Strahlung ist eine Energieform, die sich als elektromagnetische Welle - oder als Teilchenstrom - durch Raum und Materie ausbreitet.
Als Radioaktivität wird die Eigenschaft bestimmter Atomkerne bezeichnet, sich ohne äußere Einwirkung in andere Kerne umwandeln und dabei energiereiche Strahlung auszusenden. Der als Ergebnis der Umwandlung entstandene Atomkern ("Tochternuklid") kann selbst wieder radioaktiv sein und weiter radioaktiv zerfallen. Als Endprodukte der Umwandlung entstehen stabile Atome, die nicht mehr radioaktiv sind.
Der Prozess der Kernumwandlung wird in der Regel als Kernzerfall und die abgegebene Strahlung - wegen ihrer Eigenschaft, bei der Durchdringung von Stoffen an Atomen und Molekülen Ionisationsvorgänge auszulösen - 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:
Alphastrahlung ist eine Teilchenstrahlung die aus Kernen des Elements Helium (Alphateilchen) besteht. Alphateilchen haben nur eine sehr geringe Reichweite (wenige Zentimeter in Luft; weniger als ein Millimeter in Wasser). Sie können daher bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden und stellen bei äußerer Bestrahlung keine Gefahr dar, da sie die äußeren Hautschichten des Menschen nicht durchdringen.
Gelangen Radionuklide in den Körper (Inkorporation), so kann dies zu einer erheblichen Strahlenbelastung führen. Radionuklide werden mit der Nahrung oder der Atemluft aufgenommen und gelangen über den Darm oder die Lunge in das Blut und von dort in das Gewebe, was zur Bestrahlung der Zellen führt (siehe Strahlenwirkung). Durch einen hohen Energieübertrag auf kurze Distanz schädigen Alphateilchen das Gewebe besonders stark (hohe biologische Wirksamkeit).
Ein typisches Beispiel für die Inkorporation von Alphastrahlern ist die Aufnahme von Radon und seinen Folgeprodukten mit der Luft oder der Nahrung.
Betastrahlung:
Betastrahlung ist eine Teilchenstrahlung die aus Elektronen (Betateilchen) oder seltener aus Positronen besteht. Das Durchdringungsvermögen von Betateilchen beträgt in Luft einige Zentimeter bis Meter, in Weichteilgewebe oder Kunststoff wenige Millimeter bis Zentimeter.
Gelangen Radionuklide in den Körper (Inkorporation), so kann dies zu einer erheblichen Strahlenbelastung führen. Radionuklide werden mit der Nahrung oder der Atemluft aufgenommen und gelangen über den Darm oder die Lunge in das Blut und von dort in das Gewebe, was zur Bestrahlung der Zellen führt (siehe Strahlenwirkung).
Gammastrahlung:
Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung. 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.
Gelangen Radionuklide in den Körper (Inkorporation), so kann dies zu einer erheblichen Strahlenbelastung führen. Radionuklide werden mit der Nahrung oder der Atemluft aufgenommen und gelangen über den Darm oder die Lunge in das Blut und von dort in das Gewebe, was zur Bestrahlung der Zellen führt (siehe Strahlenwirkung).
Neutronenstrahlung:
Neutronenstrahlung besteht aus ungeladen Teilchen (den Neutronen). Sie wird in Luft kaum geschwächt. Zur Abschirmung von Neutronenstrahlung werden Materialien mit einem möglichst hohen Wasserstoffanteil verwendet (zum Beispiel Paraffin, Polyethylen, Wasser), um die Neutronen zu bremsen. Danach müssen die Neutronen durch einen Absorber (zum Beispiel Bor oder Cadmium) eingefangen werden. Die dabei entstehende Gammastrahlung wird mit Blei abgeschirmt.
Neutronen werden insbesondere bei der Kernspaltung - einer speziellen Form der Kernumwandlung - freigesetzt. Die Kernspaltung ist nur für schwere Atomkerne - wie zum Beispiel des Elements Uran - charakteristisch.
Aktivität
Die Anzahl der pro Zeiteinheit in einem Stoff ablaufenden Kernzerfälle bezeichnet man als Aktivität. Die Einheit der Aktivität eines radioaktiven Stoffes ist das Becquerel (abgekürzt Bq).
1 Bq =1 Kernzerfall pro Sekunde
Zum praktischen Gebrauch wird die Aktivität auf eine weitere Größe bezogen, zum Beispiel auf eine Fläche ("Flächenaktivität" in Becquerel pro Quadratzentimeter), ein Volumen (Becquerel pro Liter) oder eine Masse (Becquerel pro Gramm). Bezieht man die Aktivität auf die Masse dieses Radionuklids, gelangt man zur sogenannten "spezifischen Aktivität".
Diese ist eine wichtige und unveränderliche Kenngröße jedes Radionuklids. Spezifische Aktivitäten variieren über einen sehr großen Wertebereich. Zum Beispiel beträgt die spezifische Aktivität für das Radionuklid Cäsium-137 etwa 3,2 Terabecquerel pro Gramm (TBq/g; 1 TBq = 1.000.000.000.000 Bq), für das langlebige Uranisotop U-238 hingegen nur 12.400 Bq/g.
Halbwertszeit
Aus dem Zerfall radioaktiver Atome gehen letztlich stabile Atome hervor. Die Anzahl der radioaktiven Atome in einer bestimmten Stoffmenge nimmt 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 diesem radioaktiven Stoff ausgesandten ionisierenden Strahlung auf die Hälfte des Ausgangswertes absinkt.
Entsprechend ist nach zwei Halbwertszeiten die Aktivität auf ein Viertel und nach drei Halbwertszeiten auf ein Achtel (entspricht noch 12,5 Prozent) des Ausgangswertes gefallen.
Nach zehn Halbwertszeiten beträgt die Aktivität des Stoffes etwa ein Tausendstel des Anfangswertes.
Die Halbwertszeit eines Radionuklides ist eine charakteristische, das heißt, feststehende und genau bekannte Eigenschaft. 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 sehr kurzwellige Strahlung ist um so durchdringender, je höher die anliegende Röhrenspannung ist, mit der die Elektronen beschleunigt werden.
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 abgeschaltet ist.
Strahlenwirkung
Trifft ionisierende Strahlung auf den menschlichen Körper, erfolgt eine Strahlenexposition. Das bedeutet, dass die Strahlung in unterschiedlichem Maße im Gewebe absorbiert wird und dort auf molekularer Ebene mit dem Körpergewebe in Wechselwirkung tritt. Die "Menge" der im Körper absorbierten Strahlung wird als Dosis bezeichnet. Die verschiedenen Strahlungsarten verursachen im Körpergewebe jedoch, bezogen auf die gleiche absorbierte Dosis, in ihrer Höhe stark unterschiedliche biologische Wirkungen.
Wird zum Beispiel ein Gewebe einer Exposition ausgesetzt, die bei gleicher Energiedosis einmal von Alphastrahlung und ein anderes Mal von Betastrahlung herrührt, ist die biologische Wirkung der Alphastrahlung etwa 20mal größer. Mit der Angabe der Energiedosis allein kann demzufolge die biologische Wirkung der Strahlung im menschlichen Körper nicht ausreichend beschrieben werden.
Ionisierende Strahlung hat, unabhängig davon, ob sie natürlichen oder künstlichen Ursprungs ist, eine direkt schädigende Wirkung auf die Zelle als kleinste biologische Einheit. Strahlung kann zelluläre Bestandteile und hier insbesondere die zelluläre Erbsubstanz (DNS) verändern oder zerstören. Zellverluste oder Veränderungen in den Zellen sind jedoch nicht automatisch gleichbedeutend mit der Entstehung eines gesundheitlichen Schadens.
Der Organismus besitzt die Fähigkeit, Zellverluste auszugleichen sowie geschädigte Zellen zu erkennen und durch Reparaturmechanismen, Absterben der Zelle sowie Immunabwehr den Normalzustand wiederherzustellen.
Die Abwehr- und Reparatursysteme können jedoch versagen oder überfordert sein. Ausschlaggebende Faktoren dafür sind unter anderem die Höhe der Dosis und die Strahlenart. Von wesentlichem Einfluss auf die "Leistungsfähigkeit" der Reparatursysteme ist auch der Zeitraum, in dem die Dosis aufgenommen wird, und die räumliche Verteilung der durch die Strahlung gesetzten Zellschädigungen.
Wird zum Beispiel eine bestimmte Dosis innerhalb eines kurzen Zeitraumes aufgenommen und dabei eine größere Anzahl von Schäden innerhalb einer Zelle praktisch gleichzeitig gesetzt, kann das Reparatursystem an seine Grenzen gelangen. Wird die gleiche Dosis über einen langen Zeitraum verteilt und treten somit nur relativ wenige Schäden gleichzeitig auf, so ist die Chance für ein vollständige Reparatur höher.
Die biologische Wirkung der ionisierenden Strahlung auf den Menschen tritt auf zwei Wegen auf:
Deterministische Strahlenwirkungen sind Strahlenwirkungen, die bei der Überschreitung von hohen Dosisschwellwerten auftreten. Sie können direkt auf eine bestimmte Strahlenexposition zurückgeführt werden. Sie treten sofort oder innerhalb weniger Wochen nach der Exposition auf. Sie machen sich erst bemerkbar, wenn ein bestimmtes Maß zerstörter oder geschädigter Zellen überschritten wird. Daher tritt diese Art von Schäden erst oberhalb einer Mindestdosis - dem Schwellenwert - auf. Für verschiedene deterministische Strahlenwirkungen wie Blutarmut, Haarausfall etc. sind die jeweiligen Schwellendosen unterschiedlich. Die niedrigsten Schwellendosen bei akuter Exposition des ganzen Körpers liegen bei 0,1 - 0,5 Sievert (Sv). Dann können sich bereits kurzzeitige, nur vom Arzt feststellbare Veränderungen des Blutbildes zeigen. Je höher die Strahlungsdosis ist, desto schwerer wird die Erkrankung sein.
Besonders strahlenempfindlich sind in erster Linie die Blutbildungsorgane, die Schleimhäute des Magen-Darm-Traktes und der Luftwege sowie die Keimdrüsen und embryonales Gewebe. Für teratogene Schäden, das heißt Fehlbildungen des Embryo beziehungsweise des Kindes nach Bestrahlung der Mutter, muss ein Schwellenwert von etwa 100 Millisievert (mSv) angenommen werden.
Eine akute Exposition des ganzen Körpers im Bereich von cirka vier Gray (Gy) kann beim Menschen zum Tod führen.
Stochastische Strahlenwirkungen sind Strahlenwirkungen, die auf Vorgängen zufälliger, das heißt stochastischer Art beruhen. Wurde durch Strahleneinwirkung im Zellkern der Informationsgehalt einer Zelle verändert und anschließend vom Organismus nicht ausreichend repariert und bleibt eine solche veränderte Zelle lebens- und teilungsfähig, so kann die Veränderung an nachfolgende Zellgenerationen weitergegeben werden.
Stochastische Strahlenwirkungen treten in Abhängigkeit von der Dosis mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf. Die Latenzzeit, das heißt die Zeit zwischen Strahlenexposition und Auftreten der Erkrankung, kann Jahre bis Jahrzehnte betragen. Je nachdem, ob es sich um eine Keimzelle oder eine Körperzelle handelt, kann es sich um eine Veränderung der Erbanlagen mit möglichen gesundheitlichen Folgen für nachkommende Generationen handeln, oder es können bösartige Neubildungen wie Krebs und Leukämie in der strahlenexponierten Person selbst entstehen. Derzeit wird diskutiert, ob Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Katarakte des Auges stochastische Effekte sein können.
Die Wahrscheinlichkeit des Eintritts einer stochastischen Strahlenwirkung wird mit dem Begriff des Schadensrisikos zum Ausdruck gebracht. Das Risiko wird abgeschätzt auf der Grundlage von beobachteten Erkrankungshäufigkeiten bei exponierten Bevölkerungsgruppen. Die größte in diesem Zusammenhang beobachtete Bevölkerungsgruppe sind die Überlebenden der Atombombenabwürfe in Hiroshima und Nagasaki.
Dieses Risiko wird auf der Grundlage von laborexperimentellen Erkenntnissen und biomedizinischen Modellen zur Krebsentstehung auf in Um- und Arbeitswelt relevante niedrige Dosisbereiche extrapoliert. Dabei wird aufgrund strahlenbiologischer Erkenntnisse grundsätzlich angenommen, dass ohne Schwellenwert jede auch noch so niedrige Strahlenexposition mit einem dann entsprechend niedrigen Strahlenrisiko verbunden ist.
Strahlenbedingte Krebsfälle können nur mit epidemiologisch-statistischen Methoden in relativ großen Personengruppen aufgrund erhöhter Erkrankungsraten ermittelt werden. Sie lassen sich jedoch nicht bei Einzelpersonen aufgrund des Krankheitsbildes feststellen. Strahlenbedingte Erkrankungen unterscheiden sich im Krankheitsbild nicht von sogenannten spontanen Erkrankungen.
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