Strahlenschäden sind Schäden, die durch ionisierende Strahlung (α, β, γ) an Lebewesen oder Material hervorgerufen werden. Die Strahlung kann aus natürlichen oder künstlichen Quellen stammen. Neutronenstrahlung wirkt nur indirekt ionisierend, verursacht aber ebenfalls Strahlenschäden.H.-G. Vogt, H. Schultz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes. Hanser, 1992, ISBN 3-446-15696-8. Strahlenschäden werden gelegentlich auch als Verstrahlung bezeichnet.Brockhaus Enzyklopädie. 21. Auflage. 2006. Die Widerstandsfähigkeit gegen Strahlenschäden wird als Strahlenresistenz bezeichnet.

Beschreibung Die Strahlung gibt beim Eindringen in Materie an die getroffenen Atome oder Moleküle Energie ab. Dabei werden unter anderem Atome räumlich verschoben, Elektronen aus den Atomhüllen geschlagen und chemische Bindungen aufgebrochen, wobei Radikale entstehen, die ihrerseits wieder Schäden hervorrufen können.

Abgrenzung der Strahlungsarten und Fachgebiete Der Artikel behandelt ausschließlich Kernstrahlung und deren Wechselwirkungen mit organischer und anorganischer Materie. Schäden, die durch elektromagnetische Strahlung (z. B. UV-Strahlung) oder durch Wärmewirkung von Strahlung (z. B. Verbrennungen) verursacht werden, sind nicht gemeint oder nicht Gegenstand des Artikels. Die Photonen der Gammastrahlung (auch bekannt als γ-Quanten) lassen sich in Bezug auf ihre physikalischen Eigenschaften nicht von Photonen der Röntgenstrahlung (auch bekannt als ) oder anderen Formen elektromagnetischer Strahlung unterscheiden; sie unterscheiden sich jedoch in ihrem Ursprung und ihrer Energie.

Der Strahlenschutz befasst sich mit dem Schutz vor Strahlung und deren Förderung. Die Radiotoxizität untersucht die Toxizität von Radionukliden für den menschlichen Körper sowie die damit verbundenen potenziellen gesundheitlichen Risiken. Die Radiologie ist das Teilgebiet der Medizin, das Röntgenstrahlung und andere kernphysikalische Verfahren zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken nutzt. Die Radiobiologie untersucht die biologischen Wirkungen ionisierender Strahlung.

Siehe auch die medizinische Physik und die Nuklearmedizin.

Strahlenschäden in Materialien mini|Braune Verfärbung im oberen Bereich der Pappverpackung durch jahrelange Einwirkung einer Americium-241 Alphastrahlung-Quelle In festen technischen Materialien, etwa Metallen, verschlechtert das Herausschlagen von Atomen aus ihren Kristallgitterplätzen die Materialeigenschaften. Solche Einzelschäden sammeln sich an, bis es schließlich zu sichtbaren Veränderungen (beispielsweise Ausbleichen) und/oder Veränderungen der Festigkeitseigenschaften, oft in Richtung einer Versprödung, kommt. Letzteres spielt insbesondere bei Bestrahlung mit schnellen Neutronen in Kernreaktoren und zukünftigen Fusionsreaktoren eine Rolle. Diese Schadensart heißt Versetzungsschaden () und wird meist in der Maßeinheit Verlagerungen pro Atom (, dpa) angegeben. Eine weitere Art der Gefügeschädigung durch schnelle Neutronen ist die Erzeugung der Gase Wasserstoff und Helium im Material durch Kernreaktionen vom Typ (n,p) bzw. (n,alpha).

Auch die ionisierende Wirkung der Strahlung kann im bestrahlten Material Schaden bewirken, denn sie führt zur Freisetzung eines mehr oder weniger energiereichen geladenen Teilchens, das eventuell seinerseits weitere geladene Teilchen freisetzen kann.

Materialien der Kerntechnik Die Untersuchung von Strahlung in Bezug auf eine Vielzahl meist anorganischer Materialien spielt seit Beginn des Atomzeitalters (vgl. die Nutzung von Neutronen für Kernreaktionen wie z. B. die Kernspaltung) eine große Rolle. Dabei beschädigt speziell die Neutronenstrahlung in Kernreaktoren alle Materialien, insbesondere den Kernbrennstoff, Moderator (z. B. Nukleargraphit) und die Brennelemente. Zu diesem Zweck und für andere Aufgaben werden sogenannte Materialtestreaktoren (MTR) errichtet, um Materialien zu prüfen und zu testen.

Polymere In Polymeren, also Plastikmaterialien bilden die durch Strahlungseinwirkung angeregten Moleküle den Ausgangspunkt für vielfältige Folgereaktionen.A. Dannemann: Untersuchungen zur Strahlungsresistenz polymerer Materialien für den Einsatz in Experimenten der Hochenergiephysik. Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1996, Interner Bericht: DESY F35D-96-06 (PDF; 5,8 MB), abgerufen am 25. Mai 2013. Beispielsweise können in Polymeren einzelne H-Atome oder ganze Seitenketten abgelöst oder die Polymerhauptkette aufgetrennt werden. Kleinere Fragmente können aufgrund ihrer höheren Beweglichkeit im Material schneller mit anderen Stoffen reagieren. Die Lebensdauer der Radikale hängt stark von der Temperatur des bestrahlten Materials ab; durch Erwärmung können daher manche Strahlenschäden schneller ausgeheilt werden.W. Busjan: Strahlungsresistenz szintillierender Kunststoffasern in der Hochenergiephysik: Entstehung und Zerfall kurzlebiger Absorptionszentren. Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1997.

Halbleiter In Halbleitermaterialien entstehen Strahlenschäden (siehe Soft Error) wie in Metallen zumeist durch Verlagerung von Gitteratomen des bestrahlten Materials, was zur Amorphisierung des Halbleiters und zur Veränderung der Leitfähigkeit führen kann. Dementsprechend ist die Strahlenresistenz von Bauteilen und Materialien, die in einem besonderen Strahlungsumfeld zur Anwendung kommen sollen, ein wichtiges Thema in der Materialforschung. Unter Umständen kann die Erzeugung von Strahlenschäden aber auch konstruktiv eingesetzt werden, z. B. bei der Ionenimplantation zur Dotierung von Halbleitern.M. Nastasi, J. W. Mayer: Ion Implantation and Synthesis of Materials. Springer, Berlin/Heidelberg 2006, ISBN 3-540-23674-0.R. Wunstorf: Systematische Untersuchungen zur Strahlenresistenz von Silizium-Detektoren für die Verwendung in Hochenergiephysik-Experimenten. Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1992, Interner Bericht: DESY FH1k-92-01 (PDF; 93,1 MB), abgerufen am 9. Juni 2013.

Strahlenschäden bei Lebewesen

Lebende Organismen – wie auch der Mensch – verfügen über komplexe, bislang nur im Ansatz verstandene Reparatursysteme, die die meisten dieser Schäden rückgängig machen können. Aber auch hier sammeln sich die verbleibenden mikroskopischen Schäden an. Generell können niedere Lebewesen wie Bakterien sehr viel stärkere Strahlungsdosen als höhere Lebewesen wie Säugetiere ertragen. So kann das Bakterium Deinococcus radiodurans sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben.

Strahlenschutzvorschriften regeln in den meisten Ländern den Umgang mit Strahlen und mit Stoffen, die ionisierende Strahlung abgeben, und setzen Grenzwerte für die maximale Belastung (Strahlendosis) der Bevölkerung fest.

Strahlenschäden bei Mensch und Tier lassen sich einteilen in: Somatische Schäden, die beim bestrahlten Organismus selbst auftreten. Teratogene Schäden, die während der Schwangerschaft eine Schädigung des Embryos verursachen. Genetische Schäden, die erst bei den Nachkommen auftreten.

Bei den somatischen Schäden unterscheidet man Früh- und Spätschäden: Somatische Frühschäden treten nach Stunden oder spätestens nach einigen Wochen auf (siehe Strahlenkrankheit). Medizinisch nachweisbar sind diese Schäden erst, wenn eine Mindestdosis (Schwelldosis) an Strahlung aufgenommen wurde, die für den Menschen zwischen 200 und 300 mSv liegt. Krankheitserscheinungen sind beispielsweise ein verändertes Blutbild, Übelkeit, Entzündung der Schleimhäute oder Fieber. Somatische Spätschäden machen sich erst Jahre oder Jahrzehnte nach der Bestrahlung äußerlich bemerkbar, obwohl die Zellen schon unmittelbar nach der Bestrahlung geschädigt wurden. Man kann bei den Strahlenspätschäden zwischen malignen (wie Leukämie) und nicht-malignen Spätschäden (wie Unfruchtbarkeit oder eine Trübung der Augenlinse) unterscheiden.

Zellbiologische Wirkungen von Strahlung Man unterscheidet Gewebereaktionen (tissue reactions) und stochastische Strahlenschäden:

Gewebereaktionen: Wenn bei Überschreitung einer bestimmten Schwellendosis genügend viele Körperzellen absterben, kommt es sicher zu schädlichen Effekten. Die Schwere des Schadens steigt proportional zur Dosis. Stochastische Strahlenschäden treten dagegen aufgrund von Zellveränderungen auf. Die Wahrscheinlichkeit steigt proportional zur Dosis, daher ist die Strahlenexpositionen so niedrig wie vernünftigerweise möglich zu halten. (ALARA-Prinzip)

Wirkungen auf molekularer Ebene Trifft ionisierende Strahlung auf einen Organismus, können DNA-Veränderungen (Mutationen) im Zellkern auftreten. Beim Auftreffen von Strahlen auf die DNA können direkt sowohl Einzel- als auch Doppelstrangbrüche der Nucleotidketten auftreten. Außerdem spielt der indirekte Strahleneffekt eine wesentliche Rolle. Hierbei werden aus Wassermolekülen Radikale gebildet (OH- und H-Radikale), die neben anderen Molekülen die Desoxyribose angreifen können, was infolge zu einer Hydrolyse der Phosphorsäureesterbindung führt. Zusätzlich kann eine Strahlenwirkung auf die Nucleotidbasen stattfinden. Hierbei kommt es beispielsweise zu Ringöffnungen und bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Peroxidbildungen (z. B. Thyminhydroxyhydroperoxid). Ebenfalls sind nach Radikalbildung Dimerisierungen von Basen möglich, die zu einer räumlichen Veränderung der Doppelhelix führen. Bei der Transkription können Schäden an der DNA zur Folge haben, dass ein falsches Ablesen durch Basenschäden oder ein Stopp bei Einzelstrangbrüchen auftritt. Bei geringen Schäden ist jedoch auch eine ungestörte Transkription möglich.

Neben der Strahlenwirkung auf die DNA kann generell die Struktur von Proteinen verändert werden. Bedeutungsvoll ist dies bei Enzymen, die dadurch ihre Enzymaktivität verlieren.

Bei einer eukaryotischen Zelle werden Schäden zum größten Teil repariert. Findet eine falsche oder keine Reparatur statt, so zieht dies eine der beiden folgenden Konsequenzen nach sich.

Zelltod Die Zelle verliert ihre Teilungsfähigkeit und stirbt nach Ablauf ihrer Lebensdauer. Sind ausreichend viele Zellen betroffen, ergeben sich Gewebereaktionen. Da der Zelltod ein natürlicher Prozess im Zyklus einer differenzierten Zelle ist, bedarf es einer gewissen Schwellendosis, bevor ausreichend Zellen sterben und der schädliche Effekt sich manifestiert, indem das betroffene Gewebe seine Funktion verliert. Die Schwere des Schadens steigt proportional zur Dosis, gemäß dem LNT-Modell. Zu den Gewebereaktionen gehören akute (Früh-)Schäden (zum Beispiel Erythem, akute Strahlenkrankheit), nichtkanzeröse Spätschäden (fibrotische Gewebsveränderungen, Trübung der Augenlinse, Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit, testikuläre Anomalie) und teratogene Effekte (Fehlbildungen des Kindes während einer Schwangerschaft).

Zellveränderung Die Zelle teilt sich, vererbt aber die veränderte DNA an die Tochterzellen weiter. Die Folgen sind stochastische Strahlenschäden. Sie treten mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit erst Jahre oder Jahrzehnte nach der Exposition auf. Für sie gibt es vermutlich keine Schwellendosis; die Wahrscheinlichkeit des Eintretens eines solchen Schadens ist proportional zur Dosis. Die Höhe der Dosis beeinflusst dabei nicht die Schwere der Erkrankung, sondern nur die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens. Die stochastischen Strahlenschäden sind entscheidend bei niedrigen Dosen und für die Abschätzungen des Strahlenrisikos im Strahlenschutz. Sie haben ähnliche Auswirkungen wie zufällige, spontan entstehende DNA-Veränderungen, zum Beispiel Zell-Transformationen, die zu Krebs führen, Mutationen und Erbkrankheiten, oder auch teratogene Effekte.

Letale Dosis für Lebewesen und Viren