Ionisierende Strahlung: Reichweite: Kernreaktionen, Kernphotoeffekt

Veröffentlicht von: 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 (16O) ca. 7,98 MeV. Um jedoch eine (γ, n)-Reaktion bei 16O auszulösen, bedarf es einer Energie von 15,7 MeV. Der Kernphotoeffekt des 16O lässt sich wie folgt darstellen:

16 O (γ, n) 15O

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

stabiles AusgangsnuklidPhoto-KernreaktionSchwellenenergie in MeVZerfallsart des entstandenen Nuklids
Deuterium (2H) 2 H (γ, n)1 H 2,18 1H ist stabil
Kohlenstoff 12 (12C) 12 C (γ, n) 11 C 10,6 ß+
Sauerstoff 16 (16O) 16O (γ, n) 15O 15,7 ß+
Stickstoff 14 (14O) 14N (γ, n)13 N 10,6 ß+
Kupfer 65 (65Cu) 65Cu (γ, n) 64Cu 9,9 ß+
Blei 207 (207Pb) 207Pb (γ, n) 206Pb 8,1 206Pb ist stabil
Kohlenstoff 12 (12C) 12C (γ, p) 11B 16,0 11B ist stabil
Sauerstoff 16 (16O) 16 O (γ, p) 15N 12,1 15N ist stabil
Stickstoff 14 (15N) 14N (γ, p) 13C 15,3 13C ist stabil
Kupfer 65 (65Cu) 65Cu (γ, p) 65Ni 7,4 65Ni ist stabil
Blei 207 (207Pb) 207Pb (γ, p) 206Tl 7,5 ß-
Halbwertszeitstabiles Zerfallsnuklid
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20,5 min 1B
122 s 15N
10 min 13C
12,9 h 64Ni
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4,3 min 206Pb

Eine Reihe der beim Betrieb eines Beschleunigers auftretenden Kernreaktionen



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