Größen, Beschreibung und Eigenschaften der radioaktiven Srahlung

Radioaktive Strahlung wird bei kernchemischen Reaktionen wie dem Spontanzerfall, der Kernspaltung oder der Kernfusion frei. Dabei ist zwischen Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung zu differenzieren, die sich in ihren Eigenschaften, Wirkungen, und ihren Anwendungen unterscheiden.

Energie radioaktiver Strahlung

Radioaktive Strahlung besitzt Energie, wobei diese Energie von den jeweiligen Bedingungen abhängig ist. Es gibt deshalb zwei unterschiedliche Möglichkeiten, die Energie anzugeben:

1. Für eine bestimmte Kernumwandlung lässt sich die Energie der dabei auftretenden radioaktiven Strahlung messen und ein bestimmter Wert angeben.
2. Die radioaktive Strahlung eines Nuklids weist eine oder mehrere diskrete Emissionslinien auf, aus denen sich die Energiezustände des Atomkerns ermitteln lassen.

Nachfolgend sind für die einzelnen Strahlungsarten die Energiebereiche angegeben, innerhalb derer die Energie der radioaktiven Strahlung in den meisten Fällen liegt:

$\begin{array}{l}\alpha -\text{Strahlung 8}\cdot {\text{10}}^{\text{-13}}\text{J}-13\cdot {10}^{-13}\text{J}\\ \text{(5 MeV - 8 MeV)}\\ \\ \beta -{\text{Strahlung 10}}^{\text{-13}}\text{J}-5\cdot {10}^{-13}\text{J}\\ \text{(0}\text{,6 MeV - 3 MeV)}\\ \\ \gamma -\text{Strahlung 0}\text{,5}\cdot {\text{10}}^{\text{-13}}\text{J}-4\cdot {10}^{-13}\text{J}\\ \text{(0}\text{,2 MeV - 2}\text{,5 MeV)}\\ \end{array}$

Im Vergleich zu UV-Strahlung, die einen Sonnenbrand auslösen kann, ist γ-Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,1 bis 10 pm um den Faktor 10⁴ bis 10⁵ energiereicher. Die Energie von UV-B-Strahlung (ca. 300 nm) beträgt etwa 4 eV. Die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen besitzen eine kontinuierliche Energieverteilung. Ihre mittlere Energie beträgt etwa $\mathrm{2,4}\cdot {10}^{-13}\text{J}=\mathrm{1,5}\text{MeV}$.

Infolge der Energie, die radioaktive Strahlung besitzt, können Gase ionisiert, Filme geschwärzt oder Zellen verändert werden.
Das Ionisationsvermögen ist bei der Alphastrahlung am größten, bei der Gammastrahlung am kleinsten. Das Verhältnis beträgt zwischen den drei Arten von Strahlung:

$\begin{array}{l}\alpha -\text{Strahlung :}\beta -\text{Strahlung :}\gamma -\text{Strahlung}\\ \text{10 000 : 100 : 1}\end{array}$

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 Stoffs 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 keine 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.

Ausbreitung radioaktiver Strahlung

Die Ausbreitung radioaktiver Strahlung erfolgt von einer Strahlungsquelle aus geradlinig. Eine Ablenkung von Alpha- und Betastrahlung kann durch elektrische oder magnetische Felder erfolgen.

Im elektrischen (Bild 2) und im magnetischen Feld werden Alphastrahlung (doppelt positiv geladene Heliumkerne) und Betastrahlung (Elektronen oder Positronen) abgelenkt. Die Richtung der Ablenkung ergibt sich aus der Richtung des Feldes und aus der Ladung der Teilchen. Gammastrahlung als elektromagnetische Welle wird durch elektrische und magnetische Felder nicht abgelenkt.

Durchdringungsvermögen und Absorptionsvermögen radioaktiver Strahlung
Trifft radioaktive Strahlung auf Stoffe, so wird sie z. T. hindurchgelassen und z. T. absorbiert (aufgenommen). Wie viel Strahlung durch einen Stoff hindurchgeht bzw. von ihm absorbiert wird, hängt ab von

• der Art der Strahlung,
• der Intensität (Energie) der Strahlung,
• der Art des durchstrahlten Stoffs,
• der Dicke des durchstrahlten Stoffs.

Das Durchdringungsvermögen ist für Alphastrahlung am kleinsten und für Gammastrahlung am größten. Das Verhältnis beträgt zwischen den drei Arten von Strahlung:

$\begin{array}{l}\alpha -Strahlung\text{:}\beta -Strahlung\text{:}\gamma -Strahlung\\ \text{1 : 100 : 10 000}\end{array}$

Umgekehrt ist das Absorptionsvermögen für Alphastrahlung am größten und für Gammastrahlung am kleinsten. In Luft beträgt die Reichweite von Alphastrahlung 4 cm - 6 cm, die von Betastrahlung mehrere Meter.
Besonders geeignet zur Abschirmung radioaktiver Strahlung ist Blei.

Beim Umgang mit radioaktiven Substanzen soll man Körperschutzmittel (Brille, bleihaltige Gummihandschuhe und Gummischürze zum Schutz der Keimzellen anlegen. Die α-Strahlung kann diese Schutzmittel nicht durchdringen, β-Strahlung und γ-Strahlung werden dadurch stark geschwächt.

Radionuklide dürfen wegen möglicher Strahlenbelastungen nur in speziellen Behältern transportiert werden. Diese sind so aufgebaut, dass ein Großteil der Strahlung absorbiert wird.

Bei Kernreaktoren existieren mehrere Schutzbarrieren, die ein Austreten von radioaktiver Strahlung und auch von radioaktiven Stoffen unter allen Umständen verhindern sollen:

• Metallische Hüllrohre um den Kernbrennstoff,
• stählerner Reaktordruckbehälter mit Wandstärken bis zu 25 cm,
• Betonabschirmung mit ca. 2 m dicken Wänden,
• kugelförmiger Sicherheitsbehälter aus etwa 3 cm dicken Stahlplatten,
• bis zu 2 m dicke Stahlbetonhülle.

Aufgrund der hohen Energie der radioaktiven Strahlung sind alle drei Arten in der Lage, chemische Bindungen zu spalten. Dabei entstehen energiereiche, reaktive Teilchen (Radikale oder Ionen), die wiederum mit anderen Teilchen reagieren und dabei lawinenartige Kettenreaktionen auslösen.

In biologischen Organismen werden infolge dieser Kettenreaktionen Moleküle von Eiweißen oder Nucleinsäuren zerstört, sodass die Erbinformation nicht mehr korrekt weiter gegeben wird oder andere biologische Schäden (Zellschäden, Blutkrankheiten, Krebs) hervorgerufen werden.