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Ionisierende Strahlung

Abstract

Ionisierende Strahlung ist energiereiche Strahlung, zu der neben den Strahlungsarten der klassischen Radioaktivität (α-, β- und γ-Strahlung) auch die Röntgenstrahlung gehört. Hier wird beschrieben, woraus die unterschiedlichen Strahlungsarten bestehen und anhand welcher physikalischen Eigenschaften sie sich beschreiben lassen.

Für die Medizin von besonderer Bedeutung sind vor allem die Wechselwirkungen, die zwischen ionisierender Strahlung und Materie stattfinden. Hier interessieren die Abschwächung und Eindringtiefe der Strahlung im Gewebe sowie die Konsequenzen, die sich für lebende Materie ergeben – also welche Strahlendosis ungefährlich ist bzw. genau den therapeutischen Zweck erfüllt, den man anstrebt.

Grundbegriffe der Radioaktivität

Da die meisten Arten ionisierender Strahlung zu den sog. „radioaktiven Strahlungsarten“ gehören sollen hier einige grundlegende Eigenschaften der Radioaktivität eingeführt werden.

Teilchenstrahlung kann durch geeignete Schutzmaßnahmen vollständig abgeschirmt werden, elektromagnetische Strahlung kann nur abgeschwächt werden!

Die Begriffe radioaktive Strahlung und ionisierende Strahlung sind nicht synonym: Radioaktive Strahlung bezeichnet Strahlung, die aus dem Kern eines Atoms ausgesendet wird; ionisierende Strahlung umfasst alle Strahlungsarten, deren Energie groß genug ist, um Materie unabhängig von ihrer Herkunft zu ionisieren!

Strahlungsarten

Als ionisierende Strahlen werden alle Strahlungsarten bezeichnet, deren Energie hoch genug ist, um Elektronen aus einem Atom zu entfernen . Diese lassen sich wie folgt einteilen:

Alphastrahlung

  • Charakteristika: Teilchenstrahlung aus Alphateilchen, d.h. Heliumkernen, die jeweils aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen
    • Entstehung: Wird von radioaktiven Nukliden (= Alphastrahlern) ausgesendet (= Alphazerfall)
    • Reaktion: AZX → (A-4)(Z-2)E2- + 42He2+
  • Energie : Im Vergleich zur Beta- oder Gammastrahlung wird eine ca. 20-fach höhere schädliche Wirkung auf das Gewebe bewirkt
  • Effekt: Direkt ionisierend
  • Reichweite: Ca. 5 μm in Wasser (≈ Gewebe)
  • Schutzmaßnahmen: Blatt Papier ausreichend
  • Medizinische Anwendung (Beispiel): Nuklidtherapie bei Knochenmetastasen

Betastrahlung

  • Charakteristika: Teilchenstrahlung zweierlei Art
    • Beta-Plus-Strahlung+): Besteht aus Positronen
      • Entstehung: Ein Proton im Kern wandelt sich in ein Neutron, ein Positron (und ein Neutrino) um; das Positron (und das Neutrino) werden als Strahlung ausgesendet
      • Reaktion β+: AZX → A(Z-1)E + e++ Neutrino
    • Beta-Minus-Strahlung-): Besteht aus Elektronen
      • Entstehung: Ein Neutron wandelt sich in ein Proton, ein Elektron (und ein Antineutrino) um; das Elektron (und das Antineutrino) werden als Strahlung ausgesendet
      • Reaktion β-: AZX → A(Z+1)E + e-+ Antineutrino
  • Energie : Es wird nicht immer eine konstante Energie abgegeben. Beim β-Zerfall entsteht keine monochromatische Strahlung (d.h. mit Teilchen einer definierten Energie), sondern es wird vielmehr ein Energiespektrum erzeugt, das abhängig vom zerfallenden Element ist
  • Effekt: Direkt ionisierend
  • Reichweite: Ca. 5mm in Wasser (≈ Gewebe)
  • Schutzmaßnahmen: Z.B. einige mm dickes Aluminiumblech
  • Medizinische Anwendung (Beispiel): Vor allem zu therapeutischen Zwecken (z.B. 131Jod zur Radiojodtherapie)

Gammastrahlung

  • Charakteristika: Elektromagnetische Welle
    • Typische Entstehung: Durch den Übergang eines Atomkerns von einem angeregten Zustand in den Grundzustand, wird Energie in Form von Photonen freigesetzt. (Strahlung wird aus dem Atomkern emittiert.)
    • Reaktionen: [AZX]* →AZX + Photon
  • Energie: Elektromagnetische, ionisierende Strahlung mit höherer Energie als Röntgenstrahlung
  • Effekt: Indirekt ionisierend
  • Schutzmaßnahmen: Materialien mit hoher Ordnungszahl, z.B. Blei
  • Medizinische Anwendung (Beispiel): V.a. zu diagnostischen Zwecken (z.B. 123Jod oder 99mTc zur Szintigraphie)

Röntgenstrahlung

  • Charakteristika: Elektromagnetische Welle
    • Typische Entstehung: Ionisierende Strahlen, die durch das Auftreffen stark beschleunigter Elektronen auf eine metallische Anode erzeugt werden (Strahlung wird aus der Atomhülle emittiert)
      • Linienspektrum
      • Bremsstrahlspektrum
        • Elektronen aus der Röntgenkathode werden in der Nähe von (positiv geladenen) Atomkernen des Anodenmaterials abgelenkt und abgebremst. Dabei geben sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie als elektromagnetische Bremsstrahlung ab. Es entsteht ein kontinuierliches Spektrum mit vielen Energien und einem Maximum im niedrigen Energiebereich.
        • Es gilt: Je größer die Spannung der Anode, desto größer die maximale Energie der Röntgenphotonen sowie die Grenzfrequenz der Röntgenstrahlung und desto kleiner die Grenzwellenlänge der Röntgenstrahlung.
    • Reaktionen: [AZX]* →AZX + Photon
  • Energie : Je nach Anodenmaterial und der angelegten Anodenspannung wird entweder „weiche“ (< 100 keV) , oder „harte“ Strahlung (≥ 100 keV) erzeugt
  • Effekt: Indirekt ionisierend
  • Halbwertsdicke : Die Gewebe des Körpers schwächen aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichten auftreffende Röntgenstrahlen verschieden stark ab, sodass sie einen Röntgenfilm unterschiedlich belichten .
  • Schutzmaßnahmen: Materialien mit hoher Ordnungszahl, z.B. Blei
  • Medizinische Anwendung (Beispiel): Diagnostische Zwecke (z.B. CT = Computertomographie oder Röntgen)

Als radioaktive Strahlung bezeichnet man ionisierende Strahlung, die aus einem Atomkern ausgesendet wird; hierzu gehören α-, β- und γ-Strahlung!

Röntgendiagnostik
Röntgenstrahlen werden je nach Dichte des Gewebes absorbiert, wobei ihre Restintensität nach dem Durchstrahlen des Gewebes ausreicht, um einen Röntgenfilm zu belichten. Dies macht man sich diagnostisch zur Darstellung verschiedener Strukturen zu Nutze. Weiche Röntgenstrahlung (mit einer Energie unter 100 keV) wird vor allem zur Diagnostik von Geweben mit hoher Dichte wie bspw. Knochen, aber auch bei der Mammographie verwendet. Harte Röntgenstrahlung (mit einer Energie über 100 keV) wird bspw. zur Darstellung inhomogener Gewebe wie bei der konventionellen Röntgenthoraxaufnahme verwendet.

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Bei der PET handelt es sich um ein nicht-invasives Verfahren der Nuklearmedizin, das es ermöglicht, funktionelle Aussagen zu einem Krankheitsprozess zu treffen. Dem Patienten werden dazu stoffwechselrelevante Moleküle verabreicht, die zuvor mit β+-Strahlern, auch Positronenstrahlern genannt (z.B. 11C, 13N, 15O), markiert wurden. Diese senden Positronen aus, die sich kurz darauf mit einem Elektron des umliegenden Gewebes auslöschen und dabei zwei γ-Quanten (= hochenergetische Photonen) in entgegengesetzten Richtungen ausstrahlen. Diese γ-Quanten werden dann aufgezeichnet. Über ihre Position können Rückschlüsse auf die Verteilung der markierten Moleküle im Körper gezogen werden. Im Klinikalltag findet die PET vor allem Anwendung in der Kardiologie (Herz-PET), z.B. zur Beurteilung des Schweregrades einer koronaren Herzerkrankung, in der Onkologie (Onko-PET) zur Untersuchung von Tumoren (z.B. Schilddrüsenkarzinomen, Pankreaskarzinomen, Hirntumoren oder malignen Melanomen) und in der Neurologie (Neuro-PET), z.B. zur Differentialdiagnose von M. Parkinson oder der Früherkennung von Chorea Huntington oder primärer Demenz.

Eigenschaften von Strahlung

Möchte man Strahlung genauer charakterisieren, so muss man neben der Strahlungsart auch wissen, wie stark die Strahlung ist: Das lässt sich bspw. aus der Strahlungsaktivität ablesen, die Auskunft darüber gibt, wie schnell eine Strahlungsquelle zerfällt. Umgekehrt kann man mit der Kernanzahl auch angeben, wie viele radioaktive Kerne eine Strahlenquelle noch hat. Beide Größen zeigen einen exponentiellen Verlauf. Meistens verwendet man jedoch die Halbwertszeit, um Strahlung und die Strahlenquelle zu charakterisieren.

  • Strahlungsaktivität: Anzahl der Kerne, die in einer bestimmten Zeit zerfallen
    • Formel: A(t) = N(t) × λ = A0×e-λt
      • Einheit: Bq (Becquerel, 1 Bq = 1/s)
      • t = Betrachteter Zeitpunkt; A(t) = Aktivität am Betrachtungszeitpunkt, N(t) = Zahl der Kerne zum Zeitpunkt t, λ = Zerfallskonstante
  • Kernanzahl: Anzahl der Atomkerne einer Strahlungsquelle, die am radioaktiven Zerfall teilnehmen
    • Formel: N(t) = N0 ×e-λt
      • t = Zeitpunkt, zu dem betrachtet wird; N(t) = Anzahl der Kerne am Betrachtungszeitpunkt, N0 = Anzahl der Kerne bevor der Zerfall startet, λ = Zerfallskonstante
  • Halbwertszeit: Zeit, nach der die Hälfte aller ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kerne zerfallen ist
    • Formel: t1/n = ln(n) / λ => t1/2 = ln2 / λ
      • Einheit: s (Sekunde)
      • t1/2 = Halbwertszeit, λ = Zerfallskonstante
  • Mittlere Lebensdauer: Beschreibt die im Durchschnitt nötige Zeit, bis ein bestimmter radioaktiver Kern zerfallen ist
    • Formel: τ = 1 / λ
      • Einheit: s (Sekunde)
      • τ = mittlere Lebensdauer, λ = Zerfallskonstante

Die Strahlungsenergie von Elementarteilchen ist sehr klein, daher wird sie in der Regel in der Einheit keV angegeben: 1 eV = 1 V × Elementarladung = 1 × 1,6 × 10-19 VAs = 1,6 × 10-19 J.

Beispielrechnung Halbwertszeit

Ein radioaktives Element hat eine Zerfallskonstante von 0,0005/s. Wie groß ist die Halbwertszeit dieses Elements?

  • Gesucht: Halbwertszeit t½ (Zeit, nach der die Hälfte der vorhandenen Kerne zerfallen sind)
  • Gegeben: Zerfallskonstante λ
    • Die Halbwertszeit kann mit der Formel t½ = ln2 / λ berechnet werden:
    • ln2 entspricht einem Zahlenwert von ca. 0,7
    • → t½ = ln2 / 0,0005/st½ = 0,7 / 0,0005/s = 1386 s (= 23 min)
    • Die Halbwertszeit des Elements beträgt ca. 23 Minuten.
Beispielrechnung Strahlungsaktivität

Ein radioaktives Element besitzt eine Zerfallskonstante von 0,0078/s. Wieviele Atomkerne des Elements sind nach 30 Minuten noch vorhanden, wenn die Ausgangsmenge 1015 Kerne sind?

  • Gesucht: Die Kernzahl nach 30 Minuten (N30)
  • Gegeben: Die Kernzahl am Anfang N0, die Zeit des Zerfalls t, die Zerfallskonstante λ
    • Für den radioaktiven Zerfall gilt die Gleichung N(t) = N0 ×e-λt
    • Für den vorliegenden Fall gilt dann N(30) = 1015 × e-0,0078/s × 1800s <=> N(30) = 1015 × e-14 <=> N(30) = 1015 × 0,0000008 = 8 × 108
    • Nach 30 Minuten sind noch 8 × 108 Atomkerne vorhanden.

Wechselwirkung von ionisierender Strahlung und Materie

Wenn Strahlung mit Materie wechselwirkt, dann wird sie dadurch abgeschwächt. Die genaue Art der Wechselwirkung hängt vor allem davon ab, ob es sich um Teilchenstrahlung (wie bei der α- und der β-Strahlung) oder um elektromagnetische Wellen (wie bei der γ- und der Röntgen-Strahlung) handelt. Die nun folgenden Aussagen gelten vor allem für elektromagnetische Strahlung.

Je weiter der Weg der Strahlung durch die Materie ist, desto stärker ist die Schwächung. Außerdem ist die Schwächung der Strahlung abhängig von der Art der Materie und der Frequenz der Strahlung. Man beschreibt die Abnahme der Strahlung mittels des sogenannten Schwächungsgesetzes, gibt die Schwächung oft aber auch in Form der Halbwertsdicke an.

  • Schwächungsgesetz für Strahlung: Wenn Strahlung auf Materie trifft, dann gibt es Absorptions- und Streuungseffekte, die zu einer exponentiellen Schwächung der Strahlung führen.
    • Schwächung der Strahlungsintensität
      • Formel: I = I0 × e-μd
        • Einheit: W/sr (sr = „Sterad“, Maß für den Raumwinkel 1 sr = 1m2/m2)
        • I = Strahlungsintensität nach Wechselwirkung mit der Materie, I0 = Strahlungsintensität vor Wechselwirkung mit Materie, μ = Schwächungskoeffizient, d = Schichtdicke
        • Der Schwächungskoeffizient ist proportional zur Kernladungszahl der durchstrahlten Materie hoch vier (μ∼Z4), d.h. die Absorption steigt mit der Kernladung = Ordnungszahl eines Elements
    • Schwächung der Strahlungsenergie: Für die Energie radioaktiver Strahlung gilt das Abstandsquadratgesetz
      • Formel: E ∼ 1/r2
        • E = Strahlungsenergie, r = Abstand
  • Halbwertsdicke: Die Strecke, die Strahlung in einem Material zurücklegt, bis sich die Strahlungsintensität halbiert hat

Strahlung aus ungeladenen Teilchen (z.B. γ-Strahlung) wird weniger stark von Materie abgeschwächt als Strahlung aus geladenen Teilchen (α-Strahlung)!

Die Strahlungsenergie nimmt mit dem Abstand zum Quadrat zur Quelle ab. Steht man 2m von einem Röntgengerät entfernt statt nur 1m, dann beträgt die Strahlungsenergie nur noch ein Viertel!

Beispiel-Rechnung

Die Strahlung eines Lasers nimmt in Muskelgewebe mit einem exponentiellen Schwächungsgesetz ab. Der Absorptionskoeffizient des Gewebes beträgt 750/cm. Nach welcher Strecke durch das Gewebe ist noch ca. 1/10tel der ursprünglichen Intensität vorhanden?

  • Gesucht: Schichtdicke (Strahlungsstrecke durch das Gewebe) d
  • Gegeben: Absorptionskoeffizient der Strahlung μ,
    • Die Schwächung der Strahlung kann mit der Formel I =I0×e-μd berechnet werden
    • Es gilt dabei, dass I = 1/10 × I0 sein soll
    • => 1/10 = e-750 × d <=> ln(1/10) = -750 × d ⇔ d = ln(1/10) / -750 = 0,003cm = 0,03mm = 30μm
    • Die Strahlungsintensität sinkt auf 1/10, wenn sie 30μm durch das Gewebe zurückgelegt hat.

Strahlungsdosis

  • Dosis: Menge an Strahlung, die auf einen Gegenstand einwirkt
  • Dosimetrie: Methode zur Bestimmung der Dosis einer Strahlung
  • Energiedosis: Abgegebene Strahlungsenergie bezogen auf die Masse
    • Formel: D = E/m
      • Einheit: Gy (Gray) = J/kg
      • D = Energiedosis, E = absorbierte Energie, m = durchstrahlte Masse

Strahlenbelastung
Jeder Mensch ist einer natürlichen radioaktiven Strahlung ausgesetzt, die am Boden ca. 2 mSv pro Jahr beträgt. In der Medizin werden weit höhere Strahlendosen eingesetzt: Die Strahlenbelastung, die durch eine einzige Röntgenaufnahme bewirkt wird, entspricht mit ca. 0,1 mSv bereits der Strahlenbelastung einer achtstündigen Flugzeit in über 10.000 m Höhe, ein CT bedeutet sogar eine Strahlenbelastung von 6–8 mSv. Dosen über 250 mSv gelten als zellschädigend – diese schädigende Wirkung wird gezielt zur Bekämpfung von Krebszellen genutzt, in der Strahlentherapie mit Dosen von 20.000–80.000 mGy, in der Radioiodtherapie sogar mit Dosen von 100.000–400.000 mGy. (Damit man sich vorstellen kann, was dies bedeutet, sei ergänzt, dass pro Gy (= 1000 mGy) Strahlungsdosis ca. 5000 DNA-Schäden pro Zelle auftreten! Siehe auch DNA-Schädigung).

Da die Energiemengen einzelner strahlender Kerne so winzig sind, wird als Einheit hier oft "Elektronen-Volt" (eV) verwendet. Die Umrechnung in die „normale“ Energieeinheit Joule (J) erfolgt mit der folgenden Formel: 1 eV = 1 V × Elementarladung = 1 × 1,6 × 10-19 VAs = 1,6 × 10-19 J!

Beispielrechnung

Ein Mensch ist einer kontinuierlichen, schwachen radioaktiven Belastung durch γ-Strahlen ausgesetzt. Jedes Zerfallsereignis entspricht einer Strahlungsenergie von 10-12 J. Wie groß ist die von diesem Menschen aufgenommene Energiedosis in einem Monat (30 Tage), wenn der Mensch ca. 80 kg wiegt und pro Tag ca. 10.000 Zerfallsereignissen ausgesetzt ist?

  • Gesucht: Energiedosis D
  • Gegeben: Masse m, Zeit t, Zahl der Zerfallsereignisse, Strahlungsenergie (E)
    • Die Zahl aller radioaktiven Zerfälle, denen der Mensch ausgeliefert ist, beträgt 10.000 × 30 = 300.000
    • Pro Zerfall wird dabei eine Energie von 10-12 J frei; die gesamte Strahlungsenergie, der der Mensch ausgesetzt ist, beträgt daher 300.000 × 10-12 = 3 × 10-7J.
    • Die Energiedosis (D) berechnet sich nun nach der Formel D = E/m => D = 3 × 10-7J/80 kg = 0,00000000375 Gy ≈ 3,8 nGy
    • Die Energiedosis der radioaktiven Strahlung, der der Mensch pro Monat ausgesetzt ist, beträgt also ca. 3,8 nGy.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Ionisierende Strahlung

Strahlungsarten

Aus was besteht α-Strahlung und wie verändern sich die radioaktiven Nuklide durch die Strahlung?

Aus was besteht β-Strahlung und wie verändern sich die radioaktiven Nuklide durch die Strahlung?

Was ist γ-Strahlung und wie entsteht sie?

Beschreibe Röntgenstrahlung und ihre Entstehung bzw. Erzeugung!

Welche Art von Strahlung kommt bei der Szintigraphie zum Einsatz?

Welche Art von Strahlung kommt bei der Computertomographie (CT) zum Einsatz?

Welche Strahlenquellen werden bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verwendet?

Eigenschaften von Strahlung

Wie wird die Stärke einer Strahlung angegeben?

Was sind die Halbwertszeit und die mittlere Lebensdauer eines radioaktiven Kerns und wie hängen sie zusammen?

Was ist die Einheit Elektronenvolt (eV) und wozu wird sie verwendet?

Wechselwirkung von ionisierender Strahlung und Materie

Was passiert mit ionisierender Strahlung, wenn sie auf Materie trifft?

Was ist die Halbwertsdicke?

Welche Strahlungsarten werden besonders stark/weniger abgeschwächt?

Was versteht man unter dem Abstandsquadratgesetz?

Strahlungsdosis

Was versteht man unter Energiedosis und Äquivalenzdosis einer Strahlung? Wie werden sie berechnet und welche Einheiten werden dafür verwendet?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.

Was versteht man unter radioaktiver Strahlung?

Was weißt du über die verschiedenen Eindringtiefen der Strahlungsarten? Warum unterscheiden sie sich?

Ab wann wird Strahlenbelastung für den Menschen gefährlich?