Strahlungsarten
Streng genommen ist die Bezeichnung “radioaktive Strahlung” physikalisch nicht ganz richtig, da nicht die Strahlung selbst radioaktiv ist, sondern das Phänomen, dass bei der Umwandlung von Atomkernen Strahlung ausgesandt wird, als Radioaktivität bezeichnet wird.
Wie im folgenden Abschnitt erläutert wird, hat die beim Zerfall von Atomkernen entstehende Strahlung eine ionisierende Wirkung. Man spricht daher meist von ionisierender Strahlung.
Auch bei Röntgenstrahlung handelt es sich um ionisierende Strahlung, diese hat jedoch nichts mit dem Phänomen Radioaktivität zu tun. Aus diesem Grund wird hier auch die umgangssprachliche Bezeichnung “radioaktive Strahlung”, verwendet, die man auch in vielen Schülbüchern (z.B. Metzler Physik) findet. Eine alternative Bezeichnung ist der Begriff “Kernstrahlung”.
Es gibt drei verschiedene Arten von ionisierender Strahlung, die auf das Phänomen der Radioaktivität zurückzuführen ist:
1) α-Strahlung
2) β-Strahlung
3) γ-Strahlung
Allgemein für alle Arten radioaktiver Strahlung gilt:
- Ionisierende (radioaktive) Strahlung besitzt Energie
Dadurch können z.B. Gase ionisiert*, Filme geschwärzt und biologische Zellen verändert werden.
*ionisiert: Elektronen werden aus der Atomhülle herausgeschlagen, die Restatome sind damit positiv geladene „Ionen“.
Der Nachweis radioaktiver Strahlung erfolgt aufgrund ihrer ionisierenden Wirkung.
- Ionisierende (radioaktive) Strahlung kann Stoffe durchdringen.
Das Durchdringungsvermögen ionisierender Strahlung ist abhängig von der
– Art der Strahlung
– Energie der Strahlung
– Art des durchstrahlten Körpers
– Dicke des durchstrahlten Körpers
Das Durchdringungsvermögen von α-Strahlung ist am kleinsten, das von γ-Strahlung am größten. Mehr zur Absorption ionisierender Strahlung findest Du weiter unten.
Was sind α-, β- und γ-Strahlen?
Schauen wir uns nun etwas genauer an, woraus die drei Strahlungsarten bestehen und wie sich ihre Eigenschaften voneinander unterscheiden:
α-Strahlung
α-Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung. α-Teilchen sind doppelt positiv geladene He-Kerne, die mit hoher kinetischer Energie aus dem Kern entweichen.
- Die Reichweite in Luft beträgt einige (ca. 4-6) cm.
- α-Strahlung wird von einem Blatt Papier vollständig absorbiert.
- α-Strahlung besitzt bestimmte, diskrete Energien von 2 MeV bis 10,5 MeV
- Die Anfangsgeschwindigkeit der austretenden α-Teilchen liegt zwischen 15.000 km/s und 20.000 km/s
β-Strahlung
Auch bei der β-Strahlung handelt es sich um Teilchenstrahlung: Die β-Strahlung besteht aus Elektronen (β-) bzw. Positronen (β+) mit hoher kinetischer Energie.
- Die Reichweite in Luft beträgt bis ca. 10m.
- β-Strahlung wird von einer 4mm dicken Aluminiumschicht vollständig absorbiert.
- β-Strahlung besitzt ein kontinuierliches Energiespektrum, wobei das Maximum meist im Bereich von 1 MeV liegt. Es gibt jedoch eine maximale charakteristische Energie bis etwa 3 MeV.
- Die Geschwindigkeit der β-Teilchen kann zwischen 0 und nahezu Lichtgeschwindigkeit liegen.
γ-Strahlung
Bei der γ-Strahlung handelt es sich energiereiche elektromagnetische Strahlung kleiner Wellenlänge (also Photonen hoher Energie).
- γ-Strahlung besitzt die größte Reichweite aller Strahlungsarten und wird in Luft kaum abgeschwächt. Erst dickere Bleiplatten absorbieren einen großen Anteil der Strahlung.
- γ-Strahlung entsteht mit bestimmten diskreten Energien in der Größenordnung von 1 MeV (zwischen 0,01 MeV bis 10 MeV).
- Abgesehen von der Art der Entstehung ist γ-Strahlung identisch mit hochenergetischer Röntgenstrahlung. γ-Strahlung tritt häufig beim α- oder β-Zerfall auf.
Absorption von ionisierender Strahlung
Das Absorptionsvermögen eines Stoffes für ionisierende Strahlung hängt von den gleichen Faktoren wie das Durchdringungsvermögen ab.
Die Dicke eines Stoffes, durch die Strahlung um 50% geschwächt wird, nennt man Halbwertsdicke dieses Stoffs.
Welche Strahlungsart ist am gefährlichsten?
Diese Frage lässt sich nicht pauschal beantworten.
α-Strahlung lässt sich zwar leicht abschirmen, hat aber eine stark ionisierende Wirkung. Während ein α-Strahler in ausreichender Entfernung keine Gefahr darstellt, ist es umso gefährlicher, wenn ein α-Strahler in den menschlichen Körper gelangt (z.B. mit der Nahrung, durch Einatmen oder durch eine Wunde).
Ein Beispiel für einen α-Strahler ist Polonium-210 (Ordnungszahl: 84).
Dieses Element ist im Jahre 2006 bekannt geworden durch die Vergiftung von Alexander Litwinenko (ehemals russischer Geheimdienstagent, später Kreml-Kritiker).
Hier ein paar Fakten zu Polonium-210:
- Po-210 kommt als Zwischenprodukt in natürlichen Zerfallsreihen vor (und ist daher äußerst selten): Beim Zerfall von Uran entsteht Radon, das zerfällt in Pb-214 → Po 214 → Po 210
- Die Halbwertszeit beträgt 138,4 Tage, die Energie der α-Teilchen beträgt 5,3 MeV. Po-210 zerfällt in das stabile Bleiisotop Pb-206.
- 1g Po-210 gibt eine Leistung von 140 W ab.
- 1mg reicht aus, um einen Menschen zu töten.
- Die Substanz verbleibt ca. einen Monat im Körper.
- Po-210 lagert sich in Luftpartikeln von ca. 0,3 μm Durchmesser ab.
- Polonium wurde nach Polen (der Heimat von Marie Curie) benannt.
- Alle Isotope Po-192 – Po-218 sind radioaktiv.
- Die Halbwertszeiten der Isotope liegen zwischen 3 · 10-7 s bis 103 Jahre.
Übrigens: Polonium-210 ist auch in Zigaretten enthalten:
- 30 – 50% des Stoffes gelangen in inhalierten Rauch und setzen sich in Lungengewebe und Schleimhäuten der Bronchien fest.
- Starke Raucher (20 – 40 Zigaretten pro Tag) nehmen pro Jahr die gleiche Strahlungsmenge in den Bronchien auf wie durch 250(!) Röntgenaufnahmen.
- Po-210 ist der einzige Bestandteil des Zigarettenrauchs, der selbst Krebs bei Versuchstieren durch Inhalation verursacht hat.
- Po-210 ist die Hauptursache für Lungenkrebs bei Rauchern; 30% aller Krebstodesfälle durch Rauchen werden durch Po-210 verursacht.
Dass γ-Strahlung das größte Durchdringungsvermögen hat, bedeutet auch, dass vergleichsweise wenig Energie der Strahlung vom Körper absorbiert wird – ein großer Teil durchdringt den Körper. Dafür kann man sich vor γ-Strahlung jedoch am schwierigsten schützen, da diese die größte Reichweite hat und sich nicht vollständig absorbieren lässt. Außerdem dringt γ-Strahlung gegenüber α-Strahlung in den Körper ein und kann damit innere Organe schädigen, auch ohne dass die Strahlungsquelle in den Körper gelangt.
