Ionisierende Strahlung

In der Strahlenphysik und im Strahlenschutz werden im Wesentlichen folgende Strahlungsarten unterschieden:

• Alphastrahlung
• Betastrahlung
• Hochgenergetische elektromagnetische Strahlung: Gammastrahlung, Röntgenstrahlung
  • Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlung erfolgt primär nach ihrem Entstehungsort (Elektronenhülle bzw. Atomkern) und nicht nach der Energie der Photonen, da sich die Energiebereiche teilweise überlappen.
• Neutronenstrahlung
• Protonenstrahlung
• Schwerionenstrahlung

Die letzten beiden treten vor allem in kosmischer Strahlung, in Teilchenbeschleunigern und in der Strahlentherapie auf.

Alphastrahlung besteht aus Alphateilchen, also Heliumkernen mit zwei Protonen und zwei Neutronen. Sie entstehen beim radioaktiven Zerfall schwerer Atomkerne, beispielsweise von Uran oder Radium. Alphateilchen besitzen eine relativ hohe Masse und eine doppelte positive Ladung. Dadurch verursachen sie entlang ihrer Bahn eine sehr hohe Ionisationsdichte.

Eigenschaften:

• sehr kurze Reichweite in Materie: Abschirmung bereits durch ein Blatt Papier oder wenige Zentimeter Luft möglich
• hohe biologische Wirksamkeit bei Aufnahme in den Körper

Außerhalb des Körpers ist Alphastrahlung aufgrund ihrer geringen Eindringtiefe meist wenig gefährlich. Gelangen Alphastrahler jedoch durch Inhalation oder Ingestion in den Organismus, können lokal erhebliche Gewebeschäden entstehen.

Betastrahlung entsteht beim radioaktiven Zerfall instabiler Atomkerne und besteht aus hochenergetischen Elektronen (β⁻) oder Positronen (β⁺). Im Vergleich zu Alphateilchen besitzen Betateilchen eine geringere Masse und Ladung und verursachen daher eine niedrigere Ionisationsdichte.

Eigenschaften:

• größere Reichweite als Alphastrahlung: Eindringtiefe in Gewebe typischerweise im Millimeterbereich
• Abschirmung z. B. durch Kunststoff, Glas oder dünne Metallschichten
• bei intensiver Exposition können Hautschäden und Strahlenverbrennungen auftreten. Wie andere ionisierende Strahlung kann auch Betastrahlung Mutationen und Krebs verursachen.

Gammastrahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die bei Übergängen angeregter Atomkerne entsteht. Sie tritt häufig beim radioaktiven Zerfall auf. Gammastrahlung besitzt eine hohe Durchdringungsfähigkeit und kann Materie je nach Energie mehrere Zentimeter bis Meter durchdringen. Gammastrahlung spielt eine wichtige Rolle in der Nuklearmedizin sowie in der Strahlentherapie.

Röntgenstrahlung ist ebenfalls elektromagnetische ionisierende Strahlung. Sie entsteht durch Wechselwirkungen hochbeschleunigter Elektronen mit Materie, beispielsweise in einer Röntgenröhre. Man unterscheidet zwei Hauptentstehungsmechanismen:

• Bremsstrahlung beim Abbremsen schneller Elektronen im elektrischen Feld von Atomkernen
• charakteristische Röntgenstrahlung bei Elektronenübergängen in der Atomhülle

Röntgenstrahlung wird in der Medizin insbesondere in der radiologischen Diagnostik eingesetzt, z.B. bei der Projektionsradiographie und Computertomographie (CT).

Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen, die beispielsweise bei Kernspaltungsreaktionen oder in Teilchenbeschleunigern entstehen. Da Neutronen elektrisch ungeladen sind, verursachen sie keine direkte Ionisation. Sie wirken daher indirekt ionisierend, indem sie durch elastische Streuung oder Kernreaktionen geladene Sekundärteilchen erzeugen (z.B. Protonen). Neutronenstrahlung besitzt eine hohe biologische Wirksamkeit und erfordert spezielle Abschirmmaterialien, beispielsweise wasserstoffreiche Stoffe wie Wasser oder Polyethylen.

Protonenstrahlung besteht aus hochenergetischen Protonen. Sie entsteht beispielsweise in Teilchenbeschleunigern oder in der kosmischen Strahlung. Protonen gehören zu den direkt ionisierenden Teilchen. Charakteristisch ist ihre Bragg-Peak-Verteilung, bei der ein Großteil der Energie erst am Ende der Teilchenbahn abgegeben wird. Diese Eigenschaft wird in der Protonentherapie zur Behandlung bestimmter Tumoren genutzt.

Schwerionenstrahlung besteht aus Atomkernen schwererer Elemente, beispielsweise Kohlenstoffionen. Diese Teilchen besitzen eine hohe Masse, eine hohe Ladung und eine sehr hohe Ionisationsdichte. Schwerionen werden in speziellen Teilchenbeschleunigern erzeugt und kommen in der Schwerionentherapie zur Tumorbehandlung zum Einsatz.

Ionisierende Strahlung kann nach dem Mechanismus der Ionisation in direkt und indirekt ionisierende Strahlung eingeteilt werden.

Direkt ionisierende Strahlung besteht aus elektrisch geladenen Teilchen, die beim Durchgang durch Materie unmittelbar Elektronen aus Atomen oder Molekülen herauslösen. Hierzu zählen insbesondere Alphateilchen, Betateilchen, Protonen und schwere Ionen. Diese Teilchen geben ihre Energie kontinuierlich entlang ihrer Bahn ab.

Geladene Teilchen ionisieren Materie primär durch Stoßionisation.

Mechanismen sind:

• Coulomb-Wechselwirkung zwischen geladenem Teilchen und Hüllenelektron
• Energieübertragung
• Elektron wird aus dem Atom herausgelöst

Indirekt ionisierende Strahlung besteht aus ungeladenen Teilchen oder Photonen, die zunächst sekundäre geladene Teilchen erzeugen. Erst diese sekundären Teilchen verursachen die eigentliche Ionisation. Beispiele sind Röntgenstrahlung, Gammastrahlung und Neutronenstrahlung.

Typische primäre Prozesse sind bei Photonen zunächst:

• Photoeffekt bzw. Photoionisation (→ Photoelektron)
• Compton-Streuung (→ Compton-Elektron)
• Paarbildung (→ Elektron + Positron)

Bei Neutronen sind die primären Prozesse:

• elastische Streuung (→ Rückstoßprotonen)
• Kernreaktionen

Die entstehenden Sekundärteilchen ionisieren dann durch Stoßionisation.

Ionisierende Strahlung kann biologische Strukturen schädigen, insbesondere durch Ionisation und Radikalbildung in Zellbestandteilen. Besonders empfindlich ist die DNA. Strahlenschäden werden häufig in zwei Kategorien eingeteilt:

• deterministische Schäden (z.B. Hautrötung, Strahlenverbrennungen, Strahlenkrankheit), die erst oberhalb einer bestimmten Dosis auftreten und deren Schwere mit der Dosis zunimmt.
• stochastische Schäden (z.B. Krebs oder genetische Mutationen), deren Auftretenswahrscheinlichkeit mit der Dosis steigt, ohne dass eine sichere Schwelle existiert.

Da ionisierende Strahlung grundsätzlich karzinogen wirken und Mutationen verursachen kann, wird im Strahlenschutz das ALARA-Prinzip („as low as reasonably achievable“) angewendet. Dabei soll die Strahlenexposition bei medizinischen und technischen Anwendungen auf das notwendige Minimum reduziert werden.