mini|Warnzeichen nach ISO 7010 vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen (auch auf abschirmenden Behältern) mini|Warnzeichen nach ISO 21482 direkt an gefährlichen radioaktiven Stoffen
Ionisierende Strahlung (auch Ionisierende Strahlen; ) ist eine Bezeichnung für jede Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die in der Lage ist, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen (meist durch Stoßprozesse), sodass positiv geladene Ionen oder Molekülreste zurückbleiben (Ionisation).
Begriff Die Bezeichnung ionisierende Strahlung geht auf J. J. Thomson zurück, der am 27. Februar 1896 mitteilte, dass Röntgenstrahlen die Moleküle der Luft in elektrisch geladene Teilchen aufspalten und dies mit „“Heinz Otremba: Wilhelm Conrad Röntgen. Ein Leben im Dienst der Wissenschaft. Eine Dokumentation mit einer wissenschaftlichen Würdigung durch Walther Gerlach. Fränkische Gesellschaftsdruckerei, Würzburg 1970, S. 55. beschrieb.
Manche ionisierenden Strahlungen gehen von radioaktiven Stoffen aus. Für sie wird umgangssprachlich manchmal die verkürzte Bezeichnung radioaktive Strahlung gebraucht. Solche Strahlung heißt auch Kernstrahlung oder kernphysikalische Strahlung.
Strahlung aus geladenen Teilchen (z. B. Protonen oder Deuteronen) wird auch als Ionenstrahlung () bezeichnet.
Arten ionisierender Strahlung Zur ionisierenden Strahlung rechnet man jede Strahlung, deren kinetische Energie (bei Teilchen) bzw. Quantenenergie (bei Wellen) ausreicht, um Elektronen – auch über Zwischenreaktionen – aus einem Atom oder Molekül herauszulösen. Um die dazu nötige Ionisationsenergie aufzubringen, muss die Teilchen- oder Quantenenergie meist mehr als etwa 5 Elektronenvolt (eV) betragen.
Im elektromagnetischen Spektrum entspricht das Wellenlängen von weniger als etwa 250 nm; daher haben nur Höhenstrahlung (kosmische Strahlung), Gammastrahlung, Röntgenstrahlung und kurzwelligere Ultraviolettstrahlung genügend Quantenenergie, um Elektronen aus den Atomhüllen zu lösen und so auch Kovalente Bindungen aufzutrennen. Dagegen sind Radiowellen, Radarwellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung oder sichtbares Licht keine ionisierende Strahlung, denn sie können keine Moleküle (außer von speziellen, lichtempfindlichen Substanzen) dauerhaft verändern oder gar zerlegen. Moleküle, die durch so energiearme Photonen zerlegt würden, könnten unter Normalbedingungen nicht existieren. Freie Protonen, Elektronen oder andere geladene Teilchen werden ab einer kinetischen Energie von etwa 5 eV zur ionisierenden Strahlung gezählt. Demnach sind Alphastrahlung (positiv geladene Heliumkerne) und Betastrahlung (negativ geladene Elektronen oder positiv geladene Positronen) stets ionisierende Strahlung. Freie Neutronen haben, da sie elektrisch neutral sind, selbst keine merkliche Wechselwirkung mit Elektronen. Sie ionisieren aber indirekt durch Kernreaktionen oder Streuprozesse an Atomkernen. Der effektivste Impulsübertrag schneller Neutronen erfolgt auf Wasserstoffatomkerne, die fast dieselbe Masse besitzen (elastischer Stoß). Darum ist Wasser einerseits ein guter Moderator; andererseits sind schnelle Neutronen für lebendes Gewebe besonders gefährlich, weil es stets Wasser enthält (etwa im Cytosol). Jedes Wassermolekül (H2O) enthält zwei Wasserstoffatome (H).
Wechselwirkung mit der Materie Materie schirmt ionisierende Strahlung durch Absorption ab.
Der namensgebende Mechanismus – Ionisation – ist die Freisetzung von Elektronen aus Atomhüllen. Ionisierende Strahlung wird grob aufgeteilt in locker und dicht ionisierende Strahlung:Radiation Oncology Physics Handbook IAEA, Division of Human Health, Dosimetry and Medical Radiation Physics. Chapter 19, S. 487. Abgerufen am 2. März 2015.Health risks from exposure to low levels of ionizing radiation Committee to Assess Health Risks from Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation, Board on Radiation Effects, Research Division on Earth and Life Studies, National Research Council of the National Academies. ISBN 0-309-09156-X (paperback), ISBN 0-309-53040-7 (PDF). S. 19. Abgerufen am 2. März 2015. Strahlung aus massiven Teilchen (Protonen und Ionen) ist dicht ionisierend, weil die Teilchen auf ihrem Weg fast kontinuierlich Energie an das durchdrungene Medium abgeben und es dabei ionisieren. Photonen (d. h. Röntgen- oder Gammastrahlung) sind dünn ionisierend. Bei ausreichend viel übertragener Energie auf das freigesetzte Elektron spricht man von einem Delta-Elektron, das selbst wiederum ionisieren kann. Hochenergetische Elektronen erzeugen in Materie darüber hinaus Bremsstrahlung, die ebenfalls ionisierend wirkt. Auch Elektronenstrahlung wird zur locker ionisierenden Strahlung gezählt. Die Bahnen ionisierender geladener Strahlungsteilchen kann man in einer Nebelkammer als Nebelspuren beobachten.
Je dichter eine Teilchenart ionisiert, desto ausgeprägter ist der charakteristische Anstieg des linearen Energietransfers/Bremsvermögens, d. i. der Energieabgabe pro Wegstrecke, gegen Ende der Bahn (Bragg-Peak).
hochkant=1.8|Strahlenarten geladene Teilchen (z. B. Alphastrahlung und Betastrahlung): direkt ionisierend ungeladene Teilchen (z. B. Gammastrahlung und Neutronenstrahlung): indirekt ionisierend Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit der Materie: Beim einfallenden Neutron sind einige in wasserstoffhaltigem Material typische Zwischenprozesse dargestellt. Gammaquanten sind durch Wellenlinien, geladene Teilchen und Neutronen durch Geraden bzw. Geradenstücke dargestellt. Die kleinen Kreise stellen Ionisationsprozesse dar.
Photonen (Gammaquanten) ionisieren nicht laufend auf ihrem Weg wie Alpha- oder Betateilchen. Die Wechselwirkung eines Gammaquants mit Materie erfolgt durch einen der folgenden drei Prozesse:
Photoeffekt: Beim Photoeffekt schlägt das Photon ein Elektron aus der Hülle eines Atoms. Compton-Effekt: Bei jeder Compton-Streuung gibt das Photon Energie an ein angestoßenes Elektron ab und fliegt mit verringerter Energie in anderer Richtung weiter. Paarbildung: Bei der Paarbildung verschwindet das Photon; seine Energie führt zur Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares.
mini|hochkant=2|Wechselwirkungsprozesse für Gammastrahlung in Abhängigkeit von Energie und Kernladungszahl
Bei niedrigen Energien und großen Kernladungszahlen überwiegt der Photoeffekt, bei hohen Energien und großen Kernladungszahlen die Paarbildung, dazwischen im Bereich 0,1 bis 20 MeV für leichte Elemente die Comptonstreuung (siehe Schemazeichnung). Bei genügend hoher Energie des Photons können außerdem durch Kernphotoeffekt schnelle Protonen oder Neutronen freigesetzt werden und Radionuklide entstehen.
Ionisierende Strahlung bricht chemische Verbindungen auf und es entstehen hochreaktive Radikale.Eric J. Hall, Amato J. Garcia: Radiobiology for the Radiologist, 7. Ausgabe, Lippincott Williams & Wilkins 2012, ISBN 978-1-4511-5418-4. Hierin liegt ihre biologisch schädliche Wirkung. Von besonderer Relevanz für die Strahlenbiologie ist die Radiolyse von Wasser. Die dabei erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies sind verantwortlich für den sogenannten Sauerstoffeffekt. Sie reagieren mit Molekülen wie Enzymen oder der DNA, wodurch diese inaktiviert oder beschädigt werden und gegebenenfalls repariert werden müssen. Dicht ionisierende Strahlung erzeugt im Gegensatz zu dünn ionisierender Strahlung sehr viel schwerer zu reparierende komplexe DNA-Schäden mit mehreren Einzelschäden in unmittelbarer Nähe, was zu einer höheren relativen biologischen Wirksamkeit führt, die im Strahlenschutz durch höhere Strahlungswichtungsfaktoren berücksichtigt wird.
Messung radioaktiver Strahlung Die Kernstrahlungsmesstechnik dient der Messung radioaktiver und kernphysikalischer Strahlung. Historisch wird sie mit dem Begriff Radiometrie in Verbindung gebracht, wobei sie einen spezifischen Teilbereich dieser Disziplin darstellt.
Siehe auch die Messgeräte für Strahlung aus Radioaktivität.
Strahlenexposition der Bevölkerung Natürliche Strahlungsquellen Die Strahlenexposition durch ionisierende Strahlung aus natürlichen Quellen führt für Bewohner von Deutschland je nach Lebenssituation (Wohnort usw.) zu einer Äquivalentdosis zwischen 1 und 10 Millisievert pro Jahr. Es handelt sich dabei hauptsächlich um kosmische Strahlung und Strahlung von radioaktiven Stoffen, die natürlich in Erdkruste, Baustoffen und in der Atmosphäre vorkommen, z. B. den radioaktiven Isotopen der lebenswichtigen Elemente Kohlenstoff und Kalium. Auch der menschliche Körper selbst enthält eine geringe, durch den Stoffwechsel konstant gehaltene Menge dieser radioaktiven Stoffe.
Natürlich vorkommende Radioaktivität: Radon (kann sich insbesondere in Kellerräumen ansammeln) Kalium-40 und andere Radionuklide in Steinen und Baumaterialien in Nahrungsmitteln eingelagerte radioaktive Partikel natürlicher Kohlenstoff 14-Anteil in Nahrungsmitteln und Atemluft Kosmische Strahlung: hauptsächlich schnelle geladene Teilchen, Sekundärstrahlung durch Wechselwirkung mit der Atmosphäre gelangt bis zur Erdoberfläche; verantwortlich z. B. für die Strahlungsbelastung beim Flugverkehr. Die Belastung steigt mit der Höhe über Meeresspiegel. Strahlung der Sonne: Ultraviolett (UV-B wird fast vollständig absorbiert, führt aber trotzdem unter anderem zu Sonnenbrand; UV-C wird vollständig in der Atmosphäre absorbiert und führt durch Auftrennen des molekularen Sauerstoffs zur Ozonschicht), Teilchenstrahlung (Sonnenwind) führt zu Polarlichtern.
Zivilisatorische Strahlungsquellen Die Jahresdosis aus zivilisatorischen Strahlenquellen liegt im Durchschnitt in der gleichen Größenordnung wie die natürliche. Sie stammt aus medizinischen Strahlenanwendungen wie Röntgenaufnahmen oder Strahlentherapie, radioaktivem Material, das bei früheren Kernwaffentests oder Nuklearunfällen, wie in Tschernobyl, freigesetzt wurde, Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern. Bergbautätigkeiten, Uranabbaustätten, Uranschlamm, Absetzbecken, Klärbecken und durch Flutung kontaminierte Gewässer
Röntgenstrahlung entsteht auch unvermeidlich als „Nebenprodukt“ in Geräten, in denen Elektronen mit Hochspannung beschleunigt werden, wie etwa Röhrenbildschirmen, Elektronenmikroskopen, Radarsendern oder Elektronenstrahlschweißanlagen. Hierzu gibt es eine Stellungnahme des Ärztlichen Sachverständigenbeirats „Berufskrankheiten“ beim deutschen Bundesministerium für Arbeit und Soziales.Wissenschaftliche Stellungnahme zu Erkrankungen durch ionisierende Strahlen (PDF).
Wirkung Größen und Maßeinheiten
Energiedosis
Als Energiedosis bezeichnet man die von einem bestrahlten Objekt, z. B. Körpergewebe, über einen Belastungszeitraum pro Masseeinheit absorbierte Energiemenge. Sie ist abhängig von der Intensität der Bestrahlung und von der Absorptionsfähigkeit des bestrahlten Stoffes für die gegebene Strahlungsart und -energie.
SI-Einheit: Gray Gy; 1 Gray = 1 J/kg (nicht bewertete Strahlung einer Quelle)
Ionendosis Die Ionendosis ist ein Maß für die Stärke der Ionisierung, ausgedrückt durch die freigesetzte Ladung pro Masse des bestrahlten Stoffes.
SI-Einheit: C/kg (Coulomb pro Kilogramm)
Äquivalentdosis Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die Stärke der biologischen Wirkung einer bestimmten Strahlendosis; ihre Gültigkeit ist beschränkt auf die Anwendung im Strahlenschutz. Gleich große Äquivalentdosen sind somit in ihrer Wirkung auf den Menschen vergleichbar, unabhängig von der Strahlenart und -energie.
Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis in Gray mit dem Strahlungswichtungsfaktor (früher Qualitätsfaktor genannt), der in vereinfachter Weise die Relative biologische Wirksamkeit der betreffenden Strahlung beschreibt. Er hängt von der Strahlungsart und -energie ab. Beispielsweise ist der Strahlungswichtungsfaktor für Beta- und Gammastrahlung gleich 1; die Äquivalentdosis in Sv ist hier also zahlenmäßig gleich der Energiedosis in Gy. Für andere Strahlenarten gelten Faktoren bis zu 20 (s. Tabelle in Strahlungswichtungsfaktor).