Ionisierende Strahlung und Radioaktivität

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 und 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 herauszutrennen, wird ionisierende Strahlung genannt. 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.

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

Radioaktive Stoffe und v. a. ionisierende Strahlung sind 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:

$$ A = \frac{dN}{dt} $$

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.

Wenn die Masse in die Berechnung der Aktivität miteinbezogen wird, so wird von spezifischer Aktivität gesprochen. 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:

$$ A = \lambda \times N $$

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.

$$ T_{\frac{1}{2}} = \frac{ln2}{\lambda } $$

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

$$ N = N_{0} \times (\frac{1}{2})^{\frac{1}{T}} $$

Jedes radioaktive Isotop hat eine bestimmte Halbwertszeit.

Strahlungsarten

• α-Strahlung: Sie setzt sich aus positiven Heliumkernen zusammen. α-Strahlen sind
  aufgrund ihrer positiven Ladung durch elektrische und magnetische Felder ablenkbar. Die Austrittsgeschwindigkeit 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 werden als Positronen (positive Elektronen) bezeichnet.

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. Aus Radium entsteht durch Abgabe eines Heliumkerns (α-Strahlung) das Edelgas Radon.

Radon 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, etc. 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.

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 A^2/3 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. Ein Alpha-Zerfall tritt nur bei Kernen mit hoher Massenzahl auf.

Der β-Zerfall

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

Beispiel:

Ein 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 eines 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.

$$ \Delta N = \lambda \times N_{0} \times \Delta t $$

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 die Strahlung radioaktiver Stoffe, sondern für alle ionisierenden Strahlungsarten wie auch Röntgenstrahlen oder Neutronenstrahlen.

Unter der Energiedosis D wird das Verhältnis aus Energie E, die ein Körper aufnimmt, und der Masse m des Körpers verstanden. Die Einheit der Energiedosis ist Gray (Gy).

$$ D = \frac{E}{m} $$

Unter der Energiedosisrate wird das Verhältnis aus der Energiedosis D und der Zeit verstanden.

$$ D’ = \frac{D}{t} $$

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:

$$ J = \frac{Q}{m} $$

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.

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, der sogenannten Nulleffekt. Dieser Nulleffekt basiert auf zwei stets vorhandene Strahlungsarten:

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

Röntgenstrahlung

Wilhelm Conrad Röntgen Röntgen 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.
Beim 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.

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 wird von maximaler Photonenenergie gesprochen:

$$ E_{max} = E_{kin} = e \times U_{B} $$

Die Energie ist proportional abhängig von der Beschleunigungsspannung U_B. 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.

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 entfällt auf die Masse von 1 Kilogramm eine Energie von 24 Milliarden Kilowattstunden. Diese große Energie steckt in den Atomkernen.

Einsteins Formel:

$$ E = m \times c^{2} $$

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 wird an den verschiedenen Wirkungen erkannt. 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

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 starken 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.

$$ Impulsrate = \frac {Anzahl der Impulse} {Zeit} $$

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. Durch diese Methode werden die empfindlichsten und leistungsfähigsten Strahlenmessgeräte zum Nachweis radioaktiver Stoffe erhalten.

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 Sterilisation Reproduktionsethische Fragen 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 wird dabei die Strahlung der durch Nahrungsaufnahme und Atemluft in den Körper gelangten radioaktiven Stoffe verstanden. Diese sind im Körper gleichmäßig verteilt oder an bestimmten Organen abgelagert. Jod zum Beispiel lagert sich in der Schilddrüse Schilddrüse Schilddrüse, Strontium in der Knochensubstanz und Radon in der Lunge Lunge Lunge: Anatomie ab.

Unter äußerer Strahlung wird das Eindringen von Strahlung in den Körper verstanden. 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 ionisierenden Strahlen kontaktieren: ein Zehntel der Werte

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).

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.

Unterschieden wird 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 Verbrennungen 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 radioaktivem Staub oder durch das Verschlucken dieser Objekte).

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 45.000 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. Dazu werden Teilchen (z. B. Protonen und Deuteronen), die durch Teilchenbeschleuniger in eine höhere Energiestufe gebracht werden, verwendet.

Das Absorptionsgesetz

Fast alle Anwendungen bis auf die Analytik beruhen auf der unterschiedlichen Absorption von Strahlung, z. B. das Durchleuchten, die CT, etc.

Der Absorptionsgrad wird durch Röntgenfilme oder entsprechende Detektoren ermittelt. Faktoren, die für die Absorption von Strahlung (v. a. für radioaktive Strahlung) ausschlaggebend ist, sind u. a.:

• 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 (Fotoeffekt) oder durch Streuprozesse.

Merke: Das Absorptionsgesetz besagt, dass Gamma-Strahlung durch ein zwischen Empfänger und Strahler positioniertes Material durch Absorption exponentiell verringert wird.

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.

Es gilt das Abstandsgesetz: Radioaktive Strahlung, die von einer annähernd punktförmigen Quelle emittiert wird, nimmt reziprok zum Quadrat der Entfernung des Strahlers von der Quelle an Intensität ab, da sich die gleichzeitig emittierten, radioaktiven Teilchen homogen auf eine mit wachsendem Abstand wachsende Oberfläche verteilen.

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.