Ionisation

Atome und Moleküle sind normalerweise elektrisch neutral, da sich positive Kernladungen und negative Elektronenladungen ausgleichen. Wird einem Atom ausreichend Energie zugeführt, kann ein Elektron aus der Elektronenhülle entfernt werden. Dabei entstehen ein positiv geladenes Ion und ein freies Elektron. Wird dagegen ein Elektron aufgenommen, entsteht ein negativ geladenes Ion. Die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einem Atom oder Molekül zu entfernen, wird als Ionisationsenergie bezeichnet.

Ionisation kann durch verschiedene physikalische Prozesse ausgelöst werden, beispielsweise durch:

• Ionisierende Strahlung
• schnelle geladene Teilchen
• elektrische Entladungen
• chemische oder elektrochemische Reaktionen

In der Medizin entsteht Ionisation häufig durch Röntgenstrahlung, Gammastrahlung oder geladene Teilchen. Trifft ein energiereiches Photon auf ein Atom, kann ein Elektron aus der Elektronenhülle herausgelöst werden. Dabei entsteht ein Sekundärelektron, das seinerseits weitere Ionisationen verursachen kann. Ionisation ist dabei meist die Folge anderer Wechselwirkungsprozesse, insbesondere des Photoeffekts und des Compton-Effekts.

Die Ionisation biologischer Moleküle ist der grundlegende Mechanismus der biologischen Wirkung ionisierender Strahlung. Dabei können entstehen:

• freie Radikale
• chemische Veränderungen von Proteinen
• DNA-Schäden

Diese Prozesse können zu Zellschäden, Mutationen oder langfristig zur Entstehung von Krebs führen.

Ionisationsprozesse spielen in verschiedenen medizinischen Bereichen eine wichtige Rolle.

In der Radiologie entstehen Ionisationen beim Durchgang von Röntgenstrahlung durch Gewebe. Unterschiede in der Wahrscheinlichkeit solcher Wechselwirkungen führen zur unterschiedlichen Strahlenschwächung verschiedener Gewebe und damit zum Bildkontrast in der Projektionsradiographie oder der Computertomographie.

In der Strahlentherapie werden Ionisationen gezielt genutzt, um Tumorzellen zu schädigen. Die dabei entstehenden DNA-Schäden führen zur Zerstörung oder zum Wachstumsstopp der Tumorzellen.

Ionisationsprozesse werden auch in analytischen Verfahren eingesetzt, beispielsweise in der Massenspektrometrie, bei der Moleküle ionisiert werden, um ihre Masse bestimmen zu können.