Strahlenschutz am Arbeitsplatz II: Ionisierende Strahlung und Radioaktivität – Physikalische Eigenschaften, Messgrößen und Einheiten

Zusammenfassung

 
Überblick

Der Begriff "Ionisierende Strahlung" wird erläutert und die Arten und Eigenschaften dieser Strahlung sowie die dazugehörigen Messgrößen (Dosis) und Messeinheiten (Sievert) beschrieben. Ebenso wird dargestellt, was "Radioaktivität" bedeutet, wie sie entsteht und wo sie vorkommt. Des Weiteren werden die charakteristischen Eigenschaften von Radionukliden (Halbwertzeit) und der von ihnen ausgesandte Strahlenarten (Energie, Reichweite in verschiedenen Stoffen) anhand von Tabellen dargestellt.

1 Ionisierende Strahlung

1.1 Was ist ionisierende Strahlung?

Jede Art von Strahlung, z. B. 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 im Körpergewebe zu biologischen Strahlenwirkungen führen. Abb. 1 zeigt schematisch die Entstehung und die verschiedenen Arten ionisierender Strahlung.

Abb. 1: Verschiedene Arten ionisierender Strahlung

1.2 Arten und Eigenschaften ionisierender Strahlung

1.2.1 Wellenstrahlung (Photonen)

Die 2 Formen, 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.

Die bekannteste Art einer ionisierenden Wellenstrahlung ist die 1896 von Conrad Röntgen entdeckte Röntgenstrahlung (im Englischen X-Ray). Die Röntgenstrahlung entsteht in der Elektronenhülle der Atome. Sie wird ausgelöst durch das Auftreffen externer schneller Elektronen, die in einem elektrischen Feld – etwa in einer Röntgenröhre – beschleunigt werden, auf ein sog. Target, meist aus Schwermetall.

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

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.[1]

 
Wichtig

Halbwertschicht

Die Halbwertschicht ist eine wichtige Größe für die Auslegung von Abschirmungen von Strahlenquellen.

[1] Weitere Daten zur Reichweite der einzelnen Strahlenarten sind in Abschn. 2.3.3 zu finden.

1.2.2 Teilchenstrahlung

Die Teilchenstrahlung besteht, wie schon der Name sagt, aus geladenen Kernteilchen. Bei der Alpha(α)-Strahlung sind diese positiv geladene Helium-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. Eine ganze "Teilchen-Vielfalt" kommt in der kosmischen Strahlung vor.

1.3 Quellen ionisierender Strahlung

1.3.1 Natürliche Strahlenquellen

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 (z. B. verursacht durch Radon) in der Erdkruste und führt, je nach 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 Strahlenschutzproblem beim Flugverkehr und vo...

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