Physik für Mediziner – Nachweis und Wirkung ionisierender Strahlung

Hier finden Sie den ersten Teil des Artikels zum Thema Ionisierende Strahlung und Radioaktivität.

Äquivalenz von Masse und Energie

Bereits im Jahre 1905, lange vor der Entdeckung der Atomkernenergie, hat der deutsche Physiker Albert Einstein aus seiner Relativitätstheorie gefolgert, dass Masse und Energie zwei Formen der gleichen Erscheinung sind. Nach der von ihm aufgestellten Formel E = m * c² entfällt auf die Masse von 1 Kilogramm eine Energie von 24 Milliarden Kilowattstunden. Diese große Energie steckt in den Atomkernen.

Atomenergiegewinnung ist also nichts anderes, als die in den Atomkernen vereinigte Masse zum Teil in Energie umzuwandeln. Diese einfache Logik war der Grundstein.

Nachweis der Strahlung

Die Radioaktivität erkennt man an den verschiedenen Wirkungen. Zum Beispiel schwärzt Strahlung radioaktiver Stoffe eine lichtempfindliche Fotoplatte. Bei einem fluoreszierenden Material ruft die Strahlung Lichtblitze hervor, wobei die Beobachtung nur bei völliger Dunkelheit im Spinthariskop möglich ist.

Nachweisgeräte

Bild: “ Ionisationskammer (Skizze)” von Michael Schönitzer. Lizenz: CC BY-SA 2.5

Ionisationskammern: Die zwischen den beiden Elektroden durch Stoßionisation erzeugten Ionen werden durch eine Spannung beschleunigt und gelangen somit zum inneren Draht, wobei ein Stromstoß verzeichnet werden kann. Allerdings resultiert ein messbarer Stromstoß erst bei vielen einfallenden Alpha-Teilchen bzw. bei entsprechend hoher Strahlung.

Das Geiger-Müller Zählrohr: Das Geiger-Müller Zählrohr ist eine Ionisationskammer, die bei sehr hohen Spannungen betrieben wird. Bereits ein einfallendes Teilchen ruft einen messbaren Stromstoß hervor. Die durch Stoßionisation erzeugten Ladungsträger werden in dem straken elektrischen Feld so stark beschleunigt, dass sie weitere Ladungsträger lawinenartig freisetzen.

Die auftreffenden Teilchen führen zu einem kurzzeitigen Entladungsstoß, der verstärkt und gezählt werden kann. Die Impulse können auch als Knacken akustisch hörbar gemacht werden.

Impulsrate = Anzahl der Impulse / Zeit

Die Impulsrate ist von der Aktivität der Strahlung, dem Abstand zwischen Strahlungsquelle und Zählrohr sowie der Bauart des Zählrohrer abhängig.

Der Szintillationszähler: Die auftreffende Strahlung regt hier bestimmte Leuchtstoffe zur Lichtemission an. Die Lichtblitze können durch eine Lupe beobachtet und gezählt werden. Die herausgeschlagenen Elektronen werden dann in Sekundärelektronenvervielfachern verstärkt. Man erhält durch diese Methode die empfindlichsten und leistungsfähigsten Strahlenmessgeräte zum Nachweis radioaktiver Stoffe.

Die Wilsonsche Nebelkammer: In der Kammer ist die Luft mit Wasserdampf übersättigt. Die erzeugten Ionen dienen als Kondensationskeime, an denen Wasserdampf kondensiert. Die entstandenen Kondensatorstreifen machen den Verlauf der Strahlung bzw. die Flugbahn der Teilchen sichtbar.

Gefahren und Nutzen der radioaktiven Strahlung

In der Medizin kommt es häufig zum Einsatz von Radionukliden in der Therapie und Diagnostik. Dabei werden Präparate mit geringer Halbwertszeit und bestimmten Substanzeigenschaften für die Anreicherung in Organen verwendet.

Die Archäologie und Paläontologie bedienen sich der Radiokarbonmethode. Dieses Verfahren nutzt die Halbwertszeit des Kohlenstoffisotops ¹⁴C, sie beträgt 5730 Jahre. Dieses Kohlenstoffisotop wird zu Lebzeiten des Organismus zu einem bestimmten Anteil in die organische Substanz eingebaut. Beim Absterben verringert sich die Menge dieses Isotops in den Organismen. Über Berechnungen lässt sich daraus das Alter von Materialien bestimmen.

In der Technik wird die radioaktive Strahlung unter anderem zur Sterilisation von Geräten, Veredelungen von Stoffen und Konservierung von Lebensmitteln verwendet.

Die Strahlenbelastung des menschlichen Körpers richtet sich nach dem Einfluss kurzzeitig hoher und kontinuierlich niedrigerer Bestrahlung. Unter der inneren Strahlung versteht man dabei die Strahlung der durch Nahrungsaufnahme und Atemluft in den Körper gelangten radioaktiven Stoffe. Diese sind im Körper gleichmäßig verteilt oder an bestimmten Organen abgelagert. Jod zum Beispiel lagert sich in der Schilddrüse, Strontium in der Knochensubstanz und Radon in der Lunge ab.

Unter äußerer Strahlung versteht man das Eindringen von Strahlung in den Körper. Sowohl innere als auch äußere Strahlung führen zu Schäden, da es in den Körperzellen durch Ionisation zu chemischen Veränderungen und damit möglicherweise zu Veränderungen des Erbguts in der Zelle kommt.

Die Wirkung ionisierender Strahlung auf den Menschen ist von der Art, der Energie, der Dauer und der zeitlichen Verteilung der Strahlung sowie der Strahlungsempfindlichkeit des betreffenden Organs abhängig.

Bei starker Strahlenbelastung entstehen Frühschäden, die zu Strahlenkrankheiten und zum direkten Strahlentod führen können. Schwache Strahlungsbelastungen haben Spätschäden wie zum Beispiel Krebserkrankungen zur Folge. Missbildungen und Fehlgeburten können ebenfalls auftreten.

Wegen der großen Gefahr ionisierender Strahlung jeder Art wurden vom Gesetzgeber Richtlinien erstellt. Ein wichtiger Bereich sind die maximal zulässigen Äquivalentdosen.

• Für beruflich strahlenexponierte Personen gilt: maximal zulässige Äquivalentdosis von 0,5 Sievert/Jahr
• Für Personen, die nur gelegentlich mit ionisierende Strahlen kontaktieren: ein Zehntel der Werte

Zerfallsreihen

Beim Zerfall eines radioaktiven Kernes entsteht meist wieder ein radioaktiver Kern. Natürliche Zerfallsreihen ergeben sich, da die Zerfallsprodukte ebenfalls radioaktiv sind. Diese Zerfallsreihen führen zu stabilen Blei-Isotopen, die nicht weiter zerfallen. Außerhalb der Zerfallsreihen gibt es noch viele weitere Formen des natürlichen radioaktiven Zerfalls.

Beispiel natürliche Zerfallsreihe: Uran-Radium-Reihe

• Ausgangskern: ₉₂²³⁸U
• Stabiler Endkern: ₈₂²⁰⁶Pb

Herkunft der natürlichen Radioaktivität

In der Natur ist überall stets eine geringe Strahlung radioaktiver Stoffe vorhanden. Mann spricht von dem sogenannten Nulleffekt. Dieser Nulleffekt basiert auf zwei stets vorhandene Strahlungsarten:

1. Kosmische Strahlung: Höhenstrahlung
2. Terrestrische Strahlung: Strahlung von Gestein und Baustoffen

Äquivalentdosis

Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die biologische Wirkung einer Strahlungsart bei gleicher Energiedosis.

Äquivalentdosis = Energiedosis * Bewegungsfaktor

Die Einheit der Äquivalentdosis ist Sievert. Ein Sievert entspricht einem Joule pro Kilogramm.

Einige Bewegungsfaktoren q in Sv/Gy:

γ-Strahlung: 1
β- und Röntgenstrahlung: 1
α-Strahlung: 10
Neutronen: 5 bis 8
schnelle Protonen: 10

Die künstliche Radioaktivität

Nach dem Vorbild der natürlichen Radioaktivität haben Naturwissenschaftler stets versucht, ein Atom eines bestimmten Elementes in ein Atom eines anderen Elementes zu verwandeln. Durch Beschuss des Atomkerns mit leichten Teilchen, wie zum Beispiel Protonen, Deuteronen, Neutronen und Heliumkernen, schien dies möglich. Es führte aber zu großen Schwierigkeiten, da der Atomkern schwer zu treffen ist und die Kernkräfte, die den Kern zusammenhalten, sehr stark sind.

Im Jahre 1919 gelang es dem englischen Physiker Rutherford in der Wilsonkammer vereinzelt Stickstoffatome durch Beschuss mit Alpha-Strahlen in Sauerstoffatome zu verwandeln.

Wenn die Spuren der Alpha-Teilchen in der Nebelkammer glatt und ohne Knick verlaufen, so wurde kein Stickstoffkern getroffen. Trifft das Alpha-Teilchen auf einen Kern, so gabelt sich die Spur des Alpha-Teilchens. Dies geschieht bei 45000 Bahnen nur einmal.

Bei der Gabelung zeigt die kurze dicke Spur den Verlauf des neu entstandenen Sauerstoffkerns, die lange Spur den Weg des herausgeschleuderten Protons.

Rutherford hat weitere zwölf Elemente in ähnlichen Versuchen umgewandelt. Zur Zertrümmerung schwerer Kerne reicht die Energie der Alpha-Teilchen nicht aus. Man verwendet dazu Teilchen, wie zum Beispiel Protonen und Deuteronen, die durch Teilchenbeschleuniger in eine höhere Energiestufe gebracht werden.

Das Absorptionsgesetz

Fast alle Anwendungen bis auf die Analytik beruhen auf der unterschiedlichen Absorption von Strahlung, z.B. das Durchleuchten, die Computertomographie und so weiter.

Der Absorptionsgrad wird durch Röntgenfilme oder entsprechende Detektoren ermittelt. Faktoren, die für die Absorption von Strahlung, vor allem für radioaktive Strahlung, ausschlaggebend ist, sind unter anderem:

• Dicke D der durchstrahlten Schichten
• Stoffliche Beschaffenheit der Schichten
• Höhe der Energie eine Strahlung
• Art der Strahlung

Eine Schwächung von Strahlung, insbesondere von Röntgenstrahlung, erfolgt durch die Ionisation (Photoeffekt) oder durch Streuprozesse.

Schutzmaßnahmen für Röntgeneinrichtungen in der Medizin

Die wichtigsten Schutzmaßnahmen, um die Strahlenexposition von Personen durch Röntgenstrahlung zu verringern, ist der Aufenthalt in einem größeren Abstand von der Strahlenquelle. Dies gilt nicht nur für den Abstand vom Fokus der Röhre, sondern auch für den Abstand vom Nutzstrahlungsfeld in Luft und von dem im Nutzstrahl liegenden Volumen des Patienten, welches intensive Streustrahlung aussendet.

Eine Ursache für die Verringerung der Intensität bei Vergrößerung des Abstandes besteht in häufigeren Wechselwirkungen der Photonen mit der Luft. Die verursachte Schwächung dadurch ist jedoch im Allgemeinen vernachlässigbar klein und beträgt z.B bei 100 kV Röhrenspannung und 2 mm Al-Gesamtfilterung nur 5 % für die Nutzstrahlung in der Luft.

Bleigleichwert

Der Bleigleichwert eines Stoffes ist die Dicke einer Bleischicht, die die gleiche Schwächungswirkung hat wie der betrachtete Stoff in der vorliegenden Dicke.

Beispiel: Eine 12 cm dicke Ziegelwand schwächt 100 kV-Röntgenstrahlung genauso stark wie 1 mm Blei. Diese Ziegelwand hat also einen Bleigleichwert von 1 mm.

Zum Strahlenschutz wird ebenfalls häufig Bleigummi eingesetzt. Diese Schutzwirkung hängt vom Bleigleichwert und der Strahlenqualität (Nutz- oder Störstrahlung, Röhrenspannung, Filterung) ab. Bleigummi schwächt Röntgenstrahlung bis auf einige Prozent.

Wirkung ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlung wirkt auf Zellen, auf die die Strahlung trifft. Die jeweilige Wirkung ist kann dabei sehr unterschiedlich sein und kann beim Menschen, je nach Intensität und Art der Strahlung, zum Tode führen.

Folgende Parameter müssen im Vorfeld definiert werden, um die Wirkung ionisierender Strahlung zu beschreiben.

Energiedosis

Die Energiedosis beschreibt eine Energiemenge, die ein Objekt (z.B. Gewebe), das bestrahlt wird, absorbiert. Sie ist in erster Linie abhängig von der Bestrahlungsintensität der ionisierenden Strahlung und von der Absorptionsfähigkeit des Gewebes. Die Einheit der Energiedosis ist Gray [Gy].

Ionendosis

Die Ionendosis ist definiert als eine Größe, welche die Stärke der Strahlung angibt. Sie wird mit folgender Formel beschrieben:

Ionendosis = freigesetzte Ladung/Masse des bestrahlten Stoffes

Angegeben wird die Ionendosis mit der Einheit Coloumb/Kilogramm [C/Kg]. (Siehe auch Artikel: Physik für Mediziner – Ionisierende Strahlung und Radioaktivität)

Äquivalentdosis

Die Äquivalentdosis gibt an, wie stark bzw. hoch die biologische Wirkung einer bestimmten Strahlendosis ist. Die Einheit für die Äquivalentdosis ist Sievert [Sv].

Biologische Wirkung

Durch ionisierende Strahlung werden Moleküle zerstört. Der Schaden, der allein durch die Zerstörung der momentan bestrahlten und somit zerstörten Moleküle auftritt, ist jedoch vergleichsweise gering. Höher ist der Schaden, der durch nachfolgende chemische Reaktionen im Körper passiert.

Man unterscheidet hierbei nach:

• Kurzfristige Belastung:
  Ab 0,2 bis 1 Sv: Hier kann es zur sogenannten Strahlenkrankheit kommen. Das Krankheitsbild dieser Verletzung ist sehr unterschiedlich und kann von geringen Langzeitschäden bis sogar zum Tod führen. Der Verlauf ist abhängig von der Strahlendosis. Ab 4 Sv: In 50 % der betroffenen Fälle führt eine derartige Bestrahlungsdosis zum Tod. Ab 7 Sv: Eine so hohe Dosis endet immer tödlich. Charakteristische Schäden sind ein geschwächtes Immunsystem, Verbrennungen, Veränderungen des Erbgutes oder sogar Mutationen.
• Mittlere Äquivalentdosen:
  Die mittleren Äquivalentdosen entsprechen ca. 0,1 Sv. Dies ist die Dosis, die ein Mensch innerhalb von 76 Jahren durch kosmische/natürliche Strahlung aufgenommen hat.
• Niedere Äquivalentdosen:
  Dies beinhaltet die kosmische und terrestrische Strahlung (natürliche Strahlung).

Die gefährlichste Strahlung ist die Alphastrahlung. Die hierfür charakteristische sehr kurze Reichweite sorgt dafür, dass das Risiko, durch Alphastrahlen zu Schaden zu kommen, sehr gering ist. Hinzu kommt, dass die Alphastrahlung durch ein einfaches Blatt Papier abgeschirmt werden kann. Gefährlich ist es, wenn ein Objekt, das Alphastrahlen aussendet, in direktem Kontakt mit Gewebe kommt (durch das Einatmen von radioaktiven Staub oder durch das Verschlucken dieser Objekte).

Beliebte Prüfungsfragen zum Nachweis und Wirkung ionisierender Strahlung

Die Antworten befinden sich unterhalb der Quellenangabe.

1. Die in einer Röntgenröhre mit 100 kV Anodenspannung erzeugten Photonen unterscheiden sich von denen einer Röhre mit 50 kV Anodenspannung durch:

(1)   Maximalenergie
(2)   Maximale Geschwindigkeit
(3)   Maximale Frequenz
(4)  Maximale Wellenlänge

1. 1 und 2 sind richtig
2. 1 und 3 sind richtig
3. 1, 3 und 4 sind richtig
4. 2, 3 und 4 sind richtig
5. Alle sind richtig

2. Eine Röntgenröhre werde mit 60 kV betrieben. Etwa welche Geschwindigkeit haben die von der Kathode emittierten Elektronen beim Auftreffen auf die Anode? (e = 1,6 × 10^-19 As; m_e = 9,1 × 10^-31 kg)

1. 7 x 10⁶ m/s
2. 1,5 x 10⁷ m/s
3. 4,5 x 10⁷ m/s
4. 1,4 x 10⁸ m/s
5. 3 x 10⁸ m/s (Lichtgeschwindigkeit)

3. Das Erniedrigen der Anodenspannung einer Röntgenröhre bewirkt die gleiche Veränderung des Spektrums wie das Herabsetzen des Emissionsstroms, weil sowohl das Erniedrigen der Anodenspannung einer Röntgenröhre als auch das Herabsetzen des Emissionsstromes die Strahlungsleistung der Röhre vermindert.

1. Aussage 1: richtig, Aussage 2: richtig, Verknüpfung: richtig
2. Aussage 1: richtig, Aussage 2: richtig, Verknüpfung: falsch
3. Aussage 1: richtig, Aussage 2: falsch, Verknüpfung: –
4. Aussage 1: falsch, Aussage 2: richtig, Verknüpfung: –
5. Aussage 1: falsch, Aussage 2: falsch, Verknüpfung: –

So bekommen Sie bessere Noten im Medizinstudium! Verbessern Sie Ihre Prüfungsergebnisse! Lernen Sie mit dem kostenlosen Lerncoaching für Mediziner:
✔ Effektive Lerntechniken
✔ Individuelle Hilfestellungen
✔ Anwendungsbeispiele für den Alltag

        EBOOK ANFORDERN        

Nein, danke!