Was ist radioaktive Strahlung?

Radioaktivität

Radioaktivität wurde gegen Ende des 19. Jahrhunderts von Antoine Henri Bequerel bei Experimenten zur Fluoreszenz von Uransalzen entdeckt. Zusammen mit dem Ehepaar Curie erhielt er dafür 1903 den Nobelpreis.

Radioaktivität wird unterschieden in eine natürliche und eine künstliche Radioaktivität. Bei der natürlichen Radioaktivität finden Prozesse zur Umwandlung des Atomkerns ohne Fremdeinwirkung (wie einem Neutronenbeschuss) statt.

Natürliche Radioaktivität

Natürliche Radioaktivität ist eine Eigenschaft bestimmter chemischer Elemente. Diese Elemente haben instabile Atomkerne, die spontan zerfallen können und dabei eine ionisierende Strahlung aussenden. Hierbei spricht man von einem „natürlichen Zerfall“ oder „spontanem Zerfall“. Der spontane Zerfall tritt besonders bei sehr schweren Atomkernen ab der Ordnungszahl 90 (Thorium) auf. Schwere Elemente wie Uran oder Thorium kommen in der Natur relativ selten vor. Sie sind entstanden in Milliarden von Jahren durch Fusionsprozesse und Explosionen im Weltall. Jedes Element, das schwerer ist als Beryllium ist einmal im Inneren eines Sterns entstanden.

Zu den natürlich zerfallenden Nukliden (Atomart) zählen z.B. Radium, Uran, Plutonium und Polonium. Bei den schweren Nukliden muss die zunehmende Abstoßung der Protonen über eine zunehmende Anzahl an Neutronen stabilisiert werden. Letztlich liegt der Grund für den radioaktiven Zerfall von Atomen in einem Überschuss an Bindungsenergie. Bei der Spontanspaltung werden neben Energie auch zwei bis vier Neutronen frei. Diese Neutronen spielen eine entscheidende Rolle bei der Kettenreaktion, die bei einigen Nuklearwaffen und in Atomreaktoren induziert wird.

Die terrestrische, natürliche Radioaktivität wirkt auf den Menschen vor allem durch Mineralien wie Kalium und Thorium oder durch eingeatmetes Radon. Die Belastung durch die terrestrische Strahlung ist je nach Aufenthaltsort sehr unterschiedlich.

Neben der Umwandlung von Radionukliden in der Erde zählt zur natürlichen Radioaktivität außerdem

• Die kosmische Strahlung, eine energiereiche Teilchen- oder Photonenstrahlung aus dem Weltall

• Die kosmogenen Radionuklide. Bei ihnen handelt e sich um Radionuklide, die durch die kosmische Strahlung in der Atmosphäre neu gebildet werden

Kosmische Strahlung wird innerhalb der Erdatmosphäre mit zunehmender Höhe stärker. Vor allem das Flugpersonal und Astronauten sind dadurch einer über die Jahre zunehmenden Strahlenbelastung ausgesetzt.

Künstliche Radioaktivität

Künstliche Radioaktivität tritt bei der künstlichen Erzeugung radioaktiver Nuklide auf. Künstliche Radioaktivität lässt sich u.a. durch den Beschuss von Atomkernen mit Neutronen z.B. in Atomkraftwerken oder in Teilchenbeschleunigern erzeugen.

Die Strahlenexposition von Menschen durch die künstliche Radioaktivität stammt vor allem aus Reaktorunfällen, Atombomben-Tests, Strahleneinsatz in der Medizin, dem Betrieb von Kernkraftwerken sowie aus dem Rauchen. Zigarettenrauch enthält u.a. das Radionuklid Polonium 210.

Energieabgabe bei der Kernspaltung

Die Nukleonen (Sammelbegriff für Protonen und Neutronen) im Atomkern werden durch die kurzreichende starke Wechselwirkung gebunden. Beim radioaktiven Zerfall (auch „Kernzerfall“ oder „Kernspaltung“) zerfallen die Atomkerne in andere Kerne und geben dabei Energie ab. Der „Mutterkern“, das Mutternuklid zeigt eine höhere Bindungsenergie als das neu entstehend Tochternuklid. Die überschüssige Bindungsenergie wird als Strahlung abgegeben. Es ist diese Energie, die die Atomkraftwerke antreibt und die Nuklearwaffen ihre Sprengkraft gibt.

Die Strahlung besteht aus energiereichen Tochternukliden oder aus Gammastrahlung. Wenn die Tochternuklide selbst radioaktiv sind, zerfallen sie weiter so lange, bis sie einen Bereich minimaler Energie erreicht haben. So entstehen Zerfallsketten von Tochternukliden.

Atomkerne zerfallen unter Aussendung von Alphastrahlung (He-Kerne), Beta-Strahlung (Elektronen) oder Gammastrahlung (energiereiche Röntgenstrahlung).

Wieso spaltet sich ein Atomkern?

An der künstlichen Radioaktivität lässt sich besonders gut verfolgen, wie die Spaltung eines Atomkerns vor sich geht. Durch äußere Anregung wird der Atomkern in Schwingungen oder Rotationen versetzt. Bei besonders starken Schwingungen kann es vorkommen, schnürt sich der Kern in zwei Teile einschnürt. Dabei werden die Coulombkräfte (abstoßenden Kräfte zwischen den Protonen) mitunter so stark, dass sie den Kern zerreißen.

Bei weniger starker Anregung kann ein Elektron aus der äußersten Schale eines Atoms auf einen höheren Energiezustand angeregt werden. Beim Rücksprung des Elektrons wird die nun überschüssige Energie in Form von Gammastrahlung abgegeben. Jedes Nuklid zeigt hierbei eine für dieses Nuklid typische Form der Energieabgabe. Diese Energieabgabe wird in der Kenrspektographie (Methoden, mit denen man die Energiezustände von Atomen messen kann) verwendet.

Einheit der Radioaktivität

Die Masseneinheit der Radioaktivität wird in Bequerel gemessen Ein Bequerel gibt an, wie viele Atomkerne im Mittel in einer Sekunde zerfallen.

1 Bq = 1/s , also ein radioaktiver Zerfall pro Sekunde.Radioaktive Strahlung

Bequerel werden fast immer als Kilo-, Mega-, Giga- oder Terabequerel angegeben.

Exkurs: Radioaktiver Zerfall im menschlichen Körper

Jeder menschliche Körper enthält 100g (Frau) bis 150g (Mann) Kalium. 98% .

Kalium enthält zu 0,117g/KG das radioaktive Isotop ⁴⁰K. Bei einem durchschnittlichen Erwachsenen entwickelt dieses Kalium eine Aktivität von 4000 Bq. Daraus resultiert eine Belastung von 0,17 mSv pro Jahr. Fast 10% der natürlichen radioaktiven Belastung von 2,1 mSv pro Jahr kommen also aus dem Zerfall von ⁴⁰K.

Kalium befindet sich in den Zellen und wird dort u.a. für die Energieproduktion gespeichert. Zusammen mit Phosphat und Proteinen sorgt Kalium für den osmotischen Druck und ist mit zuständig für den Wasserhaushalt und den Säure-Basen-Haushalt des Körpers. Kalium wird weiter benötigt für die Enzymherstellung, für das Herz-Kreislauf-System und für die Reizbildung, für die Freisetzung von Hormonen und für die Eiweißsynthes

Radioaktive Strahlung

Strahlung ist Energie, die sich in Raum und Zeit ausbreitet. Die Menge an Energie, die eine Strahlung mit sich führt bestimmt die Wirkung der Strahlung.

Strahlung transportiert Teilchen mit einer gewissen Energie über eine Fläche. Die sogenannte Teilchenstrahlung kann wegen des Teichen-Welle-Dualismus als Photonenstrahlung oder als Korpuskelstrahlung verstanden werden. Dabei bilden Photonen eine elektromagnetische Wellenstrahlung, die kein Medium benötigt und sich auch im Vakuum ausbreitet.

Strahlung breitet sich in Wellen aus, in Longitudinalwellen (vertikal zur Ausbreitungsrichtung) und in Transversalwellen (senkrecht zur Ausbreitungsrichtung). Je nach Anwendung werden diese Wellen nach ihrer Energie, ihrer Frequenz oder nach ihrer Wellenrichtung beschrieben. Wenn Strahlung auf Materie trifft kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der bestrahlten Materie.

 Radioaktive Elemente senden eine energiereiche, sogenannte ionisierende Strahlung aus, die aus der Kernspaltung stammt. Unter ionisierender Strahlung versteht man eine Strahlung, die in der Lage ist, Elektronen aus den Atomen oder den Molekülen zu entfernen auf die diese Strahlung auftrifft. Das Resultat dieses Auftreffen sind positiv geladene Ionen bzw. Molekülreste. Ionisierende Strahlung kann aus verschiedenen Quellen kommen, eine dieser Quellen ist die Radioaktivität. Um aber Elektronen aus Atomen entfernen zu könne, muss die Strahlung eine relativ hohe Energierate aufweisen.

Was umgangssprachlich als „radioaktive Strahlung“ bezeichnet wird, ist demnach eine energiereiche Strahlung aus einer radioaktiven Quelle. Man unterscheidet hierbei zwischen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung.

Alphastrahlung

 

Das Mutternuklid gibt ein Alphateilchen ab

Ein Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen und entspricht damit einem doppelt ionisierten Helium-Atom. Bei radioaktiven Alphazerfall verliert das Mutternuklid zwei Protonen und zwei Neutronen. Nach dem Zerfall hat sich das Mutternuklid damit um die Massenzahl 4 verringert.

Der Strom von Alphateilchen, die von vielen Atomen ausgesendet werden, bezeichnet man als Alphastrahlung. Die ausgesendeten Alphateilchen nehmen aus ihrer Umgebung zwei Elektronen auf und werden dadurch zu Helium-Atomen.

Nach dem Abstoßen des Alphateilchens verbleibt der Atomkern vielfach in einem angeregten Zustand und sendet Gammastrahlung aus.

Natürliche Alphastrahler sind Uran, Thorium, Radium und Radon. Alphateilchen sind relativ groß und stark ionisierend, da die Alphateilchen eine hohe kinetische Energie besitzen. Je nach Zerfallsprozess unterscheidet sich die Energie allerdings.

Die große Masse der Alphateilchen führt dazu, dass sie nur eine geringe Reichweite haben (in der Luft max. 10 cm), da sie z.B. die Luft ionisieren und dabei ihre Energie abgeben. In Wasser oder Gewebe legen Alphateilchen nur Bruchteile von Zentimetern zurück. Zur Abschirmung von Alphateilchen genügt daher schon ein Blatt Papier.

Auswirkungen der Alphastrahlung

Alphateilchen sind zwar leicht abzuschirmen, wenn Sie jedoch durch Einatmen oder durch Aufnahme mit der Nahrung in den menschlichen Körper gelangt sind, ist ihre Wirkung umso größer. Unter allen Teilchenstrahlungen besitzen Alphateilchen die größte Energie. Wenn die Alphastrahler erst einmal in den Körper gelangt sind, sind sie 20mal schädlicher als eine Beta- oder Gammastrahlung. Werden die Alphateilchen eingeatmet, geben sie ihre Strahlung nur einige µMeter vom Ort der Inkorporation ab und können große Schäden im Gewebe verursachen. Ein Beispiel hierfür ist das Polonium, das mit dem Zigarettenrauch ein geatmet wird und die Entstehung von Lungenkrebs fördert. Aufgrund der geringen Reichweite der Alphastrahlen ist Polonium jedoch nur schwer nachweisbar. Der Agent Litwinenko soll 2006 durch eine Poloniumvergiftung gestorben sein, die ihm über Tee verabreicht wurde.

Betastrahlung

Bei der Betastrahlung handelt es sich um die Emission eines β+ Positron) bzw. eines β- (Elektron)-Teilchens.