NATURWISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN 2

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1 Abbildung 2-1 Atomzeichen - einmal anders.. NATURWISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN 2 Einleitung 2 Grundlagen der Atomphysik 2 Elemente 2 Das RUTHERFORD-Experiment 3 Atomaufbau 3 Anti-Materie 10 Kernspaltung 11 Kernspaltung 12 Grundlagen der Strahlenphysik 13 Ionisierende Strahlung 13 Der radioaktive Zerfall 13 Strahlungsarten 20 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Energieübertragung und Strahlenwirkung Wechselwirkungen von α - Strahlung 33 Wechselwirkungen von β - Strahlung 33 Wechselwirkungen von γ - und Röntgenstrahlung Wechselwirkungen von Neutronen Strahlendosen, Dosisgrößen und Dosiswirkungsbeziehungen 42 Ionendosis I 42 Energiedosis D 43 Äquivalentdosis H 43 Erweiterte Dosisbegriffe nach ICRU und ICRP 45 Dosiswirkungsbeziehungen 47 Dosisleistung und Geometrieeinflüsse 49 Dosisleistung bei punktförmige Strahlenquellen: 50 Dosisleistung bei kreisscheibenförmigen Strahlenquellen: 50 Strahlung im Alltag 51 Beispiele für Radionuklidanwendungen in der Nuklearmedizin 52 Übungsfragen 54 Literatur: 55 Dazu im Internet 55 Seite 2-1

2 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz...Manchmal musste ich einen ganzen Tag lang eine siedende Masse mit einer Eisenstange umrühren, die fast ebenso groß war wie ich. Abends war ich zum Umfallen müde...in das Laboratorium kamen nur sehr wenige Leute: der eine oder der andere Physiker oder Chemiker besuchte uns von Zeit zu Zeit, entweder um unsere Experimente zu sehen, oder um Pierre Curie...um einen Rat zu bitten. Dann gab es vor der schwarzen Tafel jene Gespräche, an die man so gerne zurückdenkt, weil sie auf das wissenschaftliche Interesse und die Arbeitsintensität stimulierend wirken... Marie Curie um 1900 Einleitung Die Atomphysik handelt vom Aufbau der Materie und vom Umwandeln der Masse in Energie, bzw. umgekehrt. In der Strahlenphysik werden die Gesetze des radioaktiven Zerfalls behandelt, sowie die Wechselwirkungen von Strahlung mit der Materie, welche die wichtigste Grundlage für das Verständnis der Technik von Strahlenmessungen ist. Diese Wechselwirkungsprozesse sind auch Ursache biologischer Strahlenschäden. Die Lehre von Wirkung und Anwendung ionisierender Strahlen auf Substanzen (im "Reagenzglas") dagegen wird als Strahlenchemie bezeichnet. Unter Radiologie verstehen Naturwissenschaftler ganz allgemein die Lehre von den ionisierenden Strahlungen und ihren Anwendungen in Medizin und Biologie. Häufig wird Radiologie in der Medizin mit Strahlenheilkunde gleichgesetzt, also den Anwendungen ionisierender Strahlung in Diagnostik und Therapie. Grundlagen der Atomphysik Elemente Die stoffliche Welt um uns herum lässt sich zerlegen in kleine - einst als unteilbar geglaubte - Teilchen, die als Atome bezeichnet werden. Bis heute sind ca. 114 verschiedenen Atomsorten bekannt. Unter einem chemischen Element versteht man einen Stoff, der aus Atomen mit gleichen chemischen Eigenschaften aufgebaut ist. Seite 2-2

3 Das RUTHERFORD-Experiment Grundlegende Erkenntnisse zum Aufbau der Materie fand RUTHERFORD durch seine Streuexperimente heraus. Er beschoss eine dünne Goldfolie mit 2-fach positiv geladenen He-Kernen (sog. α- Strahlung). Viele der He-Kerne gelangten durch die Folie nahezu ungehindert hindurch, andere wurden in Winkeln von > 90 zur Ausbreitungsrichtung gestreut. Diese Ergebnisse ließen sich nur durch die Annahme erklären, dass die Materie eigentlich aus "Nichts" mit einigen wenigen kleinen Streuzentren besteht, wobei diese Streuzentren eine positive Ladung tragen mussten, sonst wäre eine derartige Rückstreuung nicht möglich. Atomaufbau Atomkern Atome bestehen aus einem positiv geladenen Atomkern (dem RUTHERFORDschen Streuzentrum) und einer darum befindlichen negativ geladenen Hülle. Dabei beträgt der Durchmesser des Atoms ca m. Fast die gesamte Masse des Atoms ist in seinem Kern vereinigt, der einen Durchmesser von ca m aufweist. Materie besteht demnach also aus Massezentren, die relativ weit voneinander entfernt sind. Der Atomkern - so stellte es sich bei genaueren Untersuchungen heraus - besteht aus einzelnen positiv geladenen Bausteinen, den Protonen (je eine positive Elementarladung) und einzelnen elektrisch neutralen Bausteinen, den Neutronen. Protonen und Neutronen besitzen beide annähernd die gleiche Masse (Differenz ca. 1 / 2000tel), sie werden zusammen auch als Nukleonen (Kernbausteine) bezeichnet. Protonen bzw. Neutronen gehören zu den Elementarteilchen aus denen Materie aufgebaut ist. Es herrschen zwischen den Protonen im Kern elektrostatisch abstoßende Kräfte. Diese werden jedoch durch noch stärkere Wechselwirkungen mit Neutronen kompensiert (Kernkräfte). Ein stabiler Kern verfügt deshalb stets über ein bestimmtes Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen. Stimmt dieses Zahlenverhältnis nicht, so wird der Kern instabil und das betreffende Atom zerfällt nach einer gewissen Zeit, was als Phänomen der Radioaktivität beobachtet wird. Wegen der vielen positiven Ladungen sind Atome, die mehr als 92 Protonen besitzen, immer radioaktiv. Durch Kombination verschiedener Anzahlen von Neutronen und Protonen erhält man verschiedene Kernarten, die auch als Nuklide bezeichnet werden. Die Summe der Protonen eines Nuklids wird als seine Ordnungszahl bezeichnet, die Summe von Protonen und Neutronen eines Nuklids wird als seine Massenzahl bezeichnet. Seite 2-3

4 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Man findet, dass die Atomkerne der leichteren Elemente dann stabil sind, wenn die Anzahl von Protonen und Neutronen etwa gleich ist. Bei den schwereren Elementen ist dagegen ein immer größerer Neutronenüberschuss zur Stabilität erforderlich. Untersucht man bei stabilen Nukliden das Verhältnis der Protonen zur Neutronenzahl, dann findet man sehr häufig sowohl geradzahlige Protonenzahlen als auch geradzahlige Neutronenzahlen. Neben weiteren Stabilitätsregeln lassen sich auch "magische Zahlen" an Protonen bzw. Neutronen auffinden, die besonders häufig mit stabilen Kernen einhergehen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Die große Häufigkeit des Auftretens dieser Zahlen bei stabilen Atomkernen wird durch einen schalenförmigen Aufbau der Atomkerne (ähnlich der Elektronenhülle) zu erklären versucht. Abbildung 2-2 Anfang einer Nuklidkarte Eine ausführliche Übersicht über alle Nuklide, sowie deren Eigenschaften bietet die (Karlsruher) Nuklidkarte. Dort werden als Ordinate die Protonenzahl und als Abszisse die Neutronenzahl aufgetragen. Zur Zeit sind ca. um die 2500 Nuklide bekannt, die sich auf 112 verschiedene chemische Elemente verteilen. Es gibt 274 stabile Nuklide und 66 natürlich vorkommende radioaktive (z.t. sehr langlebige) Nuklide, welche auch als Radionuklide bezeichnet werden. Von den letzteren treten 46 in den Zerfallsreihen des Urans und des Thoriums auf, z.b. das Nuklid U-235 (p = 92, n = 143), das als spaltbarer Kernbrennstoff Verwendung findet oder das Nuklid U-238 (p = 92, n = 146), das zu 98% in sogenanntem Natururan auftritt. Alle anderen der 2500 Nuklide zerfallen spontan. Andere (künstliche) Radionuklide wurden nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl in manchen Nahrungsmitteln nachgewiesen: I-131 oder Cs-137. Durch Kernspaltung im Reaktor erzeugte Radionuklide bzw. deren radioaktive Töchter wie z.b. Tc-99m werden bei szintigraphischen Schilddrüsenuntersuchungen durch Einspritzen (als wässrige Salzlösung) in den menschlichen Körper und anschließende Aktivitätsbestimmung in der Schilddrüse angewendet. Seite 2-4

5 Tc-99m Tc-99 + γ Man kann jeweils bestimmte Nuklide zu Gruppen zusammenfassen: Isotope Nuklide weisen die gleiche Ordnungszahl auf und gehören damit zum selben chemischen Element. Isotope stehen in der Nuklidkarte in waagerechten Reihen nebeneinander, haben die gleichen Protonenzahlen, jedoch unterschiedliche Neutronenzahlen, gleiche Elektronenkonfiguration und damit die gleichen chemischen Eigenschaften, gehören damit also zum gleichen chemischen Element. Das in der Chemie häufig verwandte Periodensystem der Elemente unterscheidet deshalb nicht zwischen den einzelnen Isotopen eines Elementes. Anders verhält es sich bei den physikalischen Eigenschaften: hier unterscheidet sich Wasserstoff H-1 am stärksten von seinen Isotopen, da diese eine Massezunahme um 100 bzw. 200 % aufweisen. Abbildung 2-3 Wasserstoffisotope Von besonderer Bedeutung sind auch die Isotope des Kohlenstoffes (p = 6) mit den Massen 12, 13, und 14, d.h. n = 6,7, bzw. 8. Von allen Kohlenstoff-Atomen auf der Erde haben 98,9 % die Massenzahl 12, 1,1 % die Massenzahl 13 und nur in Spuren kommt das radioaktive C-14 vor. Es entsteht dadurch, dass Neutronenstrahlung in die Atmosphäre eintrifft, dort auf Stickstoffatome fällt. Durch eine anschließende Kernreaktion entsteht aus N-14 das Spurenelement C-14. Es handelt sich um einen β-strahler (radioaktiver Zerfall unter Aussendung von Elektronenstrahlen) mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Als radioaktives Kohlendioxid gelangt es über die Photosynthese in die Seite 2-5

6 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Pflanzen und Biomasse. Das Zahlenverhältnis von C-14 zu stabilem C-13 beträgt stets ca. 1: Aus diesem Verhältnis und der Halbwertszeit von C-14 ergeben sich bei einem lebenden Organismus pro Gramm Kohlenstoff 15,3 Zerfälle pro Minute. Wenn das Lebewesen gestorben ist, sinkt der C-14 - Anteil. Über die restliche Aktivität lässt sich dann das Alter bestimmen (Radiocarbonmethode). C-14 lässt sich auch als sog. Tracer (Markierungsstoff) in biologischen Materialien verwenden. Bei kerntechnischen Experimenten hat es die Erzeugung und Freisetzung von "künstlichem" C-14 durch Kernwaffentests gegeben. Isobare Nuklide haben gleiche Nukleonenzahlen, jedoch unterschiedliche Kernladungszahlen. Sie finden sich in den Diagonalreihen der Nuklidkarte, z.b. F-17, O-17, N-17 Isotone Nuklide sind Nuklide mit gleicher Neutronenzahl. Sie stehen in den senkrechten Reihen der Nuklidkarte. Isomere Nuklide haben zwar gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen, besitzen aber im Atomkern unterschiedliche Energiegehalte. Ein instabiler Kern kann entweder durch Kernumwandlung und Aussenden von Kernbausteinen oder durch Abstrahlen seiner überschüssigen Energie in den Grundzustand übergehen. Ein Atomkern, der sich auf letztere Art stabilisiert, erzeugt dabei einen isomeren Tochterkern. Bei isomeren Nukliden handelt es sich quasi um verschiedene Energiezustände desselben Nuklids. Der metastabile (angeregte) Zustand eines Kerns wird durch den Index m hinter der Massenzahl gekennzeichnet. Es sind etwa 400 Fälle der Kernisomerie bekannt. Seite 2-6

7 Abbildung 2-4 Beispiel: Kernenergieschema für Tc-99m Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Kernbausteine (Nukleonen) auch magnetische Eigenschaften besitzen. Wobei Neutronen von einem 3- fach stärkeren Magnetfeld umgeben sind als Protonen und Elektronen. Um die Struktur der Kernbausteine zu ergründen, führte man dem RU- THERFORD-Experiment ähnliche Versuche durch: es wurden Protonen bzw. Neutronen mit Elektronen, deren Energien im GeV-Bereich lagen, beschossen. Auf diese Weise konnte festgestellt werden, dass sich im Innersten der Kernbausteine Objekte mit drittelzahligen Ladungen befinden. Diese Objekte wurden als Quarks (Kunstwort) bezeichnet. Die Quarks bewegen sich im Inneren eines Protons (oder Neutrons) mit hoher Geschwindigkeit. Sie sind punktförmig und besitzen unterschiedliche Massen. Sie lassen sich nicht isolieren. Elektronenhülle Die Hülle des Atoms besteht aus kleineren, negativ geladenen Elementarteilchen, den Elektronen, deren Ladung der negativen Elementarladung e entspricht. Die Anzahl der Elektronen pro Atom entspricht beim neutralen Atom der Zahl der im Kern befindlichen Protonen (Prinzip der elektrischen Neutralität). Elektronen bewegen sich wie Planeten in unterschiedlichen Bahnen (Schalen) um den Kern. Der Zusammenhalt zwischen Atomkern und Elektronenhülle wird durch elektrostatische Anziehungskräfte (sog. schwache Wechselwirkungen, COULOMB-Kräfte) verursacht. Die "Bewegung" der Elektronen verhindert, dass sie in den Kern stürzen und somit das Atom instabil wäre. Eine stabile Elektronenbahn ergibt sich nach dem BOHRschen Atommodell bei einem Kräftegleichgewicht zwischen den elektrostatischen Anziehungskräften und der Zentrifugalkraft. Die Elektronenschalen, werden von innen nach außen durchnumerieret (siehe Abbildung 2-5). Für die Energie E eines Elektrons in Abhängigkeit von Kernladung Z und Bahnradius r gilt: 1 Z e E = 2 r 2 Seite 2-7

8 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz E = Energie eines BOHRschen Elektrons Z = Kernladungszahl e = Elementarladung r = Abstand zum Kern Das Schalenmodell der Atomhülle: 2n 2 Elektronen pro Hauptschale Abbildung 2-5 Elektronenbahnen des BOHRschen Atommodells Ein bewegtes Elektron zeigt je nach Versuchsbedingungen entweder den Charakter einer Welle oder den Charakter eines Teilchens (Korpuskel). Seine Wellennatur zeigt sich darin, dass "Elektronenwellen" interferieren können oder auch Beugungsphänomene aufweisen. Aus Beugungsexperimenten konnte ermittelt werden, dass Elektronen von ev eine Wellenlänge von ca m aufweisen Der Teilchencharakter dagegen wird erkennbar, wenn gerichtete Elektronenbewegungen als Stromfluss gemessen werden können. Ein solcher Welle-Teilchen-Dualismus findet sich auch beim Licht, das sowohl als Lichtwelle oder als Lichtteilchen (Photon) beschrieben werden kann. Beim photoelektrischen Effekt kann man beobachten, dass Photonen Elektronen aus einer metallischen Oberfläche herausschlagen können. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus, der von DE- BROGLIE erstmalig postuliert wurde, bedingt die Tatsache, dass es physikalisch nicht möglich ist beide Erscheinungsformen des Elektrons gleichzeitig mit Meßmethoden zu erfassen. Je genauer man versucht die Wellenlänge eines Elektrons zu ermitteln, desto ungenauer wird die Ortsbestimmung. Dieser Sachverhalt wird auch in der sog. HEISENBERGschen Unschärferelation deutlich. Diese besagt, dass die gleichzeitige Erfassung von Ort und Impuls bei einem Elektron nur mit einer Unschärfe beider Messgrößen möglich ist. Das Produkt dieser Unschärfen liegt in der Größenordnung des PLANCKschen Wirkungsquantums h. Seite 2-8

9 Abbildung 2-6 Der Aufbau der Materie Elementarteilchen Elementarteilchen bilden Materie und Anti-Materie, nur manche von ihnen existieren auf der Erde, andere existieren im interstellaren Raum oder auf anderen Planeten. Die Elementarteilchen werden wie folgt eingeteilt: Leptonen: (leichte Teilchen) zusammen mit den Quarks bilden sie Grundbausteine von Materie und Anti- Materie, hierzu gehören u.a. Elektronen und Neutrinos; Mesonen: Elementarteilchen aus Quarkdubletts; Baryonen: (schwere Teilchen) Elementarteilchen aus Quarktripletts, hierzu gehören die Nukleonen (Protonen, Neutronen) und die Hyperonen, unter letzteren versteht man alle Elementarteilchen, die schwerer sind als ein Proton; Eichbosonen: Austauschteilchen, übertragen Kräfte. Nach dem Standardmodell gibt es zwölf Materieteilchen, bestehend aus einer Gruppe, die sechs verschiedene Quarks beinhaltet und einer weiteren Gruppe, die aus sechs verschiedenen Leptonen gebildet wird. Eine dritte Gruppe besteht aus Eichbosonen, sog. Kraftteilchen, welche die Materie zusammenhalten, indem sie elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkungen zwischen den Bausteinen der Materie vermitteln. Quarks Quarks sind Bestandteile von Elementarteilchen, die jedoch isoliert nicht bestehen können. Es gibt insgesamt sechs verschiedene Quarks: Seite 2-9

10 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz up (u), down (d) Protonen und Neutronen, die Grundbausteine unserer Materie, sind aus u- und d Quarks zusammengesetzt, welche die Familie der beiden leichtesten Quarks bilden; strange (s), charm (c) s- und c-quarks bilden eine zweite Familie, sie ähneln in Ihren Eigenschaften den u- bzw. d-quarks, sind jedoch schwerer; bottom (b), top (t) b- und t-quarks bilden die dritte Familie, die aus besonders schweren Quarks besteht, die in Sekundenbruchteilen zerfallen. Die Quarks besitzen nur ein bzw. zwei Drittel der elektrischen Elementarladung. Im Proton ergibt die Summe der Ladungen der drei Quarks gerade die Elementarladung, ebenso beim Neutron. Auch die Magnetfeldstärke der Kernbausteine lässt sich auf die Feldstärken seiner Quarkbestandteile zurückführen. Die Quarks in den Kernbausteinen lassen sich nicht von seinen Partnern abtrennen. Sie werden durch den Austausch von speziellen Kraftteilchen, den Gluonen (englisch "glue" = Klebstoff), zusammengehalten. Anti-Materie Unter Anti-Materie versteht man Materie, die ausschließlich aus Anti-Teilchen besteht. Der Atomkern besteht dabei aus Anti-Protonen (negativ geladene Protonen) und Anti-Neutronen (aus entsprechenden Anti-Quarks) und wird umgeben von den Anti-Elektronen (positiv geladenen Elektronen), auch Positronen genannt. In Laborversuchen konnten bereits Anti-Wasserstoff, Anti- Deuterium, Anti-Tritium und Anti-Helium erzeugt werden. Nur das Photon ist mit seinem Anti- Teilchen identisch. Anti-Materie ist zusammen mit Materie nicht stabil. Sie wird unter Bildung von Photonen oder Mesonen vernichtet. Nur im freien Raum des Universums, fern von Materie kann Anti-Materie existieren. Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen ist die Frage, ob andere galaktische Systeme aus Anti-Materie bestehen. Beim Zusammentreffen von Anti-Materie mit "normaler" Materie wandeln sich die Massen der beteiligten Teilchen entsprechend der EINSTEINschen Gleichung E = m c 2 E = Energieäquivalent eines Teilchens m = Masse des Teilchens c = Lichtgeschwindigkeit vollständig in Vernichtungsstrahlung um. Trifft z.b. ein Elektron auf ein Positron, so entstehen zwei γ-quanten mit jeweils Energien von 511 kev. Seite 2-10

11 Name Symbol Ruhemasse [MeV] Ladung Quarkaufbau Spin mittlere Lebensdauer [s] ELEMENTARTEILCHENBAUSTEINE: QUARKS up u u* ~ 5 2/3-2/3 1/2 stabil down d d ~ 10-1/3 1/3 1/2 verschieden strange s s ~ 100-1/3 1/3 1/2 verschieden charm c c ~ /3-2/3 1/2 verschieden bottom b b ~ /3 1/3 1/2 verschieden (beauty) top (truth) t t? 2/3-2/3 1/2 verschieden EICHBOSONEN Photon γ? 0 1 stabil W-Teilchen W + W - ~ Z-Teilchen Z ~ Gluon g stabil LEPTONEN Elektron e- e+ 0, /2 stabil Müon µ- µ+ 105, / Tau τ- τ / Elektron- νe νe? 0 0 1/2 stabil? Neutrino Müon- νµ νµ? 0 0 1/2 stabil? Neutrino Tau- Neutrino ντ ντ? 0 0 1/2 stabil? BARYONEN Proton p p 938, u u d u u d 1/2 stabil Neutron n n 939,6 0 0 d d u d d u 1/2 ca. 900 Lambda Λ Λ u d s u d s 1/2 2, Sigma- Σ + Σ u u s u u s 1/ Plus Sigma- Σ - Σ d d s d d s 1/2 1, Minus Sigma- Σ 0 Σ u d s u d s 1/ Null Xi-Minus Ξ - Ξ d s s d s s 1/2 1, Xi-Null Ξ 0 Ξ u s s u s s 1/ Omega- Ω - Ω s s s s s s 1/ Minus Charm- Lambda Λc Λc u d c u d c 1/ MESONEN Pionen π u u d d Pionen π + π u d d u 0 2, Kaonen K 0 K d s d s / Kaonen K + K u s s u 0 1, J / Psi J / Ψ c c D-Null D c u D-Plus D c d Ypsilon Y b b Tabelle 2-1 Elementarteilchen und Quarks *Teilchen mit - sind sogenannte Anti-Teilchen Seite 2-11

12 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Kernspaltung Trifft ein thermisches Neutron auf ein U-235 Atom (oder auf bestimmte andere spaltbare Stoffe), so kann es zu einer spontanen Kernspaltung kommen. Aus der Kernspaltung entstehen zwei Spaltprodukte und im Mittel ein bis zwei Neutronen, die ihrerseits wieder ein weiteres U-235 Atom spalten könnten. Die Spaltung von U-235 tritt jedoch nur dann auf, wenn die Neutronen sich nicht zu schnell fortbewegen, d.h. ihre Energien im thermischen Bereich (ca. 0,025 ev) liegen. Bei jeder Spaltung werden dann wieder Neutronen frei, die ihrerseits eine erneute Spaltung bewirken können. Dieser Vorgang unterhält sich selbst und wird deshalb auch als Kettenreaktion bezeichnet. Damit in einer Masse aus U-235 also eine Kettenreaktion stattfinden kann, müssen die schnellen Spaltneutronen durch geeignete Materialien (Moderatoren) abgebremst werden, außerdem muss auch die Masse groß genug sein, damit die Neutronen nicht nach außen entweichen. Die Mindestmasse, bei der eine Kettenreaktion eintreten kann wird als kritische Masse bezeichnet. Sie beträgt bei U-235 etwa 50 kg, wenn das Metall in Kugelform vorliegen würde und die Neutronen unmoderiert (und unreflektiert) würden. Die kritische Masse lässt sich verringern, wenn der spaltbare Stoff von einem Reflektor (z.b. Graphit, Beryllium, D 2 O, etc.) umgeben ist, der die Eigenschaft hat, entwichene Neutronen in die kritische Masse zurückzulenken. Da in der natürlichen Umgebungsstrahlung stets freie Neutronen vorkommen, würde in einer kritischen Masse sofort immer eine Kettenreaktion ausgelöst werden. Für den Strahlenschutz sind deshalb beim Umgang mit radioaktiven Stoffen besondere Maßnahmen zu beachten, die alle darauf hinauslaufen, dass auf keinen Fall kritische Bedingungen entstehen. Hierzu ist eine spezielle Ausbildung erforderlich. Abbildung 2-7 Die nukleare Kettenreaktion Seite 2-12

13 Grundlagen der Strahlenphysik Ionisierende Strahlung Sogenannte ionisierende Strahlung entsteht beim Zerfall von Radionukliden. Die dabei freigesetzten Strahlungsteilchen können verschiedene Wechselwirkungen mit Materie eingehen: Abbremsung der Strahlungsteilchen und daraus resultierende Wärmeentwicklung; Anregung von Hüllenelektronen; Ionisierung von Hüllenelektronen; Materialisierung von elektromagnetischen Strahlungsteilchen. Strahlen, die eine Ionisierung beim Auftreffen auf Materie hervorrufen können, werden deshalb ionisierende Strahlen genannt. Es werden energiereiche elektrisch geladene Materieteilchen als direkt ionisierende Strahlung bezeichnet, elektrisch neutrale Teilchen oder Photonen als indirekt ionisierende Strahlung. Hinsichtlich der Natur der Strahlung unterscheidet man zwischen Materiestrahlung (Korpuskularstrahlung) und Wellenstrahlung: Materiestrahlung Wellenstrahlung n-strahlung p-strahlung α-strahlung β-strahlung γ-strahlung X-Strahlung Tabelle 2-2 Neutronen Protonen He 2+ -Teilchen Elektronen, Positronen elektromagnetische Schwingungen, Photonen elektromagnetische Schwingungen, Photonen Eigenschaften ionisierender Strahlung Der radioaktive Zerfall Aktivität Elemente, in deren Kern das Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen unausgewogen ist, sind instabil und zerfallen durch auftretende Kernreaktionen unter Aussendung von Strahlung (wie in der Tabelle 2-2 angegeben). Diese Phänomene werden als Radioaktivität oder radioaktiver Zerfall bezeichnet. Die Strahlung entsteht dadurch, dass die Radionuklide Masse- und Energieportionen mit hoher Geschwindigkeit ausschleudern, welche die ionisierende Strahlung bilden. Ein radioaktiver Zerfall findet u.u. in mehreren Schritten solange statt, bis das entsprechende Radionuklid in ein Seite 2-13

14 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz stabiles Nuklid übergegangen ist (radioaktive Zerfallsreihe). Die Ursache für den radioaktiven Zerfall ist somit das Streben nach dem energetisch günstigstem Zustand eines Atomkerns. Unter der Aktivität eines Radionuklids versteht man die Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (1 BQ = 1 Zerfall pro Sekunde). Beispiel: 1 g des Elementes Radium hat eine Aktivität von 3, Bq = 1 Curie (Ci) Beim Zerfall eines Radionuklids kann auch eine spontane Spaltung (spontaneous fission, sf) des Atomkerns in verschiedene Bruchstücke auftreten. Typisches Beispiel für ein solches instabiles natürliches Radionuklid ist das Uran-235. Der Zerfall des Uranatoms wird durch ein kosmisches Neutron, das auf ihn trifft, ausgelöst. Den Zerfallsprozess kann man sich als eine Reihe von Schwingungen vorstellen, die der getroffene Kern durchläuft, bis er sich schließlich nicht mehr stabilisieren kann und in zwei Teile zerfällt (Kernspaltung). Abbildung 2-8 Die Kernspaltung Entsprechend lässt sich auch eine künstlich induzierte Kernspaltung durchführen. Die Art des Zerfalls, die Lebensdauer und Häufigkeit der Radionuklide lassen sich aus den Radionuklid-Tabellen ermitteln. Zerfallsarten und Zerfallsreihen Je nach Art des entstehenden Zerfallsproduktes unterscheidet man verschiedene Zerfallsarten; Für ein Mutternuklid mit der Ordnungszahl Z und der Massenzahl M findet man folgende wichtige Zerfallsarten: Seite 2-14

15 Zerfallsart Massenzahl Tochternuklid Ordnungszahl Tochternuklid α - Zerfall M 4 Z - 2 β - Zerfall M Z + 1 β + - Zerfall M Z - 1 γ - Zerfall M Z Spontanspaltung Ca. ½M variiert Tabelle 2-3 Radioaktive Zerfälle - Verschiebungssätze α- und β-zerfälle sind sehr häufig von γ-emissionen begleitet. Diejenigen Radionuklide, die durch derartige Zahlengesetze verbunden sind bezeichnet man als Zerfallsreihen. Analysiert man die Nuklidkarte bezüglich dieser Zahlengesetze (sog. Verschiebungssätze), so findet man, dass es insgesamt 4 verschiedene Zerfallsreihen gibt, durch welche die verschiedenen Nuklide entstanden sind: Thorium-Zerfallsreihe Neptunium-Zerfallsreihe Uran-Radium-Zerfallsreihe Actinium-Zerfallsreihe Diese Zerfallsreihen werden jeweils nach dem langlebigsten Vertreter bezeichnet. Eine Besonderheit ist, dass die Neptunium-Zerfallsreihe erst durch die Entdeckung der künstlichen Radioaktivität aufgeklärt wurde. Das radioaktive Zerfallsgesetz Das Zeitintervall, indem sich die Anzahl der Atome eines Radionuklids auf die Hälfte verringert hat, wird auch als die Halbwertszeit des Radionuklids bezeichnet. Sie ist für das betreffende Radionuklid eine charakteristische Größe. Radionuklid Häufigkeit Zerfallsart Halbwertszeit t 1/2 H-3 0,00013 % β 12,346 a Ra α/γ 1, a I β /γ 8,04 d Cs β /γ 2,06 a / 2,09 h Seite 2-15

16 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz U ,720 % α/β /γ/ sf 7, a U ,28 % α/β / sf 4, a * sf bedeutet spontaneous fission = Spontan Spaltung Tabelle 2-4 Beispiele für radioaktive Zerfälle Der radioaktive Zerfall gehorcht den Gesetzen der Statistik. Die Ursache für die unterschiedlichen Halbwertszeiten verschiedener Radionuklide lässt sich dadurch erklären, dass für jeden radioaktiven Zerfall zunächst eine Energiebarriere existiert bevor der energetisch günstige Zustand erreicht wird. Die Zerfallswahrscheinlichkeit hängt von der Lage der Energiezustände des Kerns vor und nach Zerfall ab, sowie von der Höhe der Barriere. A t Abbildung 2-9 Die Aktivitätsabnahme eines Radionuklids Abbildung 2-9 zeigt die jeweils verbleibende Aktivität eines Radionuklids nach einer Halbwertszeit (= 1 Balkenbreite). Der Verlauf der Aktivitätsabnahme mit der Zeit wird durch eine Exponentialfunktion beschrieben. Dieser zeitliche Verlauf des radioaktiven Zerfalls wird als radioaktives Zerfallsgesetz bezeichnet: λ t ln 2 A (t) = A 0 e λ = t A(t) = Aktivität zum Zeitpunkt t, A 0 = Ausgangsaktivität t = 0, λ = Zerfallskonstante, t = Zeitspanne nach t = 0, t 1/2 = Halbwertszeit Die Zerfallskonstante λ ist ein Maß für die Zerfallswahrscheinlichkeit. Häufig wird auch die mittlere Lebensdauer τ eines Radionuklids angegeben, diese errechnet sich aus dem Kehrwert der Zerfallswahrscheinlichkeit: 1/ 2 Seite 2-16

17 1 τ = λ Die Lebensdauer eines Radionuklids ist diejenige Zeit, inder der Anteil der Atome auf den e-ten Teil der Ausgangsmenge zurückgegangen ist. Viele Radionuklide bilden nach ihrer Umwandlung Tochterkerne, die wiederum radioaktiv sind. So wandelt sich Ra-226 in das radioaktive Edelgas Rn-222 um. Aktivitätsangaben für ein Radionuklid beziehen sich aber immer auf die Ausgangssubstanzen, nicht auf die beim Älterwerden angesammelten Folgeprodukte. Entsprechend ist auch bei der Anwendung des radioaktiven Zerfallsgesetzes zu differenzieren. Die Aktivität eines Nuklidgemisches, das verschiedene Vertreter einer Zerfallsreihe, enthält kann nicht nach dem einfachen Zerfallsgesetz berechnet werden. Zur Berechnung der Gesamtaktivität eines Nuklidgemisches muss das radioaktive Zerfallsgesetz modifiziert werden. Zerfallsdiagramme Zur Beschreibung der Energiezustände, die ein Nuklid durchlaufen kann, benutzt man Energiediagramme, ähnliche den Energieschemata der Elektronen. Alle Zustände, Energiegehalte und Zerfallswahrscheinlichkeiten für eine bestimmte Zerfallsart können aus diesen Diagrammen abgelesen werden. Dem Diagramm kann man den quantenmechanischen Kernzustand (z.b. +5) entnehmen, die Energie dieses Zustandes (z.b. 0 = Grundzustand), die Halbwertszeit des Zustandes (z.b. 5,3 y = 5,3 Jahre), die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs (z.b. 99 %) und die γ-energie, die einem Übergang entspricht (Energie des abgestrahlten Photons, z.b kev). Zerfallsdiagramme lassen sich aus Standardwerken der Physik ermitteln, oder sind auf CD-ROM verfügbar, für die vorliegenden Darstellungen wurde die CD von Wiley-Interscience (8. Auflage, Version 1, März 1996) verwendet. Des weiteren findet man auch Zerfallsdiagramme im Internet unter Seite 2-17

18 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Abbildung 2-10 Vereinfachtes Zerfallsdiagramm I für Co-60 Abbildung 2-11 Vereinfachtes Zerfallsdiagramm II für Co-60 Abbildung 2-12 Vereinfachtes Zerfallsdiagramm III für Co-60 Seite 2-18

19 Spezifische Aktivität Die Aktivität einer Probe steigt mit der Probenmenge. Deshalb wird die sog. spezifische Aktivität eingeführt: Die spezifische Aktivität ist die Aktivität pro Masse in BQ / kg Angaben zur spezifischen Aktivität können sich auf verschiedene in der Substanzmenge enthaltenen Radionuklide beziehen, deshalb muss immer eine entsprechende Angabe gemacht werden. Bei der experimentellen Bestimmung der Gesamtaktivität wird zunächst eine radionuklidspezifische Analyse durchgeführt. Die meisten Radionuklide senden beim Zerfall γ-quanten mit charakteristischen Energien aus. Diese Energien kann man mit Hilfe γ-spektroskopischer Methoden ermitteln und aus Nuklidbibliotheken die zugehörigen Nuklide bestimmen. Massenbezogene Aktivitäten verwendete man z.b. nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl um die Belastung in Lebensmitteln zu kennzeichnen. Spezifische Aktivität Lebensmittel 1,0 Rindfleisch, Kalbfleisch 0,3 Schwein 8,0 Schaf 820 Reh, Hirsch u.a. Wild Tabelle 2-5 Cs-134 / Cs-137 Gehalt in Fleisch (BRD 1990) Angaben in Bq / kg Oberflächenaktivität Flächenbezogene Aktivitäten (sog. Oberflächenaktivitäten) werden angegeben um die Kontamination von Oberflächen zu bestimmen, wenn diese durch offene radioaktive Stoffe kontaminiert wurden. Für Kontaminationskontrollen wurden eigens Kontaminationsmonitore entwickelt. Die Oberflächenaktivität ist die Aktivität pro Fläche: BQ / CM 2 Beispiel aus der StrlSchV 44 Anlage III: Grenzwert der Flächenkontamination am Arbeitsplatz (im Kontrollbereich, gemittelt über 100 cm 2 eines β-strahlers, wie z.b. P-32 =100 Bq / cm 2, S-35 =100 Bq / cm 2, I-125 =10 Bq / cm 2 Seite 2-19

20 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Aktivität pro Volumen Eine volumenbezogene Aktivität kann z.b. angegeben werden, wenn die Radioaktivität des Abwassers oder der Abluft einer nuklearen Einrichtung beschrieben werden soll. Bei radioaktiven Gasen gibt man Aktivität pro Volumen in BQ / M 3 an Beispiel: Die durchschnittliche Radonbelastung in Innenräumen beträgt 50 Bq / m 3 Spitzenbelastungen 200 Bq / m 3 Strahlungsarten α - Strahlung Die beim radioaktiven Zerfall ausgesandten α-teilchen haben bei Austritt aus dem Atomkern Geschwindigkeiten von etwa km / s. Sie werden innerhalb weniger cm durch Stöße mit Luftmolekülen abgebremst. Schließlich fangen die langsamen Helium-Ionen Elektronen aus der Umgebung ein und existieren weiter als Edelgas. Das Beispiel zeigt den Zerfall von Radium. Zerfallsprodukt ist das radioaktive Edelgas Radon. Abbildung 2-13 Der α - Zerfall Seite 2-20

21 Eigenschaften von α - Strahlung: Eigenschaften Teilchenart: He-4 Kerne Radionuklide: Pu-239, Ra-226, Rn-222, Am-241, Po-210, U-235 Energie: MeV Bereich Reichweite(Luft): bei 5 MeV ca. 3,5 cm Energieverteilung: diskretes Linienspektrum Ww* mit Materie: Ionisation, Anregung Gefahr: Inkorporation (Inhalation, Ingestion) Schutz: Papier, Abstand >10 cm Nachweis: Proportionalzählrohr, Ionisationskammer, Geiger-Müller-Zählrohr, Halbleiter-Detektor, jeweils dünnwandig * Ww bedeutet Wechselwirkung Tabelle 2-6 Eigenschaften von Alpha-Strahlung Beispiel: Es hat sich gezeigt, dass in manchen Gebieten Deutschlands, wie z.b. dem Erzgebirge oder dem Schwarzwald erhöhte Konzentrationen des Gases Radon auftreten. Dieses tritt als radioaktives Zerfallsprodukt bei uran- bzw. radiumhaltigen Erzen auf. In entsprechend gelegenen Kellerräumen können sich dann ungewöhnlich hohe Radonkonzentrationen einstellen, die gesundheitsbedrohend sind. Die Ermittlung der Radonkonzentration in der Luft stellt ein sehr spezielles messtechnisches Problem dar. Meist wird die von den Tochternukliden ausgesandten α - Strahlung mit Oberflächensperrschichtdetektoren gemessen. Die aus dem Spektrum abgeleitete Häufigkeit der kurzlebigen radioaktiven Folgeprodukte ergibt dann ein Maß für die Konzentration der Radon-Isotope in der Luft. β - Strahlung Protonen und Neutronen im Kernverband haben die Möglichkeit, ihre charakteristischen Eigenschaften auszutauschen, wobei Elektronen bzw. Positronen aus dem Kern emittiert werden und das ganze System in einen stabilen Zustand übergeht. Beim β - Zerfall wird aus dem Kern eines Radionuklids ein Elektron abgegeben, welches eine Geschwindigkeit zwischen Null und Lichtgeschwindigkeit bei Austritt aufweist. Diese Elektronen bilden dann die β - Strahlen. Da nach dem Aussenden des Elektrons der Kern ein Proton mehr besitzt, erhöht sich beim Radionuklid die Kernladungszahl um 1 (Elementumwandlung), während die Massenzahl erhalten bleibt. Beim selteneren β + - Zerfall wird aus dem Kern ein Positron, β +, abgegeben.. Entsprechend wird die Kernladungszahl dabei um eines vermindert. Das Spektrum von Beta-Teilchen erstreckt sich über einen kontinuierlichen Bereich (Unterschied zu Elektronenstrahlen!). Da nach dem Energieerhaltungssatz dem Beta- Zerfall eine diskrete Energiemenge entspricht muss die "fehlende" Energie an ein elektrisch neutrales Neutrino abgegeben werden: Seite 2-21

22 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Eigenschaften von β - Strahlung n p + e - + υ bzw: p n + e + + υ Eigenschaften Teilchenart: Radionuklide: Energie: Reichweite(Luft): Energieverteilung: Ww mit Materie: Gefahr: Schutz: Nachweis: Elektronen, Positronen H-3, C-14, Sr-90, Cs-137, Tl-204, Co-60 kev... MeV bei 1 MeV ca. 4 m kontinuierliches Spektrum Ionisation, Anregung, Bremsstrahlung Hautexposition, Inkorporation Abschirmung mit Al, PMMA, etc. Proportionalzählrohr, Ionisationskammer, Geiger-Müller-Fensterzählrohr, jeweils dünnwandig Tabelle 2-7 Eigenschaften von Bestrahlung Abbildung 2-14 Der β - Zerfall γ - Strahlung Bei vielen Kernumwandlungen stabilisiert sich der entstandene angeregte Tochterkern, indem er seine überschüssige Energie in Form einer zusätzlichen energiereichen elektromagnetischen Strahlung (γ - Strahlung) abstrahlt. Abgesehen von der Art der Entstehung ist sie praktisch identisch mit der Röntgenstrahlung (X - Strahlen). Diese beiden Strahlungen - wie auch das sichtbare Licht - treten in einzelnen Portionen (Photonen, Quanten) auf. Die γ - Quanten bewegen sich konstant mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit von ,5 km/s. Durch den γ - Zerfall ändert sich der Energieinhalt des Kerns, nicht aber seine Massen- oder Ladungszahl. γ - Strahlung lässt sich (unspezifisch) nachweisen durch Schwärzung, die sie auf unbelichteten Filmen hervorruft. Mit Hilfe der γ - Spekt- Seite 2-22

23 roskopie (z.b. mit Halbleiterdetektoren) können die genauen Energien der Photonen registriert werden, und es kann die radionuklidspezifische Energieanalyse durchgeführt werden. Abbildung 2-15 Der γ-zerfall Eigenschaften von γ - Strahlung: Eigenschaften Teilchenart: Radionuklide: Energie: Reichweite: Energieverteilung: Ww mit Materie: Gefahr: Schutz: Nachweis: Photonen Am-241, Co-60, I-131, Ba-133, Ba-137m, Tc-99m* kev... MeV theoretisch diskretes Linienspektrum Streuung, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung Körperexposition, Inkorporation Abschirmung mit Pb Proportionalzählrohr, Ionisationskammer, Geiger-Müller-Zählrohr, Szintillationszähler, Halbleiter-Detektor, jeweils indirekter Nachweis! * m bedeutet metastabil, d.h. der Kern befindet sich im angeregten Zustand Tabelle 2-8 Eigenschaften von Gamma-Strahlung Neutronenstrahlung n Freie Neutronen sind instabil und zerfallen mit einer Halbwertszeit von 11,5 Minuten. Der Zerfall besteht entweder in der Umwandlung in ein Proton oder in der Anlagerung an andere kosmische Nuklide (Neutroneneinfang), die dadurch meist radioaktiv werden. In der Natur entstehen Neutronen, wenn die kosmische Höhenstrahlung (p, He) auf N- bzw. O-Atome der Atmosphäre treffen und Kernreaktionen eintreten. Außerdem entstehen Neutronen bei der (spontanen und induzierten) Spaltung schwerer Kerne. Aber auch durch Kernreaktionen mit leichten Elementen lassen sich Neutronen erzeugen. Bei bestimmten Materialien wie Li und Be lassen sich durch Kombination eines α- Strahlers mit dem Material regelrechte Neutronenquellen konstruieren: Seite 2-23

24 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz 9 4 Be + α C + n 4 2 Neutronen entstehen auch bei Kernfusionsreaktionen, wie sie z.b. in der Sonne ablaufen: D + 1 T 2 He + 0 n + 17,58 MeV Entsprechend ihrer kinetischen Energie unterscheidet man folgende Arten von Neutronen: Langsame Neutronen: 10 ev > kinetische Energie Mittelschnelle Neutronen: 10 ev < kinetische Energie < 0,1 MeV Schnelle Neutronen kinetische Energie > 0,1 MeV Thermische Neutronen: kinetische Energie = 0,0253 ev bei 293,16 K Geschwindigkeit = m/s bei 293,16 K 1 0 Röntgenstrahlen Röntgenstrahlen, auch X-Strahlen genannt, bestehen aus Photonen und weisen damit ähnliche Eigenschaften wie γ-strahlen (in Abhängigkeit ihrer Energie) auf. Im Gegensatz zu γ-strahlen entstehen X-Strahlen, wenn geladenen Teilchen, wie z.b. Elektronen in metallischen Substanzen abgebremst werden oder durch Elektronenübergänge in den inneren (kernnahen) Elektronenschalen. Entsprechend unterschiedliche Arten von Röntgenstrahlungen treten dann auf: Bremsstrahlung Die Bremsstrahlung entsteht, wenn ein geladenes Teilchen (z.b. Elektron aus Glühkathode) abgebremst oder auch beschleunigt wird. Die Energiedifferenz wird als elektromagnetische Strahlung ausgesandt. Beim Eintreten in Materie können beschleunigte Elektronen im COULOMB-Feld des Atomkerns abgebremst werden, wobei die abgegebene Energie proportional zum Quadrat der Kernladungszahl ist. Bremsstrahlung wird daher um so wahrscheinlicher je höher die Ordnungszahl der abbremsenden Materie ist. Das Spektrum erweist sich als kontinuierlicher energetischer Bereich (Kontinuum). Charakteristische Röntgenstrahlung Beim Herausschlagen von Elektronen der inneren Schalen entstehen "Löcher", welche durch z.b. Valenzelektronen sofort wieder besetzt werden. Die damit verbundenen Energieübergänge entsprechen diskreten (charakteristischen) Spektrallinien, die auch für analytische Zwecke ausgenutzt werden können. Seite 2-24

25 Abbildung 2-16 Röntgenspektrum einer Wolframanode Ein Röntgenspektrum weist also immer zwei Bereiche auf, den Bereich der Bremsstrahlung und - manchmal überlagert - den Bereich charakteristischer Röntgenspektrallinien. Aus der Messung der Energie der charakteristischen Röntgenfluoreszenzstrahlung kann man bei der Röntgenfluoreszenzspektroskopie eine Analyse der (metallischen) Bestandteile einer bestrahlten Probe durchführen und so z.b. zerstörungsfrei die Bestandteile einer Legierung ermitteln. In der medizinischen Diagnostik wird meist die Bremsstrahlung verwendet, außer bei der Mammographie, dort wird der charakteristische Strahlungsanteil (wegen der geringen Gewebekontraste) eingesetzt. Andere Zerfallsarten Elektroneneinfang ("electron capture") Neben den oben angegebenen Zerfallsarten gibt es auch noch Zerfälle, die dadurch zustande kommen, dass ein Atomkern Elektronen aus den benachbarten inneren Schalen (K, oder L) einfängt, dadurch entsteht aus einem Proton ein Neutron. Dieser K-Einfang wird mit K gekennzeichnet. Anschließend wird das entstandene Loch in der inneren Elektronenhülle durch Elektronensprung eines äußeren Hüllenelektrons aufgefüllt, begleitet von entsprechender Emission einer charakteristischen Strahlung. Beispiel: ec J 52 Te kev Bei leichten Atomen wird die durch den Elektronensprung freigesetzte Energie häufig auf ein Valenzelektron desselben Atoms übertragen, welches an Stelle des Röntgenquants emittiert wird. Derartige Elektronen werden als Auger-Elektronen bezeichnet. Spezielle Techniken in der Oberflächenanalytik erlauben die Messung solcher Auger-Elektronen (Auger-Spektroskopie). Seite 2-25

26 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Isomere Übergänge und Konversionselektronen Bei der Mehrzahl aller Alpha- bzw. Beta-Zerfälle ist der Grundzustand des betreffenden Nuklids nicht erreicht, weshalb diese Zerfälle von Gamma-Emissionen begleitet sind. Die Lebensdauer eines solchen angeregten Atomkerns kann im Femtosekundenbereich bzw. bei einigen Tagen liegen. Bei langlebigen Zuständen spricht man von Isomeren, gekennzeichnet durch den Buchstaben m (metastabil). Entsprechende Übergänge werden auch als isomere Übergänge bezeichnet. Dieser Prozess wird mit I gekennzeichnet. Sogenannte Konversionselektronen können entstehen, wenn der angeregte Atomkern seine Anregungsenergie auch auf Hüllenelektronen überträgt, so dass bei diesem Prozess (innere Konversion) anstelle von γ-quanten die Konversionselektronen emittiert werden. Im Gegensatz zu echter β-strahlung sind die Konversionselektronen monoenergetisch. Sie werden mit e - gekennzeichnet und sind für ein betreffendes Nuklid charakteristisch. Seite 2-26

27 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Energieübertragung und Strahlenwirkung Lineare Energieübertragung Direkt und indirekt ionisierende Strahlung werden in der Materie durch unterschiedliche Mechanismen geschwächt. Auch sind bei Korpuskularstrahlung und bei elektromagnetischer Strahlung die Wechselwirkungsmechanismen unterschiedlich. Direkt ionisierende Teilchen können beim Vorbeifliegen an der Atomhülle eines Atoms dort Elektronen befreien. Bei jeder dieser Ionisationen verlieren die Korpuskeln selber wieder soviel Energie, dass sie am Ende bis auf thermische Energien abgebremst werden. Geladene Korpuskeln haben somit in Materie eine genau angebbare Reichweite. Diese Reichweite nimmt von Elektronen zu Protonen zu Deuteronen zu Alpha-Teilchen und schließlich zu schweren Spaltfragmenten laufend ab. Elektrisch neutrale Teilchen wie Neutronen können durch Stoßprozesse mit Atomkernen abgebremst werden, wobei manche Rückstoßkerne ihrerseits direkte Ionisation benachbarter Atome hervorrufen können. Genügend abgebremste Neutronen können schließlich von einem anderen Kern eingefangen werden, dieser Einfang wird auch als Aktivierung bezeichnet, da entstehende Nuklide meist radioaktiv sind. Elektromagnetische Strahlung wechselwirkt mit Materie, indem Atome angeregt bzw. ionisiert werden. Die sekundär erzeugten geladenen Teilchen übertragen dann die Energie. Wenn ionisierende Strahlung mit Materie wechselwirkt, werden die daraufhin eintretenden Prozesse in folgende Stadien eingeteilt: 1.Physikalische Phase: s nach Eintritt in Materie; z.b. Wechselwirkung eines energiereichen Teilchens mit einem Wassermolekül, was zur Energieabgabe führt; 2.Physikochemische Phase: s nach Eintritt in Materie; das ionisierte bzw. angeregte Wassermolekül gibt Energie an die Umgebung ab, zerfällt oder erfährt andere molekulare Veränderungen und geht schließlich in einen Grundzustand über. Während dieser Phase bilden sich freie Radikale; 3.Chemische Phase: s nach Eintritt in Materie; Die gebildeten Radikale reagierend mit benachbarten Molekülen, z.b. mit Biomolekülen; 4.Biologische Phase: s nach Eintritt in Materie; stabilisierte irreparable molekulare Schäden führen zu biologischen Effekten, wie Zelltod, genetischen Veränderungen, zu Missbildungen während der Embryogenese und zu Krebs. Seite 2-27

28 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Alle geladenen Teilchen höherer Energie lösen in gasförmiger, flüssiger oder fester Umgebung Ionisationsvorgänge aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren Unter der spezifischen Ionisation eines Strahlungsteilchens versteht man die Anzahl der gebildeten Ionenpaare pro mm Wegstrecke Cerenkov-Strahlung tritt immer dann auf, wenn sich geladene Teilchen im Medium schneller ausbreiten können als Lichtteilchen (Photonen) in diesem Medium. 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: de dx = de dx I + de dx K de + dx IEnergieabnahme E pro Weg x durch Ionisation KEnergieabnahme 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, S Seite 2-28

29 bzw. linear energy transfer, LET. Der Zusammenhang zwischen spezifischem Energieverlust und spezifischer Ionisation ist gegeben durch: de dx I di p = W dx Ip = Zahl der Ionenpaare W = Ionisierungsenergie In Tabelle 2-9 werden Werte für LET für verschiedene Strahlenarten angegeben. Der größere LET- Wert energieärmerer Photonenstrahlung hängt mit der geringeren Geschwindigkeit der Comptonelektronen zusammen. Weniger energiereiche Elektronen zeigen pro Wegstreckeneinheit häufiger eine Wechselwirkung und hinterlassen somit eine höhere Ereignisdichte (Ionisation, Anregung). Diese Eigenheit wird auch bei den anderen Strahlenarten beobachtet. Abbildung 2-17 Darstellung von Ionisierungsereignissen entlang eines Weges für verschiedene Strahlenarten Strahlenart LET [kev/µm] 250 kev Röntgenstrahlung 3,0 3 MeV Röntgenstrahlung 0,3 1,2-1,3 MeV Co-60 γ Strahlung 0,3 4,0 MeV α - Strahlung 55,4 0,6 kev Beta-Teilchen aus T 5,5 10 kev Beta-Teilchen 2,3 1 MeV Beta-Teilchen 0,25 2,5 MeV Neutronen MeV Neutronen 7 Tabelle 2-9 Mittleres lineares Energieübertragungsvermögen LET einiger Strahlenarten in Wasser Seite 2-29

30 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Die Abhängigkeit des LET von der Energie eines schweren Teilchens (z.b. Protonen oder Alpha- Teilchen) wird in Abbildung 2-18 angedeutet. Für diese Teilchen ist am Anfang ihrer Bahn nur eine kleine Ionisationsdichte zu erwarten, weil die Teilchen sehr hohe Geschwindigkeiten haben. Gegen Ende der Bahn hat die Geschwindigkeit abgenommen und die Ionisierungsdichte nimmt stark zu. Es entsteht ein charakteristisches Ionisationsmaximum (Bragg-Peak). Entsprechende Kurven werden auch als "Bragg-Kurven" bezeichnet. Abbildung 2-18 LET für Alpha-Teilchen verschiedener Energien in Wasser in Abhängigkeit ihrer Eindringtiefe Bei der Betrachtung der Wechselwirkungsprozesse von Alpha-Teilchen mit Materie muss auch die Dichte des umgebenden Mediums betrachtet werden. Strenggenommen müsste der differentielle Energieverlust S eines geladenen Teilchens betrachtet werden. In S ist immer die übertragene Energie LET enthalten. Es gilt immer: LET < S. S durchläuft für alle Teilchen ein Minimum im mittleren Energiebereich. Der auf die Dichte ρ eines Materials bezogene differentielle Energieverlust S / ρ wird auch als Massebremsvermögen bezeichnet. S 1 = ρ ρ de dx S = differentieller Energieverlust ρ = Dichte des Materials Das Verhältnis der Massebremsvermögen verschiedener Materialien im Verhältnis zur Luft ist in Standardwerken der Physik tabelliert. Die Energieabsorption, die bei Eintreten von ionisierender Strahlung in Materie stattfindet, ist letztendlich ein Maß für die Strahlendosis. Eine solche Dosisgröße ist die Kerma (= kinetic energy released in matter), diese Dosisgröße wird allerdings nur für Photonen- und Neutronenstrahlung angewandt, die naturgemäß eine größere Reichweite haben. Seite 2-30

31 Die Kerma ist der Quotient aus der Summe der kinetischen Anfangsenergien aller geladenen teilchen, die von indirekt ionisierender Strahlung in einem Volumenelement erzeugt werden und der Masse des Volumenelementes. Bei ihrer Angabe muß das Bezugsmaterial (z.b. Wasserkerma) genannt werden. Abbildung 2-19 Unterscheidung von Kerma und Energiedosis ( aus Vogt/Schulz Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes ) Die Radiolyse des Wassers Beim Eindringen ionisierender Strahlung in ein wässriges Medium können nun in der chemischen Phase infolge der Ionisierungen folgende Prozesse, die auch als Radiolyse des Wassers bezeichnet werden, ablaufen: < e kin H O H O 2 H O H O * e Ionisation Anregung H e 2 O + + n H e aq + H + H O HO O e aq O H H O* H OH + H O OH 3 Seite 2-31

32 Mahling / E. Foßhag Fachkunde im Strahlenschutz Reaktionen unter Einwirkung ionisierender Strahlung - wie sie besonders in der Strahlenchemie untersucht werden - kennzeichnet man auch häufig mit einer Pfeilschlange: M M* (strahleninduzierte Anregung) M M + + e - (strahleninduzierte Ionisierung) Das hydratisierte Elektron e aq - kann je nach Reinheit des Wassers Lebenszeiten bis in den Millisekundenbereich aufweisen. Alle durch Wasserradiolyse entstandenen Radikale können innerhalb ihrer Lebenszeit ( s) diffundieren um dann schließlich mit anderen Radikalen oder leicht oxidierbaren (Bio)molekülen zu reagieren: e aq OH 2e H aq + H H H + H OH OH H H H O H 2 H O H O O 2 + 2OH + OH Die Radiolyse des Wassers ist somit ein wesentlicher Schritt zum molekularen Verständnis biologischer Strahlenwirkungen. Aus den Folgereaktionen der Radiolyse ist ersichtlich, dass als Folge der Bestrahlung aus Wasser das starke Oxidationsmittel H 2 O 2 entstehen kann, das als Zellgift wirkt. Die ablaufenden Prozesse werden sehr stark vom herrschenden ph-wert eines wässrigen Systems beeinflusst, sowie vom Sauerstoffgehalt, da letzterer zur Bildung von Hydroperoxid HO 2 führen kann: e + H 2O / OH aq + O2 O2 HO2 H + O2 Wegen ihrer besonderen Reaktivität wird die Bildung der Sauerstoffradikale O 2 - und HO2 mit als eine der Ursachen für die Strahlenempfindlichkeit anoxischer Zellen betrachtet. Andererseits finden dieselben Ionisationsprozesse, die in biologischer Matrix stattfinden, natürlich auch in anderer Materie statt, sie können z.b. zur Materialversprödung im Bereich hoher Strahlendosen führen. Diese Wechselwirkungsprozesse sind aber auch Grundlage für die Detektion ionisierender Strahlung, wie es in der Strahlenmesstechnik praktiziert wird. Ionisationsprozesse, die in einem Strahlendetektor auftreten, sind die Grundlage für viele Messverfahren, da sie als elektrische Impulse registriert werden können. Seite 2-32