Strahlung

Strahlung beschreibt die Ausbreitung von Teilchen und elektromagnetischen Wellen, deren gemeinsames Merkmal der Transport von Energie ist. Im Falle von Teilchen erfolgt der Energietransport durch die sogenannte Korpuskularstrahlung, im Falle von elektromagnetischen Wellen durch Wellenstrahlung.

Jegliche Strahlung hat

• eine Ursache, d. h. eine Strahlenquelle, und
• eine Richtung, die Strahlungsrichtung.

Trifft Strahlung auf ein Material - egal, ob fest, flüssig oder gasförmig -, d. h. auf Materie, die aus Atomen oder Molekülen aufgebaut ist, dann kann sie mit dieser in Wechselwirkung treten. Die Wechselwirkungen können beispielsweise in Form von

• Absorption oder
• Streuung

stattfinden. Bei der Absorption wird die Energie der Strahlung vom Material, in das die Strahlung eindringt, aufgenommen. Bei der Streuung wird die Richtung der Strahlung geändert und zusätzlich kann ein Teil ihrer Energie vom Material aufgenommen werden.

Unter Transmission versteht man den Durchgang der Strahlung durch Materie, bei der die Richtung der Strahlung nicht geändert wird. Es kann aber ein Teil der Strahlungsenergie auf dem Weg durch die Materie absorbiert und/oder gestreut werden, d. h. die Energie und/oder die „Menge“ an Strahlung nach dem Durchgang durch das Material könenn geringer sein als vor Eintritt in das Material.

Als ionisierende Strahlung wird jede Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung bezeichnet, die durch Wechselwirkung mit Atomen oder Molekülen aus diesen Elektronen freisetzen oder chemische Bindungen aufbrechen kann, sodass positiv geladene Ionen oder Molekülreste zurückbleiben. Dieser Vorgang wird als Ionisation bezeichnet. Hierfür sind Energien von mehr als 5 eV (Elektronen-Volt) erforderlich. Für die im menschlichen Körper vorkommenden chemischen Elemente beträgt die minimale Ionisierungsenergie ca. 20 eV.

Man unterscheidet zwischen direkt ionisierender und indirekt ionisierender Strahlung. Im Falle direkt ionisierender Strahlung geben geladene Teilchen (z. B. Elektronen, Protonen, α-Teilchen, β-Teilchen) beim Durchgang durch Materie aufgrund ihrer elektrischen Ladung Anregungs- und Ionisationsenergie an die Atome oder Moleküle ab und können diese hierdurch ionisieren.

Ungeladene Strahlung, wie die elektromagnetische Strahlung oder ungeladene Teilchen, können die Atome oder Moleküle über die Erzeugung eines geladenen Sekundärteilchens ionisieren. Im Falle von Gamma- oder Röntgen-Strahlung (hierbei handelt es sich um elektromagnetische Strahlung) können dies Sekundä-relektronen sein, bei ungeladenen Teilchen, wie beispielsweise Neutronen, Rückstreuprotonen.

Die nachfolgend aufgeführten Beispiele für ionisierende Strahlen haben alle unterschiedliche Ursachen (d. h. Strahlungsquellen), jedoch die gleiche Wirkung auf Materie.

• Röntgen-Strahlung
• Gamma-Strahlung
• Kern-Strahlung (Radioaktivität)
• Strahlung aus Beschleunigern
• kosmische Strahlung
• Neutronen

Energie ist eine physikalische Größe. Ihre praktische Bedeutung liegt oft darin, dass ein physikalisches System in dem Maß Wärme abgeben, Arbeit leisten oder Strahlung aussenden kann, in dem sich seine Energie verringert. Die Energie wird hierbei in Joule (J) angegeben.

Im Zusammenhang mit ionisierender Strahlung erfolgt die Energieangabe unter Verwendung einer speziellen Einheit, dem Elektronenvolt (eV).

Der Zusammenhang zwischen den Einheiten Joule und dem Elektronenvolt ist durch die Beziehung

1 eV = 1,6·10¹⁹ J

gegeben. Ein Elektronenvolt beschreibt folglich sehr kleine Energien im Vergleich zu einem Joule.

Die Größe 1 eV lässt sich auch anschaulich beschreiben: Sie ist die Energie der Bewegung (Bewegungsenergie), die ein Elektron erhält, wenn es im Vakuum eine Spannungsdifferenz von U = 1 eV durchlaufen hat.

Schematische Darstellung der Bedeutung eines Elektronenvolt (eV) als die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es im Vakuum eine Spannungsdifferenz von einem Volt (V) durchlaufen hat.

Wie wir gleich sehen werden, decken die verschiedenen Strahlungen einen sehr großen Energiebereich ab. Da man bei der Angabe von Energiewerten Zahlen mit zu vielen Stellen vermeiden will, hat sich die Verwendung von sogenannten Vorsätzen für Maßeinheiten als extrem praktisch erwiesen. Hierbei wird ein Buchstabe (der sog. Präfix) der Einheit eV vorangestellt. In unserem täglichen Umfeld verwenden wir diese Präfixe bereits wie selbstverständlich, beispielsweise für die Angabe von Massen. So sagen wir anstelle von 1000 g meistens 1 kg. Hierbei wurde das Präfix k vor die Bezeichnung für die Einheit Gramm (g) geschrieben. k bedeutet, dass der angegebene Wert in der Basiseinheit (hier g) tausend Mal größer ist als der Zahlenwert.

Da die verschiedenen Strahlungen einen sehr großen Energiebereich abdecken können und man bei der Angabe von Energiewerten Zahlen mit zu vielen Stellen vermeiden will, hat sich die Verwendung von sogenannten Vorsätzen für Maßeinheiten als extrem praktisch erwiesen. Hierbei wird ein Buchstabe (der sog. Präfix) der Einheit eV vorangestellt. Aus der praktischen Erfahrung ist dies beispielsweise bei der Angabe von Massen bekannt. 1000 g können kürzer als 1 kg geschrieben werden.

Einige der im Zusammenhang mit Strahlung am häufigsten verwendete Vorsätze sind nachfolgend aufgeführt:

Mit dem Wissen der Bedeutung der Präfixe lassen sich die in nachfolgender Auflistung angeführten typischen Energiebereiche für die verschiedenen Strahlungsarten besser verstehen.

Eine graphische Darstellung der verschiedenen Bereiche des elektromagnetischen Spektrums zeigt nachfolgende Abbildung. Die typischen Eingruppierungen der verschiedenen Strahlungsbereiche mit ihren zugehörigen Bezeichnungen sind dort entsprechend ihrer Wellenlänge und Frequenz dargestellt. Die roten Werte sind die korrespondierenden Energiewerte.

Übersicht über die verschiedenen Bereiche des elektromagentischen Spektrums (aus https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum). Ergänzend wurden verschiedene Energiewerte (in rot) eingetragen.

Hier eine kleine Übersicht der zusammengehörigen Energie, Wellenlängen und Frequenzwerte, die mit dem online-Rechner bestimmt wurden:

Die für den Strahlenschutz relevanten Energien beginnen bei ca. \(20~eV\). Hier sei in diesem Zusammenhang nochmals darin erinnert, dass die minimale Ionisierungsenergie für im menschlichen Körper vorkommenden chemischen Elemente ca. \(20~eV\) beträgt.

Aus der Abbildung kann man auch entnehmen, dass sichtbares Licht, Infrarot-, Terraherz-, Mikrowellen- und Rundfunk-Strahlung sowie Wechselströme nicht zu einer Ionisation im menschlichen Körper führen können, da ihre Energien zu niedrig sind (diese liegen unter einem Elektronenvolt).

Im praktischen Strahlenschutz müssen wir im Wesentlichen vier Strahlungsarten berücksichtigen.

• die elektrisch geladenen Alpha- und Beta-Teilchen sowie
• die elektrisch neutralen Photonen und Neutronen.

Ihre wichtigsten Eigenschaften sind nachfolgend kurz zusammengefasst.

Ein Alpha-Teilchen besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen und hat keine Elektronen. Damit ist es zweifach positiv geladen. Es ist somit identisch mit einem Helium-Kern \(_{2}^{4}He^{2+}\).

Beta-Teilchen können in zwei Versionen vorkommen. Zum einen als Elektronen (\(\beta^-\)-Teilchen), die eine negative Elementarladung besitzen, zum anderen als Positronen (\(\beta^+\)-Teilchen), die eine positive Elementarladung besitzen.

Elektronen und Positronen sind fast identisch. Sie unterscheiden sich nur hinsichtlich ihrer Ladung, die für Elektronen negativ, für Positronen positiv ist.

Das Positron wird auch als Antiteilchen des Elektrons bezeichnet. Treffen ein Elektron und ein Positron aufeinander, dann vernichten sie sich (die sogenannte Annihilation) und wandeln ihre Masse vollständig in Strahlung um.

Photonen könne in Form von Röntgen- oder Gamma-Strahlung auftreten. Röntgenstrahlung hat ihren Ursprung in der Elektronenhülle eines Nuklids, Gamma-Strahlung im Atomkern.

Bei Photonen handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, die keine Ladung hat und auch keine (Ruhe-)Masse.

Wird ein elektrisch geladenes Teilchen (wie beispielsweise ein Elektron) abgebremst oder abgelenkt, dann wird die dabei freiwerdende kinetische Energie des Teilchens direkt in Form von hochenergetischen Photonen, d. h. elektromagnetischer Strahlung, abgegeben. Diese Abbremsung oder Ablenkung geschieht typischerweise im elektrischen Feld eines Atomkerns und die abgegebene Strahlung wird als Bremsstrahlung bezeichnet.

Neutronen sind Bestandteile des Atomkerns. Sie werden durch spontane oder induzierte Kernspaltung oder durch spezielle Kernreaktionen freigesetzt. Bei der Kernspaltung eines Uran-Kerns entstehen pro Uran-Atom zwei neue leichtere Atomkerne und zusätzlich werden zwei bis drei Neutronen sowie Energie freigesetzt.

Ein Neutron ist etwa 1839-mal schwerer als ein Elektron und hat keine elektrische Ladung.

Wir wollen an dieser Stelle auch noch auf eine weiter mögliche Quelle für die Entstehung ionisierender Strahlung hinweisen, die Neutronen-Aktivierung, auch wenn sie bezüglich der dabei entstehenden \(\gamma\)-Strahlung im Prinzip bereits im Abschnitt \(\gamma\)-Strahlung behandelt wurde.

Als Aktivierung wird in der Physik die Umwandlung stabiler Atomkerne in instabile, radioaktive Stoffe durch Bestrahlung, beispielsweise mit Neutronen, bezeichnet.

Formelmäßig wird dies durch

\[ A + n \rightarrow B^{*} \rightarrow B + \gamma \]

beschrieben. Das stabile Atom \(A\) fängt ein Neutron (\(n\)) ein und wird zu einem angeregten Atomkern \( B{*}\), das dieselbe Anzahl an Protonen wie der ursprüngliche Atomkern \(A\) besitzt, aber nun ein Neutron mehr hat. Der angeregte Atomkern \( B{*}\) geht unter Aussendung charakteristischer \(\gamma\)-Strahlung in seinen Grundzustand über und kann, falls es instabil ist, weiter zerfallen.

Aus Sicht des aktiven Strahlenschutzes ist es wichtig die Reichweiten der verschiedenen Strahlungsarten in Luft zu kennen. Damit kann bereits eine erste Abschätzung getroffen werden, ob Strahlenschutzmaßnahmen überhaupt erforderlich sind und wenn ja, welche. Wäre beispielsweise die Reichweite der Strahlung aus einer Strahlenquelle nur wenige Millimeter, die kleinste Entfernung, die eine Person zu dieser Strahlenquelle unter allen denkbaren Umständen einnehmen kann, aber im Bereich von Metern, dann könnte auf Strahlenschutzmaßnahmen verzichtet werden.

Betrachten wir nun die vier zuvor behandelten Strahlungsarten hinsichtlich ihrer typischen Reichweiten. Zu berücksichtigen ist, dass diese von der Energie der Strahlung abhängt. Je höher die Energie, desto weitreichender ist die Strahlung.

Aufgrund ihrer elektrischen Ladung und relativ großen Masse haben α-Teilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie. Die Reichweite der α-Teilchen ist abhängig von ihrer Energie und beträgt in Luft (bei Normaldruck) ungefähr 10 cm. In Wasser oder organischem Material beträgt die Eindringtiefe ca. 40 µm. Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen somit im Allgemeinen schon aus, um Alpha-Teilchen vollständig abzuschirmen.

Die Reichweite von β-Teilchen (werden auch als β-Strahlung bezeichnet) ist abhängig von ihrer Energie und kann in Luft einige Meter betragen. β-Teilchen lassen sich mit einem einige Millimeter dicken Absorber (beispielsweise Aluminiumblech, Plexiglasscheibe) gut abschirmen. Allerdings wird dabei ein Teil der Energie der β-Teilchen in Röntgen-Bremsstrahlung umgewandelt.

Zur Abschirmung von β-Strahlung verwendet man daher eine Kombination zweier Absorbermaterialien. Der Strahlungsquelle zugewandt ist ein Absorbermaterial mit möglichst geringer Ordnungszahl, die darin entstehende Bremsstrahlung ist von geringerer Energie und kann durch eine nachfolgende Schicht aus einem Element mit hoher Ordnungszahl weiter abgeschwächt werden.

Im Gegensatz zur Teilchenstrahlung (α- und β-Strahlung) gibt es für Röntgen- und γ-Strahlung keine endliche Reichweite in Material. Das heißt, sie lässt sich nicht vollständig abschirmen, sondern nur abschwächen. Die Intensitätsabnahme wird durch die Halbwertsdicke beschrieben. Als Halbwertsdicke bezeichnet man diejenige Dicke eines durchstrahlten Materials, die die Strahlungs-intensität um die Hälfte reduziert.

Röntgen- und γ-Strahlung sind im Vergleich zur geladenen Teilchenstrahlung besonders durchdringend. Deshalb sind zu ihrer Abschirmung dickere Materialschichten nötig als bei α- oder β-Strahlung. Je größer die Ordnungszahl eines Materials ist, desto größer ist seine Abschirmwirkung. Zum Abschirmen werden daher vor allem Blei oder spezieller Beton mit hoher Dichte verwendet.

Da Neutronen elektrisch neutral sind, hat Neutronen-Strahlung, ähnlich wie Gamma-Strahlung, in Materie eine hohe Durchdringungskraft. Der ionisierende Effekt entsteht indirekt, meist durch Anstoßen von leichten Atomkernen, die dann ihrerseits ionisierend wirken.

Die Abschirmung von Neutronen-Strahlung erfolgt in mehreren Schritten: Ein Moderator, zum Beispiel Wasser oder Polyethylen (PE) bremst die Neutronen (durch Stöße der Neutronen mit den Moderatoratomen) ab und wandelt einen Teil der kinetischen Energie in Wärme um. Die dann thermischen Neutronen werden von einem Absorbermaterial, zum Beispiel Bor, absorbiert. Die dabei entstehende Gamma-Strahlung kann schließlich durch eine weitere Schicht eines Materials mit hoher Ordnungszahl, wie beispielsweise Blei, reduziert werden.

Zwei weitere relevante Größen im praktischen Strahlenschutz sind die Begriffe der Strahlungsenergie und der Strahlungsintensität.

Unter dem Begriff Strahlungsenergie versteht man die Energie, die die Strahlung, d. h. ein Teilchen, ein Photon oder ein Neutron, besitzt. Die Art und Stärke der Wechselwirkung der Strahlung mit Materie wird unter anderem von der Größe der Energie bestimmt.

Strahlungsenergien, die zum Beispiel beim radioaktiven Zerfall auftreten, sind die charakteristischen Energien der emittierten Gamma-Strahlung oder Teilchen. Einige Beispiele hierfür sind nachfolgend aufgeführt:

Gamma-Strahlung

Beachte: radioaktive Isotope können Gamma-Strahlung mit verschiedenen charakteristischen Strahlungsenergien aussenden (siehe \(^{60}Co\)).

Alpha-Strahlung

Doch nicht nur die Strahlungsenergie spielt eine Rolle, sondern auch deren „Menge“. Diese wird durch den Begriff der Strahlungsintensität festgelegt.

Die Strahlungsintensität bezeichnet die Anzahl an Teilchen, Photonen oder Neutronen, die eine bestimmte Fläche innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls durchdringen. Für eine bessere Vergleichbarkeit verschiedener Werte bezieht man die Fläche auf eine Einheitsfläche, oftmals 1 cm² oder 1 m². Das Zeitintervall wird oftmals auf 1 s bezogen. Hieraus ergibt sich für die Einheit der Strahlungsintensität cm^-2·s^-1 oder m^-2·s^-1. Aus dieser Einheit leitet sich auch die alternative Bezeichnung Teilchenflussdichte ab.

Berücksichtigt man in der Strahlungsintensität auch die pro Flächen- und Zeitinhalt transportierte Energie, so spricht man von Energieflussdichte. Die Einheit ist dann eV·cm^-2·s^-1 oder eV·m^-2·s^-1, d. h. Energie pro Fläche und pro Zeiteinheit.