Röntgenstrahlung und Gammastrahlung: Eine verwirrende Definitionsfrage

Als ich vor Jahren auf meiner Homepage die Gammastrahlung erklären wollte, habe ich mir natürlich Gedanken über die Abgrenzung zur Röntgenstrahlung gemacht. Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass diese Strahlungsarten im Wesentlichen das gleiche sind. Eine gemeinsame Definition für Gamma- und Röntgenstrahlung wäre etwa: …strahung ist elektromagnetische Strahlung, deren Quantenenergie ausreicht um stark gebundene Elektronen aus Atomen herauszuschlagen und Atomkerne anzuregen.

Vor kurzem hat sich nun per e-mail ein Lehrer beschwert. Ich würde Interessierte und Neugierige unnötig verwirren. Schließlich sage Wikipedia: “Röntgenstrahlen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen dem ultravioletten Licht und der Gammastrahlung, mit der sie sich teilweise überschneiden.” Das sei der Beweis, dass Röntgenstrahlung und Gammastrahlung nicht identisch seien. Aber Moment, was ist mit der teilweisen Überschneidung? Gibt es also einige Röntgenstrahlungen (die energetischeren), die mit einiger Gammastrahlung (der weniger energetischen) identisch sind?

Wie so oft in der Physik, kommt es gar nicht so sehr auf die Bezeichnung an, sondern auf die Inhalte. Im neuen Heft der Spektrumredaktion für Kinder, Spektrum NEO, habe ich die Grenze 30 Milliarden Ghz entdeckt. Das entspricht einer Wellenlänge von einem Zehntel Angström, also kürzer als ein Atomdurchmesser und länger als ein Atomkern. Willkürliche Grenzfestsetzungen sind etwas für Juristen und Bänker, mich als Naturwissenschaftler stoßen sie ab.

Die Undulatorhalle der Linac Coherent Light Source (LCLS) in Stanford (USA). Hier entsteht intensive Röntgenstrahlung.

Die Physik ist voll von Grenzen. Lichtgeschwindigkeit ist eine Grenzgeschwindigkeit, die nicht überschritten werden kann. Aber sie ist keine willkürliche Grenze, man kann recht genau messen, welche Geschwindigkeit es ist. Auch mit weichen Grenzen kann ich etwas anfangen, wenn die Definition nachvollziehbar ist. Sichtbares Licht ist zum Beispiel definiert als der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der von Menschen wahrgenommen werden kann. Dass dieser Bereich für unterschiedliche Menschen verschieden ausfällt, tut der Definition keinen Abbruch. Man kann sagen, dass sich sichtbares Licht etwa im Bereich der Oktave von 400 bis 800 Nanometern Wellenlänge befindet. Ich erinnere mich an einer Diskussion, die ich mit einem Doktoranden hatte, als ich noch Diplomand in der Laserphysik war. Er schrieb gerade eine Publikation über einen neuen, blauen Faserlaser. Für mich war das Laserlicht eindeutig grün.

Wir können uns gerne einigen, dass Röntgenstrahlung die tief ionisierende Strahlung jenseits der nur oberflächlich ionisierenden ultravioletten Strahlung ist und dass von Gammastrahlung erst die Rede sein kann, wenn die Wellenlänge kürzer als ein Atomdurchmesser ist. Aber aufgrund des überlappenden Bereiches von Strahlung, die sowohl Gamma als auch Röntgen sein kann, taugt die Wellenlänge nicht wirklich als Definition.

Als Physiker, der seit über zehn Jahren mit Röntgenstrahlung zu tun hat, habe ich ein Sprachgefühl für Begriffe wie Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Dieses Gefühl sagt mir, dass man Röntgen- und Gammastrahlen nicht nach ihrer Energie oder Wellenlänge, sondern nach ihrer Entstehung unterscheidet.

Röntgenstrahlung entsteht, wenn eine innere Elektronenschale eines Atoms angeregt wurde und das Atom unter Abgabe eines Photons in einen niedrigeren Energiezustand zurückfindet. Sie entsteht auch, wenn Elektronen im Feld von Atomkernen abgelenkt und abgebremst werden. Das nennt man dann Bremsstrahlung.

Gammastrahlung entsteht dagegen bei Kernzerfällen. Wenn also nicht die Elektronenschale eines Atoms angeregt ist, sondern der Atomkern selbst, bezeichnet man die beim Zerfall freiwerdende Strahlung als Gammastrahlung. Gammastrahlung entsteht aber auch bei Paarvernichtung von Elementarteilchen oder beim Zerfall instabiler Teilchen.

Zusammenfassend sagt mein Sprachgefühl: Röntenstrahlung entsteht immer dann, wenn die elektromagnetische Kraft allein verantwortlich ist. Wenn die starke oder schwache Kernkraft wesentlich beteiligt ist, haben wir es mit Gammastrahlung zu tun.

Ob mein Sprachgefühl die Mehrheit der Sprecher wiedergibt, kann ich nicht sagen. Historisch ist es richtig. Wilhelm Conrad Röntgen hat die nach ihm benannte X-Strahlung bei Versuchen mit einer Elektronenröhre gefunden und die Gammastrahlung hat ihren Namen daher, dass sie neben der positiv geladenen Alphastrahlung und der elektronischen Betastrahlung die dritte Strahlung im Kernzerfall ist.

Logisch macht meine Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammstrahlung Sinn, wenn man es mit der Erzeugung von Strahlung zu tun hat. Ich arbeite an Sychrotronstrahlungsquellen, die Röntgenstrahlung erzeugen, und habe den Eindruck, dass in meinem wissenschaftlichen Umfeld die meisten mit meiner Definition übereinstimmen. Für experimentelle Astrophysiker, die Teleskope bauen um Röntgen- und Gammastrahlung aus dem fernen Weltraum nachzuweisen, ist meine Unterscheidung eher ungünstig. Einem Photon sieht man es zunächt nicht an, wie es entstanden ist. Für einen Astronomen ist der primäre Unterschied zweier Strahlungsarten die Wellenlänge. Ich kann mir also gut vorstellen, dass für Astronomen die Wellenlänge das entscheidende Kriterium ist und bleibt.

Wie ist es nun mit interessierten Laien? Was soll man ihnen sagen ohne sie zu verwirren? Ich denke, dass sich etwas Verwirrung in ersten Kontakt mit der Physik nicht vermeiden lässt. Vor allem aber ist es immer eine Frage der Herangehensweise, ob man eher ein grobes Bild zeichnet: Gamma- und Röntgenstrahlung ist im Wesentlichen die selbe Art von Strahlung. Oder ob man versucht, alle möglichen Unterscheidungen klar herauszuarbeiten: Es gibt Bremsstrahlung, charakteristische Röntgenstrahlung, Gammastrahlung aus Kernen, Strahlung aus dem Zerfall von Elementarteilchen und Paar-Vernichtungs-Strahlung. Die Fülle der physikalischen Phänomene hat etwas faszinierendes und unter diesem Aspekt kann es sinnvoll sein, Röntgen- und Gammastrahlung einfach nach ihrer Wellenlänge willkürlich einzuteilen und die verschiedenen Quellen für beide Strahlungsarten mit ihren eigenen Namen zu versehen.

Ich werde versuchen, einen geeigneten Mittelweg zu finden um meine Leser nicht über Gebühr zu verwirren. Leichte Verwirrungen sind weder Zufall noch Absicht sondern nicht zu vermeiden.

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

18 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. @Dierk

    Die Facebook-Umfrage hatte kaum Beteiligung. Von neun Antwortenden haben sich fünf für die Unterscheidung nach Energie, drei für die nach Entstehungsart und einer für “kein Unterschied” entschieden.

    Da ich so eine geringe Beteiligung eh nicht für ein brauchbares Stimmungsbild halte, habe ich sie für diesen Blogbeitrag nicht verwendet.

    Interessant wäre ein Umfrage unter Physikern aus unterschiedlichen Fachgebieten.

  2. Zustimmung

    Hallo Joachim.

    Ich sehe das ähnlich wie du. Es kommt nicht auf die Wellenlänge, sondern auf die Art der Erzeugung an.
    Wenn es um einzelne Quanten geht, dann spreche ich oftmals einfach von Gammas, als Abkürzung für Gamma/Lichtquanten und dabei ist es egal, wie sie erzeugt wurden und welche Energie sie haben.

    Gruß

  3. Facebook-Umfrage

    Hm, da muss man vielleicht einfach bei der Facebook-Umfrage mal nachhelfen und dafür werben. Fanseite & Co. bieten sich doch da regelrecht an, um die Follower auf dem Laufenden zu halten. Ansonsten danke ich für die Schilderung. Besten Dank!

  4. Verwirrung? Na und!

    Es ist nicht schlimm, den Laien zu verwirren. Verwirrung geht dem Verständnis voraus, denn wenn man versucht, die Verwirrung zu klären, kann man viel lernen. Das ist bei diesem Blogpost so oder man denke an die Frage, ob denn nun Pluto ein Planet ist oder nicht.

  5. Definitionen sind Schall und Rauch

    …zumindest manchmal.

    Man gucke uns Astronomen an. Wir nennen alles “Metall” was im Periodensystem nach Helium kommt. Chemiker würden sich die Haare raufen, und Festkörperphysiker vermutlich auch.

    Gerade bei der Röntgenstrahlung sehe ich da teilweise einfach nur fließende Übergänge. Man nehme die andere Seite, die zur UV-Strahlung. Die Grenze legt unsereiner da irgendwo bei Wellenlängen zwischen 50 und 100 Angstrom, je nach Bedarf. Ich glaube man tendiert da dann auch ein wenig dazu, die Grenze da zu sehen, wo der Detektionsbereich des vertrauten Meßinstrumentes aufhört.

  6. Astronomie

    Ich denke in der experimentellen Astronomie ist eine Unterscheidung nach der Erzeugungsweise – wie im Artikel gesagt – mehr als unpraktisch. Dafuer ist eine klare Abgrenzung (z.B. nach Wellenlaenge der Roentgenstrahlung von 1E-11 bis 1E-8m) hilfreich um die passende Optik und Detektoren auszuwaehlen. Didaktisch gesehen erscheint mir die Unterscheidung nach Erzeugungsweise sehr sinnvoll. Ob sich aber an der historisch gewachsenen Bezeichnungsweise bzw. Verwendungsweise so schnell etwas aendern laesst, bleibt abzuwarten – das dauert ja bekanntlich Generationen…

  7. Gerade in der Astronomie

    untersucht man doch nicht “Röntgenstrahlen” oder “Gammatrahlen”, sondern Frequenzbänder, in denen sich die Vorgänge abspielen, die man untersuchen will. Insofern stellt sich das Definitionsproblem da nicht so sehr, denke ich.

    Im Grunde sehe ich auch keine Notwendigkeit für eine allgemeingültige klare Definition. Man muss sich halt einmal einigen was man meint und wie man es nennt, und dann kann man damit arbeiten.

  8. @Lars

    Natürlich untersucht man Frequenzbänder. Und wie Carolin feststellt, sind die Grenzen dieser Bänder fließend. Aber dennoch geben wir diesen Frequenzbändern Namen. Der Name “Röntgenstrahlung” kann je nach Kontext ein Frequenzband, eine Strahlungsart mit bestimmtem Ursprung oder eine Strahlungsart mit bestimmten Fähigkeiten bezeichnen. Das ist vielleicht, grob zusammengefasst, was ich mit dem Artikel auszudrücken versuchte.

  9. Zum Thema Laien

    Ich selbst würde mich eher als Physik-Laie betrachten (Physik-LK Jg.13) aber ich fand die Erklärung doch recht einfach und gut verständlich und würde mich dem Gedanken Gamma- sowie Röntgenstrahlung per Enstehung zu definieren anschließen.

  10. Hallo Herr Schulz,
    sehr schöne Erklärung.
    In der Medizin arbeite ich im Operationssaal mit einer Gamma-Sonde, um bei der Sentinel-Node-Biopsie den Wächterlymphknoten zu detektieren. Dann rede ich oft mit den Mitarbeitern über Grundlagenpysik. Bei diesen Gesprächen habe ich immer behauptet Röntgenstahlung sei “im wesentlichen” Gamma-Strahlung. Das kann ich jetzt wesentlich besser erklären.
    LG
    Hubert K. Sommer

  11. Wir sitzen gerade in der Schule und sollen das Googlen der Text ist ja vielleicht sehr interessant aber ich keine Zeit mir den Text jetzt eine Stunde durchzulesen, da ich einfach nur die antwort möchte !!

  12. Es ist wohl eher die Art der Erzeugung als die Wellenlänge. Ein Beispiel aus meiner Studienzeit. In meiner Diplomarbeit ging es um Reflexionen von Gammastrahlen an Kristallgittern. Die Energie dieser Quanten war 14 Kev (Cobalt57 Betazerfall). Absorptionen wurden mit dem Mössbauereffekt bestimmt. Also haben wir Gammastrahlen im Energiebereich von Röntgenstrahlen benutzt.

  13. eine überschneidung von gammastrahlung und röntgenstrahlung sehe ich auch nicht.

    die eine durch zerfall eines atoms die andere durch anregung eines atoms-die überschneidungen kann man vernachlässigen aus gründen-hervorrangender artikel gerne mehr-es sind zwei verschiedene strahlungen die unterschiedlich wirken und wer etwas anderes sagt soll das gefälligst belegen können und nicht klugscheissen

    • eine überschneidung von gammastrahlung und röntgenstrahlung sehe ich auch nicht.

      die eine durch zerfall eines atoms die andere durch anregung eines atoms-die überschneidungen kann man vernachlässigen aus gründen-hervorrangender artikel gerne mehr-es sind zwei verschiedene strahlungen die unterschiedlich wirken und wer etwas anderes sagt soll das gefälligst belegen können und nicht klugscheissen

      Nun ich sehe das anders. Wie in meinem Posting beschrieben war es ein Difraktometer wie bei der Strukturanalyse von Kristallen mit Röntgenstrahlung.
      Allerdings war die Quelle eine Gammaquelle mit einem Übergang mit 14 KeV. Der Absorber bestand aus dem Isotop der Zerfallsprodukt. Also Gammastrahlung und Röntgenstrahlung in Einem.

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