Lassen Sie uns zuerst einen (kurzen) Exkurs in die Kernphysik unternehmen und beschreiben woher die Gamma-Strahlung eigentlich kommt, die wir in der Gamma-Spektrometrie messen und auswerten.
Wir wissen bereits, dass dafür der radioaktive Zerfall eines Atomkernes verantwortlich ist. Beim Zerfall wandelt sich der Atomkern durch Aussenden von Teilchen (Alpha- oder Beta-Teilchen, Neutronen …) in ein Tochternuklid um. Dieses befindet sich in der Regel zunächst in einem angeregten Zustand aus dem es unter Aussendung von Gamma-Strahlung in den Grundzustand übergeht. Dieser Übergang kann in einem Schritt oder aber mehreren Schritten erfolgen. Festgelegt wird dies durch die jeweiligen kernphysikalischen Eigenschaften des Tochternuklids, auf die wir hier aber nicht weiter eingehen wollen.
Betrachten wir zur Verdeutlichung den Zerfall eines 60Co-Atomkerns. Dieser zerfällt mit einer Halbwertszeit (T1/2) von 5,271 Jahren unter Aussendung eines β--Teilchens in das Tochternuklid 60Ni, welches stabil ist, d. h. nicht weiter zerfällt. Die nachfolgende Abbildung zeigt das Termschema für den Zerfall.
Termschema für den radioaktiven Zerfall von 60Co in 60Ni unter Aussendung eines β--Teilchens (Quelle: http://www.lnhb.fr/Laraweb/). Die waagerechten schwarzen Linien stellen die Energieniveaus (Anregungszustände) von 60Ni dar, die Zahlen rechts davon geben die jeweiligen Energiewerte der Niveaus in keV an. Die unterste Linie repräsentiert den Grundzustand von 60Ni. Die Pfeile zwischen diesen Linien geben die erlaubten Übergänge von einem höheren Energieniveau in einen niedrigeren (oder in den Grundzustand) an, die Zahlen entsprechen den Wahrscheinlichkeiten, dass dieser Übergang stattfinden kann. Entsprechend beschreiben die grünen Linien mit den Zahlenwerten die Wahrscheinlichkeiten, mit denen ein Übergang von 60Co in das jeweilige Energieniveau von 60Ni erfolgen kann.
Nach dem Zerfall befindet sich das Tochternuklid 60Ni mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,88 % in seinem dritten, mit 0,002 % in seinem zweiten und mit 0,12 % in seinem ersten angeregten Zustand. Ein direkter Übergang von 60Co in den Grundzustand von 60Ni findet nicht statt! Das beim Zerfall entstandene 60Ni-Atom befindet sich folglich in einem angeregten, d. h. energiereichen Zustand. Um in den energieärmeren Grundzustand zu gelangen muss es somit Energie abgeben. Dies erfolgt entweder durch einen direkten Übergang in den Grundzustand oder aber über einen oder mehrere angeregte Zustände niedrigerer Energie in den Grundzustand. Es sind also nur Übergänge zwischen bestimmten Zuständen, d. h. Energieniveaus, möglich. Die Folge dieser Beschränkung auf diskrete Energieniveaus ist für die charakteristischen Linien in den gemessenen Gamma-Spektren verantwortlich.
Zur Verdeutlichung betrachten wir den dritten angeregten Zustand von 60Ni, der einer Energie von 2505,748 keV entspricht. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,0000020 % kann der Übergang direkt in den Grundzustand erfolgen, tritt also sehr selten auf. Die dabei ausgesandte Gamma-Strahlung hat eine Energie von 2505,748 keV. Mit 99,85 % wesentlich wahrscheinlicher ist der Übergang in den ersten angeregten Zustand. Hierbei wird Gamma-Strahlung mit einer Energie von 1173,24 keV ausgesandt, der Differenz zwischen der Energie des dritten und des ersten angeregten Zustands (2505,748 keV – 1332,508 keV). Auf diesen Übergang folgt mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9826 % der Übergang in den Grundzustand. Hierbei wird Gamma-Strahlung mit einer Energie von 1332,508 keV ausgesandt.
Wenn Sie sich die Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen möglichen Übergänge ansehen, dann fällt Ihnen sicherlich auf, dass es zwei Übergänge mit sehr hohen Wahrscheinlichkeiten gibt (wie gerade beschrieben) und weitere mit wesentlich geringeren. Dies hat zur Folge, dass in Gamma-spektrometrischen Messungen für 60Co meist nur die beiden charakteristischen Linien bei 1173,24 keV und 1332,508 keV in den Messspektren erkennbar sind.
Ein Punkt, der manchmal für Verwirrung sorgt, sei noch angemerkt:
Beachte:
Obwohl die Gamma-Strahlung aus den Tochternukliden kommt, wird sie dem Mutternuklid zugeordnet.
