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Art der Gefährdungen und deren Wirkungen

Der Mensch im Feld natürlicher und künstlicher Strahlenquellen

Der Mensch ist ständig von einer Vielzahl von Strahlungen umgeben. Das Licht und die Wärme der Sonne, die das Leben auf der Erde erst möglich machen, gelangen als Strahlung zur Erde. Strahlung ist eine Energieform, die sich als elektromagnetische Welle - oder als Teilchenstrom - durch Raum und Materie ausbreitet.

Was unterscheidet die einzelnen Strahlungsarten voneinander? Es ist die Energie, die die elektromagnetische Welle mit sich trägt. Die infrarote Wärmestrahlung eines Kachelofens, die UV-Strahlung, die Sonnenbrand auf der Haut verursacht, oder die Röntgenstrahlung, die unseren Körper durchdringen kann und die Abbildung innerer Organe möglich macht, sie unterscheiden sich in ihrer grundlegenden physikalischen Natur nicht voneinander, wohl aber in der Menge der pro Quant mitgeführten Energie und damit auch in ihrer Wirkung.

Abb. 6.6-1 Elektromagnetisches Spektrum mit einigen für die jeweiligen Frequenzbereiche typischen Quellen (NMR Kernspintomograph; NF Niederfrequenz; RF Radiofrequenz, UV Ultraviolett, TV Fernsehen) (Quelle: Autor) Abbildung 6.6-1 (Vergrößerung öffnet sich im neuen Fenster) Abb. 6.6-1 Elektromagnetisches Spektrum mit einigen für die jeweiligen Frequenzbereiche typischen Quellen (NMR Kernspintomograph; NF Niederfrequenz; RF Radiofrequenz, UV Ultraviolett, TV Fernsehen) (Quelle: Autor)

Die Strahlungsarten werden je nach ihrer Energie in zwei große Gruppen unterteilt. Ist die Energie der Strahlung so hoch, dass sie bei der Durchdringung von Stoffen an Atomen und Molekülen Ionisationsvorgänge auslöst, spricht man von ionisierender Strahlung. Zu dieser Kategorie gehört z. B. die Röntgen- und Gammastrahlung. Reicht die Energie der Strahlung nicht aus, um Atome und Moleküle zu ionisieren, handelt es sich um nicht ionisierende Strahlung. Sie umfasst den Bereich der Radio- und Mikrowellen, elektromagnetische Felder und die optische Strahlung.

Eine eigene Familie ist die Teilchenstrahlung. Teilchenstrahlung wird, wie auch die Gammastrahlung, von radioaktiven Stoffen beim Zerfall ausgesendet. Sie ist sehr energiereich und hat gemeinsam mit der Gammastrahlung die Eigenschaft, Atome und Moleküle bei der Durchdringung von Stoffen zu ionisieren. Sie wird deshalb ebenfalls der Gruppe der ionisierenden Strahlung zugeordnet.

Ionisierende Strahlung ist sowohl Teil der Natur als auch das Resultat menschlicher Tätigkeit. Radioaktive Stoffe und ionisierende Strahlung umgeben uns - bildlich gesprochen - überall. Natürliche radioaktive Stoffe sind in den Böden und Gesteinen der Erdkruste vorhanden. Durch Medizin, Forschung, Technik und Nutzung der Kernenergie sind künstlich erzeugte radioaktive Stoffe und die von ihnen ausgehende Strahlung in unsere Lebenssphäre gekommen. Trifft ionisierende Strahlung auf das menschliche Gewebe, übt sie dort eine Wirkung aus, die in Abhängigkeit von den konkreten Umständen auch schädigend sein kann.

Ionisierende Strahlung

Radioaktivität und Strahlung

Als der französische Physiker Henri Becquerel im Jahre 1896 mit uranhaltigem Gestein experimentierte, stellte er fest, dass in der Nähe befindliche Fotoplatten trotz lichtdichter Verpackung geschwärzt waren. Die Ursache dafür konnten nur die Präparate in seinem Labor sein, von denen offensichtlich eine durchdringende Strahlung ausging. Die Wissenschaftlerin Marie Curie prägte später für die Erscheinung, dass bestimmte Stoffe ohne erkennbare äußere Einwirkung unsichtbare, mit technischen Mitteln jedoch nachweisbare Strahlung aussenden, den Begriff der Radioaktivität.

Die von Becquerel gefundene Strahlung wies die gleichen Eigenschaften auf, wie die sog. "X- Strahlen", die Wilhelm Conrad Röntgen ein Jahr zuvor entdeckt hatte und die später nach ihm benannt wurden. Sie konnten Materie durchdringen und diese dabei ionisieren.

Heute bezeichnen wir als Radioaktivität die Eigenschaft bestimmter Atomkerne, sich ohne äußere Einwirkung von selbst in andere Kerne umzuwandeln und dabei energiereiche Strahlung auszusenden. Im Ergebnis der Umwandlung entstehen letztlich Atome, die nicht mehr radioaktiv sind. Der Prozess der Kernumwandlung wird in der Regel als Kernzerfall und die abgegebene Strahlung - wegen ihrer bereits erwähnten Eigenschaft - als ionisierende Strahlung bezeichnet. Der häufig umgangssprachlich verwendete Ausdruck "radioaktive" Strahlung ist deshalb wissenschaftlich nicht korrekt. "radioaktiv" sind die Atome, die in ihrer Gesamtheit auch als Radionuklide bezeichnet werden.

Beim Kernzerfall können folgende Arten ionisierender Strahlung emittiert werden:

Alphastrahlung:

Teilchenstrahlung in Form von Kernen des Elements Helium (Alphateilchen). Alphateilchen werden durch wenige Zentimeter Luft bereits absorbiert und können weder ein Blatt Papier noch die Haut des Menschen durchdringen.

Betastrahlung:

Teilchenstrahlung in Form von Elektronen (Betateilchen). Das Durchdringungsvermögen von Betateilchen beträgt in Luft einige Zentimeter bis Meter, in Weichteilgewebe oder Kunststoff nur wenige Millimeter bis Zentimeter.

Gammastrahlung:

Elektromagnetische Wellenstrahlung. Gammastrahlung ist von gleicher physikalischer Natur wie das sichtbare Licht, allerdings erheblich energiereicher und mit hohem Durchdringungsvermögen in Materie. Zur Abschirmung von Gammastrahlung müssen deshalb schwere Materialien wie beispielsweise Blei und Beton verwendet werden. Abgesehen von der Art der Entstehung ist Gammastrahlung mit der Röntgenstrahlung vergleichbar.

Neutronenstrahlung:

Neutronen sind elektrisch neutrale Elementarteilchen. Sie werden insbesondere bei der Kernspaltung – einer speziellen Form der Kernumwandlung - freigesetzt. Die Kernspaltung ist nur für schwere Atomkerne - wie z. B. vom Element Uran - charakteristisch.

Becquerel:

Die Anzahl der pro Zeiteinheit in einem radioaktiven Stoff ablaufenden Kernzerfälle ist das Maß für die Aktivität dieses Stoffs. Die Maßeinheit der Aktivität eines radioaktiven Stoffs ist das Becquerel (Kurzzeichen: Bq). Mit der Aktivität wird also angegeben, wie viele Kernzerfälle in einem bestimmten radioaktiven Stoff pro Sekunde stattfinden. Die Aktivität 1 Bq ist sehr klein. Ein Gramm Wasser enthält etwa 1023 Atome. Wenn darunter so viele radioaktive Atome sind, dass jede Sekunde eines davon zerfällt, dann hat dieses Gramm Wasser eine Aktivität von einem Becquerel. Aus dem Zerfall radioaktiver Atome gehen letztlich stabile Atome hervor. Die Anzahl der radioaktiven Atome in einer bestimmten Stoffmenge nimmt deshalb mit der Zeit ab. Die Zeit, die vergeht, bis nur noch die Hälfte der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Atomkerne vorhanden ist, nennt man die Halbwertszeit. Diese ist auch das Maß für die Zeit, in der die Intensität der von dem radioaktiven Stoff ausgesandten ionisierenden Strahlung auf die Hälfte des Ausgangswerts absinkt. Nach zehn Halbwertszeiten beträgt die Aktivität des Stoffs und demnach auch die Intensität der Strahlung etwa ein Tausendstel des Anfangswerts. Jedes Radionuklid hat eine eigene charakteristische Halbwertszeit. Für die verschiedenen Radionuklide reichen die jeweiligen Halbwertszeiten von Sekundenbruchteilen bis zu mehreren Milliarden Jahren.

Röntgenstrahlung:

Die Röntgenstrahlung zählt zur ionisierenden Strahlung und unterscheidet sich in ihrer physikalischen Natur nicht von der Gammastrahlung. Röntgenstrahlung wird technisch beim Abbremsen von energiereichen Elektronen an der Anode einer Röntgenröhre erzeugt. Die kurzwellige Strahlung ist umso durchdringender, je höher die anliegende Röhrenspannung ist, mit der die Elektronen beschleunigt werden. Bei einigen technischen Prozessen entsteht Röntgenstrahlung, auch wenn es nicht beabsichtigt ist. Solche Geräte werden Störstrahler genannt. Diese sind u. a. Ultrakurzpulslaser, Kathodenstrahlröhren, Plasmaanlagen, Elektronenstrahlhärtungsanlagen, Elektronenmikroskope.

Im Unterschied zur Kernstrahlung, die in ihrer Existenz an Radionuklide gebunden ist und solange ausgesandt wird, bis auch das "letzte" Radionuklid zerfallen ist, wird keine Röntgenstrahlung mehr erzeugt, sobald das Röntgengerät/Störstrahler abgeschaltet ist.

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