Ionisierende Strahlung: Reichweite

Kernreaktionen, Kernphotoeffekt

Autor: Onmeda-Redaktion

Es gibt eine große Anzahl von Kernreaktionen, die durch Photonenstrahlung ausgelöst werden. Die Art einer Kernreaktion ist dabei entscheidend von der Art der Reaktionspartner sowie der Energie der auftreffenden Photonenstrahlung abhängig. Wegen der relativ hohen Schwellenenergien, bei denen derartige Reaktionen erst entstehen können, betreffen die folgenden Betrachtungen nur Strahlenquellen mit Energien, die weit im MeV-Bereich liegen, also in der Medizin aus Beschleunigern in der Strahlentherapie entstammen.

Die in diesem Zusammenhang vorgestellten Prozesse spielen aber nicht nur eine interessante theoretische Rolle, sondern sind für den Strahlenschutz an Beschleunigern unmittelbar von Bedeutung.

Aufgrund der durch die Strahlung des Beschleunigers entstandenen Radionuklide ist das Personal einer erhöhten Strahlenbelastung ausgesetzt. Um diese Belastung so gering wie möglich zu halten, muss daher ein häufiger Luftaustausch im Bestrahlungsraum gewährleistet sein. Dieser Luftaustausch dient außerdem der Beseitigung des bei der Bestrahlung zusätzlich entstehenden Ozons.

Es gibt in diesem Zusammenhang zwei spezielle Arten von Kernreaktionen, die von besonderem Interesse sind:

• Ein Photon wird von einem Kern absorbiert und ein Neutron wird emittiert. Dieser Prozess wird als (γ), n)-Reaktion bezeichnet.
• Statt des Neutrons kann durch die Photonenstrahlung auch ein Proton aus dem Kern emittiert werden. Dieser Prozess wird als (γ, p)-Reaktion bezeichnet.

Die kleinste Energie, bei der ein Kernphotoeffekt überhaupt auftreten kann, beträgt 2,18 MeV. Es ist die (γ, n)-Reaktion des Deuteriums. Dieser Prozess lässt sich formal wie folgt darstellen:

² H (γ, n) ¹ H

Die Bindungsenergie eines Nukleons beträgt bei mittelschweren Kernen rund 8 MeV. Als Kernbindungsenergie eines Nukleons wird die Energie bezeichnet, die im Mittel notwendig ist, um ein Nukleon gegen die Anziehung des Restkerns aus diesem zu entfernen.

Um ein Nukleon jedoch tatsächlich aus dem Kern loszulösen, muss eine Potentialbarriere überwunden werden, die teilweise einiges höher liegt als die eigentliche Bindungsenergie des Nukleons. So beträgt die mittlere Bindungsenergie eines Nukleons beim Sauerstoff 16 ca. 7,98 MeV. Um jedoch eine (γ, n)-Reaktion bei O 16 auszulösen, bedarf es einer Energie von 15,7 MeV. Der Kernphotoeffekt des O 16 lässt sich wie folgt darstellen:

¹⁶ O (γ, n) ¹⁵O

Das bei diesem Prozess entstandene Sauerstoffisotop O 15 zerfällt mit einer Halbwertzeit von 122 Sekunden über einen ß⁺ -Zerfall in Stickstoff 15. Es sei erwähnt, dass O 15 eine sehr wichtige Rolle bei der Positron-Emissions-Tomographie (PET) besitzt.

Eine Reihe der beim Betrieb eines Beschleunigers auftretenden Kernreaktionen

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