Gamma- oder Röntgenstrahlung sind beides Formen von Licht. Tritt Licht in Materie ein, dann wird ein Teil der Lichtteilchen seitlich weggestreut oder absorbiert.

Daraus ergibt sich ein Absorptionsgesetz, das einen exponentiellen Abfall der Intensität der Strahlung entlang der Wegstrecke vorhersagt. Dieses Gesetz gilt übrigens nicht nur für Gammastrahlung, die in ein Metall einfällt, sondern auch – mit einem anderen Absorptionsfaktor µ' – zum Beispiel für Licht, das Meerwasser durchstrahlt.

Three ways to loose your energy

Die Energie der Röntgen- und Gammastrahlung wird in der Materie durch mehrere Effekte geschluckt: Die Quanten können (auch innere) Elektronen aus dem Atom herauslösen – der Photoeffekt, eine Art besonders starke Ionisation. Die Lichtquanten können auch an Elektronen oder Atomen gestreut werden und erfahren dabei inelastische Stöße - der Compton-Effekt. Und ab einer gewissen Grenzenergie ist es Gammastrahlung außerdem möglich, bei der Paarbildung Elektronen-Positronen-Paare zu erzeugen.

Man kann für die Absorption eine Differentialgleichung formulieren, deren vereinfachte Lösung eine Exponentialfunktion ergibt - dabei kommt das so genannte "Lambert-Beer-Gesetz für Strahlungsabsorption" heraus:

Wer den Abschnitt über die Exponentialfunktion schon durchgearbeitet hat, der weiß sicher, was diese Formel besagt: Die Intensität des Lichtes, das in die Materie einfällt, fällt schon in einer relativ kurzen Wegstrecke (x) praktisch auf Null ab.

Wie schnell das passiert, regelt der Faktor µ. Der hängt von der Ladungszahl und von der Dichte der Materie ab, die durchstrahlt wird - und von der Energie der Strahlung. In ihm verbergen sich im Wesentlichen drei Effekte, die passieren, wenn energiereiches Licht in Materie eingestrahlt wird: Der Photoeffekt, der Compton-Effekt und die Paarbildung.

Röntgen- oder Gammaquanten können Ihre Energie an Elektronen auf einer der inneren Schalen der Atome in der durchstrahlten Materie abgeben und dabei Elektronen aus den Atomen herausgeschlagen. Das nennt man "Photoeffekt".

Und wie viel Energie wird dabei dem Gammalicht entzogen? Wie viel Energie das Material aus der einfallenden Röntgen- oder Gammastrahlung aufnimmt, hängt davon ab, welche Energie die Strahlung besitzt. Unten steht eine entsprechende Kurve - hier wurde errechnet, wie viel Röntgenstrahlung durch 0,2 Mikrometer Blei durchkommt. Auf der X-Achse ist die Energie der Photonen aufgetragen (Achtung: Die Achse ist logarithmisch!). Wie wir sehen, nehmen die Atome im Blei bei ansteigender Energie mal mehr, mal weniger Energie auf. Und wir sehen auch: Der Photoeffekt spielt typischerweise nur bei niedrigeren Einfallsenergien eine Rolle - bei höheren Energien beruhigt sich die Kurve.

Wie lassen sich die Schwankungen erklären? Welche Begründung erscheint einleuchtend?

a) Die Photonen im Röntgenlicht ändern ihre Größe mit der Energie und passen bei bestimmten Energien einfach nicht mehr zwischen die Atome. Dann werden sie aufgehalten.

b) Um die Elektronen aus den Atomen beim Photoeffekt herauszulösen, braucht man einen bestimmten Energiebetrag. Wenn die einfallende Strahlung diese Energie erreicht, wird sie besonders gut geschluckt.

c) Die Kurve ist zufällig so gewellt, je nachdem, wie die Photonen auf die Blei-Atome treffen. Wird das Experiment nochmal wiederholt, ist die Kurve wieder gewellt - allerdings anders.

Die einfallenden Photonen der Röntgen- oder Gammastrahlung können auch inelastisch mit den Elektronen in den Atomen der durchstrahlten Materie zusammenstoßen. Dadurch ändern sie ihre Richtung und geben einen Teil ihrer Energie an die Elektronen ab. Die Energie wird allerdings nicht vollständig geschluckt wie beim Photoeffekt oder bei der Paarbildung. Diese Reaktion wird Compton-Effekt genannt.

Das Elektron bekommt durch den Stoß genug Energie ab, um von „seinem” Atom abgetrennt zu werden - es wird zum so genannten „Compton-Elektron”.

In folgender Animation können wir uns das mal genauer ansehen.

 

Ab welcher Strahlenergie ist ein solcher Vorgang möglich? 

a) ab 1,02 MeV

b) ab 1,02 10^-3 kg

c) ab 1,02 10² MJs