Ionisierende Strahlen

Ionisierende Strahlen
Warnzeichen vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen (auch auf abschirmenden Behältern)
Neues Warnzeichen direkt an gefährlichen radioaktiven Strahlern

Ionisierende Strahlung ist eine Bezeichnung für jede Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die aus Atomen oder Molekülen Elektronen entfernen kann, so dass positiv geladene Ionen oder Molekülreste zurückbleiben (Ionisation). Ionisierende Strahlungen gehen u.a. von radioaktiven Stoffen aus.

Inhaltsverzeichnis

Zuordnung

Zur ionisierenden Strahlung rechnet man alle Strahlungen, deren kinetische Energie (bei Teilchen) bzw. Quantenenergie (bei Wellen) ausreicht, um Elektronen – auch über Zwischenreaktionen – aus einem Atom oder Molekül herauszulösen. Dazu benötigt man im Allgemeinen Ionisationsenergien von mehr als etwa 5 Elektronenvolt (eV).

  • Im elektromagnetischen Spektrum entspricht das Wellenlängen von weniger als etwa 200 nm; daher haben nur Gammastrahlung, Röntgenstrahlung und kurzwelligere Ultraviolettstrahlung genügend Quantenenergie, um Elektronen aus den Atomhüllen zu lösen und so auch Atombindungen aufzutrennen. Dagegen sind Infrarotstrahlung, Radar- und Radiowellen keine ionisierende Strahlung, denn sie können keine Moleküle verändern oder gar zerlegen. Moleküle, die durch so energiearme Photonen zerlegt würden, könnten unter Normalbedingungen nicht existieren.
  • Freie Protonen, Elektronen oder andere geladene Teilchen werden ab einer kinetischen Energie von etwa 5 eV zur ionisierenden Strahlung gezählt. Demnach sind Alphastrahlung und Betastrahlung stets ionisierende Strahlung.
  • Freie Neutronen haben selbst keine merkliche Wechselwirkung mit Elektronen. Sie zählen aber aus praktischer Sicht unabhängig von ihrer kinetischen Energie zur ionisierenden Strahlung. Die Ionisation erfolgt hier indirekt über Kernreaktionen oder Streuprozesse an Atomkernen.

Wechselwirkung mit der Materie

Der namensgebende Mechanismus ionisierender Strahlung ist der Umstand, dass sie Elektronen aus Atomhüllen freisetzen ("herausschlagen") kann, wodurch das betroffene Atom oder Molekül zu einem elektropositiven Ion (Kation) wird. Bei ausreichend hoher Energie treten Mehrfachionisationen auf, die z. B. die Nebelspuren in einer Nebelkammer erzeugen. Hochenergetische Elektronen erzeugen in Materie Bremsstrahlung, die selbst ebenfalls ionisierend wirkt.

Ionisierende Strahlung ionisiert Materie aber nicht nur, sondern kann chemische Verbindungen zerstören, das heißt größere Moleküle zerteilen, wodurch chemische Radikale entstehen. Hierin liegt ihre biologisch schädliche Wirkung. Auch durch Strahlung erzeugte Ionen sind instabil und sind bestrebt, die fehlenden Elektronen aus ihrer Umgebung zu holen, wodurch entweder die ursprünglichen Moleküle/Atome wiederhergestellt werden (Rekombination) oder auch durch Abspalten von Atomen andere Moleküle entstehen. Fragmente gesprengter Moleküle finden hingegen selten wieder zusammen. Sie reagieren/verbinden sich mit anderen Molekülen, wodurch diese in der Regel ebenfalls ihre biologische Funktion verlieren.

Strahlenarten


geladen: direkt ionisierend







Photon: direkt ionisierend



Neutron: indirekt ionisierend

Bild: Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit der Materie. Beim einfallenden Neutron sind einige in wasserstoffhaltigem Material typische Zwischenprozesse dargestellt. Gammaquanten sind durch Wellenlinien, geladene Teilchen und Neutronen durch Geraden bzw. Geradenstücke dargestellt. Die kleinen Kreise stellen Ionisationsprozesse dar.

Photonen (Gammaquanten) ionisieren nicht laufend auf ihrem Weg wie Alpha- oder Betateilchen (siehe Teilchenstrahlung). Die Wechselwirkung eines Gammaquants mit Materie erfolgt durch einen der folgenden drei Prozesse:

  1. Compton-Effekt (siehe Bild: zwei hintereinander stattfindende Compton-Streuungen). Bei jeder Compton-Streuung gibt das Quant Energie an ein angestoßenes Elektron ab und fliegt mit verringerter Energie in anderer Richtung weiter.
  2. Photoeffekt: Beim Photoeffekt gibt das Photon seine gesamte Energie an ein Elektron ab. Dieser Effekt tritt an Metalloberflächen und in Halbleitern auch bei weit geringeren Quantenenergien als 5 eV auf.
  3. Paarbildung: Bei der Paarbildung verschwindet das Photon; seine Energie führt zur Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares. Die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares erfordert z. B. eine Quantenenergie von mehr als 1 MeV.

Quellen ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlung tritt in geringer Dosis als natürliche Strahlenbelastung auf. Diese besteht unter anderem aus der kosmischen Strahlung und der Strahlung radioaktiver Stoffe, die natürlich in Erdkruste und Atmosphäre vorkommen, wie z. B. den radioaktiven Isotopen der lebenswichtigen Elemente Kohlenstoff und Kalium.

Unterschiedliche natürliche oder künstliche Quellen senden ionisierende Strahlung aus:

Wirkung

Größen und Maßeinheiten

Energiedosis

Als Energiedosis bezeichnet man die von einem bestrahlten Objekt, z. B. Körpergewebe, über einen Belastungszeitraum absorbierte massenspezifische Energiemenge. Sie ist abhängig von der Intensität der Bestrahlung, der Absorptionsfähigkeit des bestrahlten Stoffes für die gegebene Strahlungsart und -energie und geometrischen Faktoren.

SI-Einheit: Gray Gy; 1 Gray = 1 J/kg

Ionendosis

Die Ionendosis ist ein Maß für die Stärke der Ionisierung, ausgedrückt durch die freigesetzte Ladung pro Kilogramm des bestrahlten Stoffes.

SI-Einheit: C/kg (Coulomb pro Kilogramm)

Äquivalentdosis

Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die Stärke der biologischen Wirkung einer bestimmten Strahlendosis. Gleich große Äquivalentdosen sind somit in ihrer Wirkung auf den Menschen vergleichbar, unabhängig von der Strahlenart und -energie.

Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis in Gray mit dem Strahlungswichtungsfaktor (früher Qualitätsfaktor genannt), der in vereinfachter Weise die Relative biologische Wirksamkeit der betreffenden Strahlung beschreibt. Er hängt von der Strahlungsart und -energie ab. Beispielsweise ist der Strahlungswichtungsfaktor für Beta- und Gammastrahlung gleich 1; die Äquivalentdosis in Sv ist hier also zahlenmäßig gleich der Energiedosis in Gy. Für andere Strahlenarten gelten Faktoren bis zu 20 (s. Tabelle in Strahlungswichtungsfaktor).

SI-Einheit: Sievert Sv; 1 Sv = 1 J/kg

Biologische Wirkung

Durch ionisierende Strahlung erzeugte Radikale richten in der Regel größeren Schaden durch nachfolgende chemische Reaktionen an, als die Zerstörung des ersten Moleküls durch die Strahlung allein. Dieser ist, etwa bei der Krebsbekämpfung, erwünscht, da er das Absterben getroffener Zellen, in diesem Fall idealerweise Tumorzellen, begünstigt.

Grundsätzlich dürften alle ionisierenden Strahlen für Lebewesen gesundheitsschädlich sein – über das Ausmaß der Schädlichkeit gehen die Ansichten auseinander:

  • Ab kurzfristigen Belastung von etwa 0,25 Sv tritt die Strahlenkrankheit auf. 4 Sv als Kurzzeitbestrahlung ist in der Regel tödlich. Sie äußert sich durch ein geschwächtes Immunsystem und Verbrennungen. Ohne Zweifel werden ab einer hohen Strahlendosis (größer als etwa 2 Gy) so viele Moleküle mit biologischer Funktion auf einmal zerstört, dass betroffene Zellen nicht mehr lebensfähig sind. Es entstehen auch zu viele zu giftige Substanzen durch den Zerfall von Molekülen, die die Zelle abtöten. Auf molekularer Ebene ist unter anderem die schädigende Wirkung von durch Radiolyse entstehenden Radikalen beteiligt. Als Langzeitfolge sind auch Veränderungen des Erbguts häufig, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in Krebs münden können, vor allem aber in Mutationen, die zu Missbildungen an Nachkommen oder sich entwickelnden Embryonen/Föten sowie totaler Sterilität (Unfruchtbarkeit) führen können (siehe auch Strahlenrisiko).
  • Bei mittleren Dosen um 0,1 Gy, was etwa der natürlichen Strahlenbelastung entspricht, gibt es keine auffallenden Beobachtungen, denn offenbar haben sich die Immunsysteme sämtlicher Lebewesen im Lauf der Evolution darauf eingestellt.
  • Die Auswirkungen sehr geringer Dosen um 0,02 Gy werden kontrovers diskutiert:
  1. Die meisten Fachleute vermuten, dass die Schädlichkeit ionisierender Strahlen linear mit abnehmender Intensität sinkt. Das klingt plausibel, wurde aber nie nachgewiesen.
  2. Deutlich weniger Wissenschaftler registrieren zunehmend Hinweise, dass das Immunsystem dann mangels Aktivität "einschläft" und die Anfälligkeit für Krankheiten steigt. Es ist umstritten, ob eine Reduktion der natürlichen Strahlenbelastung krankheitsfördernd ist (vgl. Hormesis).

Die Alphastrahlung hat auf lebendes Gewebe durch ihre Ionisierungsfähigkeit eine besonders hohe schädliche Wirkung, jedoch besitzt sie in Luft eine Reichweite von nur wenigen Zentimetern und kann durch ein einfaches Blatt Papier vollständig abgeschirmt werden (den gleichen Zweck erfüllen die obersten abgestorbenen Hautschuppen), so dass Alphastrahler, die sich außerhalb des menschlichen Körpers befinden, weitgehend ungefährlich sind. Gefährlich sind Alphastrahler, wenn sie in direkten Kontakt mit lebendem Gewebe kommen. Ein Weg dafür ist das Einatmen von Aerosolen, die über die Schleimhäute des Atemweges aufgenommen werden; radioaktiver Staub wird in der Lunge eingelagert und kann dort Krebs auslösen. Das Edelgas Radon wird zwar nicht eingelagert, gefährdet aber während des Einatmens durch Zerfälle in der Lunge. Wenn ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von einigen Tagen durch Nahrung aufgenommen wurde oder durch Injektion in den Blutkreislauf gebracht wurde, können bereits wenige Mikrogramm für Menschen tödlich sein.

Anderseits ist es bemerkenswert, dass beispielsweise Bad Gastein ein seit dem Mittelalter berühmtes Heilbad ist, dessen Heilwasser sich lediglich durch hohe Temperatur und den Gehalt an Radon auszeichnet, siehe Radonbalneologie.

Ultraviolettstrahlung wird von der Sonne sowie künstlich meist von Quecksilberdampflampen erzeugt. Sie kann Strahlenschäden auf der Haut, Hornhautschäden und Bindehautentzündung hervorrufen. Während UV-A (längerwelliges Ultraviolett nahe dem sichtbaren Spektralbereich) auch therapeutisch und kosmetisch eingesetzt wird (gegen Akne, zur Bräunung), sind die kurzwelligeren Anteile, die aufgrund der Ausdünnung der Ozonschicht mit größerem Anteil auch von der Sonne auf die Erdoberfläche gelangen, verantwortlich für ein erhöhtes Hautkrebsrisiko. Der größte Teil der kurzwelligen Ultraviolettstrahlung der Sonne wird durch die Erdatmosphäre absorbiert; dennoch erfordert Sonnenexposition der Haut und der Augen insbesondere im Gebirge einen Sonnenschutz (absorbierende Hautcremes, Sonnenbrille).

Sonstige Wirkung

Natürliche und künstliche Ultraviolettstrahlung führt auch zum Zerfall von Kunststoffen (Lacke, Plaste) und organischen Farbstoffen (Bleichen).

Biologische und chemische Anwendungen ionisierender Strahlung

In der Biologie wird hauptsächlich die Mutationen fördernde und sterilisierende Wirkung genutzt. In der Pflanzenzüchtung werden zum Beispiel durch „strahlungsinduzierte Mutationen“ Mutanten erzeugt, durch die veränderte Arten hervorgebracht werden können. Ein Einsatzfeld ist die „Sterile-Insekten-Technik“, kurz SIT. Dabei werden männliche Schadinsekten sterilisiert und dann im Zielgebiet freigelassen. Das Ausbleiben von Nachkommen führt zur Verringerung der Population. Vorteil hierbei ist, dass keine schädlichen Chemikalien eingesetzt werden und andere Insekten unbetroffen bleiben.

Ein dunkles Kapitel deutscher Geschichte ist die Zwangssterilisation von Menschen mittels Röntgenstrahlung.

Weiterhin eignet sich ionisierende Strahlung auch zur Sterilisation von Geräten, Implantaten, Lebensmitteln und Trinkwasser (Sterilisation und Abbau organischer Stoffe durch Ultraviolett). Hierbei werden Mikroorganismen abgetötet. Für die Strahlensterilisation von Lebensmitteln gelten jedoch strenge Auflagen. Das Wachstum eines Keimlings kann durch schwache Strahlung verbessert werden, wohingegen zu starke Strahlung wachstumshemmend wirkt.

Bei der Herstellung von Polymeren ist durch Bestrahlung die Vernetzung ohne Wärmeentwicklung möglich. Mit weit eindringender Strahlung können auch große Komponenten vernetzt werden. Es wird u.a. Betastrahlung (strahlenvernetzte Isolierstoffe) und Ultraviolettstrahlung (Aushärtung von Kunstharz-Lackschichten) eingesetzt. Manche Polymerreaktionen können bei Zusatz von Aktivatoren auch durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert werden.

Interessant ist auch die Farbänderung von Edelsteinen, Gläsern und pigmentierten Kunststoffen durch Radioaktivität.

Die Fotolithografie (u. a. in der Mikroelektronik- und Leiterplattenfertigung) nutzt Vernetzungsreaktionen (Positivlack) oder Zersetzungsreaktionen (Negativlack), die durch Ultraviolett-, Röntgen-, Ionen- oder Betastrahlung hervorgerufen werden.

Zur chlorfreien Bleiche von Zellulose kann auch Ultraviolettstrahlung genutzt werden; früher nutzte man zum Bleichen weißer Textilien das Licht der Sonne. In beiden Fällen werden färbende (Schmutz-)Bestandteile der Stoffe chemisch aufgespalten und so in flüchtige bzw. auswaschbare Substanzen überführt.

Strahlenschutz

Hauptartikel: Strahlenschutz

Der Mensch kann ionisierende Strahlung, ob aus radioaktiven oder anderen Quellen, nicht direkt wahrnehmen. Für einen wirksamen Strahlenschutz beim Umgang mit radioaktiven Materialien ist daher besondere Sorgfalt und ggf. der Einsatz von Messeinrichtungen (Dosimetern) erforderlich.

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