Messung radioaktiver Strahlung

Um zu erfassen, wie stark ein radioaktives Präparat strahlt oder wie viel Strahlung ein Körper in einer bestimmten Zeit aufnimmt, gibt es verschiedene physikalische Größen:

Die Aktivität

Die Energiedosis

Die Äquivalentdosis

Diese Größen sollen im folgenden Abschnitt erklärt und definiert werden.

Die Aktivität

Die Aktivität A eines Körpers gibt an, wie viele Kerne in einer bestimmten Zeit zerfallen (also wie groß die Änderungsrate \Delta N in einer bestimmten Zeitspanne \Delta t ist) und dabei radioaktive Strahlung abgeben.

Die Aktivität charakterisiert damit die „Stärke“ einer Strahlungsquelle.

Da die Anzahl der Kerne N abnimmt, ist die Änderungsrate \Delta N negativ.

Damit gilt:        A=-\dfrac {\Delta N}{\Delta t}        bzw.        A=-\dfrac {dN}{dt}

Da die Anzahl der vorhandenen Kerne mit der Zeit abnimmt (s. Zerfallsgesetz), nimmt auch die Aktivität eines Präparats mit der Zeit ab.

Die Aktivität ist damit proportional zur Anzahl der vorhanden Atomkerne N - je mehr Kerne (noch) vorhanden sind, umso mehr können in einer bestimmten Zeit zerfallen.

Damit gilt analog zum Zerfallsgesetz:        A(t)=A_{0}\cdot e^{-\lambda\cdot t}

Die Einheit der Aktivität ist 1 Becquerel (Bq), benannt nach dem französischen Physiker Henri Becquerel (1852-1908), dem Entdecker der Radioaktivität.

Es gilt:  1\,Bq=\dfrac {1}{s}

Der Quotient \dfrac {dN}{dt} ist die Ableitung der Anzahl von Atomkernen N nach der Zeit:

Es gilt also:        A=-\dfrac {dN}{dt}=-\dot N (t)

Durch Differenzieren von N=N_{0}\cdot e^{-\lambda t} folgt für die Aktivität

A=\lambda N

Beispiel zur Aktivität:

1g Radium hat eine Aktivität von 3,7 · 1010 Bq. Das bedeutet: In jeder Sekunde zerfallen 3,7 · 1010 = 37 Mrd. Kerne.

Da die Anzahl der vorhandenen Kerne nach dem Zerfallsgesetz abnimmt, nimmt auch die Aktivität einer Probe mit der Zeit ab.

Die Aktivität einer Probe ist somit abhängig von der Anzahl der Kerne und der Halbwertszeit - je kleiner die Halbwertszeit, umso mehr Kerne zerfallen in einer bestimmten Zeit.

Während die Aktivität nur etwas über die Emission radioaktiver Strahlung eines Präparates aussagt, beschreiben die folgenden Größen Energiedosis und Äquivalentdosis etwas darüber, wie viel Strahlung ein Körper aufnimmt und welche Wirkung sie dabei hat..

Die Energiedosis

Die Energiedosis D gibt an, wie viel Energie eine bestimmte Masse eines

bestrahlten Körpers absorbiert (aufnimmt).

Energiedosis=\dfrac {absorbierte\; Energie}{Masse}        bzw.        D=\dfrac {E}{m}

Die Einheit der Energiedosis ist 1 Gray (Gy)

Info:  Eine Energiedosis von ca. 6Gy führt als Ganzkörperbestrahlung zum Tode eines Menschen.

Die Ionendosis

Da radioaktive Strahlung ionisierend ist, wird durch radioaktive Bestrahlung Ladung erzeugt.

Die erzeugte Ladungsmenge beim Bestrahlen einer bestimmten Masse bezeichnet man als Ionendosis D_{ion}:

Ionendosis=\dfrac {erzeugte\; Ladung}{Masse}        bzw.        D_{ion}=\dfrac {Q}{m}

Die Einheit der Ionendosis ist 1 \dfrac {C}{kg}.

Da die absorbierte Energie nur schwer zu messen ist, wird die Ionendosis gemessen und in die Energiedosis umgerechnet.

Die Äquivalentdosis

Die Äquivalentdosis H (Dq) ist ein Maß für die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung. Sie wird berechnet aus der Energiedosis D und einem Bewertungsfaktor q, der die unterschiedliche schädigende Wirkung der Strahlungsarten berücksichtigt.

Äquivalentdosis = q · Energiedosis

Die Einheit der Äquivalentdosis ist 1 Sievert (Sv).

Die q-Faktoren verschiedener Strahlungsarten ergeben sich experimentell und liegen zwischen 1 und 20. Durch die wesentlich stärkere ionisierende Wirkung hat α-Strahlung einen wesentlich höheren q-Faktor als β- oder γ-Strahlung.

Seit 1991 gibt es außerdem die Bezeichnung Organdosis mit Strahlungs-Wichtungsfaktoren wR (R steht dabei für "Radiation"), die anstelle der Qualitätsfaktoren verwendet werden.

Natürliche Strahlungsbelastung in Deutschland

Die natürliche Strahlungsexposition in Deutschland beträgt etwa zwischen 2 und 5 mSv/a (Millisievert pro Jahr) und kann in einzelnen Gebieten bis zu 10 mSv/a betragen. Die Höhe der Strahlenexposition wird vor allem von der Konzentration des radioaktiven Edelgases Radon beeinflusst, die in den verschiedenen Regionen Deutschlands sehr unterschiedlich sein kann.

Radon wird beim Zerfall von Uran und Thorium freigesetzt, daher ist die Radon-Konzentration z.B. in der norddeutschen Tiefebene sehr viel niedriger als in einigen Grundgebirgsregionen, wie Erzgebirge oder Schwarzwald, wo es uranreichere Granite und Gneise gibt. Außer durch das unterschiedliche Vorkommen des Radongases wird die Strahlenexposition von der Höhenlage des Wohnortes beeinflusst, denn mit zunehmender Höhe nimmt die kosmische Strahlung zu.

Im Mittel liegt die Strahlenexposition des Menschen bei ca. 2,4 mSv/a. Davon beträgt die Strahlenexposition von außen etwa 0,7 mSv, durch Nahrungsaufnahme etwa 0,3 mSv und durch Einatmung des radioaktiven Edelgases Radon etwa 1,4 mSv pro Jahr.

Umfangreiche Informationen über die Strahlungsexposition in Deutschland findest Du auf der Seite vom Bundesamt für Strahlenschutz.