Nach dem ersten Teil, geht es im zweiten Teil geht es um Gammastrahlung, Isomere, Neutrino und den ganzen Rest.
Die Kräfte, die die Eigenschaften des Atomkerns bestimmen, sind äußerst stark. Der Name “starke Kernkraft” kommt nicht von ungefähr und ihr Gegenspieler – die elektrostatische Kraft – ist auch nicht von Pappe. Wenn sich die Strukturen in einem Atomkern verändern, werden durch diese Kräfte große Energien frei. Das kann verschiedene Formen annehmen.
Besonders wenn sich ein Neutron in ein Proton verwandelt, beim Beta-Zerfall, verändert sich das Gleichgewicht der Kräfte. Nicht immer findet man die frei werdende Energie in dem davon fliegenden Elektron wieder. In diesen Fällen muss der Atomkern seine Energie auf andere Weise los werden und meistens tut er das sofort. Er tut es, indem er Licht aussendet. Kein Licht, das man sehen würde, sondern Licht mit extrem viel Energie. Man nennt es Gamma-Strahlung. Vom Standpunkt der Physik aus gesehen, gibt es aber keinen Unterschied zwischen Gamma-Strahung und Röntgenstrahlung. Der Unterschied ist nur, dass Gamma-Strahlung aus Atomkernen kommt und Röntgenstrahlung mit Elektronen erzeugt wird. Das Resultat ist aber immer das gleiche.
Manchmal passiert es, dass die Gammastrahlung nicht sofort ausgesendet wird. Der Atomkern erreicht ein prekäres Gleichgewicht der Kräfte, das noch einige Zeit anhält (manchmal können das Millionen Jahre sein!). Atomkerne in denen noch die Möglichkeit schlummert Gamma-Strahlung auszusenden, bezeichnet man als metastabil oder Isomer. Sehr wichtig ist da zum Beispiel Technetium-99m. Es entsteht nach dem Beta-Zerfall von Molybdän-99, das eine Halbwertszeit von 66 Stunden hat. Das m deutet darauf hin, dass sich Technetium-99m in genau diesem metastabilen Zustand befindet. Der metastabile Zustand hat eine Halbwertszeit von 6 Stunden. Nachdem das Gamma-Photon ausgesendet wurde und wird das Atom zu normalem Technetium-99. Seinerseits ein Beta-Strahler mit einer Halbwertszeit von 210.000 Jahren.
Dieser große Unterschied in der Halbwertszeit bedeutet, dass eine kleine Menge Technetium-99m ausreicht, um eine gut messbare Gamma-Strahlung auszusenden. Nachdem sich diese kleine Menge Technetium-99m in normales Technetium-99 verwandelt hat, ist ihre Radioaktivität praktisch egal. Die Zahl zerfallender Atome pro Sekunde beträgt dann nur noch ein 300-millionstel der Radioaktivität von Technetium-99m. In der Medizin, vor allem in der Krebsdiagnostik, ist dieser Stoff kaum wegzudenken. Der Ursprungsstoff, Molybdän-99, muss aber ständig neu erzeugt werden, weil 83% des Molybdän-99 innerhalb einer Woche zerfallen. Deswegen ist der Betrieb von Forschungsreaktoren zur Erzeugung von Stoffen wie Molybdän-99 unabdingbar für die moderne Medizin geworden.
Gamma-Strahlung hat noch eine wichige Eigenschaft: sie wird immer mit der gleichen Energie ausgesendet. Ob ein Gamma-Photon aus dem Zerfall von Cs-137 oder Cs-134 stammt, kann ganz eindeutig zugeordnet werden. Gamma-Spektrometer, also Geräte die die Energie von Gamma-Photonen genau bestimmen können, können deswegen nicht einfach nur sagen, ob eine Probe einen Gamma-Strahler enthält, sondern auch welche Stahler und welche Menge.
Gamma-Strahlung entsteht auch, wenn die Kernspaltung einmal nicht funktioniert. Wenn zum Beispiel Uran-235 ein Neutron aufnimmt und dadurch nicht gespalten wird, muss das neu entstandene Uran-236 eine Energie von 6MeV los werden und tut auch das als Gamma-Strahlung.
Zum Abschluss noch einige Anmerkungen die ich im großen Ganzen nicht untergebracht habe, aber vielleicht erwähnt werden sollten:
Bei der Alpha-Strahlung findet sich der größte Teil dieser Energie in dem Alpha-Teilchen, dass mit großer Geschwindigkeit von dem restlichen Atomkern weg fliegt. Allerdings gilt auch hier Newtons Satz von Actio = Reactio, der Atomkern wird mit dem gleichen Impuls in die entgegengesetzte Richtung geworfen. Der Rückstoß ist natürlich viel kleiner. Ein Plutonium-240-Kern wiegt 60 mal so viel wie ein Alpha-Teilchen. Wenn aus dem Plutonium-240 Kern ein Uran-236 wird, dann hat der Uran-Kern immerhin noch ein sechzigstel der Energie des Alpha-Teilchens. Manchmal wird dieser Rückstoß auch als Delta-Strahlung bezeichnet. Auch nach einem Alpha-Zerfall kann Gamma-Strahlung frei werden, aber im allgemeinen mit so wenig Energie, dass das nur für Messzwecke zur Bestimmung des genauen Isotops interessant ist.
Beta-Strahlung ist eigentlich immer eine Kombination aus zwei Teilchen. Ein Elektron und ein Neutrino. Das Neutrino hat keine Ladung und eine winzige Masse, aber es hat viel kinetische Energie und Impuls. Energie und Impuls müssen sich Elektron und Neutrino teilen. Das Teilungsverhältnis ist aber rein zufällig. Deswegen ist es wesentlich schwieriger aus reiner Beta-Strahlung abzuleiten, welches Isotop für die Strahlung verantwortlich ist, zumal die Elektronen der Beta-Strahlung auch so leicht Energie verlieren können und das Ergebnis verfälschen.
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