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Da γ-Strahlung nicht aus geladenen Teilchen besteht, sondern aus Photonen, müssen sie zunächst mit Materie wechselwirken um gemessen zu werden. Die Absorption der γ-Strahlung erfolgt in drei Prozessen.
a) Photoeffekt
b) Comptoneffekt
c) Paarbildung
zu a) Photoeffekt:
Beim Photoeffekt wird die Energie eines γ-Quants vollständig auf ein Elektron der Hülle übertragen, das Photon wird absorbiert. Ein Teil der Energie des Photons wird benötigt um die Bindung des Elektrons vom Atomkern zu lösen, der Rest wird in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt.
Der Photoeffekt findet vorzugsweise an kernnahen Elektronen statt. Die kinetische Energie des Elektrons ist gleich der Energie des γ-Quants abzüglich der Auslösearbeit.
Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten des Photoeffekts nimmt mit steigender Ordnungszahl zu und mit steigender Quantenenergie ab. Bis zu 0,5 MeV dominiert der Photoeffekt gegenüber den anderen Effekten.
zu b) Comptoneffekt:
Trifft ein γ-Quant auf ein Elektron, dessen Bindungsenergie im Vergleich zur Quantenenergie sehr klein ist, das also quasifrei ist, so gibt es einen Teil seiner Energie und seines Impulses an das Elektron ab und wird an diesem gestreut. Der Energie- bzw. Impulsübertrag ist maximal für einen Streuwinkel von 180° (Rückstreuung). Im Spektrum sieht man dies an der sog. Comptonkante. Die
Wahrscheinlichkeit dafür, dass der Comptoneffekt eintritt steigt mit der Kernladungszahl und fällt mit zunehmender Quantenenergie. Die Wellenlängenänderung des gestreuten γ-Quants hängt vom Streuwinkel ab.
Die Comptonelektronen mit geringer Energie (kontinuierliches Spektrum) bilden das so genannte Comptongebirge. Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten des Comptoneffekts nimmt mit wachsender Ordnungszahl zu. Der Comptoneffekt dominiert gegenüber den anderen Effekten im Bereich zwischen 0,5 MeV und 5 MeV.
zu c) Paarbildung:
Besitzt ein Elektron eine Energie größer als 1,02MeV, also mindestens die doppelte Ruheenergie eines Elektrons, so kann es im Coulombfeld eines Kerns in ein Elektron und dessen Antiteilchen, ein Positron, materialisieren. Die Energie, die über die Ruheenergie dieser Teilchen hinausgeht, bekommen die Teilchen im Wesentlichen als kinetische Energie. Den Restbetrag der Energie erhält das Teilchen, in dessen Feld die Paarbildung stattfindet. (Auch im Feld eines Elektrons ist Paarbildung möglich. Da dabei auch auf das Elektron ein Teil der Energie übertragen wird, spricht man von Triplettbildung.) Die Vereinigung von Positron mit einem Elektron wird als Paarvernichtung bezeichnet, wodurch zwei oder mehrere γ-Quanten entstehen.
Auch bei der Paarbildung ist ein dritter Stoßpartner nötig, um keinen Widerspruch in der Energie-Impuls-Beziehung zu erhalten.
Erklärung:
Im Bezugssystem in dem Elektron und Positron nach der Paarbildung einen Gesamtimpuls von Null besitzen, müsste das γ-Quant vor der Paarbildung ebenfalls einen Gesamtimpuls von Null besitzen. Da das γ-Quant jedoch in jedem Bezugssystem die Lichtgeschwindigkeit hat und damit pγ ≠ 0 ist, entsteht her ein Widerspruch. Hier gleicht ein dritter Stoßpartner (Proton) die Energie-Impuls-Beziehung aus.
Die Wahrscheinlichkeit für den Paarbildungsprozess nimmt mit wachsender Energie zu. Ab 5 MeV überwiegt der Paarbildungsprozess gegenüber den anderen Prozessen.
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