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Physik

Materie

 

 

Ionisierende Strahlung, Röntgenstrahlung


Regt man ein Atom durch Strahlung an, so kann soviel Energie gespeichert werden, daß es bis zur Ionisation, also Abspaltung eines Elektrons kommt, man spricht von der Einwirkung ionisierender Strahlung. Es werden Ionen gebildet, die ganz andere Eigenschaften (schon allein wegen ihrer Ladung) als neutrale Atome haben:
  •  Polarisation und Anziehung benachbarter Teilchen
  •  Rekombination vom Nachbarn und damit Defektübertragung
  •  Dissoziation als Folgereaktion
Insgesamt wird man eine Änderung der molekularen Struktur erwarten, was z.B. für eine biologische Zelle mindestens zur Störung führt.

Welche Energie müssen ionisierende Strahlung mitbringen? Die Grenze entspricht der Ionisationsenergie (die Energie des am schwächsten gebundenen Elektrons) von Atomen, die unmittelbar aus dem Termschema der Atome ablesbar ist. Typische Werte sind 10eV (Elektronenvolt), was der aufgenommenen Energie für ein Elektron beim Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von nur 10V entspricht. Rechnet man dies auf die Quantenenergie für ein Lichtquant (Photon) um, so ist Licht der Wellenlänge von etwa 120nm vollkommen ausreichend. Ionisierende Strahlung beginnt bereits mit kurzwelligem UV-Licht, höhere Energiequanten wie Röntgen- und  gamma - Quanten gehören also alle zur ionisierenden Strahlung.

Die Energie zur Ionisation kann aber nicht nur durch elektromagnetische Strahlung aufgebracht werden, sondern auch mikroskopische Teilchen mit hoher kinetischer Energie können ein Atom oder Molekül in einer Zelle ionisieren. Entsprechend werden schnellfliegende Teilchen auch als ionisierende Strahlung bezeichnet: Die Teilchenstrahlung von schnellen Elektronen wird  beta Strahlung  und die von schnellen Atomkernen des He  alpha - Strahlung genannt (siehe Kapitel 7.3 über Radioaktivität).

Röntgenstrahlung (Entdeckung durch Röntgen 1895) ist leicht aus hoch beschleunigten Elektronen durch plötzliches Abbremsen herstellbar, ein Teil der kinetische Energie des geladenen Teilchens wird in elektromagnetische Strahlung umgewandelt. Man nennt den Wellenlängenbereich von etwa
1nm >=  lamda  >= 0,01nm den Röntgenbereich,  dazu gehören Energien von 1,2keV bis 120keV. Man braucht zur Erzeugung also entsprechend hochbeschleunigte Elektronen.
Die Abbildung zeigt den prinzipiellen, schematischen Aufbau einer Röntgenröhre:
  
      


Die meisten Elektronen geben ihre kinetische Energie bei der Abbremsung als Wärme ab, die Ausbeute an Strahlung liegt typisch nur bei wenigen Promille.

Da die Röntgenstrahlung durch Abbremsung der Elektronen entsteht, wird diese auch Bremsstrahlung, genauer Bremskontinuum, genannt. Die kürzeste Wellenlänge  lamda gr  und damit die höchste Energie der Röntgenquanten wird durch die kinetische Energie der Elektronen (Durchlaufen der Spannung U ergibt e0∙U) bestimmt:


           
      
     h:  Plancksches Wirkungsquantum,    c:  Lichtgeschwindigkeit.



                         


Für Röntgenaufnahmen nutzt man die unterschiedliche Absorption der Strahlung durch das Gewebe bzw. die Knochen aus. Diese Absorption ist sehr stark abhängig von der Atomsorte oder genauer von der Kernladung Z des Atoms, da die Röntgen-Quanten soviel Energie mitbringen, daß nur die am festesten gebundenen Elektronen, also die bei schweren Atomen, effektiv die Energie zur Ionisation aufnehmen können.

Versuch mit Röntgenlicht zur Ionisation von Luft: Die Luft zwischen zwei Kondensatorplatten leitet den elektrischen Strom, wenn Röntgenlicht eingestrahl wird. Entsprechend baut man Ionisationskammern zum Nachweis von Röntgenlicht.

Die Abnahme der Röntgenintensität I um DI beim Durchstrahlen von Material einer Dicke Dx wird durch den Extinktionskoeffizienten    des Materials beschrieben:

           

Die untere Abbildung zeigt den Massenschwächungskoeffizienten, den man aus dem Extinktionskoeffizienten   durch Normierung auf die Massendichte rho  gewinnt, für verschiedene Körpersubstanzen. Als Referenz ist die Extinktion der Luft gewählt. Man sieht, daß unser Körper bis auf den Knochenbereich fast durchsichtig für Röntgenstrahlung ist. Deswegen bilden sich auf Röntgenbildern Knochen als Schatten ab. Außerdem sieht man, daß Röntgen mit Energien höher als 100 keV wenig Sinn macht, da der Kontrast wegen fast gleichem Schwächungskoeffizienten aller Substanzen klein wird.

         

Da es für Röntgenlicht bisher keine Linsen gibt und Abbildungen mit Spiegeln aufwendig sind, baut man keinen Projektionsapparat für Röntgenaufnahmen. Man muß das Prinzip des Schattenwurfs einsetzen, als Detektor dient meist eine Photoplatte wie bei der normalen Photographie, nur ist das Belichtungsmaterial an das Röntgenlicht für eine gute Ausbeute (Schwärzung bei geringer Belichtung) angepaßt. Um beim Schattenwurf ein scharfes Bild zu bekommen, muß man eine Quelle mit sehr kleiner räumlichen Ausdehnung einsetzen (siehe früheren Modellversuch mit Licht).

Die Computer-Tomographie (CT, besser Röntgen-Tomographie) setzt auch das Prinzip des Schattenwurfes ein, nur werden Schattenbilder systematisch aus sehr vielen Richtungen aufgenommen, aus denen insgesamt dann per Computer das ursprüngliche Objekt in seiner räumlichen Struktur rekonstruiert wird. Die Registrierung der Bilder geschieht nicht photographisch sondern mit elektrischen Detektoren, so genannten Ionisationskammern, die auch geringe Intensitätsänderungen nachweisen können, wodurch die schwache Extinktion des Gewebes in diesen Bildern neben den Knochen sichtbar wird. Die Bilder der Computer-Tomographie haben deswegen hohe Qualität.

 

Radioaktivität und Atomkerne


Zu den ionisierenden Strahlen muß man neben der Röntgen-Strahlung und der extrem kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung, der gamma-Strahlung auch die schnell fliegenden geladenen Teilchen rechnen, wie Elektronen als beta-Strahlung und Heliumkerne als alpha-Strahlung. Diese „Strahlungen“ erzeugt man in der Regel nicht, indem man die Teilchen durch hohe elektrische Felder stark beschleunigt, sondern sie entstehen durch den Zerfall instabiler Atomkerne. Beobachtet man solche instabilen Atomkerne in der Natur ohne spezielles Dazutun des Menschen, so spricht man von natürlicher Radioaktivität, werden die instabilen Kerne durch künstliche Reaktionen in einem Kernreaktor oder mit Beschleunigern erzeugt, so spricht man von künstlicher Radioaktivität.

Atomkerne bestehen aus Protonen (mit einer positiven Elementarladung) und Neutronen (ohne Ladung). Die Zahl der Protonen im Kern bestimmt die Kernladung Z·e0 und damit die Ordnungszahl Z im Periodensystem, also das Atom mit den zugehörigen Z Elektronen. Um zu einem beobachtbaren Atomkern zu kommen, muß man zu den Z Protonen etwa gleich viele Neutronen hinzufügen, andernfalls ergäbe sich ein instabiles Ensemble von Kernbausteinen (starke elektrische Abstoßung der Protonen untereinander). Atomkerne zu einem festen Z aber mit verschiedener Zahl N von Neutronen nennt man die Isotope eines Atoms. Sie haben chemisch gesehen untereinander praktisch die gleichen Eigenschaften, da sie ja die gleiche Elektronenhülle haben. Die Isotope eines Atoms sind aber unterschiedlich schwer, was durch die Massenzahl A ausgedrückt wird: 
A = Z + N.
 
Man benutzt allgemein als
Beschreibung eines Isotops des Atoms  X :

Betrachtet man nicht das Atom sondern nur die Eigenschaft des Kerns, so spricht man bei dieser Nomenklatur besser von Nuklid. Beispiel für ein radioaktives Nuklid: 

Kalium 
  und stabile Nuklide  
 

Die Bindung innerhalb der Atomkerne kann nicht durch elektrische Kräfte verursacht sein (gleichnamige Ladungen stoßen sich ab), sondern es sind die Kernkräfte zwischen Protonen und Neutronen, weswegen das Verhältnisse zwischen beiden zur Bildung eines stabilen Kerns auch ausgewogen sein muß.

Radioaktivität ist der Zerfall eines instabilen Kerns, dabei werden die drei Prozesse   alpha, beta, gamma - Zerfall beobachtet.

alphaZerfall:  Abstrahlung eines Bruchstücks, nämlich eines He-Kerns  , der durch die Kernkräfte besonders fest gebunden ist. Wie in einer chemischen Gleichung können wir den Zerfall schreiben:
   
                

Es ergibt sich ein Isotop des neuen Atoms Y.

betaZerfall: Zerfall eines Kernbausteins, z.B. Umwandlung eines Neutrons in ein Proton

           
 oder
         


Es entsteht ein neues Atom und es wird entweder ein Elektron  e -  oder ein Positron  e +  abgestrahlt, zusätzlich wird ein Antineutrino    oder eine Neutrino     gebildet, das mit fast Lichtgeschwindigkeit wegfliegt.

gamma-Zerfall: Meist sind die Isotope nach alpha- oder beta-Zerfall angeregt wie die Elektronenhülle eines Atoms nach einem Stoß in der Gasentladung. Dann kann man eine Energieabgabe durch elektromagnetische Strahlung erwarten (wie das Leuchten der Gasentladung), da die Energie bei Kernen jedoch sehr hoch ist, wird die elektromagnetische Welle eine sehr hohe Frequenz bzw. kurze Wellenlänge – typisch  lamda  – haben, also eine hohe Quantenenergie – typisch >= 150keV. Dies ist die gamma-Strahlung als Folgereaktion von anderen Kernzerfällen.

Man beobachtet fast nie einen einzelnen Zerfall eines instabilen Nuklids sondern eine ganze Kette von Zerfällen bis ein stabiles Nuklid erreicht ist; siehe z.B. die gesamte Zerfallskette vom instabilen Uran bis zum stabilen Blei Pb. Eine solche Kette wird im Praktikumsversuch zur natürlichen Radioaktivität betrachtet.

Der Zerfall ist ein statistischer Prozeß. Deswegen kann man nicht sagen, ein Atomkern wird nach Ablauf einer Zeitspanne zerfallen, sondern mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit wird er in dieser Zeit zerfallen sein. Man gibt die mittlere Lebensdauer tau eines instabilen Kerns an oder die Zerfallsrate A = 1/tau , da von N Atomkernen zur Zeit t gerade     in dem kleinen Zeitintervall Dt zerfallen. Dies ergibt durch Summation aller Zerfälle von 0s bis t Sekunden das statistische Zerfallsgesetz:

Von zunächst N0 unabhängigen Teilchen sind nach t Sekunden noch
      
 vorhanden (nicht zerfallen).


Statt der Lebensdauer t wird häufig die Halbwertszeit T1/2 eingeführt:

    

Die beim Zerfall erzeugten Teilchen bzw. Quanten dringen in Materie ein und setzen dabei ihre Energie zu Ionisationsprozessen ein. Je nach Teilchenart und Anfangsenergie ist die Reichweite unterschiedlich. Die schweren und doppelt geladenen -Teilchen haben durch Stoßprozesse mit den übrigen Atomen eine sehr kleine Reichweite, sie sind also leicht durch dichte Materie wie Bleimantel abzuschirmen.


 alphaStrahler
Nuklid T1/2 A Ea R (Luft)
 232 Th 1,4×10 10 a 1,6×10 -18 s-1 4,05 MeV 2,49 cm
 226 Ra 1,6×10 3  a 1,4×10 -11 s-1 4,88 MeV 3,30 cm
 228 Th 1,9 a 1,2×10 -8 s-1 5,52 MeV 3,98 cm
 222 Rn 3,83 d 2,1×10 -6 s-1 5,59 MeV 4,05 cm
 218 Po 3,05 min 3,7×10 -3 s-1 6,12 MeV 4,66 cm
 214 Po 1,5×10 -4 s 4,2×10 3 s-1 7,83 MeV 6,91 cm
 212 Po 3×10 -7 s 2,3×10 6 s-1 8,95 MeV 8,95 cm

Elektronen als sehr leichte und nur einfach geladene Teilchen haben eine deutlich größere Reichweite. Dagegen muß man bei -Quanten von sehr großen Reichweiten ausgehen, da diese ihre Energie meist nur in ganz kleinen Paketen abgeben können. Die Tabelle zeigt einige typische Nuklide mit -Zerfall und zugehörigen Reichweiten R in Luft. In Luft kann man bei dieser Strahlung im Mittel von 10 000 Ionenpaaren auf 1 cm Länge für jedes -Teilchen ausgehen. Die Reichweite in biologischem Gewebe ist wegen der höheren Dichte sehr viel kürzer, zusätzlich geht aber auch die Atomzusammensetzung (hier H, O, C usw.) ein, da die Größe der Kernladung den Wirkungsquerschnitt und damit die Ionisierungswahrscheinlichkeit bestimmt.
Typische Werte von Reichweiten und Ionisierungsdichte der anderen Strahlungsarten sind:

Strahlung Energie    MeV R (Luft)     cm Ionisierungsdichte
b
0,1 10
b
1
300 100 Paare auf 1 cm
b
10
4000 100 Paare auf 1 cm
g
> 0,1 keine angebbar 1 Paar auf 1 cm


Diese Strahlungsarten haben teilweise sehr große Reichweite, auch in biologischem Gewebe. Deswegen können kurzlebige Nuklide als Tracer in Medikamenten eingesetzt werden, um Funktionen von Organen (Aktivität, Stoffwechsel) im Körper leicht durch Detektion der Strahlung von außerhalb des Körpers verfolgen zu können. Der Tracer (z.B. Technetium 99Te als gamma-Strahler) findet sich dann an den Resorptionsstellen des Medikaments und die Orte werden z.B. durch die gamma-Strahlung mit Hilfe eines Szintillationsdetektor (ein Kristall absorbiert die gamma-Quanten und wandelt die Energie in eine Folge von Lichtblitzen um) bestimmt. Man gewinnt mit dieser Methode, genannt Szintigraphie, eine Verteilungskarte des Tracers und damit des Medikaments.

Radioaktive Strahlung wird auch therapeutisch eingesetzt, indem z.B. Tumorgewebe durch Bestrahlung also durch die Ionisation zerstört wird. Als Beispiel betrachten wir die 60Co-Tele-Gamma-Bestrahlung:

   

Hier nutzt man die lange Reichweite von gamma-Strahlung aus, -Strahlung dringt praktisch nicht in den Körper ein.

Allgemein braucht man für die medizinische Anwendung kurzlebige Nuklide (siehe Tabelle), die nicht direkt in der Natur vorkommen. Deswegen muß man sie jeweils zum sofortigen Einsatz als Probe in der notwendigen Aktivität herstellen. Sehr viele Kernreaktionen setzen zur Bildung neuer Nuklide Neutronen ein, da sie wegen der fehlenden Ladung leicht in den Kern des Ausgangsnuklids eindringen können (siehe z.B. Praktikumsversuch zur künstlichen Radioaktivität).


Nuklid Halbwertszeit Strahlung Verwendung
24-Natrium 15 h b-, xg Na-Haushalt
32-Phosphor 14,3 d b- (1,7 MeV) Therapie
42-Kalium 12,4 h b-, xg K-Haushalt
57-Kobalt 270 d EC, xg
58-Kobalt 71 d EC, b+, xg Resorptionstest
59-Eisen  45 d b-, xg Eisenkinetik
64-Kupfer 12,5 h b- (keine g)
EC, b+, g(1,34 MeV)
Cu-Stoffwechsel
67-Gallium 78 h EC, xg Szintigraphie
75-Selen 121 d EC, xg Szintigraphie
85-Strontium 64 d EC, xg Knochen-Szintigraphie
86-Rubidium 18,7 d b- (1,08 MeV) Myokarddurchblutung
90-Yttrium 64,2 h b- (2,27 MeV)
(1,75 MeV)
Hypophysen-Implantation
99m- Technetium 6,02 h g
Szintigraphie,  Schilddrüsenfunktionstest
113m-Indium * 113Sn 115 d
113mIn, 1,66 h
EC, xg
g

123-Iod 13 h  g Schilddrüsenszintigraphie
125-Iod 60 d
Markierung
131-Iod 8,04 d b-, xg Leberszintigraphie
Schilddrüsenszintigraphie
132-Iod* 132Te, 78 h
132I , 2,3 h
b-, 2g
b-, xg
Schilddrüsenfunktionstest
133-Xenon 5, 27 d b-, xg Ventilation, Durchblutung
197-Quecksilber 65 h EC, xg
203-Quecksilber 47 d b-, g Szintigraphie
                                                                        
                             


Eine Neutronenquelle erhält man z.B. durch Einsatz eines aktiven
alpha-Strahlers

.

 Die schnellen Neutronen müssen in einem Moderator (z.B. Paraffin) abgebremst werden, wodurch eine höhere Wahrscheinlichkeit für die Folgereaktion zur Bildung des gewünschten Nuklids (meist eine ganze Reaktionskette, Beispiel aus Ag wird radioaktives Cd gebildet) entsteht.

             

Um eine bestimmte Aktivität der Probe aus dem Nuklid zu erzielen, muß man sorgfältig die Bestrahlungsdauer der Ausgangssubstanz aus den Lebensdauern der Zwischenprodukte berechnen. Damit vermeidet man auch eine unnötig hohe Strahlenbelastung.

 

Dosimetrie


Da die Quantenenergie der ionisierenden Strahlung hoch ist, beschreibt man die Intensität dieser Strahlung mit Größen, die besser zum Quantenbild korrelieren. Die zugehörige Meßtechnik wird Dosimetrie genannt.

Von der Quelle der Strahlung gesehen, führt man die Aktivität als Zahl der emittierten Quanten in der Zeit ein, die Einheit der Aktivität ist 1Bq (Becquerel) = 1 Zerfall pro Sekunde. Die Aktivität von Grundwasser ergibt sich durch natürlichen Gehalt an radioaktiven Nukliden: siehe Tabelle

Aktivität T1/2 Aktivität von 1l
Tritium 3H 12,2 a 20 –100×10 -3 Bq
40K 1,3×10 9 a 4 – 400×10 -3 Bq
238U 4,5×10 9 a 1 – 200×10 -3 Bq

 
Auch unser Körper hat eine natürliche Radioaktivität (etwa 70 Bq/kg) allein schon wegen des hohen Gehalts an Kalium.

Versuch zum Nachweis mit einer Probe aus KCl in einer Menge, die der des K-Gehalts im Körper entspricht. Mit einem Geiger-Müller-Zählrohr (siehe Praktikumsanleitung) weisen wir diese Aktivität nach. Man merkt auch, daß man immer eine Untergrundaktivität hat, die aus der Strahlung der Umgebung kommt, kosmische Strahlung aber z.B. auch von allen Teilnehmern hier in der Vorlesung selbst.

Für das Gefährdungspotential muß man eher die Wirkung auf die durchstrahlte Materie betrachten. Dazu benutzt man die Dosis als Maß der Wirkung auf 1 kg Materie. Die Wirkung kann die aufgenommene Energie sein.  Energiedosis:

      
  
oder die Zahl der erzeugten elektrischen Ladung durch die Ionisation.  Ionendosis:

        


Die Energiedosis ist eine kleine Einheit, wenn man vergleicht, daß zum Erwärmen von1 kg Wasser um 1° insgesamt 4180 J benötigt werden. Die Aufnahme von 1Gy ergibt also die fast nicht beobachtbare Erwärmung von 0,00024°. Die Ionendosis ist hingegen eine große Einheit, da 1 R bereits einer Ladung von 1,6×1015 Elektronen also etwa auch so vielen erzeugten Ionen entspricht.

Die physikalische Größe der Dosis ist zur Beurteilung der biologische Wirkung zu wichten; entsprechend führt man die Äquivalentdosis H ein:   
 
   H= q · D
        
Einheit der Äquivalentdosis:  Sv (Sievert)   und alte Einheit 1 rem (radiation equivalent man) = 10-2 Sv
Der Wichtungsfaktor q ist abhängig von der Strahlungsart und der Größe der Energiequanten; außerdem ist zu berücksichtigen, ob die radioaktive Quelle außerhalb oder innerhalb des Körpers ist. Diese Beiträge stellt man insgesamt durch zwei zusätzliche Faktoren dar:  q = Q N , wobei Q ein Erfahrungswert für die Art und Energie der Strahlung ist und N den Ort der radioaktiven Quelle und auch die zeitliche Verteilung der Strahlung berücksichtigt. Typische Werte für Q sind etwa 10 bei alpha-Strahlung und sonst etwa 1, sowie für N etwa 1, wenn die Quelle außerhalb des Körper ist.

Die Einwirkung der radioaktiven Strahlung ist ein Summeneffekt von einer Folge von Strahlungsexpositionen, wenn die Schäden nicht wieder oder nicht hinreichend schnell durch den Organismus repariert werden. Deswegen ist die Angabe durch eine Dosis die geeignete Größe.
Die Letaldosis LD50, d.h. man darf mit nur etwa 50% Überlebenden rechnen, ist etwa mit 4Sv erreicht, wenn die Menschen in kurzer Zeit einer Ganzkörperbestrahlung von 4Sv ausgesetzt wurden.
   
Bei Abschätzungen der Wirkung über längere Zeiträume wird man eher von der Dosisleistung, also von der Dosis auf die Zeit bezogen ausgehen, um die Gefährdung zu bestimmen; also in Einheiten Gy/s

Mittlere effektive Dosis in Deutschland im Jahr 1990
natürliche Strahlenexposition 2,4 mSv
zivilisatorische Strahlenexposition 1,55 mSv  meist aus medizinischen Anwendungen
durch Unfall Tschernobyl zusätzlich 0,025 mSv

oder Sv/s und für Langzeitberechnungen in Sv/a. Die Tabelle gibt einen Überblick über die aufgenommene Dosis aus verschiedenen Quellen natürlicher und anthropogener Art, sowie zur speziellen Diskussion der Strahlenbelastung für das deutsche Gebiet im Zusammenhang mit dem Unfall in Tschernobyl.

Grenzwerte nach der Strahlenschutzverordnung ergeben eine Überwachungsgrenze, wenn mit 1,5 mSv/a oder mehr zusätzlich zur natürlichen Dosisleistung in der Arbeitsumgebung zu rechnen ist.
Die primären Schutzmaßnahmen gegen radioaktive Expositionen sind:
  1. Dosisreduktion bei jedem notwendigen Einsatz auf des absolute Minimum.
  2. Abschirmung der Quelle
  3. Vergrößerung des Abstandes zur Quelle

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