Strahlenphysik

Alpha-Strahlung
Beta-Strahlung
Gamma-Strahlung
Röntgen-Strahlung
Neutronen-Strahlung
Direkte und indirekte Ionisation
Linear Energy Tranfer (LET)
Dosisbegriffe und Maßeinheiten
Halbwertszeiten (HWZ)
Strahlenexposition

Alpha-Strahlung

Unter der Alpha-Strahlung versteht man das Aussenden von beschleunigten Heliumkernen aus dem Atomkern beim Zerfall eines Radionuklids.

Ein Radium-226 Atom, welches instabil ist, besitzt 88 Protonen und 238 Neutronen. Bei dem folgenden Alpha-Zerfall wird ein Alpha-Teilchen, bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen, aus dem Atomkern geschleudert. Aus Radium entsteht als neues Element Radon.

Das neu entstandene Radon gibt 2 Hüllenelektronen an die Umgebung ab. Das Alpha-Teilchen wird durch Wechselwirkungsprozesse mit der umgebenden Materie abgebremst bis es schließlich zwei Elektronen aus der Umgebung aufnehmen kann, dabei entsteht Helium.

Animation:

Beta-Strahlung

Beim Beta-Zerfall werden Elektronen aus dem Kern eines Radionuklids ausgesandt. Man unterscheidet zwischen zwei Arten des Beta-Zerfalls :

Betaminuszerfall (Negatronenzerfall):
dabei wird Elektronenstrahlung ausgesendet. Diese Elektronen entstehen durch Zerfall eines Kern-Neutrons in ein Proton und ein Elektron.

Reaktionsgleichung des Zerfalls eines Kernneutrons :

Beispielreaktion eines Betaminus-Zerfalls :

Animation:

Betapluszerfall (Positronenzerfall):
dabei wird Positronenstrahlung ausgesendet. Diese Positronen entstehen durch Zerfall eines Kern-Protons in ein Neutron und ein Positron.

Reaktionsgleichung des Zerfalls eines Kern-Protons :

Beispielreaktion eines Betaplus-Zerfalls :

Animation:

Gamma-Strahlung

Beim Gamma-Zerfall sendet ein energiereicher (angeregter) Atomkern eine elektromagnetische Wellenstrahlung (Gamma-Quant) im keV- bis MeV-Bereich aus. Der Zustand diese Atomkerns wird auch metastabiler Zustand genannt und mit m bezeichnet (zB. Tc99m). Beim Gamma-Zerfall wechselt das Atom von einem höherenergetischen zu einem niederenergetischen Niveau.

Gammastrahlung entsteht auch bei fast allen Kernumwandlungen begleitend zu anderen Zerfallsarten.

Animation:

Röntgen-Strahlung

Die physikalische Natur der Röntgenstrahlung ist identisch mit der der Gamma-Strahlung. Nur durch ihre Entstehungsart unterscheiden sich diese Photonenstrahlungen. Röntgenstrahlen werden mit Hilfe von Röntgenröhren erzeugt. Dabei stehen sich in einer luftleeren Glasröhre eine Anode und eine Katode gegenüber. Aus der glühenden Kathode treten Elektronen aus, die durch eine hohe Spannung zwischen Kathode und Anode beschleunigt werden. Treffen diese z.B. auf eine Wolframanode, kann dabei Röntgenstrahlung entstehen.

Neutronen-Strahlung

Neutronenstrahlung besteht aus elektrisch neutralen Teilchen (Neutronen), zum Beispiel wenn eine spontane oder künstliche Kernspaltung auftritt, wie auch begleitend bei Kernreaktionen, die beispielsweise in den oberen Schichten der Atmosphäre durch eine Kollision kosmischer Primärteilchen mit den Luftmolekülen ausgelöst werden können.

Animation:

Direkte und indirekte Ionisation

Direkte Ionisation

Direkte Ionisation entsteht durch Einstrahlung von von geladenen, beschleunigten Teilchen, beispielsweise Elektronen-, Protonen- oder Alphastrahlung

Indirekte Ionisation

Einstrahlung von ungeladenen Teilchen, zum Beispiel thermische oder schnelle Neutronenstrahlung. Diese Strahlung wird von Atomen eingefangen, oder erzeugt beim Zusammenprall mit den Atomkernen elastische Stöße, wodurch geladene Teilchen entstehen, die Energie übertragen. Zur indirekten Ionisation gehört aber auch die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen (Röntgen-,Gamma- oder Photonenstrahlen). Die sogenannte Quantenstrahlung wirkt über die drei im physikalischen Teil erwähnten Prozesse der Photoabsorption, der Comptonstreuung und der Paarbildung.

Beim Photoeffekt kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den Photonen (Gamma - Quanten) und den Elektronen der Atomhülle, derart, daß ein Elektron vollständig herausgeschlagen wird und gleichzeitig das Gamma - Quant verschwindet. Das freiwerdende Elektron wird Photoelektron genannt und erhält die Energie:

Elektron

Photon

Bindung

EElektron = Energie des Photoelektrons
EPhoton = Energie des ursprünglichen Photons
EBindung = Bindungsenergie des herausgeschlagenen Photoelektrons

Beim Photoeffekt werden bevorzugt stark gebundene Elektronen aus den kernnahen Schalen (z.B. K-Schale) entfernt. Der Photoeffekt tritt vorzugsweise bei kleinen Quantenenergien EPhoton und großen Kernladungszahlen Z des Absorbermaterials auf. Der ergibt sich aus:

Gamma Photo = Wirkungsquerschnitt EPhoton = Photonenenergie Z= Kernladungszahl

Animation:

Beim Comptoneffekt kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den Energiequanten und den Elektronen der äußeren Atomhülle, derart, daß ein Elektron (Comptonelektron) abgetrennt wird, das Gamma-Quant aber mit verringerter Energie und veränderter Flugrichtung sich weiter bewegt.
VERBUNDEN MIT DEM COMPTONEFFEKT IST ALSO IMMER EINE STREUUNG DER PHOTONEN AUS DEM URSPRÜNGLICHEN STRAHLENBÜNDEL HERAUS.
Der Comptoneffekt tritt auf bei mittleren Quantenenergien. Das gestreute Gamma - Quant kann weitere Comptoneffekte hervorrufen bis seine Energie so niedrig geworden ist, daß es durch einen finalen Photoeffekt ganz aufgezehrt wird.

Animation:
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Beim Comptoneffekt überträgt das Photon dem Hüllenelektron die Energie:

EElektron = Energie des Comptonelektrons
EPhoton   = Energie des Gamma-Quants
mec²      = Ruhemasse des Elektrons
c           = Vakuumlichtgeschwindigkeit
Teta      = Streuwinkel des Photons
DIE ENERGIEÜBERTRAGUNG BEIM COMPTONEFFEKT IST WEGEN DER STREUWINKELABHÄNGIGKEIT STARK DURCH DIE GEOMETRIE BEEINFLUßBAR !
Für cos Teta = 1 wird keine Energie übertragen,
für cos Teta = 0 wird maximale Energie übertragen !
EPhoton << 2mec² Gamma-Compton ~ konstant
EPhoton >> 2mec² Gamma-Compton ~ 1 / EPhoton

Der Paarbildungseffekt: Bei höheren Quantenenergien überwiegt in der Materie der Paarbildungseffekt. Dabei wird das Quant im elektrischen Feld des Kerns vernichtet und in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt. Das Quant muß mindestens eine Energie von
2mec² = 2 . 0,511 = 1,022 MeV
aufweisen um diesen Effekt zu zeigen. Die über diesen Betrag hinausgehende Energie erscheint als kinetische Energie des Elektrons bzw. Positrons.
EElektron + EPositron = EPhoton – 2mec²
EElektron = Energie des Photoelektrons
EPositron = Energie des Photopositrons
EPhoton = Energie des ursprünglichen Photons
Sobald das Positron abgebremst ist, fängt es ein benachbartes Elektron ein und zerstrahlt. Dabei wird die bei der Entstehung verbrauchte Energie frei, indem 2 Gamma- Quanten mit je 511 keV abgestrahlt werden. Von Dichte und Geometrie des Absorbermaterials hängt es nun ab, ob keines, eines oder beide Quanten in Sekundärprozessen absorbiert werden. Entsprechend ist die insgesamt absorbierte Energie
Eprimär - 1,022 MeV oder
Eprimär - 0,511 MeV oder Eprimär.
Der Paarbildungseffekt spielt vorallem bei Elementen mit großer Ordnungszahl eine Rolle. Oberhalb von 10 MeV wird der Hauptteil der Energie durch Paarbildung absorbiert.

Animation:
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Linear Energy Transfer (LET)

Der Begriff LET bedeutet linear energy transfer ( lineares Energieübertragungsvermögen) stammt aus der Dosimetrie ionisierender Strahlen und beschreibt die Energieabgabe eines ionisierenden Teilchens an die durchstrahlte Materie. Das lineare Energieübertragungsvermögen ist gleich der Energie dE, die ein geladenes Teilchen auf einer Wegstrecke dl verliert. L= dE/dl. Die Masseinheit der LET ist keV/µm. Da diese Größe mit meßtechnischen Mitteln schwer zu erfassen ist, wird der Energieverlust dE entlang der Strecke dS des ionisierenden Teilchens erfaßt. Somit erhält man ein indirektes Maß für die Anzahl der erzeugten geladenen Teilchen. Am besten läßt sich die Wirkung der Energieleitung anhand von Molekülen in wäßriger Lösung erklären. Dieses Beispiel ist auch daher wichtig, da biologisches Gewebe, ob pflanzlich oder tierisch, zu einem hohen Anteil aus Wasser besteht. In der wässrigen Lösung wird dieser Vorgang über die Radiolyse des Wassers bewirkt.

Die Ionisationsbremsung geladener Teilchen (auch Sekundärteilchen) ist auf Anregung und Ionisation umgebender Materie zurückzuführen. Die Ionisationswirkung hängt nicht nur von der Größe der herrschenden Kräfte ab, sondern auch von der Zeitdauer der Einwirkung, Aus diesem Grunde können langsame geladene Teilchen stärker ionisieren als schnelle Teilchen. Ein Maß für die Strahlenwirkung ist die Energie, die pro Weglänge in Materie übertragen wird. Der spezifische (mittlere) Energieverlust E entlang einer Wegstrecke x läßt sich in drei Anteile aufspalten:

I Energieabnahme E pro Weg x durch Ionisation
K Energieabnahme E pro Weg x durch Zusammenstöße mit Atomkernen
S Energieabnahme E pro Weg x durch elektromagnetische Strahlung

Von praktischer Bedeutung, weil am wahrscheinlichsten, ist nur der erste Term. Er hängt sowohl von den Eigenschaften der geladenen Teilchen (Ladung, Geschwindigkeit, Energie) als auch von denen des abbremsenden Stoffes (Dichte, Ionisierungsenergie) ab. Andere Bezeichnungen für den spezifischen Energieverlust pro Weg sind das (Ab)Bremsvermögen, die lineare Energieübertragung, bzw. linear energy transfer , LET. Der Zusammenhang zwischen spezifischem Energieverlust und spezifischer Ionisation ist gegeben durch

Ip = Zahl der Ionenpaare
W = Ionisierungsenergie

Der Energieübertrag bei Alphastrahlung (Animation) pro Wegstrecke ist besonders hoch, daher die kurze Reichweite dieser Strahlung. Der Energieübertrag bei Gammastrahlung (Animation) pro Wegstrecke ist geringer, daher die große Reichweite dieser Strahlung. Eine komplexe Animation zur Einwirkung von Gammastrahlung auf einen Zellverband kann hier betrachtet werden (Achtung: 760 kB - lange Ladezeit). Der Energieübertrag bei Neutronenstrahlung (Animation) pro Wegstrecke ist stark von der Energie dieser Srahlung abhängig.

Dosisbegriffe und Maßeinheiten

Die Dosis ist ein Maß für eine näher anzugebende Wirkung von Strahlung. Man unterscheidet im Einzelnen folgende Dosisbegriffe :

Die Energiedosis gibt die gesamte (von unbestrahlter Materie) absorbierte Strahlungsenergie an. Die Einheit ist Joule (übertragener Energie) pro Kilogramm (absorbierender Masse). Sie wird in der Einheit Gray angegeben :

1 J/kg = 1 Gray (Gy)

Die Äquivalentdosis ist bedeutsam für den Strahlenschutz und berücksichtigt unterschiedliche biologische Wirkungsmöglichkeiten verschiedener Strahlungsarten. Sie setzt sich aus der Energiedosis und einem Qualitätsfaktor, der die Strahlenarten berücksichtigt, multiplikativ zusammen. Die Äquivalentdosis wird in der Einheit Sievert angegeben :

1 J/kg = 1 Sievert (Sv)

Übersicht über die heute verwendete Größen und Einheiten,sowie die Beziehung zu früher verwendeten Einheiten:

Physikalische Größe SI-Einheit alte Einheit Beziehung

Aktivität Becquerel (Bq)
1 Bq = 1/s Curie (Ci) 1 Ci = 3,7 x 10¹⁰Bq
1 Bq = 2,7 x 10^-11 Ci

Energiedosis Gray (Gy)
1 Gy = 1 J/kg Rad (rd) 1 rd = 0,01 Gy
1 Gy = 100 rd

Äquivalentdosis Sievert (Sv)
1 Sv = 1J/kg Rem (rem) 1 rem = 0,01 Sv
1 Sv = 100 rem

Ionendosis Coulomb durch
Kilogramm
(C/kg) Röntgen (R) 1 R = 2,58 x 10⁴ C/kg
1 C/kg = 3876 R

Halbwertszeiten (HWZ)

Physikalische Halbwertszeit
Biologische Halbwertszeit
Effektive Halbwertszeit

Physikalische Halbwertszeit

Der Zerfall eines radioaktiven Atom läßt sich nicht vorhersagen Es kann in der nächsten Sekunde oder auch erst in Tausenden von Jahren zerfallen. Bei einer großen Anzahl von Atomen kann eine Wahrscheinlichkeitsaussage über den zeitlichen Ablauf des Zerfalls getroffen werden. Es wird unterschieden zwischen der biologischen, physikalischen und effektiven Halbwertzeit. Es zerfällt z.B. von einer Menge Wasserstoff-3 (Tritium) in ca. 12,3 Jahren die Hälfte der Atome, nach weiteren 12,3 Jahren ist von dem verbliebenen Rest wiederum die Hälfte zerfallen usw. Die physikalische Halbswertzeit ist für jedes Radionuklid eine charakteristische Größe. In der folgenden Tabelle sind Halbwertszeiten für einige Elemente angegeben.

Element	HWZ	Zerfallsart
Uran-238	4,468 · 10⁹ a	alpha
Kalium-40	1,28 · 10⁹ a	beta, K
Plutonium-239	2,411 · 10⁴	alpha
Cäsium-137	30,17 a	beta -
Iod-131	8,02 d	beta -
Thorium-231	25,5 h	beta -
Radon-220	55,6 s	alpha

Biologische Halbwertzeit

Radioaktive Stoffe können auf verschiedene Wegen in den menschlichen Körper gelangen. Die Aufnahme der Radionuklide geschieht über folgende Mechanismen:

in die Luftwege und Lungenräume (Inhalation)
in den Verdauungskanal (Ingestion)
durch die intakte Haut (perkutane Resorption)
durch Wunden oder über andere natürliche oder künstliche Körperöffnungen

Für jedes Radionuklid gibt es eine Hauptablagerungsstätte im menschlichen Körper, an der ein großer Prozentsatz des resorbierten Materials gespeichert wird.

Radionuklid	Speicherorgan
H-3	Körpergewebe/Körperwasser
C-14	Fett
K-40	Muskulatur/Körper
Sr-90	Knochen
I-131	Schilddrüse
Cs-137	Muskulatur/Körper

Die vom Körper resorbierten und in bestimmten Organen gespeicherten Radionuklide werden im wesentlichen mit dem Kot oder mit dem Urin ausgeschieden. Die Ausscheidung der radioaktiven und stabilen Nuklide geschieht etwa in gleichen Zeitabschnitten. Aufgrund dieser Erfahrungswerte kann eine biologische Halbwertszeit definiert werden. Die biologische Halbwertszeit gibt an, nach welcher Zeit die Hälfte eines vom Körper absorbierten radioaktiven oder stabilen Nuklids ausgeschieden wird. In der folgenden Tabelle habe sind einige biologische Halbwertszeiten angegeben.

Radionuklid Biologische Halbwertzeit

H-3 12 d

Sr-90 49 a

K-40 58 d

Cs-137 70

Ra-226 44.9 a

Th-232 20 d

I-131 24,8 a (Ganzkörper)/200 a(Knochen)

Effektive Halbwertszeit

Die effektive Halbwertszeit setzt sich aus der physikalischen Halbwertszeit und der biologischen Halbwertszeit zusammen. Sie gibt an, in welchem Maße die Aktivität eines Radionuklids durch radioaktiven Zerfall und biologische Ausscheidungsvorgänge im Körper abnimmt. Die effektive Halbwertszeit ist von zentraler Bedeutung für die Strahleneinwirkung der in den Organismus aufgenommenen Radionuklide. Sie wird nach der folgender Formel berechnet:

Strahlenexposition

Mittlere natürliche Strahlenexposition

Quelle: Klinische Strahlenbiologie, VEB Gustav Fischer Verlag Jena 1990

Mittlere zivilisatorische Strahlenexposition

Quelle: Klinische Strahlenbiologie, VEB Gustav Fischer Verlag Jena 1990