Grundlagen der Strahlenphysik

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1 Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz Grundlagen der Strahlenphysik Dr.rer.nat. Jörg Harmsen Abt. für Strahlentherapie St.-Josef Hospital Bochum Klinikum der Ruhr-Universität

2 Was ist Strahlung...? Woher kommt Strahlung...?

3 Aufbau der Materie Kristall 10-2 m Atom m Atomkern m Elementare Bausteine Protonen Nukleonen Neutronen Elektronen Nukleon m

4 Atomaufbau Atomhülle: - Elektronen auf stationären Bahnen - negativ geladen - Durchmesser etwa m Atomkern: - trägt positive Ladung - Durchmesser etwa m Negative Ladung der Hülle (=Anzahl der Elektronen) ist genauso groß wie positive Ladung des Kerns. Atom ist nach außen elektrisch neutral! Größenvergleich zeigt: Atom ist im wesentlichen leer!

5 Atomkern Bestandteile: Nukleonen ( = Protonen und Neutronen) Protonen tragen positive elektrische Ladung Neutronen elektrisch ungeladen Kernladungszahl = Anzahl der Protonen = Anzahl der positiven Ladungen Abstoßung der Protonen wird durch starke Kernkraft verhindert. Massen: Nukleon ca kg Elektron ca kg Masse im Atomkern vereinigt 1 Nukleonenmasse = 1 atomare Masseneinheit Massenzahl des Kerns = Anzahl der Nukleonen In makroskopischer Menge Materie Größenordnung Atome (Avogadro-Zahl)

6 Atome und Nuklide Protonenzahl gibt an, um welches chemisches Element es sich handelt. Systematische Anordnung im Periodensystem der Elemente (PSE). Ordnungszahl = Anzahl der Elektronen = Anzahl der Protonen Nuklide Verschiedene Kombinationen von Protonen und Neutronen zu einem Atomkern Schreibweisen: M PX oder M X oder X-M X Chemisches Element P Protonenzahl M Massenzahl Bsp.: 60 Co = 60 Co = Co-60 = Kobalt Co 27

7 Kernumwandlung und Radioaktivität Stabile Nuklide nur für bestimmte Proton-Neutron-Konfiguration! Nur etwa 170 stabile Elemente! Andere: Übergang in stabiles Nuklid durch spontane Kernumwandlung unter Aussendung von Strahlung Radioaktiver Zerfall Radioaktivität ist ein Kerneffekt! D.h. alle ausgesandten Teilchen entstammen dem Atomkern! Die Elektronenhülle ist unbeteiligt. Atomkern Radioaktives Atom Ausgesandtes Teilchen

8 Aktivität Anzahl der Atomkerne, die sich in einer bestimmten Zeit umwandeln. 1 Bequerel = 1 Zerfall pro Sekunde 1 Bq = 1/s Radioaktivität ist ein statistischer Prozess! Keine Aussage über Zerfall eines einzelnen Kerns! Große Menge: Halbwertszeit T 1/2 A (t) = A 0 e? t Zeit, in der die Hälfte einer radioaktiven Substanz zerfallen ist ln2? = T 1/2 fi charakteristisch für Nuklid Bsp: Po-212: s, Th-232: a

9 Kernzerfälle Drei wichtige Arten von Kernzerfällen Alpha-Zerfall Beta-Zerfall Gamma-Zerfall

10 Alpha-Zerfall Gebundenes System aus 2 Protonen und 2 Neutronen 4 = Heliumkern ( He-Kern ) 2 = Alpha-Teilchen Massenzahl nimmt um 4 ab Ordnungszahl nimmt um 2 ab fi Bildung eines neuen Elementes! Beispiel: Am fi Np + He 2 Alpha-Strahlung Ausgesandte Alpha-Teilchen bilden die die Alpha-Strahlung

11 Beta-Minus Minus-Zerfall Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron (= b - -Teilchen) Teilchen). n fi p + e - + n e Anti-Neutrino Massenzahl unverändert, OZ steigt um 1 fi Bildung eines neuen Elementes! Beispiel: Sr fi Y + e - + ν e Beta-(Minus) (Minus)-Strahlung Ausgesandte Elektronen bilden die die Beta-(Minus)-Strahlung

12 Beta-Plus Plus-Zerfall Umwandlung eines Protons in ein Neutron und ein Positron (= b + -Teilchen) Teilchen). p fi n + e + + n e Neutrino Massenzahl unverändert, OZ nimmt um 1 ab. fi Bildung eines neuen Elementes! 22 Beispiel: Na fi Ne + e + + ν e Beta-Plus-Strahlung Ausgesandte Positronen bilden die die Beta-Plus-Strahlung

13 Gamma-Zerfall Energieabgabe in Form eines Photons (= Gamma-Quant). keine Umwandlung von Nukleonen; d.h. Massenzahl und Ordnungszahl ändern sich nicht. Beispiel: fi KEINE Elementumwandlung! Ausgesandte Photonen bilden die die Gamma-Strahlung

14 Was ist Strahlung? Man unterscheidet: Strahlung ist Energietransport! Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung) Energietransport über Bewegung der Teilchen Alpha-, Beta-Strahlung, Neutronen, Pionen, etc. Elektromagnetische Strahlung Energie wird ohne Teilchen transportiert Photonen-, Gammastrahlung... und weiter: ionisierende Strahlung nicht-ionisierende Strahlung

15 Elektromagnetische Strahlung Photonen: masselose Quasi-Teilchen elektrisch ungeladen Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit c = l f Energie E der Strahlung abhängig von Frequenz f bzw. Wellenlänge l : E = h f = h c l h = Planck-Konstante Charakter der Strahlung von Energie bestimmt:

16 Ionisierende Strahlung (Teilchen- oder em-)strahlung, die in der Lage ist, Veränderungen in der Elektronenhülle hervorzurufen. Ionisationsenergie Neutrales Atom Atom Energieübertrag auf auf Hüllenelektron Positives Positives Ion Ion Ionisationsenergie ist abhängig von der Bindungsenergie der Elektronen und damit von Position im Atom bzw. Molekül. fi charakteristische Größe

17 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Geladene Teilchen a Materie Energieabgabe entlang der gesamten Flugbahn fi Abbremsung fi Schwächung der Strahlung Maximale Reichweite a-strahlung: in Luft einige cm in Wasser einige 10 mm b g n Ionen Erste WW b-strahlung: in Luft einige Meter in Wasser einige mm bis cm

18 Strahlungserzeugung durch Beta-Teilchen Abbremsung eines energiereichen (schnellen) Elektrons im Atom fi Energieverlust fi Röntgenbremsstrahlung Abbremsung in beliebiger Stärke möglich fi kontinuierliches Spektrum

19 Strahlungserzeugung durch Beta-Teilchen Technische Anwendung: Die Röntgenröhre Glühemission von Elektronen aus der Kathode ( Filament ) Beschleunigung der Elektronen im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode Abbremsen im Anodenmaterial und Erzeugung von Röntgenstrahlen

20 Strahlungserzeugung durch Beta-Teilchen Annihilation eines Positrons mit einem Elektron fi Vernichtungsstrahlung Photon Elektron Positron Photon Entstehung zweier Photonen mit gleicher Energie und definierter Richtung. (z.b.: 2 x 511 kev, 180 Richtung)

21 Strahlungserzeugung durch Beta-Teilchen Anwendung: Nuklearmedizinische Diagnostik Positronen- E missions- Tomographie

22 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Elektromagnetische Strahlung Lange Wege ohne WW möglich Energieabgabe punktuell fi keine Abbremsung Keine maximale Reichweite a b Ionen Materie g Erste WW n

23 Wechselwirkung von Photonenstrahlung Keine Abbremsung von Photonenstrahlung durch Wechselwirkung...aber Schwächung durch: Photoeffekt Wechselwirkungen mit den Elektronen der Atome Comptoneffekt Paarbildung Wechselwirkung mit dem Feld des Atomkerns

24 Photoeffekt Photon überträgt gesamte Energie auf Elektron, nach WW ist Photon verschwunden, in Folge häufig charakteristische Röntgenstrahlung Tritt auf vor allem im niedrigen Energiebereich (bis ca. 100keV Röntgenbereich!)

25 Comptoneffekt Photon überträgt nur Teil seiner Energie, nach WW hat Photon weniger Energie, geänderte Flugrichtung, gleiche Geschwindigkeit Effekt ab etwa 30keV

26 Wechselwirkung von Photonenstrahlung Umwandlung des Photons in Elektron und Positron, nach WW ist Photon verschwunden, Mindestenergie 1.022MeV (= 2x Beta-Masse) Umgekehrter Prozess zur Paarvernichtung

27 Schwächung von Photonenstrahlung in Materie Photonenstrahlung hat unendliche Reichweite vollständige Abschirmung nicht möglich Schwächung exponentiell (Halbwertsdicke) Schwächungsgesetz Strahlungsintensität 0 1 Dicke der Abschirmung I (x) = I 0 e -m x x = durchstrahlten Länge m = Schwächungskoeffizient (Material-abhängig) Schwächung in Luft vernachlässigbar: hundert Meter Luft schwächen nur auf die Hälfte in menschlichem Gewebe (Wasser): 50 cm schwächen auf ein Zehntel

28 Energiedosis Veränderungen in Materie durch ionisierende Strahlung wird beschrieben durch (Energie-) Dosis. Energiedosis = absorbierte Strahlungsenergie bestrahlte Masse D = D E D m Einheit: [ D] = 1 Gray = 1 Gy = 1 J 1 kg

29 Energiedosis 1 Gray physikalisch gesehen sehr wenig: Bestrahlung von 1kg Wasser: Temperaturerhöhung um weniger als 0,001 C ABER Bestrahlung eines biologischen Systems Pro Gy etwa DNA-Schäden pro Zelle!

30 Energiedosis Energiedosis beschreibt physikalische Prozesse (Energieübertrag auf Materie) Körperdosis ist ein Maß für Gefährdung (keine physikalische Größe) Äquivalentdosis Einheit: Gray (Gy) Einheit: Sievert (Sv) Bindeglied : Strahlungs-Wichtungsfaktoren

31 Äquivalentdosis Äquivalentdosis = Strahlungs-Wichtungsfaktor Energiedosis Strahlung Wichtungsfaktor Röntgen- und Gamma-Strahlung: 1 Beta-Strahlung: 1 Neutronenstrahlung: 5 20 (energieabhängig) Alpha-Strahlung: gemessen in Sievert (Sv) bzw. Milli-Sievert (msv)!

32 Take Home... Strahlung aus radioaktiven Quellen Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Strahlung aus technischen Quellen Röntgen-Strahlung Elektronenstrahlung... andere Teilchenstrahlung

33 Take Home... Strahlung transportiert Energie Wirkung der Strahlung auf biologisches System abhängig von der Strahlenart (Messeinheit: Sievert) Strahlung kann abgeschirmt werden Teilchenstrahlung vollständig Elektromagnetische Strahlung (Röntgenstrahlung, Gammastrahlung) nur Schwächung möglich