Wann zerfallen Atomkerne durch Gammastrahlung?

 - (Physik, Chemie, Universum)

5 Antworten

Bei α- und β-Zerfällen (oder auch bei Kernspaltungen) wird fast immer γ-Strahlung als Begleitstrahlung mit abgegeben.

Das liegt daran, dass sich die Bindungsenergie des Atomkerns leicht ändert: Durch

- das Aussenden eines Helium-4-Kerns beim α-Zerfall; oder

- die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton beim β--Zerfall; oder

- die Umwandlung eines Protons in ein Neutron beim β+-Zerfall; oder

- durch Kernspaltung

...entsteht ein neuer Atomkern (bei Kernspaltung mehrere neue Atomkerne), dessen (/deren) Nukleonen, also Protonen u. Neutronen etwas stärker gebunden sind (die Bindungsenergie pro Nukleon ist größer).

Die Bindungsenergie der Nukleonen des gesamten Kerns entspricht dem Massendefekt, das heißt der Kern ist leichter als die Summe der Massen der entsprechenden Anzahl an einzelnen Protonen u. Neutronen.

Beim radioaktiven Zerfall eines Ausgangskerns mit kleinerem Massendefekt entsteht 1 Kern (o. mehrere Kerne) mit größerem Massendefekt plus evtl. einzelne Teilchen (He-4, Elektronen, Positronen, Neutrinos). Es bleibt aber immer noch eine Massendifferenz zwischen Ausgangsprodukten und Reaktionsprodukten übrig.

Da Masse eine Energieform ist (Masse-Energiebeziehung: Albert Einsteins berühmte Formel E = m * c^2, also Energie = Masse mal Lichtgeschwindigkeit ins Quadrat), wurde die Massendifferenz in andere Energieformen umgewandelt:

- in die Energie der elektromagnetischen γ-Strahlung, die fast immer beim Zerfall (mit) abgegeben wird

- in die kinetische Energie der entstandenen Teilchen (α-, β-- und β+-Teilchen oder Spalt-Neutronen fliegen mit relativ hohen Geschwindigkeiten weg, die γ-Quanten sind mit Lichtgeschwindigkeit sogar noch schneller)

- evtl. auch in Schwingungsenergie (Kernschwingungen und/oder thermische Schwingungen = Wärme) und/oder in Rotationsenergie (des gesamten Atomkerns)

 

In manchen Fällen sind die beim Zerfall entstandenen Kerne stabil, in anderen Fällen befinden sie sich noch in einem relativ hohen Energiezustand und sind dann radioaktiv.

Wenn der Kern in einem höheren Energiezustand ist, sich die Protonen- u. Neutronen-Anzahl aber nicht mehr ändert, spricht man auch von einem angeregten Zustand. Dieser kann relativ lange anhalten (metastabile Kerne). Der Atomkern hat aber das Bestreben, in einen energetisch niedrigeren, stabilen Zustand zu kommen. Dies geschieht meist über die Aussendung von γ-Strahlung, denn die ausgesendeten γ-Quanten (Photonen) tragen Energie weg.

 

 

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung

Hallo Levin77,

γ-Strahlung ist eine Art Licht, also reine Energie, anders als α- und β-Strahlung, die ja Materiestrahlung ist. Deshalb ist die Bezeichnung „γ-Zerfall“ - die es durchaus gibt - irreführend. Ein Atomkern, der nur γ-Strahlung abgibt, zerfällt eigentlich nicht, sondern er fällt von einem angeregten Zustand in den Grundzustand.

Dasselbe Phänomen kennen wir von Atomen oder Molekülen, die Licht abgeben. Aufgenommen haben kann es die Energie zuvor durch Absorption eines Lichtquants oder auf anderem Wege, etwa durch einen heftigen Stoß. Deshalb leuchten erwärmte Materialien in all den Frequenzen, die sie auch aufnehmen können.

Der Atomkern ist rund 10⁵ mal kleiner als das Atom (und neben der elektromagnetischen WW sind auch noch Ausläufer der Starken WW am Werk, was auch eine Rolle spielen mag). Deshalb hat jedes Photon, das einen Kern anregen kann bzw. beim Übergang in den Grundzustand emittiert wird, auch 10⁵ mal mehr Energie.

Auch „nebenbei“, beim α- und β-Zerfall, wird meist auch γ-Strahlung frei, denn „Punktlandungen“ auf dem Grundzustand des Tochternuklids (entspricht einem Produkt bei einer chemischen Reaktion, dem Edukt entspricht das Mutternuklid) beim Zerfall sind selten. Und das ist auch gut so, denn anhand der charakteristischen γ-Strahlung lässt sich oft „aus der Ferne“ ermitteln, welche Nuklide (Atomkernsorten) da überhaupt in welche andere zerfallen.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung

Die Formulierung "Zerfall durch Gammastrahlung/ Alphastrahlung/ Betastrahlung" wirft die falsche Vermutung auf, dass die Strahlung ursächlich für den Zerfall ist. Vielmehr ist die Ursache für den Kernzerfall dessen intrinsische Instabilität.  Der Zerfallsvorgang kann beschleunigt werden durch Beschuss mit Teilchen (wie in Kernreaktoren). Beim Zerfall entsteht Alpha- oder Betastrahlung (je nach Isotop). Die Tochterkerne können nach dem Zerfall einen kurzlebigen Schwingungszustand einnehmen, der dann in Folge zu einer Emission von Gamma-Strahlung führen kann. 

Ich bin jetzt im 5. Semester Physik und muss zu meiner Schande gestehen, dass ich keine Antwort weiß, also kommen jetzt ein paar Vermutungen:

Gamma Strahlung ist ja nichts anderes, als hochfrequente EM-Wellen von denen ist mir nicht bekannt, dass sie einen Atomkern zum Zerfall bringen würden. EM-Wellen werden von Atomen soweit ich weiß nur dann absorbiert, wenn sie den Kern direkt in einen höheren Energiezustand versetzen können, also die passende Energie haben. Ich glaube also, dass andere Frequenzen keinen Effekt haben.

Hat mit der Frage nichts zu tun. Durch Absorption von Photonen zerfällt kein Kern. 

Und wieso hattet ihr keine Zerfallsreihen? Das sind doch absolute Basics nd eigentlch schon Schulstoff?

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@segler1968

Ich glaube hier nicht an die mangelnde Kompetenz von Donbal, sondern an eine falsche Formulierung der Frage. Der Fragesteller möchte wissen, wann bei einem Zerfall Gammastrahlung entsteht - das geht allerdings erst aus seinem Text hervor. In der Überschrift fragt er nach einem Zerfall mit Gammastrahlung als Ursache - wovon ich bisher auch noch nichts gehört habe und was auch nicht passieren dürfte.

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