Strahlung ist die Ausbreitung von Wellen und Teilchen. Sprechen wir im Kontext von radioaktiver Strahlung, so wird meist die Ionisierende Strahlung gemeint. 

Diese wirkt auf die Moleküle im Körper und zerstört oder verändert diese. Anwendungen hierfür wären u.a. die Desinfektion/Sterilisation, um Krankheitserreger zu zerstören. Sie ist aber genauso auch für den menschlichen Organismus schädlich. Werden die Strahlendosen aber weit genug reduziert, so findet die ionisierende Strahlung Anwendung in u.a. Strahlentherapien zur Krebsbehandlung, z.B. bei der Positronen-Emissionstherapie. In diesem Beitrag erhalten Sie prüfungsrelevantes Wissen über die Ionisierende Strahlung und Radioaktivität.

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radioaktivität

Bild: “Radioactive” von Blake Burkhart. Lizenz: CC BY 2.0


Radioaktivität

Henry Becquerel entdeckte im Jahre 1896 eine unbekannte, nicht kontinuierliche Strahlung, die viele Stoffe durchdringen kann und Fotoplatten belichtet. Zwei Jahre später gelang es dem Ehepaar Pierre und Marie Curie, aus einem Uranerz, der Uranpechblende, zwei bisher unbekannte Elemente abzuscheiden, die besonders stark radioaktiv waren. Es handelte sich hierbei um die Elemente Polonium und Radium.

Strahlung, die in der Lage ist, negativ geladene Elektronen aus Atomen oder Molekülen rauszutrennen, nennt man ionisierende Strahlung. Dabei bleiben Molekülreste oder positiv geladene Atome zurück. Instabile Atomkerne, die die Fähigkeit besitzen, sich spontan in andere umzuwandeln, senden bei diesem Prozess ionisierende Strahlung aus. Diese Fähigkeit wird als Radioaktivität bezeichnet.

ionisierende Strahlung

Bild: “Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit der Materie. Beim einfallenden Neutron sind einige in wasserstoffhaltigem Material typische Zwischenprozesse dargestellt. Gammaquanten sind durch Wellenlinien, geladene Teilchen und Neutronen durch Geraden bzw. Geradenstücke dargestellt. Die kleinen Kreise stellen Ionisationsprozesse dar.” von Leyo. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Als Beispiel für radioaktive Stoffe sind die in der Natur vorkommenden Elemente Radium und Kalium. Unter natürlicher Radioaktivität versteht man die Umwandlung von Radionukliden unter Aussendung von Alpha-, Betastrahlen, meist begleitet man Gammastrahlen.

Radioaktive Stoffe und vor allem ionisierende Strahlung ist allerdings ab bestimmten Dosen gesundheitsgefährdend.

Die Umwandlungsprozesse selbst werden als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Ein Vorgang, der durch keine äußere Einwirkung beeinflussbar ist.

Aktivität

Die Aktivität A von radionukliden Zerfällen wird definiert als Quotient aus der Anzahl der Zerfälle N durch die Zeit t:

A = dN / dt

Die Einheit der Aktivität wird in Bequerel [Bq] angeben. Eine veraltete Maßeinheit ist Curie, welche nach der Entdeckerin Marie Curie 1896 benannt wurde. Ein Curie ist die Aktivität einer Substanz mit 3,7 * 1010 Zerfallsakten in der Sekunde.

Bezieht man die Masse in die Berechnung der Aktivität mit ein, so spricht man von spezifischer Aktivität. Hierbei muss aber angegeben werden, um welche Masse es sich handelt. Die Masse kann bezogen werden auf die Masse …

  • …des reinen Radionuklides.
  • …des chemischen Elements (einschließlich Isotope) – der chemischen Verbindung.
  • …der gesamten Probe.

Die Momentane Aktivität ist eine wichtige Kenngröße radioaktiver Substanz und ist leicht berechenbar. Ist N die Anzahl der zerfallsfähigen  Kerne in der Substanz und λ die Zerfallskonstante, so beträgt die Aktivität der radioaktiven Substanz:

A = λ * N

Zerfallskonstante

Jedes Element bzw. jeder Kern hat seine eigene spezifische Zerfallskonstante. Diese beschreibt eine Wahrscheinlichkeit über eine bestimmte Art von radioaktivem Zerfall und ist zeit- und ortsunabhängig.

Merke: Jedes Radionuklid hat eine andere Zerfallskonstante!

Die Halbwertszeit

Die Zeit, nach der die Hälfte einer gegebenen großen Anzahl von radioaktiven Atomen zerfallen ist, heißt Halbwertszeit.

Halbwertszeit T1/2 = ln2 / λ

In dieser Zeitspanne sinkt die Anzahl N der radioaktiven Kerne eines Elementes auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes N0.

N = N0 * (1/2)1/T

Jedes radioaktive Isotop hat eine bestimmte Halbwertszeit.

Strahlungsarten

  • α-Strahlung: Sie setzt sich aus positiven Heliumkernen zusammen. α-Strahlen sind
    He-StrahlenAufgrund ihrer positiven Ladung sind sie durch elektrische und magnetische Felder ablenkbar. Die Austrittgeschwindigkeit von Alpha-Strahlen beträgt ca. 107 m/s.
  • β-Strahlung: Es handelt sich um Elektronenstrahlen, wie die Kathodenstrahlen. Sie besteht aus Elektronen mit Geschwindigkeiten zwischen 108 m/s und 0,99 c0. Aufgrund ihrer negativen Ladung werden Betastrahlen in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt. Die Ablenkung erfolgt in entgegengesetzter Richtung zu den Alpha-Teilchen.
  • γ-Strahlung: Es handelt sich um eine energiereiche elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von ca. 10-12 m und Frequenzen von ungefähr 1020 Hz. Die Gamma-Strahlung ist nicht durch elektrische und magnetische Felder ablenkbar.

Bei künstlichen Kernumwandlungen können Isotope entstehen, bei denen eine vierte Strahlung zu beobachten ist:

  • β+-Strahlung: Sie besteht aus Teilchen, die den Elektronen bis auf das Vorzeichen der Ladung gleich sind. Die Teilchen bezeichnet man als Positronen (positive Elektronen).

Die Reichweite radioaktiver Stoffe ist von der Art der Strahlung und von der radioaktiven Substanz abhängig. Für die Alpha-Strahlung ist sie beispielsweise sehr gering und beträgt nur 4-8 cm.

Absorptionsfähigkeit radioaktiver Stoffe: Alpha-Strahlen lassen sich bereits durch ein Blatt Papier abschirmen. Für die Beta-Strahlen sind 12 mm starke Aluminiumplatten notwendig. Die Gamma-Strahlen können nur von dicken Bleiwänden absorbiert werden.

Radioaktiver Zerfall

Heute ist bekannt, dass sich radioaktive Elemente durch Strahlung in andere Elemente verwandeln und dabei große Mengen von Wärmeenergie abgeben. Während der Umwandlung strahlt ein Atom nur Alpha- oder Beta-Strahlen aus. Niemals gleichzeitig beide Strahlungsarten zusammen. Die Gamma-Strahlung ist eine häufige Begleiterscheinung bei Alpha- und Beta-Strahlung.

Bei Mischungen von verschiedenen radioaktiven Stoffen, wie zum Beispiel bei nicht reinem Radium, können alle drei Strahlungsarten festgestellt werden. AusRadium(Radium) entsteht durch Abgabe eines Heliumkerns (α-Strahlung) das Edelgas Radon

RadonRadon zerfällt durch Aussendung von Alpha-Strahlung in Radium A. Radium A geht durch Alpha-Strahlung in Radium B über.
Radium B ist ein Beta- und Gamma-Strahler und verwandelt sich in Radium C. Diese Elementumwandlungen führen über Radium C1, Radium D, Radium E, … , bis zum stabilen Blei, das nicht mehr radioaktiv ist.

Radium A, B, C usw. sind geschichtlich bedingte Namen. In den folgenden Reaktionsgleichungen, die nur eine Auswahl darstellen, werden die modernen Elementbezeichnungen verwendet.

Radium A,B,C

Stabilität des Kerns: Das Verhältnis aus Neutronenzahl N und Protonenzahl Z nimmt mit steigender Massenzahl zu. Kerne sind nur dann stabil, wenn ein bestimmtes Verhältnis aus Neutronen und Protonen erreicht wird.
Als Voraussetzung für eine stabile Nukleonenverbindung gilt:

N/Z ~ 1 + 0,015 A2/3 mit A < 250

A … Massenzahl (N+Z)
N … Neutronenzahl im Kern
Z … Protonenzahl im Kern

Der α-Zerfall

Bei einem Alpha-Strahler entsteht ein Atom, dessen Ordnungszahl um 2 kleiner ist als die des Ausgangsatoms.

Beispiel:

alpha-ZerfallEin Alpha-Zerfall tritt nur bei Kernen mit hoher Massezahl auf.

Der β-Zerfall

Bei einem Beta-Strahler entsteht ein Atom, dessen Ordnungszahl um 1 größer ist als die des Ausgangsatoms.

Beispiel:

beta-ZerfallEin Beta-Zerfall tritt bei Kernen mit relativem Neutronenüberschuss auf. Das ausgeschleuderte Elektron entsteht bei der Umwandlung von einem Neutron in ein Proton.
Beim β+-Zerfall besitzen die Kerne einen relativen Protonenüberschuss, so kann es zu einem Zerfall kommen. Bei der Umwandlung eines Protons in ein Neutron wird ein Positron ausgeschleudert.

Die γ-Strahlung

Bei einer Gamma-Strahlung verändert sich die Kernladung nicht. Daher bleibt die Ordnungszahl gleich. Nach einem Alpha- oder Gamma-Zerfall vollzieht sich im Kern ein Umwandlungsprozess. Der Kern wird aus einem angeregten Zustand in energieärmere Zustände übergeführt.

Zerfallsgesetz

Der Zerfall der Kerne ist ein statistischer Vorgang. Durch die große Anzahl der in radioaktiven Stoffen enthaltenen Atome ist es möglich, für den radioaktiven Zerfall Gesetze zu formulieren. Die Anzahl der in einer Zeitspanne t umgewandelten Kerne eine Nuklids ist direkt proportional zur Anzahl N0 der zu Beginn der Zeitspanne vorhandenen radioaktiven Kerne eines Nuklids, der Zeitspanne selbst und der Zerfallskonstanten des Nuklids.

ΔN = λ * N0 * Δt

Dosimetrie

Die Wirkung, welche eine Strahlung auf den durchstrahlten Körper hat, ist durch die an den Körper abgegebene Energie bestimmt. Dies gilt nicht nur für Strahlung radioaktiver Stoffe, sondern für alle ionisierenden Strahlungsarten, wie auch Röntgenstrahlen oder Neutronenstrahlen.
Unter der Energiedosis D versteht man das Verhältnis aus Energie E, die ein Körper aufnimmt, und der Masse m des Körpers. Die Einheit der Energiedosis ist Gray [Gy].

D = E / m

Unter der Energiedosisrate versteht man das Verhältnis aus der Energiedosis D und der Zeit.

D‘ = D /t

Eine der wichtigsten Eigenschaften der radioaktiven Strahlung ist die ionisierende Wirkung. Die Anzahl der in der Luft gebildeten Ionen ist ein Maß für die Intensität der Strahlung. Die Ionendosis oder Exposition ist der Quotient aus der durch Ionisierung in Luft gebildeten Ladung Q und der Masse m der durchstrahlten Luft:

Ionendosis J = Q / m

Die Ionendosis J, die ein bestimmter Gamma-Strahler mit der Aktivität von einem Becquerel im Abstand von 1 m pro Sekunde erzeugt, wird in der spezifischen Gammastrahlenkonstante angegeben. Die Ionendosis lässt sich, da die zur Ionisierung eines Moleküls erforderliche Energiemenge bei allen Stoffen bekannt ist, durch die entsprechende Energiedosis ausdrücken.

Für den Strahlenschutz ist die Wirkung ionisierender Strahlung auf lebendes Gewebe wichtig.

Röntgenstrahlung

Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte bei der Arbeit mit Entladungsröhren austretende, unsichtbare Strahlen, die Materie durchdringen können, die für „normales“ Licht ansonsten undurchdringbar ist. Die Strahlung nannte er X-Strahlen, die später zu seinen Ehren als Röntgenstrahlen bezeichnet wurden.

Elektromagnetische Wellen mit Photonenenergie zwischen 100 eV und einigen MeV werden als Röntgenstrahlung bezeichnet.

Aufbau einer Röntgenröhre: Eine Röntgenröhre besteht aus einer Kathode (meist Wolfram), die an eine Heizspannung angelegt wird. Infolge einer Glühemission treten Elektronen aus der Kathode aus. Ein weiterer Bestandteil ist die gegenüberliegende Anode. Zwischen Kathode und Anode wird eine Hochspannung angelegt, sodass die vorher ausgetretenen Elektronen von der Kathode zur Anode wandern. Vor der Röhre befindet sich ein fluoreszierender Schirm.
Bei auftreffen der Elektronen auf die Anode entstehen Photonen, auf welche ein Teil der kinetischen Energie übertragen wird. Es entstehen dabei unsichtbare Strahlen, die durch Glasumwandlung den Schirm zum Leuchten bringen. Das gesamte System muss sich dabei im Vakuum befinden.

röntgenröhre schematisch

Bild: “Schematische Zeichnung einer Röntgenröhre” von Hmilch. Lizenz: Gemeinfrei

Die Photonenenergie hängt davon ab, wie viel Energie auf das Photon übertragen wird und ist bei jedem Auftreffen unterschiedlich stark. Wird die gesamte kinetische Energie auf ein Photon übertragen, so spricht man von maximaler Photonenenergie:

Emax = Ekin = e * UB

Die Energie ist proportional abhängig von der Beschleunigungsspannung UB. Das heißt, desto höher die Spannung ist, desto schneller treffen die Elektronen auf die Anode und geben mehr Energie an die entstehenden Photonen ab.
Je höher die Heizspannung ist, desto mehr Elektronen lösen sich aus der Kathode.

Quellen

Endspurt Vorklinik: Physik: Die Skripten fürs Physikum, Thieme Verlag, 3. Auflage, 2015
Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie: Vom Atom bis zur Atmung – für Biologen, Mediziner und Pharmazeuten, Springer Verlag, 3. Auflage, 2013
Fit fürs Abi – Oberstufenwissen, Schroedel Verlag, 1. Auflage, 2012

Lösungen zu den Fragen: 1B, 2E, 3A

 

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