### Photoeffekt bzw. Photoionisation (siehe auch Inhaltsfeld Quantenobjekte)

Ein Lichtquant kann ein Elektron aus der Hülle eines Atoms oder Moleküls schlagen. Dies nennt man Photoionisation. Das Photon wird dabei vollständig absorbiert, seine Energie verteilt sich auf die notwendige und materialabhängige Auslösearbeit und die kinetische Energie des Elektrons, nachdem es die Hülle verlassen hat. Wird eine Metall- oder Halbleiteroberfläche bestrahlt und dabei Elektronen ausgelöst, spricht man vom äußeren Photoeffekt oder Hallwachs-Effekt.

Bei ausreichend hoher Energie des ursprünglichen Quants ist das herausgeschlagene Elektron wie Betastrahlung in der Lage, weitere Ionisationsprozesse in Nachbaratomen durchzuführen (Sekundärionisation). Ist die Geschwindigkeit des Elektrons gering genug, kann es sich an ein Nachbaratom anlagern, welches so zu einem Anion wird.

### Paarbildung (siehe auch Inhaltsfeld Elementarteilchenphysik)

Trifft ein Photon auf das elektrische Feld eines Atomkerns, kann ein Teilchen-Antiteilchenpaar entstehen. Die Energie des Photons muss dazu mindestens der Ruheenergie des Teilchenpaares entsprechen. D. h. aus einem Photon mit mindestens 1,022 MeV kann ein Elektron-Positron-Paar entstehen. Der Atomkern ist bei dem Prozess notwendig, um den Impuls des Photons aufzunehmen.

Die entstehenden Teilchen können wiederum mit umgebender Materie wechselwirken, d. h. z. B. Sekundärionisierungen auslösen. Das Antiteilchen kann bei kleinen Geschwindigkeiten durch Kontakt mit einem Annihilationspartner wieder zerstrahlen. Die dabei entstehenden Gammaquanten können weitere Tertiäreffekte auslösen.

### Für Interessierte

Compton-Effekt

Ein Gammaquant trifft ein schwach gebundenes, d. h. quasifreies Elektron aus der äußeren Hülle eines Atoms oder Moleküls. Es findet ein inelastischer Stoß statt, d. h. das Photon gibt einen Teil seiner Energie an das Elektron ab und wird an diesem gestreut. Das Elektron verlässt die Hülle, d. h. das Atom wird ionisiert. Der Energieübertrag auf das Elektron und somit die Wellenlängenänderung des Photons sind stoßwinkelabhängig. Der Compton-Effekt ist neben dem Photoeffekt ein weiterer historisch relevanter Nachweis des Teilchencharakters von Licht und wurde im Jahr 1922 von seinem Namensgeber Arthur Holly Compton beschrieben.

Betreff:

Zentrale Experimente Physik GOSt

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## Gammastrahlung

Bei der Wechselwirkung von hochenergetischer, d. h. ionisierender elektromagnetischer Strahlung wie Gamma-, Röntgen- aber auch kurzwelliger UV-Strahlung mit Materie kommt es zu unten genannten Effekten, die zu einer Schwächung der ein- bzw. durchdringenden Strahlungsintensität führen. Welcher Prozess stattfindet, hängt insbesondere von der Photonenenergie ab. Zusätzlich sind die ungefähren Bereiche der Photonenenergien stark materialabhängig. Die Abbildung unten zeigt exemplarisch die Beiträge zur Absorption in Blei.
(Daten aus http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html)

Kernphotoeffekt

Durch Absorption eines Photons können Neutronen oder Protonen aus einem Atomkern ausgelöst werden, welche bei ausreichend kinetischer Energie entsprechende Sekundärwechselwirkungen mit anderen Atomen eingehen können. Freie Neutronen zerfallen nach ca. 15 Minuten oder werden von anderen Atomkernen absorbiert, was zur Aktivierung dieser Kerne führen kann.

### Quellen:

- Alle Abbildungen: Informationsbroschüre Kerntechnik Deutschland e.V.: "Radioaktivität und Strahlenschutz" (https://www.kernd.eu/kernd-wAssets/docs/service/013radioaktivitaet-u-strahlenschutz2012.pdf)
- http://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/compton-effekt
- Arthur Holly Compton: Secondary Radiations produced by X-rays and some of their applications to physical problems. In: Bulletin of the National Research Council. Band 20 (1922)
- https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt

Auf diesen Seiten finden Sie Informationen über die Wirkung von ionisierender und elektromagnetischer Strahlung auf Materie. Hierbei werden auch Strahlungsarten und Effekte dargestellt, die im Unterricht häufig nicht thematisiert werden, diese sind dann durch den Zusatz "für Interessierte" gekennzeichnet.
Die Informationen sind in zwei Bereiche untergliedert, die Sie jeweils auf einer seperaten Seite finden.

1. Alpha-, Beta- und Neutronenstrahlung sowie Schwerionenstrahlung
2. Gammastrahlung

### Aufgaben

1. Beschreiben Sie die verschiedenen Effekte in eigenen Worten.
2. Begründen Sie, welche Effekte bei der Absorption von Co-60 und Cs-137 in Blei am häufigsten auftreten.
3. Suchen Sie in der Nuklidkarte Elemente, bei denen Sie
   a) hauptsächlich Photoionisation
   b) hauptsächlich den Comptoneffekt
   c) Photoionisation und Comptoneffekt ungefähr zu gleichen Anteilen
   d) auch Paarbildung
   in Blei erwarten.
4. Begründen Sie, warum für die Paarbildung mindestens eine Energie von 1,022 MeV notwendig ist.

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