Teilchenstrahlung

Als Teilchenstrahlung, Partikelstrahlung oder Korpuskular-Strahlung (von lat. corpusculum, Teilchen) im engeren Sinn bezeichnet man schnell bewegte Atome, Ionen oder Elementarteilchen mit von null verschiedener Ruhemasse. Wegen des Welle-Teilchen-Dualismus kann man jedoch im weiteren Sinn auch Licht, vor allem aber höherenergetische elektromagnetische Strahlung wie Röntgen- und Gammastrahlung zur Teilchenstrahlung rechnen, denn nach der De-Broglie-Gleichung tritt mit zunehmender Energie und damit zunehmendem Impuls des Teilchens der Teilchencharakter immer mehr in den Vordergrund und der Wellencharakter in den Hintergrund. Das Teilchen oder Quant der elektromagnetischen Strahlung heißt Photon.

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Die Einzahl Teilchenstrahl bezeichnet einen Strom von Teilchen mit einheitlicher Flugrichtung, also etwa den Elektronenstrahl in einer Fernseh-Bildröhre. Strahlung, auch Teilchenstrahlung, muss dagegen nicht gerichtet sein; beispielsweise kann das Neutronenfeld im Inneren eines Kernreaktors als Neutronenstrahlung bezeichnet werden. Die Mehrzahl Teilchenstrahlen hat zwei Bedeutungen: entweder das Gleiche wie Teilchenstrahlung oder aber mehrere gerichtete Teilchenströme.

Die erste bekannte Teilchenstrahlung im engeren Sinne war die künstlich hergestellte Kathodenstrahlung. Danach wurden beim radioaktiven Zerfall die natürlichen Teilchenstrahlungen Alpha- und Betastrahlung entdeckt. Eine weitere Strahlenart radioaktiven Ursprungs ist die Gammastrahlung, welche auch zur Teilchenstrahlung gezählt werden kann (siehe oben), obwohl das Photon keine Ruhemasse hat.

Erzeugung

Strahlung aus geladenen Teilchen kann künstlich durch Teilchenbeschleuniger erzeugt werden. Neutronenstrahlung wird vor allem durch Kernreaktoren erzeugt. Von einem Neutronenstrahl (Einzahl) spricht man hingegen, wenn durch geeignete Blenden bzw. Spiegel Neutronen einer einheitlichen Flugrichtung "aussortiert" und z.B. auf ein Bestrahlungsziel gelenkt werden.

Durchgang durch Materie

Strahlung aus geladenen Teilchen ionisiert durch Stoßprozesse die Materie. Dabei geben die Teilchen ihre Energie nach und nach an die Atome ab, auf die sie treffen, bis ihre Energie schließlich auf den Wert der thermischen Energie gesunken ist. Der Weg, den die Teilchen bis dorthin zurücklegen, heißt Reichweite. Die Reichweite ist abhängig von der Teilchenart, von der Anfangsenergie und von dem Material, das die Teilchen durchqueren. Auch die Energieübertragung pro Wegeinheit (siehe Bremsvermögen) an die durchquerte Materie ist abhängig von der Teilchenart, vom Material und von der augenblicklichen Energie. Meistens steigt die Energieübertragung pro Wegeinheit während des Weges an, den das Teilchen zurücklegt. Die Kurve, die dies beschreibt, heißt Bragg-Kurve, benannt nach William Henry Bragg. Kurz vor dem Ende des Weges durchläuft die Energieübertragung ein Maximum (engl. „Bragg-Peak“) und fällt dann abrupt auf Null ab. Dies ist von großer praktischer Bedeutung bei der Strahlentherapie.

Im Gegensatz zu einem geladenen Teilchen ionisiert ein Röntgen- oder Gammaquant nicht laufend auf seinem Weg. Es kann aber

• durch photoelektrischen Effekt absorbiert werden, wobei ein Elektron mit der Energie des Quants, verringert um die Ionisationsenergie des Materials, freigesetzt wird,
• oder es gibt durch Comptoneffekt seine Energie teilweise an ein Elektron ab - das gestreute Photon kann dies bei genügender Restenergie mehrmals tun -,
• oder es wird (bei Energie von mindestens 1,022 MeV) durch Paarbildung in ein Positron und ein Elektron verwandelt.

Die Wahrscheinlichkeit (der Wirkungsquerschnitt) für jeden dieser Prozesse hängt von der Energie der Photonen und der Ordnungszahl der Materie ab. Die freigesetzten Elektronen aus allen drei Prozessen können ihrerseits bei genügender Energie weiter ionisierend wirken.