Strahlenschutzkurs für Mediziner

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1 Strahlenschutzkurs für Mediziner von Uwe G. Schröder, Beate S. Schröder 2. akt. Aufl. Thieme 2007 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 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-

3 Der Begriff Strahlung 5 5 km Proton (elektropositiv) Abb. 2.4 Neutron (elektroneutral) Die wichtigsten Elementarteilchen. Elektron (elektronegativ) Abb. 2.3 Maßstabsgetreue Projektion des Atommodells auf gewohnte Dimensionen. bahnen, vergleichbar mit der eingangs erwähnten Kugel auf dem Hügel, eine diskrete Energie zur Verrichtung von Arbeit gespeichert. Um einen Übergang von einer Bahn zu einer anderen zu provozieren, muss also entweder dem Atom Energie zugeführt werden oder von dem Atom abgestrahlt werden, und dies ist die Grundlage der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie. Bei Modellen sind wir im Allgemeinen maßstabsgetreue Bilder gewohnt (Landkarten usw.). Ein Atommodell kann aber auf keine Weise in einem Lehrbuch maßstabsgetreu abgebildet werden, denn die Größenordnungen der Bausteine selbst und der zugehörigen Umlaufbahnen unterscheiden sich um den Faktor Hat beispielsweise der Atomkern den Durchmesser einer Apfelsine, dann haben die Elektronen in etwa die Größe von Kirschen und würden sich im Abstand von 5 km um diese Apfelsine herumbewegen (Abb. 2.3). Aber auch der Atomkern selbst ist kein homogenes Gebilde. Er besteht seinerseits aus elementaren Bausteinen (Nukleonen), bei welchen man die positiv geladenen Protonen von neutralen, ungeladenen Neutronen unterscheidet (Abb. 2.4). Die weitere Entwicklung der Physik zeigte, dass auch die Nukleonen nicht elementar sind, sondern ihrerseits wiederum aus noch wesentlich kleineren Bausteinen aufgebaut sind. Murray Gell- Mann (*1929, 1969 Nobelpreis für Physik) hat 1964 mit seiner Theorie der Quarks die Grundvorstellungen des Aufbaus der Materie revolutioniert, wonach jedes Nukleon aus genau drei Grundbausteinen aufgebaut ist, den von ihm so genannten Quarks. Der etwas eigenartig anmutende Name stammt aus dem philosophischen Roman Finnegans wake des von Gell-Mann hochgeschätzten irischen Autors James Joyce, aus welchem der Satz three Quarks for Muster Mark als Inspirationsquelle diente. Diese Quarks besitzen entweder positive oder negative gedrittelte Ladungen (up- und down-quarks jeweils 2/3 und -1/3), welche je nach Kombination die Ladungssumme 1 (Proton) oder 0 (Neutron) ergeben. Diese Theorie wurde bis heute sehr erfolgreich weiterentwickelt, insbesondere konnten mit der Entdeckung der asymptotischen Freiheit die besonderen Eigenschaften der Wechselwirkungen der Quarks untereinander erklärt werden (D. J. Gross, H. D. Politzer, F. Wilczeck, Nobelpreis für Physik, 2004) und damit letztlich das, was die Welt im Innersten zusammen hält!. Sie liefert auch für die praktische Anwendung wesentliche neue Erkenntnisse über die Ursachen der Radioaktivität. Die Zahl der Protonen bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Atoms und somit seine Anordnung im Periodensystem der Elemente (Ordnungszahl). Die Größenordnungen der Elementarteilchen sind: Nukleonendurchmesser ca m, Atomdurchmesser ca m, Nukleonenmasse ca kg, Elektronenmasse ca kg. Bei der Ausbreitung von Energie (Strahlung) können diese Elementarteilchen die Aufgabe des Energietransportes übernehmen. Wir sprechen dann von der sog. Korpuskularstrahlung. Die Energie steckt dann in der Bewegung der transportierten Masse (Elektronenstrahlen, Protonenstrahlen, Neutronenstrahlen usw.). Es gibt aber auch einen Energietransport ohne korpuskulare Teilchen. Dann trägt sich die Energie sozusagen selbst in

4 6 Physikalische Grundlagen Frequenz: ν (nü) = Schwingungen pro Sekunde Wellenlänge: λ (Lambda) Ausbreitungsgeschwindigkeit: c Abb. 2.5 Charakteristische Größen einer Welle. c = λ ν = m/s 1,5 1,0 0,5 0 0,5 Für alle elektromagnetischen Wellen im Vakuum λ Energie W: W = h ν h = 6, J s 1,0 1,5 Form von Energiepaketen, welche man allgemein Photonen nennt. Diese massenlosen Photonen sind die Energieträger jeglicher Art von elektromagnetischer Strahlung, wozu auch das Licht und die Röntgenstrahlen gehören. Die mathematische Beschreibung des Energietransportes durch korpuskulare Teilchen oder Photonen kann auch in einem anderen Bild geschehen, dem sog. Wellenbild (Abb. 2.5 u. 2.6). Als Welle bezeichnet man allgemein die räumlich und zeitlich periodische Veränderung der Zustände im Raum. Das einfachste Beispiel sind die Oberflächenwellen von Wasser. Hierbei bewegen sich die Wasserteilchen periodisch auf und ab und erwecken so den Eindruck einer sich fortpflanzenden Welle. Aber auch nicht direkt sichtbare Zustände oder Eigenschaften des Raumes (z. B. elektrische Amplitude Hoch- und niederfrequente Quanten im Ver- Abb. 2.6 gleich. Niederfrequente Quanten mit geringer Energie Wellenpaket Wellenpaket Amplitude Zeit Hochfrequente Quanten mit hoher Energie Zeit oder magnetische Felder) können sich periodisch verändern und somit eine entsprechende Welle erzeugen (elektromagnetische Wellen). Man kann eine Welle auch als die räumliche Ausbreitung einer Schwingung interpretieren, wie man eine rein zeitlich periodische Zustandsänderung allgemein bezeichnet. Die Anzahl der Zustandsänderungen, die hierbei pro Zeiteinheit stattfinden, nennt man die Frequenz der Welle mit dem Symbol ν und den kleinsten räumlichen Abstand gleicher Schwingungszustände die Wellenlänge λ (Abb. 2.5). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v jeder Welle ist immer das Produkt aus ihrer Wellenlänge und ihrer Frequenz. In Symbolen: v = λ ν (Abb. 2.6). Eine besondere Rolle in der Physik spielen die elektromagnetischen Wellen, da sie keine materiellen Teilchen (Korpuskeln) als Energieträger haben, sondern die massenlosen Photonen. Sie haben eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die für alle Photonen unabhängig von ihrer Energie immer gleich ist (Symbol c für c = const.) und überhaupt die größte Geschwindigkeit ist, welche wir in der Natur beim Transport von Energie oder Materie beobachten können. Sie beträgt c = m/s. λ ν = c = m/s Dies ist die fundamentale Erkenntnis Albert Einsteins ( , Nobelpreis für Physik 1921) in seiner Relativitätstheorie, aus welcher sich auch gleichzeitig die Äquivalenz von Masse und Energie herleiten lässt. Jede beliebige Masse repräsentiert durch ihre bloße Existenz einen Energiebetrag,

5 Der Begriff Strahlung 7 γ-strahlen Rundfunk/Fernsehen Röntgenstrahlen Radioaktivität 750 nm sichtbares Licht 400 nm infrarot ultraviolett Wellenlänge in m = Frequenz ν in Hz Energie eines Quants in ev, W = h ν 4, , , Filmschwärzung Ionisation Abb. 2.7 Elektromagnetisches Spektrum mit Angabe von Wellenlänge und Frequenz und der technischen und biologischen Bedeutung der jeweiligen Strahlung. welcher sich als Produkt aus der Masse und dem Quadrat der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ergibt. W = m c 2 (Energie-Massen-Äquivalenz) Der gesamte Raum ist erfüllt von elektrischen und magnetischen Feldern, insbesondere von elektromagnetischen Wellen. Zu ihnen zählen die Radiowellen, die Mikrowellen, das sichtbare Licht und natürlich auch die Strahlung, die uns in diesem Buch besonders beschäftigt, die Röntgenstrahlung. Sie liegt zusammen mit der Gammastrahlung an der kurzwelligen Seite des elektromagnetischen Spektrums (Abb. 2.7). Der Zusammenhang zwischen dem mathematischen Bild der Welle für den Transport von Energie mit dem Bild der Photonen als Energiepakete ist dadurch gegeben, dass die von der Welle transportierte Energie W zur Frequenz ν proportional ist. Dies führt für die korrespondierenden Photonen zu deren Energie W = h ν. Der Proportionalitätsfaktor h ist das sog. Plancksche Wirkungsquantum (Max Planck, , Nobelpreis für Chemie 1918). Als Ion bezeichnet man ein Atom, bei welchem die Zahl der negativen Elektronen nicht mit der positiven Kernladungszahl übereinstimmt, das Atom also insgesamt als geladenes Teilchen erscheint (von Ionos; gr. der Wanderer). Ein Atom wird also zu einem positiven Ion, wenn man ein oder mehrere Elektronen aus der Atomhülle entfernt. Dieser Prozess erfordert Energie (Ionisationsenergie) und kann somit durch Strahlung bewirkt werden. Jede Strahlung, deren Energie ausreicht, um Atome zu ionisieren, nennt man ionisierende Strahlung.