Ionisierende Strahlung

Definition und Arten

Ionisierende Strahlung ist jede Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, deren Energie ausreicht, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen. Dabei entstehen positiv geladene Ionen oder Molekülreste; dieser Vorgang heißt Ionisation. Die erforderliche Energie beträgt meist mehr als etwa 5 Elektronenvolt (eV).

Bei elektromagnetischer Strahlung entspricht dies Wellenlängen von weniger als etwa 250 nm. Dazu gehören kosmische Strahlung, Gamma- und Röntgenstrahlung sowie kurzwelliges Ultraviolett. Radiowellen, Radarwellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung und sichtbares Licht gelten nicht als ionisierend. Freie Protonen, Elektronen und andere geladene Teilchen zählen ab einer kinetischen Energie von etwa 5 eV dazu. Alphastrahlung besteht aus positiv geladenen Heliumkernen, Betastrahlung aus Elektronen oder Positronen; beide sind stets ionisierend.

Neutronen sind elektrisch neutral und ionisieren daher nicht unmittelbar durch Wechselwirkung mit Elektronen. Sie ionisieren indirekt durch Kernreaktionen oder Stöße mit Atomkernen. Schnelle Neutronen übertragen besonders wirksam Impuls auf Wasserstoffkerne. Wasser ist deshalb ein guter Moderator, während schnelle Neutronen für Gewebe besonders gefährlich sind, weil es viel Wasser enthält. Strahlung aus radioaktiven Stoffen wird umgangssprachlich auch als radioaktive Strahlung, Kernstrahlung oder kernphysikalische Strahlung bezeichnet; Strahlung aus geladenen Teilchen heißt auch Ionenstrahlung.

Wechselwirkung mit Materie

Materie schwächt ionisierende Strahlung durch Absorption. Geladene Teilchen ionisieren direkt und geben auf ihrem Weg nahezu kontinuierlich Energie an das durchdrungene Material ab. Diese Strahlung wird als dicht ionisierend bezeichnet. Photonen wie Röntgen- und Gammastrahlung sowie Elektronenstrahlung sind locker oder dünn ionisierend. Ein energiereiches freigesetztes Elektron kann als Delta-Elektron weitere Ionisationen auslösen. Hochenergetische Elektronen erzeugen zusätzlich ionisierende Bremsstrahlung. Die Bahnen geladener Teilchen lassen sich in einer Nebelkammer als Nebelspuren beobachten.

Je dichter eine Teilchenart ionisiert, desto stärker steigt ihre Energieabgabe pro Wegstrecke gegen Ende der Bahn. Dieser charakteristische Anstieg heißt Bragg-Peak.

Photonen ionisieren nicht laufend auf ihrer gesamten Bahn. Ihre wichtigsten Wechselwirkungen mit Materie sind:

• Beim Photoeffekt schlägt das Photon ein Elektron aus der Atomhülle.
• Beim Compton-Effekt überträgt das Photon Energie auf ein Elektron und fliegt energieärmer in eine andere Richtung weiter.
• Bei der Paarbildung verschwindet das Photon; seine Energie erzeugt ein Teilchen-Antiteilchen-Paar.

Bei niedrigen Energien und großen Kernladungszahlen überwiegt der Photoeffekt. Bei hohen Energien und großen Kernladungszahlen dominiert die Paarbildung. Im Bereich von 0,1 bis 20 MeV überwiegt für leichte Elemente die Comptonstreuung. Bei genügend hoher Photonenergie können außerdem durch den Kernphotoeffekt schnelle Protonen oder Neutronen sowie Radionuklide entstehen.

Strahlenquellen und Messung

Die Kernstrahlungsmesstechnik misst radioaktive und andere kernphysikalische Strahlung. Historisch wird sie mit der Radiometrie in Verbindung gebracht. Für den Menschen ist wichtig, dass ionisierende Strahlung nicht direkt wahrgenommen werden kann.

Die natürliche Strahlenexposition von Bewohnern Deutschlands beträgt je nach Lebenssituation, etwa Wohnort, zwischen 1 und 10 Millisievert pro Jahr. Hauptquellen sind:

• Radon, das sich besonders in Kellerräumen ansammeln kann;
• Kalium-40 und andere Radionuklide in Gesteinen und Baumaterialien;
• radioaktive Partikel in Nahrungsmitteln sowie natürlicher Kohlenstoff-14-Anteil in Nahrung und Atemluft;
• kosmische Strahlung, überwiegend schnelle geladene Teilchen und deren Sekundärstrahlung. Ihre Belastung steigt mit der Höhe über dem Meeresspiegel und ist deshalb beispielsweise beim Flugverkehr relevant;
• Sonnenstrahlung. UV-B wird fast vollständig absorbiert, kann aber unter anderem Sonnenbrand verursachen. UV-C wird vollständig in der Atmosphäre absorbiert und trägt durch die Aufspaltung molekularen Sauerstoffs zur Ozonschicht bei. Teilchenstrahlung des Sonnenwinds kann Polarlichter verursachen.

Die durchschnittliche Jahresdosis aus zivilisatorischen Quellen liegt in derselben Größenordnung wie die natürliche Dosis. Dazu gehören medizinische Röntgenaufnahmen und Strahlentherapie, freigesetztes radioaktives Material aus früheren Kernwaffentests oder Nuklearunfällen wie Tschernobyl, Kernreaktoren und Teilchenbeschleuniger sowie Bergbau, Uranabbaustätten, Uranschlamm, Absetz- und Klärbecken und kontaminierte Gewässer. Röntgenstrahlung kann außerdem als Nebenprodukt in Geräten entstehen, in denen Elektronen mit Hochspannung beschleunigt werden, etwa in Röhrenbildschirmen, Elektronenmikroskopen, Radarsendern oder Elektronenstrahlschweißanlagen.

Dosisgrößen und biologische Wirkung

Die Energiedosis ist die von einem bestrahlten Objekt, beispielsweise Körpergewebe, pro Masseeinheit aufgenommene Energie. Sie hängt von der Bestrahlungsintensität und von der Absorptionsfähigkeit des Materials für die jeweilige Strahlungsart und -energie ab. Ihre SI-Einheit ist das Gray (Gy): 1 Gray = 1 J/kg.

Die Ionendosis beschreibt die Stärke der Ionisierung als freigesetzte elektrische Ladung pro Masse des bestrahlten Stoffes. Ihre SI-Einheit ist C/kg (Coulomb pro Kilogramm).

Die Äquivalentdosis bewertet die biologische Wirkung einer bestimmten Strahlendosis und wird im Strahlenschutz verwendet. Sie ergibt sich aus der Energiedosis in Gray multipliziert mit dem Strahlungswichtungsfaktor. Dieser Faktor berücksichtigt vereinfacht die relative biologische Wirksamkeit und hängt von Strahlungsart und -energie ab. Für Beta- und Gammastrahlung beträgt er 1; Äquivalentdosis in Sievert und Energiedosis in Gray sind dort zahlenmäßig gleich. Für andere Strahlungsarten gelten Faktoren bis zu 20. Die SI-Einheit ist das Sievert (Sv): 1 Sv = 1 J/kg.

Ionisation spaltet chemische Verbindungen und erzeugt hochreaktive Radikale. Besonders wichtig ist die Radiolyse von Wasser. Dabei entstehende reaktive Sauerstoffspezies können Enzyme oder DNA beschädigen oder inaktivieren. Dicht ionisierende Strahlung erzeugt häufiger komplexe, schwer reparierbare DNA-Schäden mit mehreren benachbarten Einzelschäden und hat deshalb eine höhere relative biologische Wirksamkeit.

Kurzfristige Belastungen von etwa 0,2 bis 1,0 Sv können Strahlenkrankheit auslösen. Eine Kurzzeitbestrahlung von 4 Sv ist in 50 % der Fälle tödlich, 7 Sv gelten als sicher tödlich. Ab mehr als etwa 2 Sv werden so viele biologisch wichtige Moleküle zerstört, dass betroffene Zellen nicht mehr lebensfähig sind. Langzeitfolgen können Veränderungen des Erbguts, Krebs, Missbildungen bei Nachkommen oder Embryonen beziehungsweise Föten sowie Sterilität sein.

Bei mittleren Lebensdosen um 0,1 Sv, ungefähr der Dosis aus 76 Jahren natürlicher Strahlung bei bis zu 1,3 mSv pro Jahr in Deutschland, werden keine auffälligen Beobachtungen beschrieben. Die Wirkung sehr geringer Dosen um 0,02 Sv ist umstritten. Nach einem linearen Modell steigt das Krebssterberisiko bei dieser Dosis um 1 ‰; ein statistisch sicherer Nachweis würde Millionen Probanden erfordern. Weniger Wissenschaftler vermuten dagegen, dass sehr geringe Strahlenexpositionen unter Umständen größere Schäden oder eine erhöhte Krankheitsanfälligkeit bewirken könnten. Auch eine mögliche krankheitsfördernde Wirkung einer Verringerung der natürlichen Strahlung ist umstritten.

Besondere Wirkungen und Anwendungen

Alphastrahlung ionisiert Gewebe besonders stark, hat in Luft aber nur eine Reichweite von wenigen Zentimetern und wird durch ein Blatt Papier oder die obersten abgestorbenen Hautschuppen abgeschirmt. Außerhalb des Körpers sind Alphastrahler daher weitgehend ungefährlich. Gelangen sie jedoch in direkten Kontakt mit lebendem Gewebe, etwa durch eingeatmete radioaktive Aerosole, können sie gefährlich werden. Radioaktiver Staub kann sich in der Lunge ablagern und Krebs auslösen. Radon wird im Körper nicht eingelagert, kann aber durch radioaktive Zerfälle während des Einatmens die Lunge gefährden. Ein sehr starker Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von einigen Tagen oder weniger kann nach Aufnahme über Nahrung oder Injektion bereits in Mengen von wenigen Mikrogramm tödlich sein. Kurzwelliges, durch die Ozonschicht nur in geringem Anteil die Erdoberfläche erreichendes UV kann das Hautkrebsrisiko erhöhen.

Ionisierende Strahlung kann außerdem Fehler in mikroelektronischen Schaltungen, etwa Bitfehler im RAM, verursachen. Je kleiner die Ladungen der Bauelemente sind, desto häufiger treten solche Fehler auf. Für Weltraumeinsätze sind deshalb besondere Schutzmaßnahmen wichtig.

Biologisch und chemisch wird ionisierende Strahlung unter anderem genutzt für:

• Mutagenese in der Pflanzenzüchtung, bei der strahlungsinduzierte Mutationen erzeugt werden;
• die Sterile-Insekten-Technik (SIT), bei der männliche Schadinsekten durch Gammastrahlung sterilisiert und freigesetzt werden, sodass wegen ausbleibender Nachkommen die Population sinkt;
• die Sterilisation von Geräten, Implantaten, Lebensmitteln und Trinkwasser durch Abtötung von Mikroorganismen, wobei für Lebensmittel strenge Auflagen gelten;
• die Vernetzung von Polymeren ohne Wärmeentwicklung, beispielsweise durch Betastrahlung bei Isolierstoffen oder durch UV-Strahlung bei Kunstharz-Lackschichten;
• Farbänderungen in Edelsteinen, Gläsern und pigmentierten Kunststoffen durch die Erzeugung von Farbzentren;
• Fotolithografie für Mikroelektronik und Leiterplatten, bei der UV-, Röntgen-, Ionen- oder Betastrahlung Vernetzungs- oder Zersetzungsreaktionen auslöst;
• chlorfreie Bleiche von Zellulose durch chemische Aufspaltung färbender Bestandteile.

Strahlenschutz

Beim Umgang mit ionisierender Strahlung sind besondere Schutzmaßnahmen nötig, weil Menschen sie nicht unmittelbar wahrnehmen können. Die 3-A-Regel fasst die wichtigsten Maßnahmen zusammen: Abschirmung, möglichst großer Abstand und möglichst kurze Aufenthaltsdauer im Strahlenfeld. Je nach Situation kommen Mess- und Warneinrichtungen wie Dosimeter hinzu.

In Deutschland ist das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) für Fragen zu ionisierender Strahlung und Kerntechnik zuständig. Die Strahlenschutzkommission (SSK) ist ein Beratungsgremium.