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Radioaktive Strahlung. Man sieht sie nicht. Man hört sie nicht. Und doch ist sie da. Tag und Nacht. Seit Anbeginn. Ohne sie wäre unser Planet eine eiskalte, unbelebte Einöde. Aber sie kann auch töten. Radioaktivität gehört zu den faszinierendsten Erscheinungen in unserem Universum - ein guter Grund, sich einmal näher damit zu befassen.

Was ist eigentlich Radioaktivität?

Trefoil: Warnsymbol vor radioaktiver StrahlungRadioaktivität beschreibt eine alltägliche Sache, etwas, das in der Natur dauernd geschieht: Sie beschreibt, wie sich ein Atom von selbst in ein anderes Atom umwandelt.

Damit sich ein Atom radioaktiv umwandeln kann, muss eine Voraussetzung erfüllt sein: Das Atom muss instabil sein. Nur instabile Atome wandeln sich um - sie alle wollen stabil werden. Manchmal braucht es dazu nur einen Umwandlungsschritt, manchmal auch mehrere. Stabile Atome dagegen verändern sich nicht mehr. Sie bleiben so, wie sie sind. Von den 115 heute bekannten chemischen Elementen kennt man über 3200 Atomvarianten (Isotope). Davon sind gerade einmal 266 stabil. Der ganze Rest ist instabil. Und damit radioaktiv.

Bei der Umwandlung entstehen in der Regel zwei neue Atome. Sie unterscheiden sich vom Ursprungsatom: Sie haben andere Eigenschaften und verhalten sich anders. Bei der Umwandlung oder dem Zerfall entsteht ein neuer Stoff! Der Traum der mittelalterlichen Alchemisten - einen Stoff in einen anderen umzuwandeln - erscheint mit dem heutigen Wissen plötzlich nicht mehr so absurd.

Neues ergänzendes radioaktiv-WarnzeichenBei der Umwandlung geschieht noch etwas anderes: Verschiedene Arten von Atomteilchen (entweder grössere Heliumkerne oder elektrisch geladene oder elektrisch neutrale Teilchen) werden aus dem Atomkern herausgeschleudert. Dabei kann auch elektromagnetische Strahlung ähnlich dem sichtbaren Licht entstehen - die Gamma-Strahlung. Die herausgeschleuderten Elementarteilchen und die energiereiche elektromagnetische Strahlung, sie bilden allein oder gemeinsam die radioaktive Strahlung. Radioaktivität ist also die Fähigkeit eines Atoms, sich in ein anderes umzuwandeln. Radioaktive Strahlung dagegen ist die Energie, die in Form von Strahlung im Augenblick der Umwandlung frei wird.

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Radioaktive Zerfälle

Instabile oder angeregte Atome können sich auf mehrere Arten umwandeln oder Anregungsenergie abbauen.

  • Alpha-Zerfall: Alpha-Zerfall

    Sehr schwere Kerne mit vielen Protonen können durch spontanen Alpha-Zerfall in Richtung zum letzten stabilen Element Blei zerfallen. Die Anzahl der Protonen sowie die der Neutronen des Mutterkerns wird dabei um jeweils zwei verringert. Die Alpha-Teilchen können einen zufälligen Anteil an überschüssiger Anregungsenergie vom Mutterkern mitnehmen, daher ist das Energiespektrum der Alpha-Strahlung kontinuierlich.
  • Beta-Minus-Zerfall: Beta-Minus-Zerfall

    Der Beta-Minus-Zerfall kann innerhalb eines Kerns mit Neutronenüberschuss oder bei freien Neutronen stattfinden, die eine Halbwertszeit von ca. 15 min haben. Dabei wird ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektronen-Antineutrino umgewandelt. Die Zahl der Protonen im Kern wird dadurch um eins erhöht, während sich die Gesamtzahl der Nukleonen nicht ändert. Die Energie, die durch den Zerfall freigesetzt wird, wird zufällig auf das Elektron und das Antineutrino aufgeteilt. Das Spektrum der Beta-Minus-Strahlung (Elektronenstrahlung) ist dabei kontinuierlich, weil ein zufälliger Anteil der Energie auf das Antineutrino entfällt, der Rest auf das Elektron.
  • Beta-Plus-Zerfall: Beta-Plus-Zerfall

    Der Beta-Plus-Zerfall kann nur innerhalb eines protonenreichen Kerns stattfinden. Dies ist auch der Grund, warum es Wasserstoffatome gibt. Wäre ein freies Proton instabil, müsste auch aller Wasserstoff zerfallen. Bei Beta-Plus-Zerfall zerfällt ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Elektronen-Neutrino. Die Zahl der Protonen im Kern wird dadurch um eins verringert, während die Gesamtzahl der Nukleonen gleich bleibt. Die Energie, die durch den Zerfall freigesetzt wird, wird wieder zufällig auf das Positron und das Neutrino aufgeteilt und das Spektrum der Positronenstrahlung ist kontinuierlich. Das Positron annihiliert in Materie nachdem es seine Bewegungsenergie abgebaut hat (z.B. in Wasser nach 1 - 2 cm) mit einem Elektron zu zwei Gamma-Quanten mit 511 keV, die in einem Winkel von ~180° emittiert werden.
  • Elektroneneinfang: Elektroneneinfang

    Elektroneneinfang kann nur innerhalb eines protonenreichen Kerns stattfinden. Es gibt eine kleine Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich ein Elektron der inneren Schale innerhalb des Kerns aufhalten, wodurch dein Proton mit dem Elektron reagieren und dadurch ein Neutron und ein Elektronen-Neutrino entstehen kann. Dadurch entsteht ein Elektronenloch in einer der inneren Schalen, wodurch ein Elektron einer weiter außen befindlichen Schale auf das niedrigere Energieniveau der inneren Schale "herunterfällt" und die Differenz der Energieniveaus in Form eines Rönthgen-Quants freisetzt (elektromagnetische Strahlung mit niedrigerer Energie als Gamma-Strahlung). Die Energie der Rönthgenstrahlung ist diskret und charakteristisch für ein bestimmtes Isotop und dessen Energieniveaus. Durch Elektroneneinfang wird die Anzahl der Protonen im Kern reduziert, während die Nukleonenanzahl konstant bleibt.
  • Gamma-Zerfall: Gamma-Zerfall

    Nach Alpha- oder Beta-Zerfällen können Atomkerne in einem angeregten Zustand verbleiben. Dabei haben sie noch höhere Energie als in ihrem Grundzustand. Diese Energie kann durch einen Gamma-Zerfall abgebaut werden, indem ein Gamma-Quant ausgesendet wird und der Atomkern dabei in einen Zustand mit niedriger Energie übergeht. Dabei werden die Anzahl der Nukleonen im Atomkern nicht verändert. Das Energiespektrum der emmitierten Gammastrahlung ist diskret, da für ein vorliegendes Isotop nur bestimmte Enegiezustände möglich sind und die Energie des Gamma-Quants der Differenz der Zustände entspricht. Die Halbwertszeit eines angeregten Kernes beträgt in der Regel einige Nanosekunden. Es gibt allerdings auch Isomere, die längere Halbwertszeiten haben. Solche Isomere werden als metastabil bezeichnet. Das bekannteste metastabile Isomer ist Tc-99m (Technetium), welches eine Halbwertszeit von 6,6 h hat und Anwendung in der Nuklearmedizin zur Diagnostik von Tumor- oder Stoffwechselerkrankungen bei SPECT-Untersuchungen findet.
  • Innere Konversion: Innere Konversion

    Eine weitere Möglichkeit Anregungsenergie abzubauen ist durch innere Konversion. Dabei wird die Anregungsenergie eines Kernes auf ein Elektron in der Elektronenhülle des Atoms übertragen, das dadurch aus der Elektronenhülle "geschleudert" wird. Wenn es sich um ein Elektron einer inneren Schale handelt, wird zusätzlich wieder ein Rönthgen-Quant mit diskreter Energie freigesetzt. Die Zahl der Nukleonen sowie die Protonenanzahl bleiben gleich, das Atom verbleibt nach dem Zerfall allerdings zunächst ionisiert.
  • Neutronenemission: Neutronenemission

    Für neutronenreiche Kerne besteht die Möglichkeit einer Neutronenemission. Dabei wird direkt aus dem Kern ein Neutron freigesetzt. Diese Art des radioaktiven Zerfalls ist von elementarer Bedeutung bei der Regelung von Kernreaktoren (verzögerte Neutronen). Ohne diese verzögerten Neutronen, die aus den Spaltprodukten freigesetzt werden, wären die Zeitkonstanten zur Regelung eines Kernreaktors im Bereich der prompten Neutronen (100 ns), wodurch eine mechanische Regelung durch Regelstäbe nicht möglich wäre (vgl. prompt kritischer Reaktor).
  • Protonenemission: Protonenemission

    Die Protonenemission ist ein radioaktiver Zerfall für protonenreiche Kerne. Es wird ein Proton aus dem Kern emittiert.
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Strahlungsarten

Bei den oben erwähnten radioaktiven Zerfällen werden unterschiedliche Arten ionisierender Strahlung emittiert. Strahlung geladener Teilchen sind Alpha-, Beta- oder Protonenstrahlung sowie stark negativ geladene Spaltprodukte. Zur Photonen-Strahlung zählen Gamma- sowie Rönthgen-Strahlung. Darüber hinaus kann auch Neutronen-Strahlung auftreten, deren Wechselwirkung mit Materie sich gänzlich von den vorher genannten unterscheidet.

StrahlungsartenDie drei Grundtypen der Strahlungsarten unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und ihrer Wechselwirkung mit Materie: Bei der Strahlung geladener Teilchen sind Ionen oder Elektronen beteiligt, die die Materie direkt ionisieren. Gamma-Strahlung dagegen besitzt keine Materie. Es handelt sich um reine elektromagnetische Strahlung. Alpha- und Beta-Strahlung haben geringe Reichweiten. Sie lassen sich gut abschirmen: Bei Alpha-Strahlung reicht ein Blatt Papier aus, um die schweren Alpha-Teilchen zu stoppen. Bei Beta-Strahlung braucht es zehn Blätter Papier oder eine Aluminiumfolie. Anders sieht es bei der Gamma-Strahlung aus: Da sie keine Materie besitzt und sehr energiereich ist, wirkt sie durchdringend. Um sie abzuschirmen, sind dicke Bleiplatten oder dicke Betonwände nötig. Neutronen hingegen sind elektrisch neutrale Teilchen, die ungehindert die Elektronenhülle eines Atoms durchdringen können und direkt mit dem Atomkern wechselwirken können. Um Neutronen-Strahlung abzuschirmen, müssen spezielle Elemente eingesetzt werden, die eine Neutronen-absorbierende Wirkung haben wie z.B. Bor, Cadmium oder Xenon.

Wechselwirkung jedlicher Strahlungsart mit Materie ist probabilistisch, d.h. es besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen oder eine elektromechanische Welle mit einem kleinen Kontrollvolumen Materie wechselwirkt. Diese Wahrscheinlichkeit wird mit Wirkungsquerschnitten beschrieben, die abhängig von der Materiedichte und der Nukleonenzahl der Materie und der Energie der einfallenden Strahlung abhängen. Die einfallende Strahlung wird nach einem exponentiellen Gesetz abgeschwächt. Dabei kann die Intensität der Strahlung (Strahlung pro Fläche) mit zurückgelegter Strecke x wie folgt beschrieben werden: I(x) = Io e-μx.

Dabei ist μ der Abschwächungskoeffizient, der charakteristisch für das jeweilige Material und die Strahlungsart ist. Dieser berechnet sich aus: μ = σ N.

σ ist der bereits erwähnte Wirkungsquerschnitt für die jeweilige Strahlungsart und N die Teichchendichte der Materie.

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Wechselwirkungen von Photonen-Strahlung (Gamma-/Rönthgen-Strahlung) mit Materie

Für Gamma- oder Rönthgen-Strahlung gibt es drei verschiedene Wechselwirkungsmöglichkeiten mit Materie und damit drei verschiedene Wirkungsquerschnitte, die deren Eintrittswahrscheinlichkeiten beschreiben. Die drei Wechselwirkungsmöglichkeiten werden im Folgenden kurz vorgestellt:

  • Compton-Streuung

    Das einfallende Gamma-Quant wird an einem Elektron der Elektronenhülle eines Atoms gestreut. Dabei wird ein Teil der Energie des Gamma-Quants auf das Elektron übertragen, das die Elektronenhülle verlässt und die Materie ionisiert. Das Gamma-Quant wird durch die Streuung abgelenkt und hat danach geringere Energie. Impuls und Energie werden durch die Streuung erhalten. Compton-Streuung tritt vor allem bei mittleren Energien der Gamma-Strahlung (im Bereich von 300 - 1000 keV) und für kleine Zahl an Nukleonen der Materie auf. Die Wirkungsquerschnitte für Compton-Streuung sind pro Elektron definiert: σc = eσc Z.
  • Photoelektrischer Effekt

    Der Photoelektrische Effekt ist dominant für kleine Gamma-Energien und große Zahl an Nukleonen der Materie. Beim Photoelektrischen Effekt wechselwirkt das Gamma-Quant mit dem gesamten Atom. Dabei wird das Gamma-Quant absorbiert und es wird ein Elektron freigesetzt das wiederum für die ionisierende Wirkung der Gamma-Strahlung verantwortlich ist. Wenn das freigesetzte Elektron aus einer inneren Schale stammt, wird zusätzlich durch das Auffüllen des Elektronenlochs durch ein äußeres Elektron ein Rönthgen-Quant emittiert. Die Wirkungsquerschnitte für den Photoelektrischen Effekt sind stark von der Nukleonenzahl abhängig: σpe = Zn, wobei n = 4 ... 5.
  • Paarbildung

    Die Paarbildung ist eine Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld eines Atoms. Kommt ein Gamma-Quant mit einer Energie größer als 1,022 MeV in die nähe eines Atoms, kann es sich in ein Elektronen-Positronen-Paar umwandeln. Dabei wird die Energie des Gamma-Quants in Materie umgewandelt, ganz nach Einsteins berühmter Formel E = mc2. Paarbildung kann nur für Gamma-Energien größer als die genannte Schwelle stattfinden, da diese Energie zur Erzeugung der Masse eines Elektronen-Positronen-Paars benötigt wird. Demnach ist die Paarbildung dominant für große Gamma-Energien.
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Wechselwirkungen von Neutronen-Strahlung mit Materie

Wechselwirkungsmöglichkeiten von Neutronen mit Materie sind Streuung, Neutroneneinfang und neutronenerzeugende Reaktionen. Die Eintrittswahrscheinlichkeiten (Wirkungsquerschnitte) für die verschiedenen Reaktionen sind stark vom wechselwirkenden Kern und der Energie des einfallenden Neutrons abhängig. Die Wirkungsquerschnitte müssen empirisch ermittelt d.h. gemessen werden, da noch keine umfassenden Theorien für die komplexen Wechselwirkungen der Elementarteilchen entwickelt werden konnten.

  • Elastische Streuung

    Neutronen können elastisch an Atomkernen gestreut werden, ähnlich wie Billiardkugeln. Diese Streuung folgt den klassischen Gesetzen des elastischen Stoßes, die kinetische Energie wird erhalten. Elastische Streuung spielt eine wichtige Rolle bei der Neutronen-Moderation in Kernreaktoren. Dabei werden schnelle Neutronen durch elastische Stöße mit Atomkernen abgebremst. Die beste Abbremsung wird erreicht, wenn beide Stoßpartner die selbe Masse haben, das Neutron also an einem Wasserstoffatom gestreut wird.
  • Inelastische Streuung

    Bei der inelastischen Streuung wird das Neutron vom Atomkern der Materie absorbiert. Dadurch wird der Kern in einen angeregten Zustand versetzt, der wieder durch die Emission eines Neutrons abgebaut wird.
  • Neutroneneinfang

    Wie bei der inelastischen Streuung wird das Neutron von einem Atomkern absorbiert. Der instabile Absorberkern wandelt sich in einen stabilen um, indem ein Gamma-Quant oder ein geladenes Teilchen (α-Teilchen oder Proton) emittiert wird, das Neutron bleibt also absorbiert.
  • Neutronenerzeugende Reaktionen

    Stößt ein Neutron auf einen Kern mit Neutronenüberschuss, das heißt die Neutronen sind nicht stark gebunden im Kern, können durch das einfallende Neutron weitere Neutronen freigesetzt werden. Ebenso werden bei der Spaltung von schweren Kernen wie Uran, Thorium oder Plutonium durch ein Neutron neben den Spaltprodukten weitere Neutronen freigesetzt.
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Wechselwirkungen von Strahlung geladener Teilchen mit Materie

Strahlung geladener Teilchen ionisiert Materie durch elektrostatische Wechselwirkung (Coulomb Kraft). Entlang der Pfade, die das Teilchen in der Materie zurücklegt, werden die Materieatome ionisiert und dabei das geladene Teilchen abgebremst. Die höchste Dosis deponiert das geladene Teilchen kurz bevor es in der Materie absorbiert wird, im sogenannten Bragg-Peak. Dies ist besonders vielversprechend bei der Strahlentherapie mit Protonen. Elektronen werden aufgrund ihrer geringen Masse häufiger abgelenkt und haben daher eine geringere Reichweite als Protonen in Materie.

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Halbwertszeiten

Wenn sich ein instabiles Atom umwandelt, entstehen in der Regel zwei neue Atome. Das Ursprungsatom aber existiert nicht mehr. Die ursprüngliche Substanz wird also weniger.

Die Halbwertszeit T1/2 gibt an, wie lange es dauert, bis sich von einem radioaktiven Stoff die Hälfte der vorhandenen Atome umgewandelt und sich damit auch die radioaktive Strahlung halbiert hat. Für jede instabile Atomvariante (Isotop) ist die Halbwertszeit und die Zerfallsart etwas Charakteristisches. Es gibt in der Natur instabile Atome mit einer Halbwertszeit von einem Sekundenbruchteil. Und andere mit Halbwertszeiten von Milliarden von Jahren. Radioaktiver Zerfall wird über die Zerfallskonstant λ charakterisiert, die wie folgt mit der Halbwertszeit zusammenhängt: λ = ln 2 / T1/2

Die absolute Anzahl an radioaktiven Teilchen folgt dem exponentiellen Zerfallsgesetz: N(t) = No e-λt

Element   Halbwertszeit
Thorium 232Th 14,05 Mrd. Jahre
Uran 238U 4,468 Mrd. Jahre
Uran 235U 704 Mio. Jahre
Plutonium 239Pu 24.110 Jahre
Kohlenstoff 14C 5.730 Jahre
Radium 226Ra 1.602 Jahre
Plutonium 238Pu 87,74 Jahre
Caesium 137Cs 30,2 Jahre
Tritium 3H 12,36 Jahre
Radon 222Rn 3,8 Tage
Polonium 212Po 0,3 µs
Halbwertszeiten versch. Isotope
Die Anzahl Umwandlungen (Zerfälle) pro Sekunde gibt die Aktivität eines Stoffs an. Die Aktivität wird in der Einheit Becquerel angegeben. Viele Umwandlungen pro Sekunde ergeben eine hohe Aktivität, wenige Umwandlungen eine geringe.

Die Halbwertszeit und die Aktivität eines Stoffes sind mit einander gekoppelt: Kurze Halbwertszeiten bedeuten viele radioaktive Zerfälle pro Sekunde (hohe Aktivität). Stark strahlende Stoffe haben also kurze Halbwertszeiten. Lange Halbwertszeiten dagegen bedeuten, dass wenige radioaktive Zerfälle pro Sekunde stattfinden (geringe Aktivität). Die Substanz strahlt demnach schwach.

Die Aktivität klingt mit der Zeit ebenfalls nach dem exponentiellen Zerfallsgesetz ab: A(t) = Ao e-λt.

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Strahlendosis

Wenn der menschliche Körper (und auch Materie allgemein) mit Alpha-, Beta- oder Gamma-Strahlung bestrahlt wird, so wird dieser selbst nicht radioaktiv - genauso wie man auch im Anschluss an eine Röntgenaufnahme selbst nicht strahlt.

Radioaktive Strahlung kann aber auf einen lebenden Organismus Auswirkungen haben. Ausschlaggebend ist, wie lange der Körper Strahlung ausgesetzt ist, wie stark diese Strahlung ist und um welche Strahlungsart (Alpha-, Beta-, Gamma-Strahlung) es sich handelt. Daraus lässt sich die Dosis bestimmen, die in absorbierte Energie (gemessen in Joule) pro Masse angegeben wird. Die Einheit der Dosis ist das Gray. Die Effektive Äquivalenzdosis berücksichtigt die biologische Wirkung einer bestimmten Strahlungsart und die Empfindlichkeit bestimmter Organe und Gewebe gegenüber den verschiedenen Arten von radioaktiver Strahlung durch Gewichtung der Dosis mittels verschiedenen Faktoren für jedes Organ. Ihre Masseinheit ist das Sievert.

Die durchschnittliche Strahlenbelastung beträgt in Deutschland pro Person rund 3,9 mSv (Tausendstel-Sievert) pro Jahr. Siebzig Prozent dieser durchschnittlichen Strahlenbelastung stammen von natürlicher Radioaktivität. Ein Viertel der Belastung stammt aus medizinischen Anwendungen wie Röntgen etc. Fünf Prozent der durchschnittlichen Strahlenbelastung schliesslich stammen aus Anwendungen der Industrie. Darunter fallen auch die Kernkraftwerke.

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Quellen: Vorlesung "Anwendung von Radioaktivität in Medizin, Industrie und Forschung" des Lehrstuhls für Nukleartechnik der TU München, http://www.kernenergie.ch

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