Die heutige Vorlesung Quanten bei höchsten Energien beschäftigt sich mit Licht- und Teilchenstrahlung, wie sie entsteht, wie sie mit Materie wechselwirkt, woher sie kommt und in welchem Maße sie uns schadet. In der Vorlesung erarbeiten wir hierzu einige Grundlagen. In einem ersten Abschnitt werden zunächst noch einmal die Grundlagen des Aufbaus der Materie wiederholt.
Wie ist die Materie aufgebaut, die uns umgibt? Zellen und große Kristalle können wir mit Mikroskopen untersuchen. Schwieriger wird es bei Molekülen und Atomen. Die direkte Beobachtung von Atomkernen ist nicht möglich. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen (zusammenfassend Nukleonen genannt), die wiederum aus Quarks bestehen (sowie Klebeteilchen Gluonen, die die Quarks zusammen halten). In der Quantenphysik wird häufig die Energieeinheit Elektronenvolt verwendet, die viel praktischer ist als das Joule, mit dem wir die Energie von Objekten in unserer Alltagswelt messen. Das Elektronenvolt entspricht 1,6 10-19 C. Rechnet man nach Einsteins berühmter Formel E=mc² Masse in Energieeinheiten um, entspricht die Ruhemasse des Elektrons einer Energie von 511 kev, die Ruhemasse des Protons einer Energie von 938 MeV.
Es gibt vier Kräfte in der Natur (Wechselwirkungen). In Atomkernen spielt die Gravitationskraft keine Rolle. Hier noch einmal eine Übersicht über die verschiedenen Teilchen und die Wechselwirkungen, denen sie unterliegen. Dieses Schema ist eine kompakte Zusammenfassung des Standardmodells der Elementarteilchen, das seit seiner Entwicklung extrem erfolgreich ist und alle experimentellen Überprüfungen bis jetzt überstanden hat. Im folgenden Verlauf des Vortrags warden wir nur einen kleinen Teil der nach dem Standardmodell existierenden Teilchen weiter berücksichtigen: Das Licht-Teilchen Photon, das bei elektromagnetischen Prozessen von Materie ausgesendet oder absorbiert wird, Protonen und Neutronen als Bausteinen der Atomkerne, die ihrerseits aus u- und d-quarks aufgebaut sind, sowie das Elektron und das Elektron-Neutrino. Für die Betrachtung der kosmischen Strahlung warden wir auch Myonen berücksichtigen.
Hochenergetische Strahlung kommt entweder von unten bzw. innen aus Gestein, Wänden und aus uns selbst (!) oder von oben, d.h. von außerhalb der Erde. Die Strahlung von unten und innen entsteht durch Radioaktivität, die wir jetzt im zweiten Teil behandeln. Atomkerne sind aus Protonen (positiv) und Neutronen (neutral) aufgebaut. Nur die Zahl der Protonen ist für die chemischen Eigenschaften wichtig. Es kann also mehrere Atomkerne geben, die die gleichen chemischen Eigenschaften besitzen, aber unterschiedliche Zahl von Neutronen haben. Deswegen verwenden Kernphysiker eine Nuklidkarte, in der das Periodensystem der Elemente praktisch abgewickelt wird und wo man die Neutronenzahl über der Protonenzahl aufträgt. Oft werden radioaktive Kombinationen von Protonen und Neutronen farblich gekennzeichnet. Man findet, dass bestimmte Nuklide (Kombinationen von Protonen und Neutronen) stabil sind, während sich andere in andere Nuklide umwandeln. Diese nennt man radioaktiv.
Radioaktivität wurde Ende des 19. Jahrhunderts von Becquerel entdeckt und dann später von ihm und Marie und Pierre Curie genau untersucht. Atomkerne zerfallen, wenn bei diesem Prozess Energie frei wird. Man kann nicht sagen, welches Teilchen genau zerfallen wird. Wenn man eine große Zahl von Atomkernen hat, so kann man statistisch eine Aussage darüber machen, wie viele Teilchen im Mittel nach einer bestimmten Zeit zerfallen sind. Die Zahl der noch vorhandenen Kerne (und auch die Aktivität einer Probe, d.h. die Zahl der Zerfälle pro Zeit) wird durch eine Exponentialfunktion beschrieben. Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der nur noch die Hälfte der Kerne da ist. Im Experiment misst man aber nicht die Anzahl der noch vorhandenen Kerne, sondern die Anzahl der Zerfälle pro Zeit, die so genannte Aktivität. Es gibt drei radioaktive Zerfallsarten. Beim Alphazerfall wird ein 4He-Atomkern aus dem Atomkern herausgeschleudert. Das passiert vor allem bei schweren Atomkernen. Wegen ihrer großen Masse erreichen Alphateilchen nur wenige Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Natürliche Alphastrahler sind vor allem Thorium und Uran und einige ihrer Zerfallsprodukte. In Kellern misst man oft hohe Konzentrationen an radioaktivem Radon-Gas, das durch Zerfall von Radium entsteht.
In Luft haben Alphateilchen eine typische Reichweite von ca. 3-5 cm (je nachdem, welches Radionuklid man betrachtet und ob die Alphateilchen schon in der Quelle abgebremst werden). Feste oder flüssige Materie ist ungefähr 1000x dichter als Luft, so dass bereits ein 0,1 mm dickes Blatt Papier ausreicht, um Alphastrahlung völlig abzuschirmen. Das heißt auch, dass Sie einen reinen Alphastrahler verhältnismäßig unbemerkt an Strahlungsdetektoren vorbei transportieren können. Gefährlich ist bei Alphastrahlern vor allem die Inkorporation (Aufnahme in den Körper z.b. durch Nahrung, Injektionen, ) und die Inhalation. Ein trauriges Beispiel stellt die Vergiftung des russischen Ex-KGB-Agenten Litvinenko mit Polonium-210 dar (oder z.b. die Spekulation, ob der Palästinenserpräsident Arafat ebenfalls mit Polonium-210 vergiftet worden sein könnte). Im Rahmen von so genannten Radonkuren inhalieren insbesondere Rheumapatienten freiwillig radioaktives Radongas. Da Radon ein Edelgas ist und die Kuren nicht zu lange dauern, wird das Risiko hier als vertretbar eingeschätzt, wenn man eine lindernde Wirkung verspürt. Die Abbremsung von Alphateilchen in Materie ist typisch für geladene Teilchen. Die Reichweite der Alphateilchen ist wegen der hohen Masse und der niedrigen Geschwindigkeiten besonders klein. Alphateilchen werden vor allem durch Ionisation abgebremst. Das elektrische Feld, das ein Alphateilchen umgibt, erzeugt eine Kraft auf die Elektronen im Medium (z.b. Papier oder Luft), durch das die Alphateilchen fliegen. Eine Reihe von Elektronen wird herausgeschlagen, die Restatome sind geladen, also Ionen; daher nennt man den Vorgang Ionisation. Die Energie, die auf das herausgeschlagene Elektron übertragen wird, wird dem Alphateilchen abgezogen. Es wird langsamer.
Neben dem Alphazerfall wurde beobachtet, dass es auch Zerfälle gibt, bei denen Elektronen (oder ihre Antiteilchen, die Positronen) freigesetzt werden. Die Elektronen kommen nicht aus der Hülle des Atoms, sondern aus dem Kern und sind sehr schnell (Versuch nach der Pause). Da die Elektronen, die aus dem Kern kommen, unterschiedliche Geschwindigkeiten haben können, muss noch ein weiteres Teilchen mit im Spiel sein, das noch zusätzlich Energie aufnehmen kann: das Neutrino. Beim Betazerfall werden Neutronen in Protonen oder Protonen in Neutronen umgewandelt. Das hat damit zu tun, dass in einem Kern es energetisch günstig ist, wenn es ungefähr die gleiche Zahl an Protonen und an Neutronen gibt. Bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton muss die elektrische Ladungsbilanz stimmen; man kann ja keine Ladung aus dem Nichts erschaffen. Natürlich beta-radioaktive Kerne gibt es auch, z.b. bei einigen Zerfallsprodukten von Uran und Thorium. Ein kleiner Bruchteil von natürlichem Kalium ist auch radioaktiv. Andere Betastrahler wie Tritium (3H) und Kohlenstoff-14 werden durch Höhenstrahlung produziert. Auch der Mensch ist radioaktiv!
Beim Betazerfall unterscheidet man drei Arten. Der Kern 40K, der natürlich in unserer Umwelt vorkommt, zerfällt (mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten) auf alle drei Arten. Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein Neutron im Kern in ein Proton umgewandelt, ein Elektron und ein Antineutrino noch freigesetzt. Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Proton in ein Neutron im Kern umgewandelt. (Ein freies Proton kann nicht in ein freies Neutron zerfallen, weil das freie Proton leichter ist als das freie Neutron. Im Kern zählt aber die Energie mit, die die Bindung von Protonen und Neutronen hervorruft.) Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Positron und ein Neutrino freigesetzt. Schließlich gibt es noch Elektroneneinfang, bei dem ein Proton im Kern ein Elektron aus den inneren Schalen der Hülle einfängt und sich in ein Neutron umwandelt. Dabei wird noch ein Neutrino freigesetzt. Neutrinos sind da sie nur über die schwache Wechselwirkung mit ihrer Umgebung in Kontakt treten extrem schwer nachzuweisen. Man braucht riesige Detektoren, um vereinzelt Neutrinos zu beobachten. In einigen Atomkernen steckt noch Energie, nachdem ein Alpha- oder Betateilchen freigesetzt wurde. Die durch Alpha- oder Betazerfall erzeugten Tochterkerne (oder Produkte aus Kernreaktionen) vibrieren oder rotieren zum Beispiel teilweise noch oder die Protonen und Neutronen, aus denen sie bestehen, befinden sich noch nicht in der energetisch günstigsten Lage. Diese Energie wird nur ganz wenig später durch Gammastrahlung abgegeben. Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung, wie Licht, Infrarot oder Röntgenstrahlung. Gammastrahlung hat eine sehr kurze Wellenlänge, etwa ein Millionstel der Wellenlänge von Licht.
Gammastrahlung ist Licht mit extrem kurzer Wellenlänge. Seine Wellenlänge liegt in der Größenordnung von 10-15 m, das entspricht etwa dem Durchmesser von Atomkernen oder Nukleonen. Gammaquanten sind die Quanten hochenergetischen Lichts. Licht kann nicht abgebremst werden. Gammaquanten wechselwirken mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten vor allem durch drei Prozesse mit Materie: (1) Beim Photoeffekt wird das Gammaquant absorbiert und die Energie des Photons auf ein Hüllenelektron eines Atoms übertragen (abzüglich Bindungsenergie des Elektrons). (2) Beim Comptoneffekt wird ein Photon an einem freien Elektron gestreut. Das gestreute Photon hat dann niedrigere Energie, d.h. eine größere Wellenlänge. (3) In der Nähe von Atomkernen können sich Gammaquanten von Energien oberhalb 1 MeV in ein Elektron-Positron-Paar umwandeln.
Weitere Quanten bei zum Teil ganz besonders hohen Energien kommen von oben aus dem Weltall. Man nennt diese Strahlung deshalb kosmische Strahlung. Bereits 1912 stellte Victor Hess bei Ballonflügen bis zu einer Höhe von 5300 m fest, dass die Menge ionisierender Strahlung mit wachsender Höhe zunimmt. Für die Entdeckung dieser zunächst Höhenstrahlung genannten Quanten erhielt Hess 1936 den Physik-Nobelpreis. Um ionisieren zu können, braucht man Teilchen bei hohen Energien. Man kann einen Teil dieser Strahlung auch auf der Erde messen. Man misst vor allem Elektronen, Photonen und Myonen, die schweren Brüder des Elektrons. Da Myonen nur sehr kurze Zeit leben, bevor sie wieder zerfallen, müssen sie von einer Vorgängerstrahlung, der primären Strahlung erzeugt worden sein. Die primäre kosmische Strahlung, die aus dem Weltall in die Erdatmosphäre eindringt, besteht vor allem aus Protonen und Alphateilchen sowie zu ca. 2% aus Elektronen und schwereren Kernen.
Ein primäres Quant der kosmischen Strahlung stößt beim Eindringen in die Erdatmosphäre mit einem Atomkern eines Luftmoleküls (Stickstoff oder Sauerstoff). Eine Vielzahl von Teilchen wird erzeugt. Elektronen, Myonen und Photonen (und Neutrinos natürlich) sind z.t. die Zerfallsprodukte dieser Teilchen, die dann schließlich die Erdoberfläche erreichen. Aus der Messung der Schauerteilchen (Elektronen und Myonen) kann nun durch Modellbildung auf die ursprüngliche Energie des primären kosmischen Quants rückgerechnet werden. Um schnelle Myonen und Elektronen aus einem kosmischen Schauer zu beobachten, werden großflächig Detektoren aufgebaut. Das modernste Beispiel ist das Pierre Auger Observatory, das in der argentinischen Pampa entstanden ist. Mit bis zu 1600 Oberflächendetektoren werden Signale von auf Bodenhöhe eintreffenden Elektronen und Myonen detektiert. Zusätzlich beobachten Fluoreszenzlichtdetektoren das bei starken Teilchenschauern auftretende leichte Leuchten der Luft. Unter http://www.auger.de stehen ausführliche Informationen über das Projekt zur Verfügung.
Auch in Deutschland ist ein ähnliches Projekt realisiert bzw. ein Ausbau in Planung: Auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe ist eine Anordnung von Detektoren namens KASCADE zum Nachweis von kosmischer Strahlung aufgebaut. Aus den Messwerten am Boden wird auf die Energie der primären kosmischen Strahlung hochgerechnet. Man findet Teilchenenergien, die um das Tausendfache höher sind als die, die der Großbeschleuniger LHC am CERN zur Verfügung stellen wird. Kosmische Strahlungsquanten mit bis zu 10 20 Elektronenvolt Energie wurden schon detektiert (mit einem Proton dieser Energie kann man 1 g Wasser um 2,5 C erwärmen, also eine makroskopische Menge!). Solch hochenergetische Quanten sind aber selten, so dass große Detektoranlagen nötig sind, um eine brauchbare Zahl von Ereignissen in vernünftiger Zeit zu messen.
Die Mechanismen, mit denen die Protonen und Alphateilchen der primären kosmischen Strahlung auf diese extrem hohen Energien beschleunigt werden können, sind noch weitgehend unverstanden. Mögliche Szenarien umfassen aktive Zentren von Galaxien, Supernovae, Kollisionen von Sternensystemen und vieles mehr. Als eines der ersten Ergebnisse hat die Auger-Kollaboration festgestellt, dass die die Quanten mit den höchsten Energien wahrscheinlich aus Zentren von nahegelegenen Galaxien stammen. Einige Galaxien haben aktive Zentren, in denen äußerst massive Schwarze Löcher vermutet werden. Hier könnten die starken elektrischen und magnetischen Felder produziert werden, die zur Beschleunigung der Teilchen erforderlich sind. Nachdem wir wissen, dass hochenergetische Quanten in Form von Radioaktivität und kosmische Strahlung vorliegen, können wir untersuchen, wie die Auswirkungen auf Material und Mensch sind. Damit verknüpft ist der Begriff der Strahlendosis.
Was passiert, wenn ein hochenergetisches Quant in Materie eindringt? Wir hatten bereits festgestellt, dass der wesentliche Abbremsungsmechanismus von geladenen Teilchen auf Ionisation beruht. (Bei ungeladener Gammastrahlung wird durch den Zwischenschritt von Photoeffekt, Comptoneffekt oder Paarbildung ein geladenes schnelles Elektron oder Positron produziert.) Durch Stöße mit den Atomen kann es so zu einer Erwärmung des Materials kommen. Das ist vor allem bei Alphastrahlern mit hohen Aktivitäten wichtig. So funktionieren radioaktive Plutoniumbatterien, die Raumsonden zu sonnenfernen Planeten mit Energie versorgen. Lichtblitze können auch hervorgerufen werden wie eine Veränderung der Struktur der Materie in der Umgebung der Teilchenspur. Auf biologische Systeme gibt es so eine direkte Wirkung, z.b. die Abtötung einer Zelle durch Zerstörung der DNS im Zellkern. Die physikalisch-chemischen Prozesse können aber auch Radikale produzieren (z.b. Wasser in H + und OH - zerlegen), die biologisches Material durch biochemische Prozesse schädigen. Man unterscheidet deterministische Schäden, die bei hohen Strahlungsmengen mit Gewissheit eintreten, unter einer Schwelle aber nicht nachweisbar sind. Hierbei werden viele Zellen geschädigt. Menschen, die zu hohe Strahlendosen erhalten hatten, leiden dann unter der Strahlenkrankheit. Bei niedrigen Strahlendosen werden nur einzelne Zellen zerstört. Bei einer unglücklichen Mutation können eventuell aber langfristig Schäden auftreten, z.b. durch Entwicklung von Krebs. Man kann hierbei keine Schwelle angeben und geht daher im Strahlenschutz davon aus, die Strahlenbelastung so gering wie nur irgend möglich zu halten.
Ein wichtiges Maß für die Schädigung von Material und von biologischen Systemen wie dem Menschen ist die Energiedosis, die Energiemenge pro Masseneinheit. In vielen Fällen ist die Dosisleistung wichtig: Es ist nicht gut, die gesamte Strahlendosis, die man über sein ganzes Leben natürlich aufakkumuliert auf einmal zu erhalten. Dosisleistung ist die Dosis pro Zeit. Alphateilchen ionisieren in der Umgebung ihrer Spur stärker und schädigen biologisches Gewebe stärker als zum Beispiel Elektronen. Diese biologische Wirksamkeit berücksichtigt ein Wichtungsfaktor, der, mit der Energiedosis multipliziert, auf die für Strahlenschäden am Menschen wichtige Äquivalentdosis führt. Die Einheit der Äquivalentdosis ist das Sievert; es entspricht einem Joule pro kg Körpergewicht.
In der Tabelle sind typische Dosisleistungswerte angegeben. Im Mittel hat ein Mensch in Deutschland eine Äquivalentdosisleistung von etwas über 2 msv im Jahr an natürlicher Strahlung. Die radioaktive Strahlung vor allem durch radioaktives Radon und Erze variiert aber auf der Erde stark, so dass es Orte mit sehr viel höherer Strahlenbelastung gibt. Etwa 0,6 msv kommen im Mittel an zivilisatorischer Strahlenbelastung hinzu, vor allem durch medizinische Röntgenuntersuchungen. Auch wird seit 2003 das fliegende Personal von Fluggesellschaften wegen der höheren Belastung durch kosmische Strahlung überwacht. Die in Deutschland durch den Reaktorunfall von Tschernobyl zusätzlich aufgetretene Strahlendosis war in den meisten Gebieten deutlich kleiner als die mittlere Jahresdosis (Hessen: Faktor 10). Bei sehr hohen Dosiswerten treten Strahlenkrankheit und somit deterministische Schäden auf. Bei einer Äquivalentdosis ab 1 Sv (Einmaldosis) treten Übelkeit und Verdauungsprobleme auf, ab 6 Sv liegt die Sterblichkeit nahezu bei 100%, was nur durch sofortige intensivmedizinische Behandlung verzögert werden kann.
Zu Ihrer Information die Strahlenschutzgrenzwerte, die kerntechnische Betriebe und das dort beschäftigte Personal einzuhalten haben. Sie sollten erfahren haben, dass wir von unten, von oben und durch Radioaktivität in uns von Quanten bei höchsten Energien durchdrungen werden. Hinzu kommen zivilisatorische Strahlungsquellen. Radioaktive Zerfälle setzen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung frei. Kosmische Strahlung ursprünglich Protonen und Alphateilchen kommen bei uns als kosmischer Schauer an. Bei Strahlenschäden sind stochastische und deterministische Schäden zu unterscheiden. Das Thema Quanten bei höchsten Energien verbindet also Naturbeobachtung, Experimente im Labor und die Anwendung des Wissens, z.b. im Strahlenschutz.