Ionisierende Strahlung ist energiereiche Strahlung, zu der neben den Strahlungsarten der klassischen Radioaktivität (Alpha-, Beta- und Gammastrahlung) auch die Röntgenstrahlung gehört. Hier wird beschrieben, woraus die unterschiedlichen Strahlungsarten bestehen und anhand welcher physikalischen Eigenschaften sie sich beschreiben lassen. Show
Für die Medizin von besonderer Bedeutung sind vor allem die Wechselwirkungen, die zwischen ionisierender Strahlung und Materie stattfinden. Hier interessieren die Abschwächung und Eindringtiefe der Strahlung im Gewebe sowie die Konsequenzen, die sich für lebende Materie ergeben – also welche Strahlendosis ungefährlich ist bzw. genau den therapeutischen Zweck erfüllt, den man anstrebt. Grundbegriffe der RadioaktivitätDa die meisten Arten ionisierender Strahlung zu den sog. „radioaktiven Strahlungsarten“ gehören sollen hier einige grundlegende Eigenschaften der Radioaktivität eingeführt werden.
Teilchenstrahlung kann durch geeignete Schutzmaßnahmen vollständig abgeschirmt werden, elektromagnetische Strahlung kann nur abgeschwächt werden! Die Begriffe radioaktive Strahlung und ionisierende Strahlung sind nicht synonym: Radioaktive Strahlung bezeichnet Strahlung, die aus dem Kern eines Atoms ausgesendet wird; ionisierende Strahlung umfasst alle Strahlungsarten, deren Energie groß genug ist, um Materie unabhängig von ihrer Herkunft zu ionisieren! StrahlungsartenAls ionisierende Strahlen werden alle Strahlungsarten bezeichnet, deren Energie hoch genug ist, um Elektronen aus einem Atom zu entfernen . Diese lassen sich wie folgt einteilen: Ionisierende Strahlung - ÜbersichtAlphastrahlungβ+-Strahlungβ--StrahlungGammastrahlungRöntgenstrahlungReaktionAZX → (A-4)(Z-2)E2- + 42He2+AZX → A(Z-1)E + e++ NeutrinoAZX → A(Z+1)E + e-+ Antineutrino[AZX]* → AZX + Photon[AZX]* → AZX + PhotonBeispiel-Reaktionsgleichung22488Ra → 22086Rn + 42He2+4019K → 4018Ar + e+ + Neutrino21482Pb→ 21483Bi + e- + Antineutrino[21884Po]*→ 21884Po + Photon[9842Mo]*→ 9842Mo + PhotonEffektDirekt ionisierendDirekt ionisierendDirekt ionisierendIndirekt ionisierendIndirekt ionisierendReichweite in LuftEinige ZentimeterEinige MeterEinige MeterSehr weit, bis zu mehreren KilometernSehr weit, bis zu mehreren KilometernReichweite in Wasser (Gewebe)Ca. 5 μmCa. 5 mmCa. 5 mmDurchdringt den menschlichen KörperDurchdringt den menschlichen Körper Möchte man Strahlung genauer charakterisieren, so muss man neben der Strahlungsart auch wissen, wie stark die Strahlung ist: Das lässt sich bspw. aus der Strahlungsaktivität ablesen, die Auskunft darüber gibt, wie schnell eine Strahlungsquelle zerfällt. Umgekehrt kann man mit der Kernanzahl auch angeben, wie viele radioaktive Kerne eine Strahlenquelle noch hat. Beide Größen zeigen einen exponentiellen Verlauf. Meistens verwendet man jedoch die Halbwertszeit, um Strahlung und die Strahlenquelle zu charakterisieren.
Die Strahlungsenergie von Elementarteilchen ist sehr klein, daher wird sie in der Regel in der Einheit keV angegeben: 1 eV = 1 V × Elementarladung = 1 × 1,6 × 10-19 VAs = 1,6 × 10-19 J. Beispielrechnung HalbwertszeitEin radioaktives Element hat eine Zerfallskonstante von 0,0005/s. Wie groß ist die Halbwertszeit dieses Elements?
Beispielrechnung StrahlungsaktivitätEin radioaktives Element besitzt eine Zerfallskonstante von 0,0078/s. Wieviele Atomkerne des Elements sind nach 30 Minuten noch vorhanden, wenn die Ausgangsmenge 1015 Kerne sind?
Wenn Strahlung mit Materie wechselwirkt, dann wird sie dadurch abgeschwächt. Die genaue Art der Wechselwirkung hängt vor allem davon ab, ob es sich um Teilchenstrahlung (wie bei der Alpha- und der Betastrahlung) oder um elektromagnetische Wellen (wie bei der Gamma- und der Röntgen-Strahlung) handelt. Die nun folgenden Aussagen gelten vor allem für elektromagnetische Strahlung. Je weiter der Weg der Strahlung durch die Materie ist, desto stärker ist die Schwächung. Außerdem ist die Schwächung der Strahlung abhängig von der Art der Materie und der Frequenz der Strahlung. Man beschreibt die Abnahme der Strahlung mittels des sogenannten Schwächungsgesetzes, gibt die Schwächung oft aber auch in Form der Halbwertsdicke an.
Strahlung aus ungeladenen Teilchen (z.B. Gammastrahlung) wird weniger stark von Materie abgeschwächt als Strahlung aus geladenen Teilchen (Alphastrahlung)! Die Strahlungsenergie E nimmt antiproportional zum Quadrat des Abstands r zur Strahlenquelle ab (E ∼ 1/r2). Steht man bspw. 2 m statt nur 1 m von einem Röntgengerät entfernt, beträgt die Strahlungsenergie nur noch ein Viertel (1/22 = 1/4), bei 10 m Entfernung beträgt die Strahlungsenergie nur noch ein Hundertstel (1/102 = 1/100)! Beispiel-RechnungDie Strahlung eines Lasers nimmt in Muskelgewebe mit einem exponentiellen Schwächungsgesetz ab. Der Absorptionskoeffizient des Gewebes beträgt 750/cm. Nach welcher Strecke durch das Gewebe ist noch ca. 1/10tel der ursprünglichen Intensität vorhanden?
Strahlenbelastung Da die Energiemengen einzelner strahlender Kerne so winzig sind, wird als Einheit hier oft "Elektronen-Volt" (eV) verwendet. Die Umrechnung in die „normale“ Energieeinheit Joule (J) erfolgt mit der folgenden Formel: 1 eV = 1 V × Elementarladung = 1 × 1,6 × 10-19 VAs = 1,6 × 10-19 J! BeispielrechnungEin Mensch ist einer kontinuierlichen, schwachen radioaktiven Belastung durch Gammastrahlen ausgesetzt. Jedes Zerfallsereignis entspricht einer Strahlungsenergie von 10-12 J. Wie groß ist die von diesem Menschen aufgenommene Energiedosis in einem Monat (30 Tage), wenn der Mensch ca. 80 kg wiegt und pro Tag ca. 10.000 Zerfallsereignissen ausgesetzt ist?
StrahlungsartenAus was besteht Alphastrahlung und wie verändern sich die radioaktiven Nuklide durch die Strahlung? Aus was besteht Betastrahlung und wie verändern sich die radioaktiven Nuklide durch die Strahlung? Was ist Gammastrahlung und wie entsteht sie? Beschreibe Röntgenstrahlung und ihre Entstehung bzw. Erzeugung! Welche Art von Strahlung kommt bei der Szintigrafie zum Einsatz? Welche Art von Strahlung kommt bei der Computertomografie (CT) zum Einsatz? Welche Strahlenquellen werden bei der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) verwendet? Eigenschaften von StrahlungWie wird die Stärke einer Strahlung angegeben? Was sind die Halbwertszeit und die mittlere Lebensdauer eines radioaktiven Kerns und wie hängen sie zusammen? Was ist die Einheit Elektronenvolt (eV) und wozu wird sie verwendet? Wechselwirkung von ionisierender Strahlung und MaterieWas passiert mit ionisierender Strahlung, wenn sie auf Materie trifft? Was ist die Halbwertsdicke? Welche Strahlungsarten werden besonders stark/weniger abgeschwächt? Was versteht man unter dem Abstandsquadratgesetz? StrahlungsdosisWas versteht man unter Energiedosis und Äquivalentdosis einer Strahlung? Wie werden sie berechnet und welche Einheiten werden dafür verwendet? Offene Fragen zum Kapitel Ionisierende StrahlungWas versteht man unter radioaktiver Strahlung? Was weißt du über die verschiedenen Eindringtiefen der Strahlungsarten? Warum unterscheiden sie sich? Welche Strahlung ist indirekt Ionisierend?Zur indirekt ionisierender Strahlung gehören Photonenstrahlen (elektromagnetische Strahlung: γ-Strahlung, Röntgenstrahlung, UV-C) oder ungeladenen Teilchen (Neutronen).
Was ist der Unterschied zwischen ionisierender und nicht ionisierender Strahlung?Im Gegensatz zur ionisierenden Strahlung reicht bei der nichtionisierenden Strahlung die Energie der Strahlung nicht aus, um Atome oder Moleküle in einen elektrisch geladenen Zustand zu versetzen, das heißt zu ionisieren. Daher handelt es sich bei der nichtionisierenden Strahlung nicht um eine radioaktive Strahlung.
Was ist indirekte Strahlung?2.2 Indirekte Strahlenwirkung
Bei der indirekten Wirkung entstehen durch die Strahlung diffuse Radikale, die durch Radikalkettenreaktionen zu einer sekundären Schädigung des Targets (z.B. DNA) führen. Energieabsorption und Auslösung der biologischen Wirkung erfolgen hierbei in verschiedenen Molekülen.
Welche Arten von ionisierender Strahlung gibt es?Zur ionisierenden Strahlung gehören elektromagnetische Strahlung (Röntgen- und Gammastrahlung) und Teilchenstrahlung ( z.B. Alpha-, Beta- und Neutronenstrahlung). Die wichtigste Eigenschaft der ionisierenden Strahlung ist, dass sie genügend Energie hat, um Atome und Moleküle zu ionisieren.
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Was ist der Unterschied zwischen direkt und indirekt ionisierender Strahlung?
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