Techniklexikon

Ionisierende Strahlung

Radioaktive Strahlung (Radioaktivität), die beim Auftreffen auf Materie auf deren atomaren (»Atom) Aufbau, genauer: deren Elektronen einwirkt und Ionisationen (Ionen) hervorruft. Unterschieden werden insbesondere drei Arten i. Str. : Die Alphastrahlung besteht aus schnell fliegenden, elektrisch zweifach positiv geladenen Kernen des Edelgases Helium. Beim Vorbeifliegen an anderen Atomen können sie Elektronen zum Verlassen ihrer Bahnen (Ionisierung) veranlassen, wobei sich ihre Energie schnell verbraucht. Schon ein Blatt Papier genügt zu ihrer Abschirmung. Trotzdem können lebende Zellen von Alpha-Zerfällen geschädigt werden, z. B. durch eingeatmetes Radon-Gas (Radon), das in Atome des ebenfalls radioaktiven Elements Polonium zerfällt. Die Betastrahlung besteht aus Elektronen (negativ geladen), die bei Aussendung Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreichen können und eine entsprechend hohe Energie aufweisen. Durchdringt ein »Betateilchen« Materie, wird es unter häufigem Wechsel seiner Flugrichtung abgebremst und kommt in Luft nach einigen Metern, in Wasser und Gewebe nach einigen Millimetern zur Ruhe. Auf ihrem Weg durch die Materie werden in dieser Ionisationen ausgelöst. Die Gammastrahlung ist keine Teilchen, sondern eine elektromagnetische Strahlung, deren Photonen (oder »Gammaquanten«) sich geradlinig mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Ein Gammaquant kann dicke Materieschichten ungeschwächt durchdringen, um schließlich an einem vorher nicht bestimmbaren Ort mit einem Atom in »Wechselwirkung zu treten, wo ein Elektron aus seinem Verband herausgestoßen wird (Ionisation). Von der Energie der Gammastrahlung und der Beschaffenheit des abschirmenden Materials hängt es ab, bei welcher Schichtdicke wieviele Prozent der Gammaquanten zurückgehalten werden; 7 mm Blei reduzieren z. B. die Cäsium/Barium137Strahlung (Cäsium, Barium) auf die Hälfte. Die biologische Wirkung i. Str. beruht auf »Anregungen« und vor allem Ionisationen, die zur Zerstörung von Molekülen des Körpergewebes und damit zu Zellschäden führen können. Die Gesamtheit dieser Effekte versucht man über die Menge der im Gewebe von der Strahlung deponierten Energie zu erfassen. Diese wird als »Energiedosis« bezeichnet und in Gray (Gy) (nach L. H. Gray (19051965)) angegeben; 1 Gy = 1 J/kg (Joule). Gy hat die Einheit Rad (rd) abgelöst. Weil die verschiedenen i. Str. bei gleicher Energiedosis die Energie unterschiedlich dicht deponieren und davon die biol. Wirkung sehr beeinflußt wird, ist die »Äquivalenzdosis«, angegeben in Sievert (Sv) (nach R. Sievert (18961966)), eingeführt worden: 1 Sv = 1 J/kg. Man erhält sie durch Multiplikation der Energiedosis mit einem Qualitätsfaktor Q, der für Beta- und Gammastr. den Wert 1 und für Alphastr. den Wert 20 hat. Die alte Einheit für die Äquivalenzd. war das Rem (rem); 1 Sv = 100 rem. Die häufig zitierten Millirem (mrem) sind 1/1000 rem. Schließlich gibt es noch die »Ionendosis«. Das ist der Quotient der elektrischen Ladung derjenigen Ionen (gleichen Vorzeichens, + oder), die sich in einem definierten Luftvolumen durch i. Str. bilden, und der Masse dieses Volumenelements; die Angaben werden in Coulomb/kg (C/kg) gemacht. (C ist eine Einheit für die »Elektrizitätsmenge« oder Ladung; 1 C = 1 Ampere x Sekunde). Bezeichnung für alle Strahlungsarten, die bei der Wechselwirkung mit Materie so viel Energie an die Atome abgeben, dass dadurch Elektronen aus der Atomhülle herausgeschlagen werden und somit eine Ionisation stattfindet. Auf diesem Vorgang beruht sowohl die biologische Strahlenwirkung (Strahlenwirkung, biologische) als auch die Abschirmung vor radioaktiver Strahlung. Zu den ionisierenden Teilchen gehören alle geladenen Teilchen (Alphastrahlung, Betastrahlung); aber auch elektromagnetische Strahlung wie Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung können ionisieren bzw. durch Photoeffekt und Compton-Effekt Elektronen herausschlagen. Ungeladene Teilchen, z.B. Neutronen, können nicht direkt ionisieren. Aber durch von ihnen hervorgerufene Kernreaktionen oder die Streuung an den Atomkernen entstehen sekundäre energiereiche ionisierende Teilchen.

Quellen ionisierender Strahlung sind Beschleuniger (Röntgenröhre, Synchrotron) und Kernreaktionen (Kernspaltung) sowie die kosmische Strahlung. Ihre Messung erfolgt durch entsprechend optimierte Detektoren. Die Wechselwirkung der ionisierenden Strahlung mit Materie ist für jede Teilchensorte unterschiedlich und hängt darüber hinaus auch noch von der Energie ab. Für geladene Partikel lässt sich der Energieverlust in Materie mit der Bethe-Bloch-Formel beschreiben; er hängt vor allem von der Dichte des absorbierenden Materials ab. Der Energieverlust elektromagnetischer Strahlung hängt exponentiell von der Schichtdicke des absorbierenden Materials ab. (Strahlenwirkung, biologische, Strahlenschutz)