Größen zur Beschreibung radioaktiver Strahlung

Radioaktivität lässt sich nicht mit unseren Sinnenorganen erfassen. Sie kann nur mithilfe spezieller Messgeräte nachgewiesen werden. Ihre Intensität und ihre Wirkung auf Körper kann durch physikalische Größen beschreiben werden. Solche Größen zur Kennzeichnung radioaktiver Strahlung und ihrer Wirkungen beziehen sich teilweise auf die Strahlungsquellen und teilweise auf die Körper, die radioaktiver Strahlung ausgesetzt sind. Die wichtigsten Größen sind die Aktivität, die Äquivalentdosis, die Energiedosis, die Energiedosisleistung und die Ionendosis.

Die Aktivität

Die Aktivität kennzeichnet die Intensität einer Strahlungsquelle bzw. eines gegebenen radioaktiven Stoffes bestimmter Masse und kann folgendermaßen definiert werden:
Die Aktivität eines Körpers oder einer Strahlungsquelle gibt an, wie viele Atomkerne in einer bestimmten Zeit zerfallen und dabei radioaktive Strahlung abgeben.

Benannt ist die Einheit der Aktivität nach dem Entdecker der natürlichen Radioaktivität, dem französischen Physiker HENRI BECQUEREL (1852-1908). Ein Körper hat eine Aktivität von einem Becquerel, wenn ein Kernzerfall je Sekunde auftritt. Es gilt also:

$1\text{Bq}=\frac{\text{1}}{\text{s}}$

Die Einheit 1 Bq ist eine sehr kleine Einheit. Im Unterricht benutzte Strahlungsquellen haben Aktivitäten von etwa 5 000 Bq bis 400 000 Bq. Das in der Natur vorkommende Element mit der größten Aktivität ist das Radium. 1 g Radium hat eine Aktivität von etwa 37 Mrd. Becquerel,
d. h. in jeder Sekunde zerfallen 37 Mrd. Atomkerne. Diese Aktivität von 1 g Radium wurde bis 1985 als Einheit für die Aktivität genutzt und 1 Curie (1 Ci) genannt:

$1\text{Ci}=\mathrm{3,7}\cdot {10}^{10}\text{Bq}$

Die Aktivität von Körpern oder Strahlungsquellen kann mithilfe von Geiger-Müller-Zählrohren gemessen werden. Sie kann berechnet werden mit den Gleichungen:
$\begin{array}{l}A=\frac{\Delta N}{\Delta t}\text{oder}A=A_0\cdot e^{-\lambda \cdot t}\\ \Delta N\text{Anzahl der zerfallenen Atomkerne}\\ \Delta t\text{Zeitspanne}\\ A_0\text{anfängliche Aktivität (bei}t=0)\\ \lambda \text{Zerfallskonstante}\\ t\text{Zeit}\end{array}$
In Bild 2 sind die Aktivitäten einiger anderer Stoffe angegeben. Dabei ist zu beachten, dass die Aktivität von der Stoffmenge abhängig ist.

Die Äquivalentdosis

Radioaktive Strahlung kann verschiedene biologische Wirkungen haben, insbesondere Zellen beeinflussen. Dabei hängt die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung auf einen Körper davon ab,

Die biologischen Wirkungen radioaktiver Strahlung werden durch die physikalische Größe Äquivalentdosis erfasst.

Die Äquivalentdosis kennzeichnet die von einem Körper aufgenommene Energiedosis unter Berücksichtigung biologischer Wirkungen.

Benannt ist die Einheit der Äquivalentdosis nach dem schwedischen Strahlenforscher ROLF SIEVERT (1898-1966). Früher wurde als Einheit das Rem (1 rem) verwendet (rem = röntgen equivalent man). Es gilt:

Die Äquivalentdosis kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:
$\begin{array}{l}{D}_{\text{q}}=D\cdot q\\ D\text{Energiedosis (von einem Körper aufgenommene}\\ \text{Strahlungsenergie je Masseeinheit)}\\ q\text{Qualitätsfaktor (Bewertungsfaktor)}\end{array}$
Der Qualitätsfaktor, auch Bewertungsfaktor genannt, ist ein aus Experimenten gewonnener Erfahrungswert und hängt von der Art der Strahlung ab. In der nachfolgenden Übersicht ist der Qualitätsfaktor für verschiedene Arten von Strahlung angegeben.

Nach gegenwärtigen Erkenntnisse treten bei Menschen bereits bei kurzzeitiger Strahlenbelastung ab 250 mSv Schäden auf. Eine Bestrahlung mit 5.000 mSv ist tödlich. Für Menschen, die beruflich Strahlung ausgesetzt sind (z.B. in der Medizin, in der Forschung, in Kernkraftwerken), gilt zur Zeit ein Grenzwert von 50 mSv pro Jahr. Die Strahlenbelastung solcher Personen wird ständig kontrolliert. Die durchschnittliche Strahlenbelastung von Personen, die nicht beruflich mit Strahlung zu tun haben, liegt in Deutschland bei etwa 4 mSv im Jahr.

Die effektive Äquivalentdosis

Bei Bestrahlung des Menschen, die von außen oder auch von innen durch aufgenommene radioaktive Stoffe erfolgen kann, werden Organe und Gewebe unterschiedlich belastet, da ihre Strahlenempfindlichkeit unterschiedlich ist. Man hat deshalb für die Berechnung des tatsächlichen Strahlenrisikos für Organe und Gewebe Wichtungsfaktoren festgelegt und kann mit ihrer Hilfe die effektive Äquivalentdosis für ein Organ oder ein bestimmtes Gewebe berechnen. Sie ist das Produkt aus der Äquivalentdosis und dem entsprechenden Wichtungsfaktor (Bild 5).
Beispiel: Durch Aufnahme von Iod-131 mit der Nahrung ist die Schilddrüse einer Person mit einer Äquivalentdosis von 100 mSv belastet worden. Dann erhält man als effektive Äquivalentdosis:

$D_{\text{q}\text{, effektiv}}=100\text{mSv}\cdot \mathrm{0,03}=3\text{mSv}$

Das ist so zu interpretieren: Würde man den ganzen Körper mit 3 mSv bestrahlen, so ergäbe sich das gleiche Schadensrisiko.

Die Energiedosis

Eine physikalische Größe zur Beschreibung der Energie, die ein Körper bei Bestrahlung aufnimmt, ist die physikalische Größe Energiedosis.

Die Energiedosis gibt an, wie viel Energie ein Kilogramm eines Stoffes durch Strahlung aufnimmt.

Benannt ist die Einheit nach dem englischen Radiologen und Physiker LOUIS HAROLD GRAY (1905-1965). Früher wurde auch die Einheit Rad (Abkürzung: 1 rd) verwendet (Rad = radiation absorbed dose). Für die Umrechnung gilt:

Ein Körper erhält die Energiedosis 1 Gy, wenn er durch Strahlung eine Energie von 1 Joule je Kilogramm aufnimmt. Beim Menschen führt eine kurzzeitige Ganzkörperbestrahlung mit einer Energiedosis von über 4 Gy zum Tode. Die gleiche Energiedosis über einen langen Zeitraum hinweg bewirkt in der Regel zu keinen erkennbaren Veränderungen.
Bei der Strahlentherapie wird mit einer relativ hohen Energiedosis von 40-70 Gy gearbeitet, die in einzelnen Dosen über einen längeren Zeitraum hinweg verabreicht wird. Dabei ist allerdings zu beachten, dass der bestrahlte Bereich nur der des Tumors ist, die Strahlung also auf einen kleinen und sorgfältig ausgewählten Bereich konzentriert wird.

Die Energiedosis, die ein Körper aufnimmt, hängt von der aufgenommenen Strahlungsenergie und von der Masse des Körpers ab. Es gilt:

$\begin{array}{l}D=\frac{E}{m}\\ E\text{von einem Körper aufgenommene}\\ \text{Strahlungsenergie}\\ m\text{Masse des betreffenden Körpers}\end{array}$

Die Energiedosis besagt noch nichts über die Wirkungen, die radioaktive Strahlung in einem Körper anrichtet. Die biologischen Wirkungen werden mit der Größe Äquivalentdosis (siehe oben) erfasst.

Die Energiedosisleistung

Die Energiedosisleistung, auch Energiedosisrate genannt, gibt die Energiedosis je Zeit an und ist folgendermaßen festgelegt:
$\begin{array}{l}\stackrel{•}{D}=\frac{D}{t}=\frac{E}{m\cdot t}\\ D\text{Energiedosis}\\ t\text{Zeit}\\ E\text{von einem Körper aufgenommene Strahlungsenergie}\\ m\text{Masse des betreffenden Körpers}\end{array}$

Die Ionendosis

In manchen Fällen ist wesentlich, in welchem Umfang Stoffe durch radioaktive Strahlung ionisiert werden und damit Ladungen entstehen. Das wird durch die Ionendosis erfasst, die folgendermaßen definiert ist:
$\begin{array}{l}J=\frac{Q}{m}\\ Q\text{Ladung}\text{, die durch Strahlung entsteht}\\ m\text{Masse des Körpers}\text{, der Strahlung ausgesetzt ist}\end{array}$