Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung wird nach der Art der Teilchen oder elektromagnetischen Wellen eingeteilt, die den ionisierenden Effekt erzeugen. Diese haben unterschiedliche Ionisierungsmechanismen und können als direkt oder indirekt ionisierend eingeteilt werden.

Direkt ionisierend

Jedes geladene Teilchen mit Masse kann Atome direkt durch fundamentale Wechselwirkung über die Coulomb-Kraft ionisieren, wenn es genügend kinetische Energie besitzt. Dazu gehören Atomkerne, Elektronen, Myonen, geladene Pionen, Protonen und energetisch geladene Kerne, die ihrer Elektronen entledigt wurden. Wenn sie sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, haben diese Teilchen genug kinetische Energie, um ionisierend zu wirken, aber relativistische Geschwindigkeiten sind nicht erforderlich. Zum Beispiel ist ein typisches Alpha-Teilchen ionisierend, bewegt sich aber mit etwa 5 % c, und ein Elektron mit 33 eV (genug, um zu ionisieren) bewegt sich mit etwa 1 % c.

Die ersten beiden erkannten ionisierenden Quellen erhielten spezielle Namen, die heute verwendet werden: Heliumkerne, die aus Atomkernen herausgeschleudert werden, nennt man Alphateilchen, und Elektronen, die meist (aber nicht immer) mit relativistischen Geschwindigkeiten herausgeschleudert werden, nennt man Betateilchen.

Natürliche kosmische Strahlung besteht vor allem aus relativistischen Protonen, enthält aber auch schwerere Atomkerne wie Heliumionen und HZE-Ionen. In der Atmosphäre werden solche Teilchen oft von Luftmolekülen gestoppt, und dabei entstehen kurzlebige geladene Pionen, die bald zu Myonen zerfallen, einer Hauptart der kosmischen Strahlung, die den Boden erreicht (und ihn auch teilweise durchdringt). Pionen können auch in großen Mengen in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden.

AlphateilchenBearbeiten

Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alphateilchen entstehen in der Regel im Prozess des Alphazerfalls, können aber auch auf andere Weise erzeugt werden. Alphateilchen sind nach dem ersten Buchstaben im griechischen Alphabet, α, benannt. Das Symbol für das Alphateilchen ist α oder α2+. Da sie mit Heliumkernen identisch sind, werden sie manchmal auch als He2+
oder 4
2He2+
geschrieben, was auf ein Helium-Ion mit einer +2-Ladung hinweist (dem seine zwei Elektronen fehlen). Gewinnt das Ion Elektronen aus seiner Umgebung, kann das Alpha-Teilchen als normales (elektrisch neutrales) Heliumatom 4
2He geschrieben werden.

Alpha-Teilchen sind eine stark ionisierende Form der Teilchenstrahlung. Wenn sie durch radioaktiven Alphazerfall entstehen, haben sie eine geringe Eindringtiefe. In diesem Fall können sie von einigen Zentimetern Luft oder von der Haut absorbiert werden. Stärkere, weitreichende Alphateilchen aus der ternären Spaltung sind dreimal so energiereich und dringen proportional weiter in die Luft ein. Die Heliumkerne, die 10-12% der kosmischen Strahlung ausmachen, haben in der Regel ebenfalls eine viel höhere Energie als die, die durch Kernzerfallsprozesse erzeugt werden, und sind daher in der Lage, den menschlichen Körper und dichte Abschirmungen zu durchdringen, wenn sie im Weltraum auftreten. Allerdings wird diese Art von Strahlung durch die Erdatmosphäre, die einen Strahlungsschild von etwa 10 Metern Wasser darstellt, deutlich abgeschwächt.

Beta-TeilchenBearbeiten

Beta-Teilchen sind hochenergetische, schnelle Elektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne, wie z. B. Kalium-40, ausgesandt werden. Die Erzeugung von Betateilchen wird als Betazerfall bezeichnet. Es gibt zwei Formen des Betazerfalls, β- und β+, bei denen das Elektron bzw. das Positron entsteht.

Wenn von einer radioaktiven Kontamination die Rede ist, bedeutet dies oft, dass von der Oberfläche Beta-Teilchen emittiert werden, die mit einem Geigerzähler oder einem anderen Strahlungsdetektor nachgewiesen werden können. Wenn der Detektor in die Nähe des Betastrahlers gebracht wird, zeigt er einen dramatischen Anstieg der Radioaktivität an. Wenn die Detektorsonde mit einer Abschirmung abgedeckt wird, um die Betastrahlung zu blockieren, wird die Anzeige drastisch reduziert.

Hochenergetische Betateilchen können beim Durchgang durch Materie Röntgenstrahlung, die sogenannte Bremsstrahlung, oder Sekundärelektronen (Deltastrahlung) erzeugen. Beides kann einen indirekten Ionisationseffekt verursachen.

Bremsstrahlung ist bei der Abschirmung von Betastrahlern von Bedeutung, da die Wechselwirkung der Betateilchen mit dem Abschirmungsmaterial Bremsstrahlung erzeugt. Dieser Effekt ist bei Material mit hoher Ordnungszahl größer, daher wird für die Abschirmung von Betastrahlern Material mit niedriger Ordnungszahl verwendet.

Positronen und andere Arten von AntimaterieBearbeiten

Das Positron oder Antielektron ist das Antiteilchen oder das antimaterielle Gegenstück des Elektrons. Wenn ein niederenergetisches Positron mit einem niederenergetischen Elektron kollidiert, findet eine Annihilation statt, bei der zwei oder mehr Gammastrahlen-Photonen entstehen (siehe Elektron-Positron-Annihilation).

Positronen können durch Kernzerfall mit Positronenemission (durch schwache Wechselwirkungen) oder durch Paarbildung aus einem ausreichend energiereichen Photon erzeugt werden. Positronen sind häufige künstliche Quellen ionisierender Strahlung, die in medizinischen Positronen-Emissions-Tomographien (PET) verwendet werden.

Da Positronen positiv geladene Teilchen sind, können sie ein Atom auch direkt durch Coulomb-Wechselwirkungen ionisieren.

Geladene KerneEdit

Geladene Kerne sind charakteristisch für galaktische kosmische Strahlung und solare Teilchenereignisse und haben mit Ausnahme von Alpha-Teilchen (geladene Heliumkerne) keine natürlichen Quellen auf der Erde. Im Weltraum können jedoch sehr energiereiche Protonen, Heliumkerne und HZE-Ionen zunächst durch relativ dünne Schichten von Abschirmungen, Kleidung oder Haut aufgehalten werden. Die daraus resultierende Wechselwirkung erzeugt jedoch Sekundärstrahlung und verursacht kaskadenartige biologische Effekte. Wird z. B. nur ein Atom des Gewebes durch ein energiereiches Proton verdrängt, so führt die Kollision zu weiteren Wechselwirkungen im Körper. Dies wird als „linearer Energietransfer“ (LET) bezeichnet, der sich die elastische Streuung zunutze macht.

LET kann man sich als eine Billardkugel vorstellen, die auf eine andere trifft, wobei die Energie der ersten Kugel ungleichmäßig auf beide verteilt wird. Wenn ein geladener Kern auf einen relativ langsam bewegten Kern eines Objekts im Raum trifft, tritt LET auf und Neutronen, Alphateilchen, niederenergetische Protonen und andere Kerne werden durch die Kollisionen freigesetzt und tragen zur Gesamt-Energiedosis des Gewebes bei.

Indirekt ionisierende Strahlung

Indirekt ionisierende Strahlung ist elektrisch neutral und interagiert daher nicht stark mit Materie. Der Großteil der Ionisierungseffekte ist auf sekundäre Ionisationen zurückzuführen.

Ein Beispiel für indirekt ionisierende Strahlung ist Neutronenstrahlung.

PhotonenstrahlungEdit

Obwohl Photonen elektrisch neutral sind, können sie Atome direkt durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt ionisieren. Beide Wechselwirkungen führen dazu, dass ein Elektron mit relativistischer Geschwindigkeit aus einem Atom herausgeschleudert wird und sich in ein Betateilchen (sekundäres Betateilchen) verwandelt, das viele andere Atome ionisiert. Da die meisten der betroffenen Atome direkt durch die sekundären Betateilchen ionisiert werden, werden Photonen als indirekt ionisierende Strahlung bezeichnet.

Photonenstrahlung wird als Gammastrahlung bezeichnet, wenn sie durch eine Kernreaktion, einen subatomaren Teilchenzerfall oder einen radioaktiven Zerfall innerhalb des Kerns entsteht. Ansonsten wird sie als Röntgenstrahlung bezeichnet, wenn sie außerhalb des Kerns erzeugt wird.

Röntgenstrahlen haben normalerweise eine niedrigere Energie als Gammastrahlen, und eine ältere Konvention war, die Grenze bei einer Wellenlänge von 10-11 m oder einer Photonenenergie von 100 keV zu definieren. Dieser Grenzwert wurde durch die Einschränkungen älterer Röntgenröhren und die geringe Kenntnis isomerer Übergänge bestimmt. Moderne Technologien und Entdeckungen haben zu einer Überlappung zwischen Röntgen- und Gamma-Energien geführt. In vielen Bereichen sind sie funktional identisch und unterscheiden sich für terrestrische Studien nur durch den Ursprung der Strahlung. In der Astronomie jedoch, wo der Ursprung der Strahlung oft nicht zuverlässig bestimmt werden kann, wurde die alte Energieeinteilung beibehalten, wobei Röntgenstrahlung als Strahlung zwischen ca. 120 eV und 120 keV und Gammastrahlung als Strahlung mit einer Energie über 100 bis 120 keV definiert wird, unabhängig von der Quelle. Es ist bekannt, dass die meisten astronomischen „Gammastrahlen“ nicht aus nuklear-radioaktiven Prozessen stammen, sondern aus Prozessen, die denen ähneln, die astronomische Röntgenstrahlen erzeugen, nur dass sie von viel energiereicheren Elektronen angetrieben werden.

Photoelektrische Absorption ist der dominante Mechanismus in organischen Materialien für Photonenenergien unter 100 keV, typisch für Röntgenstrahlen, die aus klassischen Röntgenröhren stammen. Bei Energien jenseits von 100 keV ionisieren Photonen Materie zunehmend durch den Compton-Effekt und dann indirekt durch Paarbildung bei Energien jenseits von 5 MeV. Das nebenstehende Wechselwirkungsdiagramm zeigt zwei Compton-Streuungen, die nacheinander ablaufen. Bei jeder Streuung überträgt die Gammastrahlung Energie auf ein Elektron, und dieses setzt seinen Weg in einer anderen Richtung und mit reduzierter Energie fort.

Definitionsgrenze für niederenergetische PhotonenBearbeiten

Die niedrigste Ionisierungsenergie eines Elements ist 3,89 eV, für Cäsium. Das Material der US Federal Communications Commission definiert jedoch ionisierende Strahlung als solche mit einer Photonenenergie von mehr als 10 eV (entspricht einer weit ultravioletten Wellenlänge von 124 Nanometern). Grob entspricht dies sowohl der ersten Ionisierungsenergie von Sauerstoff als auch der Ionisierungsenergie von Wasserstoff, die beide bei etwa 14 eV liegen. In einigen Referenzen der Environmental Protection Agency wird die Ionisierung eines typischen Wassermoleküls bei einer Energie von 33 eV als angemessener biologischer Schwellenwert für ionisierende Strahlung angegeben: Dieser Wert stellt den sogenannten W-Wert dar, die umgangssprachliche Bezeichnung für die von der ICRU ermittelte mittlere Energie, die in einem Gas pro gebildetem Ionenpaar aufgewendet wird und die Ionisierungsenergie plus die Energie, die bei anderen Prozessen wie der Anregung verloren geht, kombiniert. Bei einer Wellenlänge von 38 Nanometern für elektromagnetische Strahlung liegen 33 eV nahe an der Energie am konventionellen 10-nm-Wellenlängen-Übergang zwischen extremem Ultraviolett und Röntgenstrahlung, der bei etwa 125 eV auftritt. Röntgenstrahlung ist also immer ionisierend, aber nur extrem-ultraviolette Strahlung kann nach allen Definitionen als ionisierend angesehen werden.

Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung auf Zellen ähnelt in gewisser Weise der eines breiteren Spektrums molekular schädigender Strahlung, das sich mit der ionisierenden Strahlung überschneidet und darüber hinaus zu etwas niedrigeren Energien in alle Bereiche des UV- und manchmal auch des sichtbaren Lichts in einigen Systemen (wie z. B. photosynthetische Systeme in Blättern) reicht. Obwohl die DNA immer anfällig für Schäden durch ionisierende Strahlung ist, kann das DNA-Molekül auch durch Strahlung mit genügend Energie geschädigt werden, um bestimmte Molekülbindungen zur Bildung von Pyrimidin-Dimeren anzuregen. Diese Energie kann weniger als ionisierend sein, aber nahe daran. Ein gutes Beispiel dafür ist die Energie des ultravioletten Spektrums, die bei etwa 3,1 eV (400 nm) beginnt, also in der Nähe desselben Energieniveaus, das bei ungeschützter Haut Sonnenbrand verursachen kann, als Folge von Photoreaktionen im Kollagen und (im UV-B-Bereich) auch Schäden in der DNA (z. B. Pyrimidindimere). Das mittlere und untere ultraviolette elektromagnetische Spektrum ist also schädlich für biologisches Gewebe infolge elektronischer Anregung in Molekülen, die zwar unterhalb der Ionisation liegt, aber ähnliche nicht-thermische Effekte erzeugt. Bis zu einem gewissen Grad haben sichtbares Licht und auch Ultraviolett A (UVA), das den sichtbaren Energien am nächsten liegt, nachweislich zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies in der Haut geführt, die indirekte Schäden verursachen, da es sich um elektronisch angeregte Moleküle handelt, die reaktive Schäden verursachen können, obwohl sie keinen Sonnenbrand (Erythem) verursachen. Wie die Ionisationsschäden gehen all diese Effekte in der Haut über die durch einfache thermische Effekte hervorgerufenen hinaus.

NeutronenBearbeiten

Neutronen haben eine neutrale elektrische Ladung, die oft als elektrische Null-Ladung missverstanden wird, und führen daher oft nicht direkt zu einer Ionisation in einem einzigen Schritt oder einer Wechselwirkung mit Materie. Schnelle Neutronen treten jedoch mit den Protonen im Wasserstoff über LET in Wechselwirkung, und dieser Mechanismus streut die Kerne der Materialien im Zielbereich, was eine direkte Ionisierung der Wasserstoffatome bewirkt. Wenn Neutronen auf die Wasserstoffkerne treffen, entsteht Protonenstrahlung (schnelle Protonen). Diese Protonen sind selbst ionisierend, weil sie eine hohe Energie haben, geladen sind und mit den Elektronen in der Materie wechselwirken.

Neutronen, die auf andere Kerne als Wasserstoff treffen, übertragen weniger Energie auf das andere Teilchen, wenn LET auftritt. Aber bei vielen Kernen, die von Neutronen getroffen werden, kommt es zu inelastischer Streuung. Ob elastische oder inelastische Streuung auftritt, ist abhängig von der Geschwindigkeit des Neutrons, ob schnell oder thermisch oder irgendwo dazwischen. Sie ist auch abhängig von den Kernen, auf die es trifft, und seinem Neutronenquerschnitt.

Bei der inelastischen Streuung werden Neutronen leicht in einer Art Kernreaktion absorbiert, die als Neutroneneinfang bezeichnet wird und zur Neutronenaktivierung des Kerns führt. Neutronenwechselwirkungen mit den meisten Arten von Materie auf diese Weise erzeugen normalerweise radioaktive Kerne. Der häufig vorkommende Sauerstoff-16-Kern zum Beispiel erfährt eine Neutronenaktivierung, zerfällt schnell durch Protonenemission und bildet Stickstoff-16, der wiederum zu Sauerstoff-16 zerfällt. Der kurzlebige Stickstoff-16-Zerfall emittiert eine starke Betastrahlung. Dieser Prozess kann geschrieben werden als:

16O (n,p) 16N (schneller Neutroneneinfang mit >11 MeV Neutron möglich)

16N → 16O + β- (Zerfall t1/2 = 7.13 s)

Dieses hochenergetische β- wechselwirkt weiterhin schnell mit anderen Kernen und emittiert dabei hochenergetisches γ über Bremsstrahlung

Die 16O (n,p)-16N-Reaktion ist zwar keine günstige Reaktion, aber eine Hauptquelle für Röntgenstrahlung, die aus dem Kühlwasser eines Druckwasserreaktors emittiert wird, und trägt enorm zur Strahlung bei, die ein wassergekühlter Kernreaktor während des Betriebs erzeugt.

Für die beste Abschirmung von Neutronen werden Kohlenwasserstoffe verwendet, die reichlich Wasserstoff enthalten.

In spaltbaren Materialien können sekundäre Neutronen nukleare Kettenreaktionen hervorrufen, die eine größere Menge an Ionisierung durch die Tochterprodukte der Spaltung verursachen.

Außerhalb des Kerns sind freie Neutronen instabil und haben eine mittlere Lebensdauer von 14 Minuten und 42 Sekunden. Freie Neutronen zerfallen durch Emission eines Elektrons und eines Elektronen-Antineutrinos zu einem Proton, ein Prozess, der als Betazerfall bekannt ist:

Im nebenstehenden Diagramm kollidiert ein Neutron mit einem Proton des Zielmaterials und wird dann zu einem schnellen Rückstoßproton, das seinerseits ionisiert. Am Ende seines Weges wird das Neutron von einem Kern in einer (n,γ)-Reaktion eingefangen, was zur Emission eines Neutroneneinfang-Photons führt. Solche Photonen haben immer genug Energie, um als ionisierende Strahlung zu gelten.