Wechselwirkung von Strahlung mit Materie

Nachdem wir die Begriffe Atome, Atomkerne und Strahlung besprochen und gelernt haben, was unter Strahlungsenergie, Strahlungsintensität und Energieflussdichte verstanden wird, betrachten wir als nächstes etwas genauer, was passiert, wenn Strahlung auf Atome oder Atomkerne trifft, d. h. die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie.

Wie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben, wird durch α-, β- und γ-Strahlung sowie durch Neutronen Energie transportiert. Trifft nun Strahlung auf Materie, z. B. ein Gas, eine Flüssig-keit oder einen Festkörper, dann wird die Energie dieser Strahlung ganz oder teilweise auf die Mate-rie übertragen. Dieser Übertrag kann durch Stöße (z. B. Ionisation, Anregung) oder Umwandlungs-prozesse (z. B. Compton-Streuung, Photoeffekt, Paarbildung) stattfinden und wird allgemein als Wechselwirkung der Strahlung mit Materie bezeichnet.

Die gerade erwähnten Punkte werden wir im Folgenden näher betrachten.

Beginnen wir mit der Beschreibung, was man unter Materie versteht. Materie besteht aus Atomen und Molekülen, die miteinander in Wechselwirkung stehen können. Abhängig von der Stärke dieser Wechselwirkung und der Mobilität der Atome und Moleküle unterscheidet man die drei verschiedenen Zustände

• fest
• flüssig oder
• gasförmig.

Diese drei Zustände der Materie bilden die klassischen Aggregatzustände der Materie. Als vierter Aggregatzustand wird Plasma bezeichnet, der aber hier nicht weiter betrachtet wird.

Auch wenn es uns aus der täglichen Erfahrung bereits klar ist, wollen wir uns zunächst die Abgrenzung der drei Aggregatszustände voneinander betrachten:

Im festen Zustand behält ein Material meist sowohl seine Form als auch sein Volumen bei. Der flüssige Zustand unterscheidet sich vom festen Zustand, dass seine Form sich den jeweiligen Gegebenheiten anpasst, das Volumen aber unverändert bleibt. Im gasförmigen Zustand entfällt auch noch die Volumenbeständigkeit, d. h. ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus.

Die Gründe für dieses Verhalten der drei Aggregatzuständen liegt im Aufbau der jeweiligen Materie. Im Festkörper sind die Atome und Moleküle starr angeordnet. Ihre Positionen sind über die Git-terstruktur des Festkörpers festgelegt. Die Atome und Moleküle bewegen sich aufgrund der immer vorhandenen thermischen Energie (Wärme) schwach um ihre Gitterpositionen. Demgegenüber steht ihre lose Anordnung in einer Flüssigkeit. Die Atome und Moleküle ordnen sich ständig neu an. In einem Gas bewegen sich die Atome und Moleküle sehr schnell und weisen eine hohe Bewegungsenergie (kinetische Energie) auf, die dafür sorgt, dass sie nicht zusammenhalten und sich im zur Verfügung ste-henden Raum verteilen.

Wir wissen nun, dass Materie in verschiedenen Aggregatzuständen vorkommen können – fest, flüssig und gasförmig – und dass ein Übergang zwischen den verschiedenen Zuständen durch Änderung verschiedener Parameter, wie Temperatur, Druck, Volumen etc. möglich ist.

Ferner wissen wir, dass Materie aus Atomen bzw. Molekülen aufgebaut ist.

Eine Frage, die wir uns jetzt noch stellen könnten, betrifft die Frage nach der Anzahl an Atomen, die in einem bestimmten Volumen in den drei Aggregatszuständen ungefähr jeweils enthalten sind. Eine allgemein gültige Antwort kann nur grobe Werte geben, da die genauen Werte neben der jeweiligen Atom- oder Molekülsorte auch noch von den jeweils vorherrschenden Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck etc.) abhän-gen. Aber als grobe Anhaltspunkte können für einen Würfel mit einer Kantenlänge von 1 mm, d. h. einem Volumen von 1 mm³, folgende Werte angeführt werden:

Nun, da wir den Begriff Materie verstehen, betrachten wir die verschiedenen Arten, wie der Energieübertrag auf Materie für die verschiedenen Strahlungsarten erfolgt. Beginnen wir mit den geladenen Teilchen, d. h. von α- und β-Strahlung, welche direkt ionisierend sind.

Schwere geladene Teilchen, wie α-Teilchen, wechselwirken mit Materie hauptsächlich über die Coulombkraft. Diese beschreibt die zwischen zwei Punktladungen wirkende Kraft, in unserem Fall zwischen der positiven Ladung des α-Teilchens und den negativen Ladungen der Elektronen der Atome in der Materie. Sobald ein α-Teilchen in Materie eindringt wechselwirkt es sofort mit einer Vielzahl an Elektronen. Ist der von einem α-Teilchen an ein Elektron übertragene Impuls ausreichend groß, dann kann hierdurch das Elektron aus dem Atom herausgelöst werden, d. h. es findet eine Ionisation des Atoms statt. Gleichzeitig reduziert sich die (Bewegungs-)Energie des α-Teilchens, da es ja einen Teil seiner Energie an das Elektron abgegeben hat.

Leichte geladene Teilchen, wie β-Teilchen, können Ihre (Bewegungs-)Energie ebenfalls über die Coulombkraft abgeben, zusätzlich aber auch noch durch Aussendung elektromagnetischer Strahlung: Wird ein sich bewegendes β-Teilchen aus seiner Flugrichtung abgelenkt, z. B. weil es in die Nähe eines Atomkernes gelangt, dann wird ein Teil seiner Energie in Strahlung umgewandelt, die sogenannte Bremsstrahlung. Diese kann durch anschließende indirekte Ionisation ihre Energie weiter an Materie abgeben.

Gamma- und Röntgen-Strahlung sind elektrisch neutrale elektromagnetische Wellen (Photonen), weshalb sie mit Materie nicht direkt über die Coulombkraft wechselwirken. Deshalb werden sie auch als indirekt ionisierend bezeichnet. Ihre Wechselwirkung mit Materie erfolgt im Wesentlichen über die drei Prozesse

• Photoelektrische Absorption (meist als Photoeffekt bezeichnet),
• Compton-Streuung und
• Paarbildung.

Jeder dieser Prozesse führt zu einem teilweisen oder vollständigen Übertrag der Strahlungsenergie auf Elektronen der Materie.

Im photoelektrischen Effekt (Photoeffekt) werden Elektronen durch die elektromagnetische Strahlung aus der Atomhülle herausgelöst. Die gesamte Energie der Strahlung geht an das Elektron in Form von Bewegungsenergie über, abzüglich der Energie, die für das Herauslösen des Elektrons aus seiner Bindung in der Atomhülle benötigt wird. Hieraus folgt, dass die Energie der elektromagnetischen Strahlung größer sein muss als die Bindungsenergie des Elektrons!

Die vollständige Absorption des Photons durch ein freies Elektron ist nicht möglich. Stattdessen findet ein Compton-Effekt statt, aus dem immer auch ein Photon geringerer Energie hervorgeht.

Bei der Compton-Streuung (Compton-Effekt) wird die elektromagnetische Strahlung an einem Elektron gestreut. Hierbei geht ein Teil der Energie der Strahlung auf das Elektron über, das aus der Atomhülle herausgelöst wurde. Die Energie der gestreuten elektromagnetischen Strahlung ist dann entsprechend geringer.

Die Compton-Streuung ist der dominierende Wechselwirkungsprozess für elektromagnetische Strahlung mit Materie zwischen etwa 100 keV und 10 MeV.

Ist die Energie der elektromagnetischen Strahlung höher als 1022 keV, dann kann in der Nähe von Atomkernen die gesamte Energie in Masse sowie Bewegungsenergie in Form eines Elektron-Positron-Paares umgewandelt werden (Paarbildung). Die Ruhemasse eines Elektrons bzw. Positrons beträgt jeweils 511 keV, d. h. es wird mindestens eine Energie von 1022 keV für die Erzeugung der beiden Teilchen aus der elektromagnetischen Strahlung benötigt. Der verbleibende Rest der Energie wird auf die beiden Teilchen in Form von Bewegungsenergie aufgeteilt, mit der sie sich in einander entgegengesetzte Richtungen fortbewegen.

Neutronen-Strahlung bildet einen speziellen Fall indirekter Ionisation. Die ungeladenen Neutronen können zum Teil weit in Materie eindringen und dort durch Stöße mit Atomkernen Bewegungsenergie übertragen oder aber Kernreaktionen initiieren.

Im Fall eines Stoßes kann die gesamte oder ein Teil der Energie des Neutrons an einen Atomkern übertragen werden, der als geladenes (schweres) Teilchen weiterfliegt.

Findet eine Kernreaktion statt, dann wird das Neutron von dem Atomkern absorbiert und es entsteht ebenfalls ein geladenes schweres Teilchen. Die geladenen Teilchen können wiederum direkte Ionisation durchführen.

Nun wissen wir, auf welche Weise Strahlung mit Materie in Wechselwirkung tritt. Einen wichtigen Punkt haben wir aber nur kurz angerissen: Die Frage, wie stark sind diese Wechselwirkungen, oder anders formuliert, wie weit dringt die Strahlung in Materie ein. Aus der Beantwortung dieser Frage leiten sich die im Strahlenschutz zu treffenden Maßnahmen ab: Je weiter eine Strahlung in Materie eindringen kann, desto größere Anstrengungen bezüglich der erforderlichen Abschirmungen sind zu treffen.

Die Größen, die in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle spielen, sind die sogenannten Wirkungsquerschnitte. Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Wechselwirkung einer Strahlung mit einem bestimmten Stoff (Materie), d. h. wie wahrscheinlich ist es, dass ein α-Teilchen an einer bestimmten Atomsorte gestreut wird, oder Gamma-Strahlung in einem bestimmten Material einen Photoeffekt ausführt, oder ein Neutron von einem Atom in einer Kernreaktion absorbiert wird …

Die Werte der Wirkungsquerschnitte sind für die verschiedenen Strahlenarten für verschiedene Materialien und Strahlenenergien tabelliert.

Wie bereits erwähnt, liegen die Reichweiten von α-Strahlen in Luft bei wenigen Zentimetern, in Gewebe bei einigen Mikrometern. Bereits ein Blatt Papier oder die Hautoberfläche reichen zu ihrer Abschirmung aus.

Für β-Strahlung ist die Reichweite größer. Sie liegt in Luft bei maximal wenigen Metern, in Gewebe bei wenigen Millimetern. Hier ist ein dünnes Blech (z. B. aus Aluminium) zu ihrer Abschirmung ausreichend.

Bei Röntgen- und Gamma-Strahlung bzw. Neutronen müssen wir aber tatsächlich die Energie der Strahlung und das Material, mit dem sie wechselwirken, und damit den jeweiligen Wirkungsquerschnitt kennen, um eine Aussage über ihre Reichweite treffen zu können.

Dann können wir in guter Näherung mit der Gleichung

\(I = I_0 \cdot exp(-µ \cdot x)\)

die Strahlungsintensität I berechnen, die sich hinter einem Material der Dicke x mit dem Wirkungsquerschnitt (genauer: dem linearen Schwächungskoeffizienten) µ ergibt, wenn die Strahlungsintensität beim Eindringen in das Material I₀ war.

Für den praktischen Strahlenschutz hat das folgende Auswirkungen:

• Wir können somit bei Kenntnis der Parameter I₀, µ und x eine Aussage treffen, wie hoch die Strahlungsintensität hinter einem Material ist, beispielsweise hinter einer Wand, einer Türe, einer Abschirmung etc. und ob wir gegebenenfalls weitere Abschirmmaßnahmen treffen müssen.
• Die Strahlungsintensität nimmt exponentiell ab. Das bedeutet aber, dass sie niemals völlig verschwunden sein wird. Wir können aber durch geeignete Abschirmmaßnahmen dafür Sorge tragen, dass sie so gering wird, dass sie keine gesundheitsschädlichen oder sonstigen Auswirkungen mit sich bringt. Dies kann durch geeignete Wahl des Materials (legt den Wirkungsquerschnitt fest) und dessen Dicke erfolgen.