Strahlenschutzkurs für Mediziner

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4 Strahlenschutzkurs für Mediziner III Uwe G. Schröder Beate S. Schröder 3., unveränderte Auflage 125 Abbildungen 44 Tabellen Georg Thieme Verlag Stuttgart New York

5 IV Dr. rer. nat. Uwe Gunther Schröder Beate Susanne Schröder MTRA, GF der B. S. Schröder Beratung und Logistik im Strahlenschutz Weiterbildung Breite Straße Recklinghausen Dr. med. Dr. rer. nat. Roland Rödel Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin Universitätsklinikum Bonn Sigmund-Freud-Straße Bonn 1. Auflage Auflage 2007 Wichtiger Hinweis: Wie jede Wissenschaft ist die Medizin ständigen Entwicklungen unterworfen. Forschung und klinische Erfahrung erweitern unsere Erkenntnisse, insbesondere was Behandlung und medikamentöse Therapie anbelangt. Soweit in diesem Werk eine Dosierung oder eine Applikation erwähnt wird, darf der Leser zwar darauf vertrauen, dass Autoren, Herausgeber und Verlag große Sorgfalt darauf verwandt haben, dass diese Angabe dem Wissensstand bei Fertigstellung des Werkes entspricht. Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag jedoch keine Gewähr übernommen werden. Jeder Benutzer ist angehalten, durch sorgfältige Prüfung der Beipackzettel der verwendeten Präparate und gegebenenfalls nach Konsultation eines Spezialisten festzustellen, ob die dort gegebene Empfehlung für Dosierungen oder die Beachtung von Kontraindikationen gegenüber der Angabe in diesem Buch abweicht. Eine solche Prüfung ist besonders wichtig bei selten verwendeten Präparaten oder solchen, die neu auf den Markt gebracht worden sind. Jede Dosierung oder Applikation erfolgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Autoren und Verlag appellieren an jeden Benutzer, ihm etwa auffallende Ungenauigkeiten dem Verlag mitzuteilen. Bibliographische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über abrufbar 2005, 2015 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14 D Stuttgart Telefon: + 49/ 0711/ Unsere Homepage: Geschützte Warennamen (Warenzeichen) werden nicht besonders kenntlich gemacht. Aus dem Fehlen eines solchen Hinweises kann also nicht geschlossen werden, dass es sich um einen freien Warennamen handele. Das Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Printed in Germany Zeichnungen: Heike Hübner, Berlin Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe Umschlagfotos: photodisc Satz: kaltnermedia GmbH, Bobingen; Druckhaus Götz GmbH, Ludwigsburg Druck: Grafisches Centrum Cuno, Calbe ISBN Auch erhältlich als E-Book: eisbn (PDF)

6 Vorwort Nihil est sine ratione omne ens habet rationem So lautete der letzte Satz des Vorwortes der 1. Auflage 2005 dieses, mit viel Liebe geschriebenen Buches. Als mein Vater Dr. Uwe G. Schröder im Januar 2007 verstarb, fiel es uns schwer an diese Worte zu glauben. Auch seinen ersten Satz möchte ich Ihnen in der Neuauflage nicht vorenthalten: Die Physik ist das Herz der Naturwissenschaft. Diese Aussage machte einst der Physiologe Emil Du Bois-Reymond. Ein Satz, den man mit Leidenschaft nur selten aus dem Munde eines Mediziners hört! Weiterbildungsmaßnahmen mein Vater formulierte es sehr schön, die auch nur etwas nach Physik riechen, sind ebenso unbeliebt wie notwendig! Ihm lag es sehr am Herzen, das Interesse und vielleicht sogar auch ein bisschen Liebe für die Physik zu wecken. Die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Strahlenschutzkurse zum Erwerb der Fachkunden und deren Aktualisierung sind für viele ein Gräuel! So sah er seine Aufgabe nicht darin, den physikalischen Stoff nur irgendwie an die Teilnehmer weiterzugeben, sondern die Materie mit viel Energie und Leben spannend zu gestalten. Seit einigen Jahren begleite ich die Kurse meiner Eltern und oft erreichen wir unser Ziel, aus dem Zwang, Spaß zu machen! Meiner Mutter Beate S. Schröder, Mitautorin dieses Buches, ist es gelungen diese Philosophie in seinem Sinne erfolgreich fortzuführen. Unser Buch ist ein treuer Begleiter solcher Kurse. Es ist ein großes Glück, dass mein Vater alle fachlichen Änderungen für die 2. Auflage noch kurz vor seinem plötzlichen Tod selbst vorgenommen hat. Ich hoffe, dass es ihm auch weiterhin gelingt, mit diesem Buch Freude an der Physik zu entfachen oder zumindest einen weiteren Beitrag zum Verständnis und zur Einsicht der Notwendigkeit zu leisten. Zur Erinnerung an meinen Vater möchte ich dieses Vorwort mit einem Gedicht abschließen, welches er selbst vor vielen Jahren geschrieben hat. Recklinghausen, Amelie K. Schröder Schatten Gehst du vorüber und siehst Du nur Schatten so bleibe lieber daheim allein. Nur offene Augen können aus der matten Dunkelheit saugen den hellen Schein. Nur offene Sinne sehn in den Schatten zu ihrem Gewinne das eigene Sein. Uwe G. Schröder

7 Vorwort zur 1. Auflage Die Physik ist das Herz der Naturwissenschaft diese Formulierung des Physiologen Emil Du Bois- Reymond, welche dessen Wertschätzung der Physik deutlich macht, stellen wir gerne an den Anfang dieses Lehrbuches. Denn sie erinnert daran, dass Physik und Medizin eine gemeinsame Wurzel haben, die man als die Lehre von der Natur im weitesten Sinne bezeichnen kann. Noch bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts nannte man in vielen deutschen Ländern den staatlich beamteten Arzt Physikus und bezeichnenderweise waren es ausschließlich Mediziner (Emil Du Bois-Reymond, Ernst Wilhelm von Brücke und Herrmann vom Helmholtz), die im vorletzten Jahrhundert (1845) die Gesellschaft für Physik in Berlin gründeten, welche später als Gesellschaft für Physik die Elite deutscher Physiker zu ihren Mitgliedern zählen konnte. Und dennoch sind für die Mediziner die Weiterbildungsmaßnahmen, die auch nur etwas nach Physik riechen, ebenso unbeliebt wie notwendig! Die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Strahlenschutzkurse zum Erwerb der Fachkunde und deren Aktualisierung werden von vielen zum Teufel gewünscht! Weil es nun aber für ebenso viele sein muss, haben wir uns vorgenommen, ein allgemeingültiges Buch zur Begleitung solcher Kurse zu schreiben, welches aus der langjährigen Erfahrung bei der Durchführung solcher Veranstaltungen entstanden ist und daher so hoffen wir den Vorstellungen der Mehrheit entspricht. Jedenfalls haben wir oft von den Teilnehmern unserer Kurse die Bemerkung gehört: Wenn ich gewusst hätte, was mir da geboten wird, hätte ich auch ohne Zwang teilgenommen! Wir wünschen uns, hiermit einen weiteren Beitrag zum Verständnis und zur Einsicht der Notwendigkeit der physikalischen Hintergründe im medizinischen Strahlenschutzalltag zu leisten. Nihil est sine ratione omne ens habet rationem Recklinghausen, im Dezember 2004 Beate S. und Uwe G. Schröder

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 2 Physikalische Grundlagen 3 Der Begriff Strahlung Kernphysikalische Grundlagen und Stabilität der Atomkerne, Radioaktivität Das Zerfallsgesetz Spezifische Aktivität Grundlagen der Nuklearmedizin Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie Photonen Schwächung von Photonenstrahlung Korpuskeln Wechselwirkungen und Schwächung von Korpuskeln Das Abstandsquadratgesetz Erzeugung von Röntgenstrahlen Röntgenröhre Einflüsse auf das Röntgenspektrum Charakteristische Röntgenstrahlung Erzeugung der Hochspannung (Röntgengenerator) Anodenbrennfleck Homogenitätsgrad Einstellparameter einer Röntgenröhre Röntgenbilderzeugung und Röntgenbildqualität 29 Prinzip der Röntgendiagnostik Strahlenrelief Aufzeichnungsmedien Filmmaterial und Filmcharakteristik Definition der Filmschwärzung Verstärkerfolien Speicherfolien Entwicklungsprozess Einfluss der Spannung auf die Gradationskurve Streustrahlung und ihre Beseitigung Abbildungsgesetz Untersuchungsgeräte und -methoden 40 Untersuchungsgeräte Röntgenaufnahmen am Vertikalstativ Röntgenaufnahmen am Bucky-Tisch Röntgenuntersuchungen mit Spezialgeräten. 41 Untersuchungsgeräte für Spezialuntersuchungen Technischer Aufbau Untersuchungsmethoden Panoramaaufnahme des Ober- und Unterkiefers Tomographie/Zonographie Tomographie Zonographie Belichtung Pantomographie Computertomographie Ganzkörper-CT Weitere Entwicklungen im CT-Bereich.. 50 Röntgenuntersuchungen mit Durchleuchtungsgeräten

9 VIII Inhaltsverzeichnis Konventionelle Durchleuchtungsgeräte. 51 Elektronischer Bildverstärker Untersuchungsmethoden mit Durchleuchtungsgeräten Mammographie Darstellung der weiblichen Brust Heel- Effekt Ergänzende Untersuchungen zur Mammographie Dosimetrie 59 Dosisbegriff Äquivalentdosis Effektive Dosis Messgeräte und Methoden Absolute Methoden Kalorimetrie Ionisationsdosimetrie Chemische Dosimetrie Relative Methoden Filmdosimetrie Thermolumineszenzdosimetrie (TLD).. 65 Radiophotolumineszenzdosimetrie Speziell in der Medizin gebräuchliche Dosisbegriffe Dosisbegriffe des Strahlenschutzes Messgrößen für äußere Strahlung bei der Ortsdosimetrie Messgrößen für äußere Strahlung bei der Personendosimetrie Dosimetrie und Messtechnik bei der Anwendung radioaktiver Nuklide Zählrohre Aktivimeter Kollimatoren Messplätze Gammakamera Emissionstomographie SPECT PET Qualitätskontrolle 74 Röntgenstrahlen Einleitung Filmverarbeitungskontrolle Materialien Messmethode Filmmaterial Grenzwerte Häufigkeit Konstanzprüfung am Röntgengerät Direktradiographie Materialien Messmethode Konstanzprüfung an Durchleuchtungsarbeitsplätzen Qualitätssicherung bei der Mammographie. 82 Nuklearmedizin Natürliche und zivilisatorische Strahlenexpositionen 85 Einleitung Natürliche Strahlenexposition Zivilisatorische Strahlenexposition Beispiele für verantwortungslosen Umgang mit ionisierender Strahlung Strahlenunfälle Strahlenexpositionen von Patienten und Personal Röntgenuntersuchungen Nuklearmedizin

10 Inhaltsverzeichnis IX 8 Organisatorische und rechtliche Maßnahmen 93 Grundsätze des Strahlenschutzes Grundsatz der Notwendigkeit und Rechtfertigung Grundsatz der Optimierung des Strahlenschutzes Grundsatz der Überwachung individueller Dosisgrenzwerte Strahlenschutzbereiche Sperrbereich Kontrollbereich Überwachungsbereich Strahlenschutzmaßnahmen Strahlenschutz an Geräten Organisatorische Maßnahmen zum Strahlenschutz Unterweisung Strahlenschutzverantwortlicher Strahlenschutzbeauftragter Strahlenschutz durch Qualitätssicherung Personenbezogener Strahlenschutz.. 97 Weitere Maßnahmen zum Strahlenschutz Strahlenschutz für Beschäftigte durch organisatorische Maßnahmen Strahlenschutz durch bauliche Maßnahmen Strahlenschutztechnik beim Umgang mit radioaktiven Stoffen Praktischer Strahlenschutz Strahlenbiologische Wirkungen 101 Strahlenwirkung auf biologische Systeme, insbesondere auf Zellen und Zellkern. 101 Der zeitliche Verlauf der Strahlenwirkung. 101 Direkte und indirekte Wirkungen Zellzyklus und Strahlensensibilität Stochastische und deterministische (nicht-stochastische) Wirkung Stochastische Wirkungen Deterministische Wirkungen Akute Strahlenkrankheiten Neurale Strahlenkrankheiten Intestinale Strahlenkrankheit Knochenmarksbedingte Strahlenkrankheit. 105 Beeinflussung der Strahlensensibilität Praktischer Teil 106 Festgelegte, normierte Röntgenaufnahmen in der Einstelltechnik Aufnahmen der verschiedenen Organregionen Anhang Kommentare zu den Verordnungen 121 Die Strahlenschutzverordnung Die novellierte Röntgenverordnung Auszüge aus den Verordnungen Grenzwerte und deren Überwachung (Auszüge aus der Röntgenverordnung) a Dosisgrenzwerte bei beruflicher Strahlenexposition b Berufslebensdosis c Dosisbegrenzung bei Überschreitung Begrenzung der Strahlenexposition der Bevölkerung Zu überwachende Personen und Ermittlung der Körperdosis Schutz von Mensch und Umwelt vor natürlichen Strahlenquellen (Auszüge aus der Strahlenschutzverordnung) Dosisbegrenzung Dosisreduzierung Natürlich vorkommende radioaktive Stoffe an Arbeitsplätzen Dokumentation und weitere Schutzmaßnahmen

11 X Inhaltsverzeichnis 103 Schutz des fliegenden Personals vor Exposition durch kosmische Strahlung Diagnostische Referenzwerte (DRW) Leitlinien der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik Präambel I. Ärztliche Qualitätsforderungen II. Aufnahmetechnische Leitlinien III. Ärztliche Qualitätsforderungen bei Neugeborenen, Säuglingen, Kindern und Jugendlichen IV. Physikalische Größen des Bilderzeugungssystems Grenzwerte der physikalischen Größen für alle Körperregionen Betrachtungsbedingungen von Röntgenaufnahmen (Durchsichtsbilder) V. Übersichtsschema zu Qualitätskriterien röntgendiagnostischer Untersuchungen Ärztliche Qualitätsforderungen Aufnahmetechnische Leitlinien Physikalische Parameter des Bilderzeugungssystems VI. Katalog diagnostischer Qualitätskriterien und aufnahmetechnischer Hinweise bei Röntgen-Untersuchungen Thorax Skelett Gallenblase und Gallenwege Magen und Duodenum Dünndarm Kolon Harntrakt Abdomen Mamma Zähne Angiographie Periodensystem der Elemente Diagnostische Referenzwerte Sachverzeichnis 157

12 1 Einführung Bereits wenige Jahre nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung (W. C. Röntgen, 1895) und ein Jahr später der natürlichen Radioaktivität (Henri Antoine Becquerel, 1896) kam es zu den kühnsten und teilweise auch absurdesten Anwendungsvorschlägen. So wurden der ionisierenden Strahlung heilende Kräfte zugeschrieben. Mit Radioaktivität versetztes Haarwasser zur Kräftigung des Haarwuchses (Markenname REZ- ALL) und mit Thorium aktivierte Zahnpasta zur Massage des Zahnfleisches und Erfrischung der Mundhöhle (Markenname DORAMAD) sind nur zwei der erschreckenden Beispiele dieser naiven Vorstellungen, aber auch des verantwortungslosen Umgangs mit ionisierender Strahlung. Angesichts unserer heutigen Erkenntnisse ist diese damalige Euphorie ein mahnendes Beispiel für die Notwendigkeit der intensiven und vor allem kritischen Prüfung jeglicher so genannter Fortschritte, bevor man sie zum Einsatz bringt! Die beobachtbaren Wirkungen ionisierender Strahlung machten die Notwendigkeit klar, Regeln für den Strahlenschutz zu entwickeln, was bereits 1928 zur Gründung der Internationalen Strahlenschutzkommission (International Commission of Radiation Protection, ICRP) geführt hat. Die von dieser Kommission ausgearbeiteten Empfehlungen blieben für den Strahlenschutz in Deutschland maßgeblich, bis im damaligen Deutschen Reich eine so genannte Reichsstrahlenschutzverordnung ins Leben gerufen wurde. Diese Verordnung zum Schutze gegen Schäden durch Röntgenstrahlung und radioaktive Stoffe wurde 1941 in Kraft gesetzt, damals aus bekannten Gründen sehr einseitig artikuliert und beschränkt auf nicht medizinische Betriebe. Erst sehr lange nach dem 2. Weltkrieg (1960) resultierte daraus wegen der Verpflichtung der BRD aus dem EURATOM-Vertrag die Erste Strahlenschutzverordnung, welche dann in innerdeutsches Recht umgesetzt wurde. Allerdings waren in dieser Verordnung noch einige nicht berücksichtigte Anwendungsbereiche (z. B. alle Anwendungen in Schulen, Universitäten und sonstigen Ausbildungsstätten). Ihr folgte daher vier Jahre später (1964) die Zweite Strahlenschutzverordnung, welche die bestehenden Lücken der ersten Verordnung füllte und beide wurden dann in innerdeutsches Recht umgesetzt. Die Ende der 60-Jahre zunehmende Weiterentwicklung der Röntgentechnik bis hin zur Computertomographie (Hounsfield, 1972) machte die Einführung einer weiteren Verordnung notwendig, und diese wurde als Röntgenverordnung 1973 erlassen. Durch sie wurden sämtliche Röntgeneinrichtungen unterhalb eines bestimmten Energiebereiches erfasst, so dass die Strahlenschutzverordnung seitdem zwar weiterhin für sämtliche ionisierende Strahlen zuständig war, nicht jedoch für Röntgenstrahlen unterhalb des festgesetzten Energiebereiches. Die Einführung der Röntgenverordnung stieß auf einen zum Teil erheblichen Widerstand der Ärzte, die sich gegen die Reglementierung ihres Berufes zur Wehr setzten. Aber letztlich siegte auch hier die Einsicht in die Notwendigkeit, klare Regelungen für die Anwendung von Röntgenstrahlen zu schaffen. Eine erste Neufassung erhielt die Röntgenverordnung 1987, in welcher auch der Begriff Fachkunde im Strahlenschutz neu definiert und deren Erwerb durch anerkannte Strahlenschutzkurse für einen definierten Personenkreis, der Röntgenstrahlung zur Untersuchung oder Behandlung am Menschen anwenden darf, vorgeschrieben wurde. In der Folgezeit wurden die Verordnungen in dem Bestreben nach Konzentration und Harmonisierung mehrfach modifiziert und den aktuellen wissenschaftlichen und politischen Entwicklungen angepasst. Die EURATOM-Grundlagen-Richtlinien (1996 und 1997) machten durch deren Umsetzung in innerdeutsches Recht grundlegende Änderungen in beiden Verordnungen notwendig, und so kam es letztlich zu einer völligen Neufassung der Strahlenschutzverordnung (in Kraft getreten am 1. August 2001) und einer Novellierung der Röntgenverordnung (in Kraft getreten am 1. Juli 2002). In beiden Verordnungen wird vorausgesetzt, dass die zur Anwendung von ionisierender Strahlung berechtigten Personen eine für den jeweili-

13 2 Einführung gen Anwendungsbereich klar definierte Fachkunde im Strahlenschutz besitzen müssen, welche praktische Erfahrung und die erfolgreiche Teilnahme an anerkannten Strahlenschutzkursen voraussetzt. Der Erwerb der Fachkunde wird von der zuständigen Behörde geprüft und gegebenenfalls bescheinigt. Das vorliegende Buch soll Ihnen beim Erwerb der Kenntnisse im Strahlenschutz behilflich sein und Sie bei der Teilnahme an den jeweiligen Kursen begleiten. Es handelt sich im Einzelnen um: I. Kurs zum Erwerb von Kenntnissen im Strahlenschutz nach der RöV (EKR, 8 UE = 8 Unterrichtseinheiten) Die Teilnahme an diesem Kurs ist die Voraussetzung für sämtliche Tätigkeiten im Bereich der Röntgendiagnostik unter Anleitung eines fachkundigen Arztes und somit auch für den Erwerb der Sachkunde nach der RöV (diesbezügliche Tätigkeiten werden nur nach der Teilnahme an diesem Kurs anerkannt!) II. Kurs zum Erwerb von Kenntnissen in der Nuklearmedizin und Strahlentherapie nach der StrlSchV (EKS, 24 UE) Die erfolgreiche Teilnahme an diesem Kurs ist die Voraussetzung für sämtliche Tätigkeiten in diesem Fachgebiet unter Anleitung eines fachkundigen Arztes und somit auch für den Erwerb der Sachkunde nach der StrlSchV. III. Grundkurs im Strahlenschutz (GK, 24 UE) Die erfolgreiche Teilnahme an diesem Grundkurs ist die Voraussetzung für sämtliche weiterführenden Spezialkurse. IV. Spezialkurse (SK) a) SK-Röntgendiagnostik (SK-RD, 20 UE) Die Teilnahme an diesem Kurs ist die Voraussetzung für b) und c). b) SK-Computertomographie (SK-CT, 4 UE) c) SK-Interventionelle Röntgendiagnostik (SK-IR, 4 UE) d) SK-Röntgenteletherapie (SK-RT, 28 UE) e) SK-Nuklearmedizin (SK-NUK, 24 UE) f) SK-Teletherapie (SK-TT, 28 UE) g) SK-Brachytherapie (SK-BT, 20 UE) Die Bescheinigungen der erfolgreichen Absolvierung aller genannten Kurse ermöglicht dann die Beantragung der Fachkundebescheinigung, wenn ausreichende Tätigkeitszeiten für die Sachkunde nachgewiesen werden. Die Erfordernisse für die Sachkunde richten sich nach Art und Umfang der Untersuchungen, mindestens jedoch benötigt man den Nachweis über eine einjährige Tätigkeit. Die Fachkunden sind unbedingte Voraussetzungen für die selbständigen Tätigkeiten in den jeweiligen Anwendungsgebieten. Doch auch Personen ohne die erforderliche Fachkunde können unter Aufsicht und Verantwortung eines Arztes mit entsprechender Fachkunde die genannten Tätigkeiten durchführen oder dabei technisch mitwirken, wenn sie erfolgreich an einem entsprechenden Strahlenschutzkurs teilgenommen haben, wie er von diesem Buch ebenfalls begleitet wird (s. Seite 2, I. oder II.). Dazu gehören: alle Ärzte, die die erforderliche Fachkunde nicht besitzen, Personen mit einer sonstigen abgeschlossenen medizinischen Ausbildung, die nicht Ärzte oder Medizinisch-Technische RadiologieassistentInnen sind und technisch mitwirken (MTA, ArzthelferInnen) sowie Personen, die sich in einer Ausbildung befinden, welche die Voraussetzungen zur technischen Mitwirkung vermittelt. Mit der völligen Erneuerung der StrlSchV und der Novellierung der RöV wurden die Vorschriften dadurch ergänzt, dass alle Personen, die über die erforderliche Fachkunde oder Kenntnisse im Strahlenschutz verfügen, diese mindestens alle 5 Jahre in einem anerkannten Kurs aktualisieren müssen. Dabei sollen wesentliche Grundlagen des Strahlenschutzes, neue Techniken und neue Rechtsvorschriften gelehrt werden. So soll sichergestellt werden, dass das Strahlenschutzwissen der beteiligten Personen stets auf dem neuesten Stand ist.

14 2 Physikalische Grundlagen Der zentrale Begriff in der Radiologie ist eine physikalische Größe, welche als Ursache aller Wirkungen angesehen werden kann: die Energie. Sie ist definiert als die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten. Dieser Begriff Arbeit stammt aus der Physik der Mechanik, wo man sie als das Produkt aus einer zu verrichtenden Kraft und dem Weg, längs dessen diese Kraft wirkt, definiert (Abb. 2.1). Als Symbole verwendet man den ersten Buchstaben des Begriffes in englischer Sprache. Für die Arbeit somit W (work), für die Kraft F (force), und für den Weg s (space). In Tabelle 2.1 sind sämtliche physikalischen Größen zusammengestellt, welche für dieses Buch Bedeutung haben, zusammen mit den jeweiligen Symbolen und Einheiten. Für die Einheit der Arbeit erhält man aus der Definitionsgleichung W = F s [W] = [F] [s], N m = J (Joule) Als Beispiel betrachten wir eine Kugel mit bekanntem Gewicht G, welche vom Erdboden auf eine gewisse Höhe h angehoben wird. Die Kraft F wäre somit F = G und die Strecke s wäre s = h. Die zu verrichtende Arbeit somit W = F s = G h. Definitionen: Strahlung = Energietransport Energie = gespeicherte Arbeit Arbeit = Kraft Weg W = F s Zahlenbeispiel: F = Gewicht G = 20 N s = Höhe h = 2 m h [F] = N (Newton) [s] = m (Meter) [W] = J (Joule) W = F s = 20 N 2 m = 40 Nm = 40 J Abb. 2.1 Energie ist definiert als die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten. In ihrer neuen Position ist diese Arbeit dann in der Kugel als Energie gespeichert, welche wieder in Arbeit umgewandelt werden kann, indem man ihr einen kleinen Stoß gibt. Dann wird sie sich wieder Tabelle 2.1 Einheiten und Symbole physikalischer Größen Physikalische Größe Symbol Einheit Symbol Länge s Meter m Masse m Kilogramm kg Zeit t Sekunde s elektrische Stromstärke I Ampere A elektrische Ladung Q Coulomb C Kraft F Newton N (mkg/s 2 ) Arbeit bzw. Energie W Joule J (Nm) Ionendosis J Coulomb pro Kilogramm C/kg Energiedosis D Gray Gy (J/kg) Äquivalentdosis H Sievert Sv (J/kg) Frequenz ν Hertz Hz (1/s) Spannung U Volt V (J/C) Energie (atomar) W Elektronenvolt ev (1, J) Aktivität A Becquerel Bq (1/s)

15 4 Physikalische Grundlagen in Bewegung setzen und auf der anderen Seite wieder herunterrollen. Die ruhende" Energie (potenzielle Energie) wurde also in Bewegungsenergie umgewandelt. Dieses einfache Beispiel ist ein anschauliches Bild für die Energieumwandlungsvorgänge bei der Wirkung von Strahlung. Der Begriff Strahlung a b + Proton 3s 3d 2s Elektron 3p 2p 36 + K L M N Abb. 2.2 Atommodelle. a Das Element Krypton (Ordnungszahl 36), dargestellt im vereinfachten Atommodell. b Atommodell nach Bohr und Sommerfeld. Hier werden die Elektronen des einfachen Bohr-Modells in Unterschalen unterteilt, die in ebener Projektion kreuzoder ellipsenförmig sind. Die Quantenzahlen 1, 2, 3, 4 usw. entsprechen den Schalen K, L, M, N usw. Die Buchstaben s, p, d und f kennzeichnen als Bahndrehimpuls die Unterschalen", von denen jede bis zu zwei Elektronen aufnehmen kann. 4f 4d 4p 4s Unter Strahlung versteht man allgemein die räumliche Ausbreitung von Energie. Die Untersuchung der Frage, auf welche Weise diese Energie transportiert wird und wie sie mit der Materie des Raumes wechselwirkt, erfordert zunächst eine Betrachtung des Aufbaus der Materie selbst. Schon mindestens 500 Jahre vor Beginn der neuen Zeitrechnung ging man davon aus, dass die Materie aus einer Vielzahl von immer gleichen Urteilchen besteht und ihre Eigenschaften sich lediglich durch die unterschiedliche Anordnung dieser Teilchen untereinander unterscheiden. Die Teilchen selbst wurden als unteilbar angesehen und Atome genannt (gr. atomos = unteilbar). Heute wissen wir, dass auch diese Teilchen selbst eine innere Struktur aufweisen, und die Beschäftigung mit dem inneren Aufbau dieser Atome nennen wir Atomphysik. Immer dann, wenn man es mit Problemen zu tun hat, welche die Größenordnungen der alltäglichen Anschauung stark über- oder unterschreiten, helfen wir uns mit dem Bild von Modellen. Nach den Untersuchungen von Ernest Lord Rutherford ( , Nobelpreis für Physik 1908) muss man sich ein Atom vorstellen als ein Gebilde, bei dem nahezu die gesamte Masse in einem kleinen Kern vereinigt ist, der positiv geladen ist. Um diesen Kern herum befindet sich eine lockere Wolke aus negativen Ladungsträgern. Niels Bohr ( , Nobelpreis für Physik 1922) hat dieses Atommodell quantitativ interpretiert, indem er für den Aufenthaltsort dieser negativen Ladungsträger (Elektronen) nur diskrete Umlaufbahnen erlaubte, in welchen sie sich mit unterschiedlichen Energien bewegen (Abb. 2.2). Die Energien der Elektronen in den Umlaufbahnen nehmen von innen nach außen zu. Ein Aufenthalt der Elektronen zwischen den vorgeschriebenen Bahnen ist energetisch nicht möglich. Beim Übergang von einer inneren zu einer äußeren Umlaufbahn ist die Aufnahme von Energie notwendig, und umgekehrt wird beim Übergang von einer äußeren zu einer inneren Umlaufbahn Energie frei. Die Elektronen selbst haben also in ihren Umlauf-