Gammastrahlen sind eine Form der elektromagnetischen Strahlung, ebenso wie Radiowellen, Infrarotstrahlung, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Mikrowellen. Gammastrahlen können zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden, und Gammastrahlenausbrüche werden von Astronomen untersucht.
Elektromagnetische (EM) Strahlung wird in Wellen oder Teilchen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Frequenzen übertragen. Diese breite Palette von Wellenlängen wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Das Spektrum wird im Allgemeinen in sieben Bereiche unterteilt, und zwar in der Reihenfolge abnehmender Wellenlänge und zunehmender Energie und Frequenz. Die gebräuchlichen Bezeichnungen sind Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot (IR), sichtbares Licht, Ultraviolett (UV), Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Gammastrahlen fallen in den Bereich des EM-Spektrums oberhalb der weichen Röntgenstrahlen. Gammastrahlen haben Frequenzen von mehr als 10^19 Zyklen pro Sekunde oder Hertz (Hz) und Wellenlängen von weniger als 100 Pikometern (pm) oder 4 x 10^9 Zoll. (Ein Pikometer ist ein Billionstel eines Meters.)
Gammastrahlen und harte Röntgenstrahlen überschneiden sich im EM-Spektrum, was ihre Unterscheidung erschweren kann. In einigen Bereichen, z. B. in der Astrophysik, wird eine willkürliche Linie im Spektrum gezogen, bei der Strahlen oberhalb einer bestimmten Wellenlänge als Röntgenstrahlen und Strahlen mit kürzeren Wellenlängen als Gammastrahlen klassifiziert werden. Sowohl Gammastrahlen als auch Röntgenstrahlen haben genug Energie, um lebendes Gewebe zu schädigen, aber fast alle kosmischen Gammastrahlen werden von der Erdatmosphäre blockiert.
Entdeckung der Gammastrahlen
Gammastrahlen wurden erstmals im Jahr 1900 von dem französischen Chemiker Paul Villard beobachtet, als er die von Radium ausgehende Strahlung untersuchte, so die Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (ARPANSA). Einige Jahre später schlug der in Neuseeland geborene Chemiker und Physiker Ernest Rutherford den Namen „Gammastrahlen“ vor, in Anlehnung an Alpha- und Betastrahlen – Bezeichnungen für andere Teilchen, die bei einer Kernreaktion entstehen -, und der Name setzte sich durch.
Quellen und Wirkungen von Gammastrahlen
Gammastrahlen werden hauptsächlich durch vier verschiedene Kernreaktionen erzeugt: Kernfusion, Kernspaltung, Alphazerfall und Gammazerfall.
Die Kernfusion ist die Reaktion, die die Sonne und Sterne antreibt. Sie erfolgt in einem mehrstufigen Prozess, bei dem vier Protonen oder Wasserstoffkerne unter extremer Temperatur und hohem Druck gezwungen werden, zu einem Heliumkern zu verschmelzen, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Der dabei entstehende Heliumkern hat eine um etwa 0,7 Prozent geringere Masse als die vier Protonen, die der Reaktion vorausgingen. Dieser Massenunterschied wird gemäß Einsteins berühmter Gleichung E=mc^2 in Energie umgewandelt, wobei etwa zwei Drittel dieser Energie in Form von Gammastrahlen abgegeben werden. (Der Rest wird in Form von Neutrinos abgegeben, bei denen es sich um extrem schwach wechselwirkende Teilchen mit nahezu null Masse handelt). In den späteren Phasen der Lebensdauer eines Sterns, wenn ihm der Wasserstoffbrennstoff ausgeht, kann er durch Fusion immer massivere Elemente bilden, bis hin zu Eisen, aber diese Reaktionen erzeugen in jeder Phase eine abnehmende Energiemenge.
Eine weitere bekannte Quelle für Gammastrahlen ist die Kernspaltung. Das Lawrence Berkeley National Laboratory definiert Kernspaltung als die Aufspaltung eines schweren Kerns in zwei etwa gleich große Teile, die dann Kerne leichterer Elemente sind. Bei diesem Prozess, bei dem es zu Kollisionen mit anderen Teilchen kommt, werden schwere Kerne wie Uran und Plutonium in kleinere Elemente wie Xenon und Strontium gespalten. Die bei diesen Zusammenstößen entstehenden Teilchen können dann auf andere schwere Kerne treffen, wodurch eine nukleare Kettenreaktion ausgelöst wird. Dabei wird Energie freigesetzt, da die kombinierte Masse der entstehenden Teilchen geringer ist als die Masse des ursprünglichen schweren Kerns. Diese Massendifferenz wird gemäß E=mc^2 in Form von kinetischer Energie der kleineren Kerne, Neutrinos und Gammastrahlen in Energie umgewandelt.
Weitere Quellen von Gammastrahlen sind der Alphazerfall und der Gammazerfall. Der Alphazerfall tritt ein, wenn ein schwerer Kern einen Helium-4-Kern abgibt, wodurch sich seine Ordnungszahl um 2 und sein Atomgewicht um 4 verringert. Bei diesem Prozess kann der Kern überschüssige Energie abgeben, die in Form von Gammastrahlung emittiert wird. Ein Gammazerfall tritt auf, wenn zu viel Energie im Kern eines Atoms vorhanden ist, so dass es einen Gammastrahl aussendet, ohne seine Ladung oder Massenzusammensetzung zu verändern.
Gammastrahlentherapie
Gammastrahlen werden manchmal zur Behandlung von Krebstumoren im Körper eingesetzt, indem sie die DNA der Tumorzellen beschädigen. Dabei ist jedoch große Vorsicht geboten, da Gammastrahlen auch die DNA der umliegenden gesunden Gewebezellen schädigen können.
Eine Möglichkeit, die Dosis für die Krebszellen zu maximieren und gleichzeitig die Belastung für das gesunde Gewebe zu minimieren, besteht darin, mehrere Gammastrahlen aus einem Linearbeschleuniger (Linac) aus vielen verschiedenen Richtungen auf die Zielregion zu richten. Dies ist das Funktionsprinzip der CyberKnife- und Gamma Knife-Therapien.
Bei der Radiochirurgie mit dem Gamma Knife werden mit Hilfe spezieller Geräte bis zu 200 winzige Strahlen auf einen Tumor oder ein anderes Ziel im Gehirn gerichtet. Jeder einzelne Strahl hat nur sehr geringe Auswirkungen auf das Hirngewebe, das er durchquert, aber an dem Punkt, an dem sich die Strahlen treffen, wird eine starke Strahlendosis abgegeben, so die Mayo Clinic.
Gammastrahlenastronomie
Eine der interessantesten Quellen für Gammastrahlen sind Gammastrahlenausbrüche (GRBs). Dabei handelt es sich um extrem energiereiche Ereignisse, die zwischen einigen Millisekunden und mehreren Minuten dauern. Sie wurden erstmals in den 1960er Jahren beobachtet und werden heute etwa einmal pro Tag irgendwo am Himmel beobachtet.
Gammastrahlenausbrüche sind laut NASA „die energiereichste Form von Licht“. Sie leuchten Hunderte Male heller als eine typische Supernova und etwa eine Million Billion Mal heller als die Sonne.
Robert Patterson, Astronomieprofessor an der Missouri State University, zufolge dachte man früher, dass GRBs aus den letzten Stadien verdampfender Mini-Schwarzer Löcher stammen. Heute geht man davon aus, dass sie bei Kollisionen von kompakten Objekten wie Neutronensternen entstehen. Andere Theorien führen diese Ereignisse auf den Kollaps supermassiver Sterne zurück, bei dem schwarze Löcher entstehen.
In jedem Fall können GRBs so viel Energie erzeugen, dass sie für einige Sekunden eine ganze Galaxie überstrahlen können. Da die Erdatmosphäre die meisten Gammastrahlen blockiert, können sie nur mit Höhenballons und Teleskopen in der Umlaufbahn beobachtet werden.
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