Ionisierende Strahlung

Zusammenfassung

Begriff

Jede Art von Strahlung, wie etwa die Sonnenstrahlung, ist ein Energieträger. Ionisierende Strahlung ist dadurch charakterisiert, dass sie genügend Energie besitzt, um Atome und Moleküle zu ionisieren, d. h., aus elektrisch neutralen Atomen und Molekülen positiv und negativ geladene Teilchen zu erzeugen. Vor allem durch diesen Vorgang der Ladungstrennung überträgt die Strahlung beim Durchgang durch Materie, z. B. Luft oder menschliches Gewebe, ihre Energie an diese Materie. Die Ionisation und ihre Folgeeffekte können die Struktur der Materie oder der Zellen verändern und dadurch zu Strahlenschäden führen.

1 Was für Arten ionisierender Strahlung gibt es?

Die 2 Bereiche, in denen ionisierende Strahlung vorkommt, sind die Wellenstrahlung und die Teilchenstrahlung. Die Wellenstrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung genau wie Licht. Der Unterschied zwischen der sichtbaren und der ionisierenden Strahlungsausprägung ist die Energie, die bei Licht sehr viel geringer ist. Physikalisch wird die Wellenstrahlung auch als Fotonenstrahlung bezeichnet.

Abb. 1: Woher kommt ionisierende Strahlung?

Die bekannteste Art einer ionisierenden Wellenstrahlung ist die 1896 von Conrad Röntgen (1845–1923) in Würzburg entdeckte und später nach ihm benannte Röntgenstrahlung (im Englischen X-Ray). Die Röntgenstrahlung wird künstlich erzeugt. Sie wird ausgelöst durch das Anlegen von Hochspannung an eine Glühkatode, aus der dann Elektronen mit großer kinetischer Energie herausgelöst und beschleunigt werden.

Beim Auftreffen der Elektronen auf der Anode (dem sog. Target) werden die Elektronen abgebremst und es entsteht die sog. Bremsstrahlung. Diese Bremsstrahlung ist eine kurzwellige elektromagnetische Strahlung und wird Röntgenstrahlung genannt.

Röntgenstrahlung kann also, im Gegensatz zur Gammastrahlung, an- und abgeschaltet werden. Die Energie der Röntgenstrahlung wird durch die elektrische Spannung des Beschleunigungsfelds bestimmt. Sie wird deshalb oft in der Spannungseinheit Kilovolt (kV) angegeben. Korrekt ist jedoch eine Angabe in der Energieeinheit Kiloelektronenvolt (keV). Die Energien der Röntgenstrahlung liegen zwischen 5 keV und 1 MeV.

Die Gammastrahlung dagegen, ebenfalls eine ionisierende Wellenstrahlung, entsteht ständig bei der spontanen Umwandlung mancher radioaktiver Atomkerne (Radioaktivität), kommt also aus dem Kern und gehört deshalb zur Kernstrahlung. Sie hat meist eine etwas höhere Energie als die Röntgenstrahlung.

Die Teilchenstrahlung dagegen besteht, wie schon der Name sagt, aus geladenen Kernteilchen. Bei der Alpha(α)-Strahlung sind diese positiv geladene Heliu-4-Kerne, bestehend aus je 2 Protonen und 2 Neutronen, bei der Beta(β)-Strahlung handelt es sich um negativ geladene Elektronen, die – wie die Gammastrahlung – aus dem Atomkern stammen.

Eine Reihe weiterer Teilchen, wie Neutronen oder Protonen, können heute über künstliche Kernumwandlungen mit Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Sowohl bei solchen Kernumwandlungen wie auch bei der Kernspaltung entstehen wiederum radioaktive Atome, die ihrerseits Strahlung aussenden und auch Neutronen. Ein ganzer "Teilchen-Zoo" kommt in der kosmischen Strahlung vor.

2 Was für Eigenschaften haben die verschiedenen Strahlenarten?

Röntgen- und Gammastrahlen können wegen ihres Wellencharakters Materie verhältnismäßig leicht durchdringen. Ihre Schwächung folgt einer exponentiellen Funktion, d. h. man kann eine Halbwertschicht angeben, nach der sich die Intensität – und damit auch die Dosis – der Strahlung auf jeweils die Hälfte verringert hat. Diese Halbwertschicht hängt von der Art der Strahlung und der Dichte der durchlaufenen Materie ab. Sie beträgt etwa für die 661-keV-Gammastrahlung von Cäsium-137 (¹³⁷Cs) in Luft rund 7 m, in Gewebe rund 30 cm. Die Halbwertschicht ist eine wichtige Größe für die Auslegung von Abschirmungen von Strahlenquellen.

Teilchenstrahlen dagegen haben eine definierte Reichweite, an deren Ende sie ihre Energie vollständig abgegeben haben. Alphateilchen haben in Luft eine Reichweite von einigen cm, Betateilchen je nach Energie von 10 cm bis zu 10 m. Teilchenstrahlen lassen sich daher verhältnismäßig leicht abschirmen. Eine besondere Spielart der Teilchenstrahlung sind die Neutronen, die hauptsächlich bei der Kernspaltung entstehen. Sie müssen durch spezielle "Neutronen-Schlucker", wie etwa das Element Bor oder Cadmium, abgeschirmt werden.

3 Was für Strahlenquellen gibt es, und wo begegnen wir ionisierender Strahlung?

Man unterscheidet zwischen natürlichen und künstlichen Strahlenquellen. Die 2 großen natürlichen Strahlenquellen, denen wir ständig ausgesetzt sind, sind die Erde selbst – "Terrestrische Strahlung" – und das Weltall – "Kosmische Strahlung".

Die terrestrische Strahlung ist bedingt durch die radioaktiven Gesteine in der Erdkruste und führt, je nach der geografischen Region, zu einer Strahlenexposition von 2–8 mSv/Jahr. Vereinzelt gibt es auch Gebiete mit noch weit höherer Dosis. Die kosmische Strahlung wird zum Großteil von der Lufthülle der Erde absorbiert und gelangt dadurch nur stark geschwächt auf die Erdoberfläche. Ihre Intensität nimmt somit aber auch umgekehrt mit wachsender Höhe zu. Sie stellt deshalb ein Strahlenschu...