Was ist Gammazerfall – Gammaradioaktivität – Definition

Gammazerfall oder γ-Zerfall ist die Auflösung (Gammaradioaktivität) eines Elternkerns für eine Tochter durch die Emission von Gammastrahlen (energiereiche Photonen). Der Gammazerfall wird eher durch eine elektromagnetische Wechselwirkung als durch eine schwache oder starke Wechselwirkung bestimmt. Strahlendosimetrie

Gammazerfall oder γ-Zerfall ist die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission von Gammastrahlen (hochenergetischen Photonen). Dieser Übergang ( γ-Zerfall ) kann charakterisiert werden als:

Gammazerfall - Gammaradioaktivität - Definition

Wie zu sehen ist, bleiben Atom- und Massenzahlen des Tochterkerns gleich , wenn ein Kern Gammastrahlen aussendet , aber der Tochterkern bildet einen unterschiedlichen Energiezustand desselben Elements. Es ist zu beachten, dass Nuklide mit gleicher Protonenzahl und gleicher Massenzahl (was sie per Definition zum gleichen Isotop macht), aber in einem anderen Energiezustand als Kernisomere bezeichnet werden. Wir geben normalerweise Isomere mit einem hochgestellten m an, also: 241m Am oder 110m Ag.

Jod 131 - Zerfallsschema
Jod 131 – Zerfallsschema

In den meisten praktischen Laborquellen werden die angeregten Kernzustände beim Zerfall eines Elternradionuklids erzeugt, daher begleitet ein Gamma-Zerfall typischerweise andere Formen des Zerfalls , wie z. B. den Alpha- oder Betazerfall. Typischerweise enthalten Kerne nach einem Beta-Zerfall (isobarer Übergang) zu viel Energie, um sich in ihrem endgültigen stabilen oder Tochterzustand zu befinden.

Gammastrahlen sind energiereiche Photonen mit sehr kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Gammastrahlen des radioaktiven Zerfalls liegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit angemessen langer Lebensdauer entspricht. Wie geschrieben wurde, werden sie durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie erzeugt. Da es sich bei den Gammastrahlen im Wesentlichen nur um sehr energiereiche Photonen handelt, sind sie sehr durchdringende Materie und daher biologisch gefährlich. Gammastrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und leicht durch den menschlichen Körper gelangen.

Im Gegensatz zu alpha und beta Radioaktivität , Gamma Radioaktivität wird durch eine geregelten elektrostatische Wechselwirkung eher als eine schwache oder starke Wechselwirkung . Wie bei atomaren Übergängen trägt das Photon mindestens eine Einheit des Drehimpulses ab (das Photon, das durch das elektromagnetische Vektorfeld beschrieben wird, hat einen Drehimpuls von ħ), und der Prozess bewahrt die Parität .

Schneller Gamma-Zerfall

Wie bereits geschrieben, kann der Gammazerfall auf Kernreaktionen wie Neutroneneinfang , Kernfusion oder Kernspaltung folgen . Die meisten Kernreaktionen produzieren extrem instabile Kerne , die zerfallen, sobald sie bei Kernreaktionen gebildet werden (Halbwertszeit weniger als 10 -11 s) und im Allgemeinen nicht als Kernisomere klassifiziert werden. Darüber hinaus erzeugen diese Kerne gewöhnlich eine Kaskade von Gammastrahlen und die Gammastrahlenkaskade endet, wenn die gesamte überschüssige Energie des angeregten Kerns freigesetzt wird.

Beispielsweise werden nach einer Kernspaltung sofort Gammastrahlen von Spaltfragmenten emittiert. Die meisten sofortigen Gammastrahlen werden nach sofortigen Neutronen emittiert. Die Spaltreaktion setzt bei prompten Gammastrahlen etwa ~ 7 MeV und bei verzögerten Gammastrahlen zusätzlich ~ 7 MeV (für 235U ) frei. Dies ist ein erheblicher Energieanteil (~ 7% der freigesetzten Spaltungsenergie) und muss in vielen Bereichen der Reaktorkonstruktion berücksichtigt werden

Isomerer Übergang

Barium-137m ist ein Produkt eines gemeinsamen Spaltprodukts - Cäsium-137. Der Hauptgammastrahl von Barium-137m ist ein Photon mit 661 keV.
Barium-137m ist ein Produkt eines gemeinsamen Spaltprodukts – Cäsium-137. Der Hauptgammastrahl von Barium-137m ist ein Photon mit 661 keV.

In bestimmten Fällen kann der angeregte Kernzustand, der auf die Emission eines Beta-Partikels oder einer anderen Art von Anregung folgt, lange Zeit (Stunden, Tage und manchmal viel länger) im metastabilen Zustand bleiben , bevor er einem Gamma-Zerfall unterzogen wird, in dem sie auftreten einen Gammastrahl aussenden. Diese langlebigen angeregten Kerne sind als isomere Zustände (oder Isomere ) bekannt, und ihre Zerfälle werden als isomere Übergänge bezeichnet . Der Prozess des isomeren Übergangs ähnelt daher jeder Gamma-Emission, unterscheidet sich jedoch darin, dass er die metastabilen angeregten Zwischenzustände der Kerne umfasst.

Metastabile Kerne sind häufig durch einen hohen Kernspin gekennzeichnet, der eine Änderung des Spins von mehreren Einheiten oder mehr mit Gamma-Zerfall anstelle eines Übergangs einzelner Einheiten erfordert, der in nur 10 bis 12 Sekunden auftritt . Die Geschwindigkeit des Gamma-Zerfalls wird auch verlangsamt, wenn die Anregungsenergie des Kerns gering ist. Ein Beispiel ist der Zerfall des Isomers oder des metastabilen Zustands von Protactinium:

Extrem instabile Kerne, die zerfallen, sobald sie bei Kernreaktionen gebildet werden (Halbwertszeit weniger als 10 -11 s), werden im Allgemeinen nicht als Kernisomere klassifiziert. Isomere Übergänge müssen durch Multipolübergänge höherer Ordnung (im Gegensatz zur Gamma-Emission, die durch Dipolstrahlung auftritt) auftreten, die auf einer längeren Zeitskala auftreten.

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