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B978-3-437-42836-4.00048-5

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978-3-437-42836-4

Weighting Factors für einige Strahlenarten

Tab. 48.1
Strahlung w
Röntgen-, Gamma- und Beta-Strahlung 1
Protonen 2
Alpha-Strahlung 20

Ionisierende Strahlung

StrahlungAls ionisierende Strahlung bezeichnet man zunächst einmal Strahlung, die in der Lage ist, Elektronen aus Molekülen und Atomen zu entfernen, sodass geladene Ionen zurückbleiben. Im Rahmen dieser Ionisierung können chemische Bindungen zerstört werden, was – z. B. für unsere Erbinformation – durchaus schädlich sein kann. Da Ionisierende Strahlung trotzdem als diagnostisches und therapeutisches Werkzeug aus der modernen Medizin nicht wegzudenken ist, wollen wir uns ihr zum Schluss dieses Buchs widmen.

Ionisierende Strahlung kann u. a. in Partikel- und Elektromagnetische Strahlung eingeteilt werden:

PartikelstrahlungPartikelstrahlungBesteht aus Teilchen, wie Elektronen, Neutronen, α-Teilchen, Protonen oder Schwerionen. Allerdings ist nicht jedes fliegende Teilchen gleich ionisierende Strahlung, sondern muss zunächst eine bestimmte kinetische Energie besitzen, bevor es in der Lage ist, Elektronen aus Atomen zu lösen. Diese Energie unterscheidet sich von Teilchen zu Teilchen.

Elektromagnetische StrahlungAn sich ist sie nicht zwingend ionisierend. Erst die kurzwellige hochfrequente Strahlung mit Wellenlängen unter 200 nm (also außerhalb des sichtbaren Spektrums) hat das Vermögen Atome zu ionisieren. Zur ionisierenden elektromagnetischen Strahlung zählen z. B. UV-, Röntgen- und Gammastrahlung.

Radioaktivität

RadioaktivitätAus dem Alltag kennt ihr wahrscheinlich eher den Begriff „radioaktive Strahlung“ als ionisierende Strahlung. Radioaktivität beschreibt zunächst nur die Eigenschaft eines Atomkerns, zu zerfallen und dabei spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Der Begriff „radioaktive Strahlung“ bezeichnet also nur die ionisierende Strahlung, die das Produkt eines radioaktiven Zerfalls ist. Merkt euch deshalb bitte, dass diese Begriffe keine Synonyme sind oder vermeidet „radioaktive Strahlung“ ganz und sprecht stattdessen von „ionisierender Strahlung radioaktiver Substanzen“, denn die Strahlung selbst ist natürlich nicht radioaktiv, sondern nur die Substanz, von der sie ausgeht.
Bei einem radioaktiven Zerfall handelt es sich eigentlich um eine Umwandlung. Entweder ändert ein Kern seinen Zustand oder er wandelt sich in einen anderen Kern, der dann Tochterkern genannt wird, um.
Je nach frei werdender Strahlung kann man drei (oder vier) Zerfallsarten unterscheiden:
Alpha-ZerfallAlpha-ZerfallBei einem Alpha-Zerfall wird ein α-Teilchen frei, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Wenn man im Periodensystem nach einem Teilchen mit zwei Protonen zwei Neutronen sucht, wird man bei Helium fündig. Handelt es sich beim α-Teilchen also um ein Helium Atom? Nein, denn das Helium Atom besitzt auch noch zwei Elektronen und ist damit elektrisch neutral. Das α-Teilchen ist dagegen wie der Kern eines Heliumatoms zweifach positiv geladen.
Ein beliebtes Beispiel ist der Zerfall von Radium-226 zu Radon-222:
Die allgemeine Formel für Alpha-Zerfälle lautet:
Beta-ZerfallBeta-ZerfallDen Beta-Zerfall kann man noch weiter in Beta+ und Beta unterteilen:
  • Beim Beta-Zerfall wird ein Neutron im Kern in ein positiv geladenes Proton umgewandelt, sodass sich bei diesem Zerfall nur die Protonenzahl, aber nicht die Massenzahl ändert. Zudem entsteht noch ein negativ geladenes Elektron, dann ist die ganze Sache wieder ausgeglichen. Dieses Elektron verlässt als Strahlung den Kern. Da hier ein negativ geladenes Teilchen auf die Reise geht, spricht man vom Beta-Minus-Zerfall. Zudem entsteht noch ein Antineutrino, das ebenfalls emittiert wird:

  • Beim Beta+-Zerfall wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt, sodass die Massenzahl wieder gleich bleibt, während sich die Protonenzahl ändert. Damit das Ganze ausgeglichen ist, entsteht noch ein positiv geladenes, und wie das Elektron fast masseloses Positron. Da dieses den Kern verlässt, spricht man vom Beta-Plus-Zerfall. Zudem wird ein Neutrino emittiert:

GammastrahlungGammastrahlungKommt es zu einem Zerfall, ist der entstehende Tochterkern i. d. R. nicht direkt in seinem Grundzustand, sondern zunächst noch etwas energiereicher, man spricht von einem angeregten Zustand. Beim Übergang von diesem Zustand in den Grundzustand wird elektromagnetische Gammastrahlung frei. Die Gammastrahlung ist deshalb oft ein Begleiteffekt radioaktiver Zerfälle. Der angeregte Zustand wird in den Gleichungen durch ein „*“ deutlich gemacht:

Aktivität und Halbwertszeit

HalbwertszeitWir haben bereits in Kap. 11 etwas zur Halbwertszeit gelernt. An dieser Stelle wollen wir aber zunächst noch ein paar Überlegungen einschieben:
Auch wenn wir wissen, dass Jod-133 eine Halbwertszeit von 8 Tagen hat und wir ein Jod-133 Atom vor uns auf dem Tisch liegen haben, können wir nicht vorhersagen, wann dieses Atom zerfällt. Der Zerfall eines einzelnen Kerns geschieht spontan. Es kann in der nächsten Sekunde oder erst in ein paar Wochen soweit sein. Die Halbwertszeit sagt, dass in 8 Tagen nur noch die Hälfte einer sehr großen Menge von Jod-133-Atomen vorhanden sein wird. Die Halbwertszeit ist also eine statistische Aussage.
Die Aktivität A beschreibt die Anzahl der Zerfälle pro Zeit. Sie hat die Einheit Bequerel (Bq), wobei 1 Bq einem Zerfall pro Sekunde entspricht. Bei einen Eimer mit einem radioaktiven Stoff ist die Aktivität hoch,
  • wenn die Halbwertszeit kurz ist: Dann gibt es viele Zerfälle in kurzer Zeit.

  • wenn viele Atome des Stoffes vorhanden sind: Wo viel ist, kann viel zerfallen. Das ist auch der Grund, warum die Zerfallsaktivität mit der Zeit abnimmt. Wenn nach Verstreichen einer Halbwertszeit nur noch 50 % der Atome vorhanden sind, gibt es auch nur noch 50 % der ursprünglichen Zerfälle.

Übrigens: Wenn ein radioaktiver Stoff (oder eine andere schädliche Substanze) in unseren Körper gelangt ist, wartet der Körper häufig nicht darauf, bis dieser von alleine zerfallen ist. Viele Stoffe werden vom Körper verstoffwechselt oder ausgeschieden, sodass die Konzentration im Körper schneller sinkt.

Die Zeitspanne, in der die Konzentration eines Stoffes allein aufgrund von biologischen Vorgängen auf die Hälfte des Ausgangswerts gesunken ist, bezeichnet man als biologische Halbwertszeit.

Dosis

Da man als Patient gelegentlich mit ionisierender Strahlung in Kontakt kommt, ist es wichtig, die „Menge an Strahlung“, sprich die Dosis, quantifizieren zu können. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten:
Energiedosis DMan gibt die durch die Strahlung auf den Körper übertragene Energie an und teilt diese durch die Masse des Körpers. Die Einheit ist entsprechend Joule/kg, was auch als Gray (Gy) bezeichnet wird.
Ionendosis IBei der Ionendosis gibt man an, wie viel Ladung durch Strahlung im Körper erzeugt wurde und dividiert erneut durch die Masse des Körpers. Die Einheit ist entsprechend Coulomb/kg, wohingegen früher Röntgen (R) verwendet wurde.
Äquivalentdosis HWenn man mit Menschen arbeitet, sollte man berücksichtigen, dass unterschiedliche Arten von Strahlung unterschiedlich große Schäden verursachen. Aus diesem Grund multipliziert man bei der Berechnung der Äquivalentdosis den Wert der Energiedosis mit einem Weighting Factor w (Tab. 48.1). Besonders wirksame Strahlung erhält dabei ein großes w. Die Einheit der Äquivalentdosis ist Sievert (Sv).
H = D × w
Macht es einen Unterschied, ob man eine bestimmte Dosis innerhalb von 5 s oder innerhalb von 5 Jahren abbekommt? Ja, macht es, und passenderweise werden die Dosisangaben häufig auch auf den Zeitraum bezogen, in dem man dieser Dosis ausgesetzt war. Man spricht dann von der Energie-, Ionen- oder Äquivalentdosisleistung und setzt einen kleinen Punkt über das Formelzeichen.

Zusammenfassung

  • Ionisierende Strahlung kann Elektronen aus Atomen oder Molekülen entfernen.

  • Bei radioaktiven Zerfällen wird α-, β- oder γ-Strahlung frei.

  • Bei der Berechnung der Äquivalentdosis wird die unterschiedlich starke Wirkung verschiedener Strahlenarten auf den menschlichen Körper berücksichtigt.

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