraltete CGS-Einheit für die absorbierte Dosis, und das rem ist eine veraltete CGS-Einheit für die Äquivalentdosis, die hauptsächlich in den Vereinigten Staaten verwendet wird.

Unterscheidung von Röntgenstrahlen

Die traditionelle Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen hat sich historisch entwickelt. Anfangs wies die von Röntgenröhren erzeugte elektromagnetische Strahlung im Vergleich zu Gammastrahlen, die von radioaktiven Kernen stammten, durchweg längere Wellenlängen auf. Frühere akademische Quellen grenzten Röntgen- und Gammastrahlung anhand der Wellenlänge ab und klassifizierten Strahlung mit Wellenlängen, die kürzer als ein willkürlicher Schwellenwert sind, beispielsweise 10⁻¹¹ m, als Gammastrahlen. Da die Photonenenergie direkt proportional zur Frequenz und umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, kann diese historische Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen auch anhand ihrer Energieniveaus konzeptualisiert werden, wobei Gammastrahlen als energiereichere elektromagnetische Strahlung als Röntgenstrahlen charakterisiert werden.

Die Fähigkeit moderner künstlicher Quellen, elektromagnetische Strahlung aus dem Kern zu reproduzieren, zusammen mit noch höheren Energieemissionen, hat zu einer vollständigen Überlappung der charakteristischen Wellenlängen radioaktiver Gammastrahlenquellen und anderer Strahlungsarten geführt. Folglich werden Gammastrahlen typischerweise nach ihrem Ursprung unterschieden: Röntgenstrahlen werden als Emissionen von Elektronen außerhalb des Kerns definiert, während Gammastrahlen vom Kern selbst ausgehen. Ausnahmen von dieser Konvention stellen astronomische Beobachtungen dar; Gammazerfall wird beispielsweise beim Nachglühen bestimmter Supernovae beobachtet, doch hochenergetische Strahlung aus Prozessen, die keinen radioaktiven Zerfall beinhalten, wird immer noch als Gammastrahlung kategorisiert.

Zum Beispiel besitzen moderne hochenergetische Röntgenstrahlen, die von Linearbeschleunigern für die Megavolt-Krebstherapie erzeugt werden, häufig eine größere Energie (4 bis 25 MeV) als die meisten klassischen Gammastrahlen, die aus dem nuklearen Gammazerfall resultieren. Technetium-99m, ein weit verbreitetes Gammastrahlung emittierendes Isotop in der diagnostischen Nuklearmedizin, erzeugt Gammastrahlung mit einem Energieniveau (140 keV), das mit dem von diagnostischen Röntgengeräten identisch ist, jedoch erheblich niedriger als das therapeutische Photonen aus linearen Teilchenbeschleunigern. In der aktuellen medizinischen Gemeinschaft bleibt die etablierte Konvention bestehen, dass nur Strahlung, die aus dem Kernzerfall stammt, als „Gammastrahlung“ bezeichnet wird.

Angesichts der großen Überlappung der Energiespektren unterscheidet die Physik diese beiden Formen elektromagnetischer Strahlung heute häufig anhand ihres Ursprungs: Röntgenstrahlen werden von Elektronen emittiert (entweder in extranuklearen Orbitalen oder bei der Beschleunigung zur Erzeugung von Bremsstrahlung), während Gammastrahlen aus dem Kern oder durch andere Zerfalls- oder Vernichtungsphänomene von Teilchen stammen. Kernreaktionen erfordern keine niedrigere Energieschwelle für die Photonenproduktion; Folglich würden ultraviolette oder niederenergetische Photonen, die aus diesen Prozessen resultieren, auch als „Gammastrahlen“ klassifiziert werden (beispielhaft am isomeren Übergang des außergewöhnlich niederenergetischen Isomers ^229mTh). Die einzige allgemein anerkannte Namenskonvention schreibt vor, dass elektromagnetische Strahlung, von der eindeutig bekannt ist, dass sie atomaren Ursprungs ist, immer als „Gammastrahlen“ und niemals als Röntgenstrahlung bezeichnet wird. Dennoch wird in der Physik und Astronomie die umgekehrte Konvention – dass angenommen wird, dass alle Gammastrahlen nuklearen Ursprungs sind – oft missachtet.

In der Astronomie werden hochenergetische Gamma- und Röntgenstrahlen nach ihrer Energie kategorisiert, hauptsächlich weil ihre Erzeugungsprozesse mehrdeutig sein können und die Photonenenergie und nicht der Ursprung die notwendige astronomische Detektionsinstrumentierung vorgibt. Natürlich vorkommende hochenergetische Photonen, von denen bekannt ist, dass sie durch Mechanismen erzeugt werden, die sich vom Kernzerfall unterscheiden, werden dennoch als Gammastrahlung bezeichnet. Ein anschauliches Beispiel sind „Gammastrahlen“, die von Blitzentladungen ausgehen und typischerweise im Bereich von 10 bis 20 MeV liegen und vermutlich über den Bremsstrahlungsmechanismus erzeugt werden.

Gammastrahlenausbrüche stellen ein weiteres Beispiel dar, von dem man inzwischen weiß, dass sie aus Prozessen von so immenser Kraft entstehen, dass sie nicht einfachen Atomansammlungen zugeschrieben werden können, die einem radioaktiven Zerfall unterliegen. Dies steht im Einklang mit dem umfassenderen Verständnis, dass zahlreiche bei astronomischen Phänomenen erzeugte Gammastrahlen nicht auf radioaktiven Zerfall oder Teilchenvernichtung zurückzuführen sind, sondern auf nicht radioaktive Prozesse, die denen ähneln, die Röntgenstrahlen erzeugen. Während astronomische Gammastrahlen häufig aus nicht radioaktiven Ereignissen entstehen, ist bei einer begrenzten Anzahl mit Sicherheit bekannt, dass sie aus dem Gammazerfall von Kernen stammen, was durch ihre charakteristischen Spektren und Emissionshalbwertszeiten belegt wird. Ein prominentes Beispiel ist die Supernova SN 1987A, die ein „Nachleuchten“ von Gammastrahlenphotonen zeigt, die aus dem Zerfall von neu synthetisiertem radioaktivem Nickel-56 und Kobalt-56 resultieren. Dennoch wird der Großteil der astronomischen Gammastrahlung durch alternative Mechanismen erzeugt.

Vernichtung

• Vernichtung
• GeV-Überschuss im Galaktischen Zentrum
• Gasionisationsdetektoren
• Sehr energiereiche Gammastrahlung
• Ultrahochenergetische Gammastrahlung

Erklärende Anmerkungen

Referenzen

Grundlegendes Referenzmaterial zu verschiedenen Strahlungsarten.

• Grundlegende Referenz zu verschiedenen Arten von Strahlung, archiviert am 25.04.2018 auf der Wayback Machine
• Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Thema Strahlung.
• Informationen zum Level des General Certificate of Secondary Education (GCSE).
• Informationen zur Strahlung.
• Gammastrahlenausbrüche
• Die Lund/LBNL Nuclear Data Search liefert Daten zu Gammastrahlenenergien, die aus Isotopen abgeleitet werden.
• Bodenkartierung mithilfe luftgestützter Erkennungssysteme.
• Website für öffentliche Bildung der Health Physics Society