Warum ist radioaktive Strahlung gefährlich? Wie wirkt radioaktive Strahlung?

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1 Warum ist radioaktive Strahlung gefährlich? Wie wirkt radioaktive Strahlung? Mozart-Schönborn-Gymnasium Würzburg März 2010 (Mai 2007)

2 1 Wie wird radioaktive Strahlung absorbiert? 2 Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung 3 Messung der Wirkung radioaktiver Strahlung Dosimetrie Dosis Was ist das? Bewertungsfaktoren 4 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 5 Woher kommt die Strahlenbelastung? Kosmische Strahlung 6 Schützen vor radioaktiver Strahlung Abschirmung

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4 Wie wird radioaktive Strahlung absorbiert? Energieübertragung von rad. Strahlung auf andere Atome durch: Kernumwandlung: Ein α- oder β-teilchen wird im Kern eingebaut, es entsteht (meistens) ein radioaktives Isotop. (bei α, β) Ionisation-Ionisationsbremsung: Das Teilchen verliert durch Ionisation von Molekülen Energie. Dabei können Radikale entstehen. (bei α, β & γ) Strahlungsbremsung: Durch z.b. nahes Vorbeiiegen am Kern. Dabei wird z.b. γ-strahlung und Röntgenstrahlung frei. (bei α, β) Paarbildung: in der Nähe eines Kerns werden Elektron und Positron gebildet. Es entsteht β-strahlung. (bei γ)

5 Wie wird radioaktive Strahlung absorbiert?

6 Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung

7 Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung

8 Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung Strahlung Zelle Zellflüssigkeit Eiweißmoleküle Nukleinsäuremoleküle Primäre Wirkung Stoß (Erhöhung der Temperatur) Anregung (elektromag. Strahlung) Ionisation (Radikale, Zerstörung der Molekülstruktur) Sekundäre Wirkung Bildung von Wasserstoffperoxid Veränderung von Aminosäuren und Enzymen Zerstörung / Veränderung von Chromosomen

9 Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung Strahlung Zelle Zellflüssigkeit Eiweißmoleküle Nukleinsäuremoleküle Primäre Wirkung Stoß (Erhöhung der Temperatur) Anregung (elektromag. Strahlung) Ionisation (Radikale, Zerstörung der Molekülstruktur) Sekundäre Wirkung Bildung von Wasserstoffperoxid Veränderung von Aminosäuren und Enzymen Zerstörung / Veränderung von Chromosomen Auswirkungen auf den Organismus somatische Schäden: Krebs, Entzündungen, Haarausfall genetische Schäden: Missbildungen...

10 Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung Die Strahlenschäden können sofort auftreten (ähnlich wie Verbrennungen) mit zeitlicher Verzögerung auftreten: latente Schäden; unter Umständen erst nach Jahren Zum Beispiel Leukämie, Krebs, Schädigungen des Erbmaterials

11 Messung der Wirkung radioaktiver Strahlung Dosimetrie Dosis Was ist das? Strahlendosis

12 Messung der Wirkung radioaktiver Strahlung Dosimetrie Dosis Was ist das? Strahlungsgröÿe Name Denition Anzahl der erzeugten Ionen Ionendosis I := Q ; m [I ] = As kg Absorbierte Energie Energiedosis D := W ; m [D] = J kg = 1 Gy (1 Gray) Biologische Wirksamkeit (q) Organdosis H := q D; absorbierte Energie (Äquivalentdosis) [H] = J kg = 1 Sv (1 Sievert)

13 Messung der Wirkung radioaktiver Strahlung Dosimetrie Bewertungsfaktoren Wichtungsfaktoren (q-faktoren) Bei gleicher Energiedosis sind zum Beispiel α-strahlen viel gefährlicher (20-mal gefährlicher) als β-strahlen, weil sie auf gleicher Strecke mehr Ionen bilden. Multiplikation der Energiedosis mit Wichtungsfaktor, um Organdosis (biologische Wirksamkeit) zu erhalten.

14 Messung der Wirkung radioaktiver Strahlung Dosimetrie Bewertungsfaktoren Wichtungsfaktor (früher Bewertungsfaktor) Vergleich der biologischen Schädlichkeit bzw. Wirksamkeit der einzelnen Strahlungsarten Strahlungsart Wichtungsfaktor q Röntgen und γ-strahlung 1 β-strahlung 1 thermische Neutronen 3 α-strahlung 20 Protonen 10 schnelle Neutronen Schwere (Rückstoÿ-)Kerne 30

15 Messung der Wirkung radioaktiver Strahlung Dosimetrie Bewertungsfaktoren Dosisleistung Dosisleistung Die Dosisleistung ist die aufgenommene Dosis pro Zeiteinheit: Energiedosisleistung D t Äquivalentdosisleistung H t

16 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Auswirkung verschiedener Strahlendosen

17 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis

18 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Strahlenwirkung auf den Menschen 7 Sv 4 Sv 0,2 Sv 0,004 Sv/a 0,00001 Sv/a Tod 50 % überleben direkte Strahlenwirkung mittlere Belastung D 10 µsv-konzept

19 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Strahlenkrankheit Äquivalent- nach 3h 24h 3d nach langer Zeit dosis 1 Sv 2 Sv Übelkeit ev. Erbrechen mehrere Wochen Arbeitsunfähigkeit 4 Sv Übelkeit, Erbrechen ev. Fieber, mehrere Monate Erbrechen Durchfall Arbeitsunfähigkeit 6 Sv Schock, Erbrechen, Fieber, Tod Apathie, Fieber Erythem, Erbrechen Durchfall e r h ö h t e s K r e b s r i s i k o

20 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Akute Wirkungen durch hohe Strahlendosis bis 0,5 Sv geringfügige Blutbildveränderungen, sonst keine nachweisbaren Wirkungen 0,81,2 Sv bei 510% der Exponierten etwa ein Tag lang Erbrechen, Übelkeit und Müdigkeit 1,31,7 Sv bei etwa 25% der Exponierten etwa ein Tag lang Erbrechen und Übelkeit, gefolgt von anderen Symptomen der Strahlenkrankheit; keine akuten Todesfälle zu erwarten 1,82,6 Sv bei etwa 25% der Bestrahlten etwa ein Tag lang Erbrechen und Übelkeit, gefolgt von anderen Symptomen der Strahlenkrankheit Einzelne Todesfälle zu erwarten...

21 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Akute Wirkungen durch hohe Strahlendosis 2,73,3 Sv 4,05,0 Sv... bei fast allen Bestrahlten Erbrechen und Übelkeit am ersten Tag, gefolgt von anderen Symptomen der Strahlenkrankheit; etwa 20% Todesfälle innerhalb von 2 bis 6 Wochen; etwa 3 Monate Rekonvaleszenz der Überlebenden bei allen Bestrahlten Erbrechen und Übelkeit am ersten Tag, gefolgt von anderen Symptomen der Strahlenkrankheit; 50% Todesfälle innerhalb eines Monats; etwa 6 Monate lange Rekonvaleszenz der Überlebenden

22 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Akute Wirkungen durch hohe Strahlendosis 5,57,7 Sv bei allen Bestrahlten Erbrechen und Übelkeit innerhalb 4 Stunden nach der Bestrahlung, gefolgt von anderen Symptomen der Strahlenkrankheit; Bis zu 100% Todesfälle; wenige Überlebende mit Rekonvaleszenzzeiten von etwa 6 Monaten 10 Sv bei Bestrahlten Erbrechen und Übelkeit innerhalb 1 2 Stunden; wahrscheinlich kein Überlebende 50 Sv fast augenblicklich einsetzende schwerste Krankheit; Tod aller Bestrahlten innerhalb einer Woche

23 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis

24 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 1) In einem Forschungslabor wird eine Dosis von 20 µj kg je Stunde gemessen. Dabei handelt es sich um ein Experiment mit Neutronenstrahlung. Wie viele Stunden darf ein Forscher im Labor arbeiten, wenn seine Äquivalentdosis maximal 1,0 msv betragen darf?

25 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 1) In einem Forschungslabor wird eine Dosis von 20 µj kg je Stunde gemessen. Dabei handelt es sich um ein Experiment mit Neutronenstrahlung. Wie viele Stunden darf ein Forscher im Labor arbeiten, wenn seine Äquivalentdosis maximal 1,0 msv betragen darf? Lösung: Gegeben: zulässige Äquivalentdosis: H = 1, 0 msv; q-faktor Neutron: q Neutron = 3; Energiedosis pro Stunde: D = J kg gesucht: Zeit t Energiedosis pro Stunde: D = J kg Äquivalentdosis pro Stunde: H = q D = Sv Anzahl der möglichen Stunden: Sv : Sv = 16, 7 h = 16 h 40 min

26 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 2) Castorbehälter Die Strahlenschutzbestimmungen begrenzen die Strahlung eines Castorbehälters auf eine Ortsdosisleistung von 100 µsv in 2 m h Abstand und von 250 µsv an der Oberäche der Behälter. h Umgekehrt verlangen die Strahlenschutzbedingungen höchstens eine zusätzliche Strahlenbelastung von 1,0 msv pro Jahr.

27 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 2) Castorbehälter Die Strahlenschutzbestimmungen begrenzen die Strahlung eines Castorbehälters auf eine Ortsdosisleistung von 100 µsv in 2 m h Abstand und von 250 µsv an der Oberäche der Behälter. h Umgekehrt verlangen die Strahlenschutzbedingungen höchstens eine zusätzliche Strahlenbelastung von 1,0 msv pro Jahr. a) Wie lange darf sich ein Polizist theoretisch in 2 m Abstand eines Transportbehälters aufhalten?

28 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 2) Castorbehälter Die Strahlenschutzbestimmungen begrenzen die Strahlung eines Castorbehälters auf eine Ortsdosisleistung von 100 µsv in 2 m h Abstand und von 250 µsv an der Oberäche der Behälter. h Umgekehrt verlangen die Strahlenschutzbedingungen höchstens eine zusätzliche Strahlenbelastung von 1,0 msv pro Jahr. a) Wie lange darf sich ein Polizist theoretisch in 2 m Abstand eines Transportbehälters aufhalten? 1, 0 msv : 0, 1 msv h = 10 h

29 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 2) Castorbehälter Die Strahlenschutzbestimmungen begrenzen die Strahlung eines Castorbehälters auf eine Ortsdosisleistung von 100 µsv in 2 m h Abstand und von 250 µsv an der Oberäche der Behälter. h Umgekehrt verlangen die Strahlenschutzbedingungen höchstens eine zusätzliche Strahlenbelastung von 1,0 msv pro Jahr. a) Wie lange darf sich ein Polizist theoretisch in 2 m Abstand eines Transportbehälters aufhalten? 1, 0 msv : 0, 1 msv h = 10 h b) Wie lange darf er sich direkt am Behälter aufhalten?

30 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 2) Castorbehälter Die Strahlenschutzbestimmungen begrenzen die Strahlung eines Castorbehälters auf eine Ortsdosisleistung von 100 µsv in 2 m h Abstand und von 250 µsv an der Oberäche der Behälter. h Umgekehrt verlangen die Strahlenschutzbedingungen höchstens eine zusätzliche Strahlenbelastung von 1,0 msv pro Jahr. a) Wie lange darf sich ein Polizist theoretisch in 2 m Abstand eines Transportbehälters aufhalten? 1, 0 msv : 0, 1 msv h = 10 h b) Wie lange darf er sich direkt am Behälter aufhalten? 1, 0 msv : 0, 25 msv h = 4 h.

31 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 2) Castorbehälter c) Welchen Prozentsatz macht der Anteil der γ-strahlung in der biologischen Belastung des Organismus aus, wenn die Hälfte der Strahlung aus schnellen Neutronen und die andere Hälfte aus γ-strahlung besteht? (Gehe zur Vereinfachung davon aus, dass die Dosisleistung proportional zum Anteil der Strahlung ist)

32 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 2) Castorbehälter c) Welchen Prozentsatz macht der Anteil der γ-strahlung in der biologischen Belastung des Organismus aus, wenn die Hälfte der Strahlung aus schnellen Neutronen und die andere Hälfte aus γ-strahlung besteht? (Gehe zur Vereinfachung davon aus, dass die Dosisleistung proportional zum Anteil der Strahlung ist) H γ H = q γ D γ q q γ D γ+q Neutronen D Neutronen = γ 0,5D q = γ 0,5D+q Neutronen 0,5D q γ q γ+q Neutronen = = 1 16 = 0, 0625 Der Anteil γ-strahlung an der Belastung des Körpers liegt bei etwa 6%.

33 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 3) Eine Person liest nach 3 Stunden und 30 Minuten Arbeitszeit am Personendosimeter 700 µsv ab. a) Welcher mittleren Dosisleistung war die Person ausgesetzt?

34 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 3) Eine Person liest nach 3 Stunden und 30 Minuten Arbeitszeit am Personendosimeter 700 µsv ab. a) Welcher mittleren Dosisleistung war die Person ausgesetzt? 700 µsv : 3, 5 h = 200 µ Sv h

35 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 3) Eine Person liest nach 3 Stunden und 30 Minuten Arbeitszeit am Personendosimeter 700 µsv ab. a) Welcher mittleren Dosisleistung war die Person ausgesetzt? 700 µsv : 3, 5 h = 200 µ Sv h b) Welche Dosis würde in 6 Stunden zu erwarten sein?

36 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 3) Eine Person liest nach 3 Stunden und 30 Minuten Arbeitszeit am Personendosimeter 700 µsv ab. a) Welcher mittleren Dosisleistung war die Person ausgesetzt? 700 µsv : 3, 5 h = 200 µ Sv h b) Welche Dosis würde in 6 Stunden zu erwarten sein? 200 µsv h 6 h = 1, 2 msv

37 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 3) Eine Person liest nach 3 Stunden und 30 Minuten Arbeitszeit am Personendosimeter 700 µsv ab. a) Welcher mittleren Dosisleistung war die Person ausgesetzt? 700 µsv : 3, 5 h = 200 µ Sv h b) Welche Dosis würde in 6 Stunden zu erwarten sein? 200 µsv h 6 h = 1, 2 msv c) Welche Überlegungen sind für die weitere Tätigkeit anzustellen?

38 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 3) Eine Person liest nach 3 Stunden und 30 Minuten Arbeitszeit am Personendosimeter 700 µsv ab. a) Welcher mittleren Dosisleistung war die Person ausgesetzt? 700 µsv : 3, 5 h = 200 µ Sv h b) Welche Dosis würde in 6 Stunden zu erwarten sein? 200 µsv h 6 h = 1, 2 msv c) Welche Überlegungen sind für die weitere Tätigkeit anzustellen? Keine strahlenexponierten Arbeiten für dieses Jahr mehr!

39 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 4) An einem Stabdosimeter werden im Verlauf einer mehrtägigen Tätigkeit in einem Kernkraftwerk während eines Monats folgende Werte abgelesen: 150 µsv, 50 µsv, 250 µsv, 1050 µsv, 50 µsv, 100 µsv, 300 µsv. Geben Sie den Monatswert für die Dosis an, der in den Strahlenpass einzutragen ist.

40 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 4) An einem Stabdosimeter werden im Verlauf einer mehrtägigen Tätigkeit in einem Kernkraftwerk während eines Monats folgende Werte abgelesen: 150 µsv, 50 µsv, 250 µsv, 1050 µsv, 50 µsv, 100 µsv, 300 µsv. Geben Sie den Monatswert für die Dosis an, der in den Strahlenpass einzutragen ist. Die einzelnen Werte sind zu addieren: 1,95 msv.

41 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 5) Welche maximale Ortsdosisleistung könnte an einem strahlenexponierten Arbeitsplatz (< 20 msv im Jahr!) zugelassen werden, wenn dort ständig (40 h - Wochen) gearbeitet wird und eine gleichmäÿige Ganzkörper-Strahlenexposition gegeben ist?

42 Ab wann wird's schlimm Auswirkung einer Strahlendosis Beispielaufgaben 5) Welche maximale Ortsdosisleistung könnte an einem strahlenexponierten Arbeitsplatz (< 20 msv im Jahr!) zugelassen werden, wenn dort ständig (40 h - Wochen) gearbeitet wird und eine gleichmäÿige Ganzkörper-Strahlenexposition gegeben ist? Die eektive Dosis darf 20 msv im Kalenderjahr nicht überschreiten. Daraus ergibt sich unter Berücksichtigung von 40 h pro Woche: 10 µsv. h

43 Woher kommt die Strahlenbelastung? Normale Strahlenbelastung des Menschen (Nulleekt)

44 Woher kommt die Strahlenbelastung? Der Nulleekt Feststellung: Auch ohne Anwesenheit eines radioaktiven Präparats registriert man eine Aktivität. Das wird als Nulleekt bezeichnet. Woher kommt diese radioaktive Strahlung? Natürliche Strahlenbelastung Künstliche Strahlenbelastung

45 Woher kommt die Strahlenbelastung? Der Nulleekt Feststellung: Auch ohne Anwesenheit eines radioaktiven Präparats registriert man eine Aktivität. Das wird als Nulleekt bezeichnet. Woher kommt diese radioaktive Strahlung? Natürliche Strahlenbelastung Künstliche Strahlenbelastung

46 Woher kommt die Strahlenbelastung? Der Nulleekt Feststellung: Auch ohne Anwesenheit eines radioaktiven Präparats registriert man eine Aktivität. Das wird als Nulleekt bezeichnet. Woher kommt diese radioaktive Strahlung? Natürliche Strahlenbelastung Künstliche Strahlenbelastung

47 Woher kommt die Strahlenbelastung? Natürliche Strahlenbelastung Mittlere natürliche Strahlenbelastung im Jahr: Ursache Äquivalentdosis in msv kosmische Strahlung 0,4 terrestrische Strahlung 0,5 Einatmen von Radon 1,0 Eigenstrahlung 0,2 Summe: 2,1

48 Woher kommt die Strahlenbelastung? Künstliche Strahlenbelastung Mittlere künstliche Strahlenbelastung im Jahr: Ursache Äquivalentdosis in msv Kernkraftwerke 0,01 Farbfernsehen (täglich 2 Stunden) 0,01 Folgen des Tschernobyl-Unfalls 0,02 Kernwaenversuche 0,01 Summe: 0,05

49 Woher kommt die Strahlenbelastung? Medizinische Strahlenbelastung Beispiele für Strahlenbelastungen in der medizinischen Diagnostik: Art Äquivalentdosis in mj kg Röntgenuntersuchung 0,2 bis 4 Computertomogramm 1 bis 3 Mammogramm 0,15 bis 15 Schilddrüsenuntersuchung mit J bis 500 mit Tc-99 5 bis 20

50 Woher kommt die Strahlenbelastung? Anteile an Strahlenbelastung

51 Woher kommt die Strahlenbelastung?

52 Woher kommt die Strahlenbelastung? Kosmische Strahlung

53 Schützen vor radioaktiver Strahlung Abschirmung Schützen vor radioaktiver Strahlung

54 Schützen vor radioaktiver Strahlung Abschirmung

55 Schützen vor radioaktiver Strahlung Abschirmung

56 Schützen vor radioaktiver Strahlung Abschirmung Merkregel Strahlenschutz Abstand! Abschirmung! Kurzzeitig!