Strahlenschutz-Serie: Unterscheidung verschiedener Strahlenarten
Strahlung umgibt uns täglich. Nichtionisierende Strahlen wie Sonnenstrahlen können durch Kleidung und Sonnencreme abgeschirmt werden. Ionisierende Strahlen, welche von radioaktiven Stoffen ausgesendet werden, benötigen zur Abschirmung je nach Strahlungsart von einem Blatt Papier bis hin zu einer Blei- und Betonschicht von einigen Zentimetern bis Metern.
Strahlung wird in der Physik definiert als die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Sowohl natürliche Strahlen – beispielsweise Sonnenstrahlen – wie auch künstliche Strahlen – beispielsweise Strahlen in einem Mikrowellenofen – sind für uns selbstverständlich und von unserem Alltag nicht mehr wegzudenken.
Ionisierende und nichtionisierende Strahlung
Grundsätzlich werden zwei Arten von Strahlen unterschieden: ionisierende und nichtionisierende Strahlung:
- Ionisierende Strahlung ist der Sammelbegriff für Teilchen- oder Photonenstrahlung, deren Energie ausreicht, um bei Zusammenstössen mit Atomen deren Elektronen aus der Atomhülle zu schleudern. Da Elektronen eine negative Ladung besitzen, bleibt nach dem Stoss ein positiver Atomrumpf (die positive Ladung des Atomkerns ist grösser als die negative Ladung der restlich verbliebenen Elektronenwolke), also ein Ion, übrig. Die Atome werden ionisiert. Zu dieser Strahlung gehören beispielsweise die Röntgenstrahlung sowie die Strahlung, die von radioaktiven Stoffen ausgeht. Durch die Ionisierung der Atome wird auch ihre chemische Bindung zu benachbarten Atomen verändert. Dies führt bei einigen Materialien zu bleibenden Veränderungen, welche für deren Nutzung vor- oder nachteilig sein können. Beispielsweise wird Plastik spröde und verändert seine Farbe.
- Nichtionisierende Strahlung umfasst Strahlung mit geringerer Energie. Beispiele dafür sind Radio- und Mikrowellen.
Alpha- und Betastrahlung
Die häufigsten ionisierenden Strahlungsarten aus radioaktiven Stoffen unterscheiden sich vor allem in Bezug auf ihre Reichweite. Bei der Alpha- und Betastrahlung handelt es sich um schnelle geladene Teilchen, die hauptsächlich durch Stösse an Elektronen ihre Energie verlieren, abgebremst werden und in einer gewissen Tiefe (Reichweite) stoppen. Je langsamer und grösser die geladenen Teilchen sind, desto kürzer ist ihre Reichweite in Materie.
Bei der Alphastrahlung beträgt die Reichweite in der Luft wenige Zentimeter, im menschlichen Gewebe gar weniger als 0,1 Millimeter. Betastrahlung kann die Luft einige Zentimeter bis Meter durchdringen, Weichteilgewebe oder Kunststoff hingegen nur wenige Millimeter.
Neutronenstrahlung
Als ungeladene Teilchen werden Neutronen nur gestreut, wenn sie direkt auf einen Atomkern treffen. Wie bei Billardkugeln wird die Bewegungsenergie am besten auf Atomkerne von ähnlicher Masse wie die Neutronen übertragen. Neutronenstrahlung durchdringt deshalb die meisten schweren Materien relativ leicht, hingegen können Wasser oder Kunststoff Neutronen relativ schnell abbremsen.
Gammastrahlung
Gammastrahlung wird entweder gestreut (Compton-Streuung) oder absorbiert (Photoeffekt und Paarbildung). Abhängig ist dies von der Dichte und Anzahl der Protonen im Atomkern. Die Streuung wie auch das Absorbieren kann man sich vorstellen wie einen Pfeil, den man in den Wald schiesst – der Pfeil fliegt so lange oder so kurz, bis er auf einen Baum trifft und abprallt (gestreut wird und in eine andere Richtung fliegt) oder darin steckenbleibt (absorbiert wird). Jede gestreute Gammastrahlung wird schliesslich absorbiert.
Da die Abbremsung der Gammastrahlung nicht wie bei geladenen Teilchen kontinuierlich, sondern eher zufällig geschieht, kann man der Gammastrahlung keine maximale Reichweite zuordnen. Statt von Reichweite spricht man bei der Gammastrahlung von einer Schwächung der Strahlenintensität mit zunehmender Dichte und Dicke des Materials. Die Gammastrahlung hat ein um einiges höheres Durchdringungsvermögen als die Alpha- und Betastrahlung.
Blei ist das gängigste Abschirmmaterial für Gammastrahlung im Labor. Steht – wie in einem Kernkraftwerk – genügend Raum zur Verfügung, können auch dickere Schichten von anderen Materialien wie Eisen, Beton oder Wasser verwendet werden.
Bleibende Veränderungen in Materie
Ionisierende Strahlung kann bleibende Veränderungen an Lebewesen und Material bewirken. In Metallen verändert das Herausschlagen von Atomen aus ihren Kristallgitterplätzen die Materialeigenschaften. Solche Strahlenschäden sammeln sich an, bis es schliesslich zu messbaren Veränderungen wie beispielsweise Versprödungen kommt.
Trifft ionisierende Strahlung auf die Zellen eines Menschen oder eines Tieres, kann es im Zellkern zu Einzel- oder auch Doppelstrangbrüchen in der DNS kommen. Solche Schäden können bei niedriger Strahlungsintensität meistens repariert werden. Bei höherer Strahlungsintensität ist dies nicht immer möglich, wodurch eine Zelle ihre Teilungsfähigkeit verlieren kann und nach Ablauf ihrer Lebensdauer abstirbt. Sind in einem Organ viele Zellen betroffen, ergeben sich deterministische Strahlenschäden. Auf die gesundheitlichen Schädigungen wird im sechsten Artikel der Strahlenschutz-Serie im Detail eingegangen.
Dies ist der vierte von 14 Teilen der Artikelserie zum Thema Strahlenschutz. Im fünften Teil geht es um die Grundlagen zur Radioaktivität.