Ionisierende Strahlung ist die Strahlung, die von Photonen oder Teilchen gebildet wird, die bei Wechselwirkung mit Materie Ionen erzeugen. Diese Definition gilt unabhängig davon, ob sie dies direkt oder indirekt tun.
Einige Beispiele für ionisierende elektromagnetische Strahlung sind ultraviolette (UV) Strahlung höherer Energie, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Einige Beispiele für ionisierende Korpuskularstrahlung sind Alphastrahlung und Betazerfall.
Gemäß der Definition von ionisierender Strahlung sind optische Strahlung, sichtbares Licht, Infrarotstrahlen und Funkwellen ausgeschlossen.
Aus gesundheitlichen Gründen kann die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung je nach Art der Strahlung Schäden an lebendem Gewebe verursachen und Mutationen, akute Strahlenkrankheit, Krebs und Tod verursachen.
Ionisierende Strahlung ist unsichtbar und mit den menschlichen Sinnen nicht direkt wahrnehmbar. Aus diesem Grund werden Instrumente zum Nachweis von Strahlung wie Geigerzähler benötigt. Diese Art von Strahlung kann jedoch unmittelbar nach der Wechselwirkung mit Materie die Emission von sichtbarem Licht verursachen, wie bei Cherenkov-Strahlung und Radiolumineszenz.
Wer hat ionisierende Strahlung entdeckt?
Diese Strahlungen wurden 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt.
Anwendungen ionisierender Strahlung
Ionisierende Strahlung wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere in der Medizin und Industrie.
Im Bereich der Nuklearmedizin, der bekanntesten Anwendung von Röntgengeräten, werden diese Quellen bzw. Teilchenbeschleuniger in der Diagnostik (Szintigrafie) und in der Therapie (z. B. Strahlentherapie in der Onkologie) eingesetzt.
Was ist der Ursprung ionisierender Strahlung?
Ionisierende Strahlung kann natürlichen oder künstlichen Ursprungs sein. Natürlich können einige radioaktive Stoffe spontan Strahlung abgeben. Andererseits gibt es künstliche Generatoren wie Röntgengeneratoren und Teilchenbeschleuniger.
Einige Elemente sind besser geeignet als andere, um diese Art von Reaktion hervorzurufen, wie etwa Uran-235. Dieses Isotop neigt dazu, jedes Neutron zu absorbieren, das damit kollidiert. Wenn dies geschieht, zerbricht das Uran-235 schließlich in mehrere Fragmente und setzt andere Neutronen und Kernenergie frei.
Ein normaler Mensch ist auch geringen Mengen ionisierender Strahlung von der Sonne, Felsen, Erde oder anderen natürlichen Quellen ausgesetzt.
Unterschied zwischen ionisierender und nichtionisierender Strahlung
Eine wichtige Eigenschaft elektromagnetischer Felder ist Frequenz und Wellenlänge. Einige Teilchen, sogenannte Lichtquanten, sind für den Transport elektromagnetischer Wellen verantwortlich. Die Energie, die diese Wellen tragen, hängt von der Wellenlänge ab, dh je länger die Wellenlänge, desto mehr Energie.
In einigen Fällen ist die von elektromagnetischen Wellen getragene Energie so hoch, dass sie Elektronen aus einem Atom herausreißen und sogar molekulare Bindungen aufbrechen können. Ionisierende Strahlungen haben genug Energie, um diese Veränderungen durchzuführen: Röntgenstrahlen, kosmische Strahlen und Gammastrahlen, die von radioaktiven Materialien emittiert werden.
Andererseits sind nichtionisierende Strahlungen solche, die nicht so viel Energie haben, um die Strukturen von Molekülen zu verändern oder Elektronen zu entfernen.
Welche physikalischen Wirkungen hat ionisierende Strahlung?
Wir können die physikalischen Wirkungen ionisierender Strahlung klassifizieren in:
1. Nukleare Auswirkungen
Neutronen (subatomare Teilchen), Alphastrahlen und extrem energiereiche Gammastrahlen (> 20 MeV) können eine Störung im Kern von Atomen verursachen.
Wenn eine große Anzahl dieser Störungen auftritt, kann dies die makroskopischen Eigenschaften verändern und dazu führen, dass die Ziele radioaktiv werden, selbst nachdem die ursprüngliche Quelle entfernt wurde.
2. Chemische Wirkungen
Ionisierende Strahlung, die mit Molekülen in Wechselwirkung tritt, kann zu Folgendem führen:
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Das Aufbrechen chemischer Bindungen.
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Bildung hochreaktiver freier Radikale. Diese Radikale können mit benachbarten Elementen chemisch reagieren und ihnen ein Elektron entziehen, selbst nachdem die ursprüngliche Strahlung aufgehört hat.
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Zerstörung kristalliner Gitter, wodurch sie amorph werden.
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Beschleunigung chemischer Reaktionen, wie z. B. Polymerisation, wodurch die für die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie erreicht wird.
Einige Elemente, die gegen die chemischen Wirkungen ionisierender Strahlung immun sind, wie z. B. einatomige Flüssigkeiten, die keine chemischen Bindungen zum Aufbrechen haben und das Kristallgitter nicht stören.
Andererseits bilden sich einfache zweiatomige Verbindungen mit sehr negativer Bildungsenthalpie wie Flusssäure nach der Ionisierung schnell und spontan zurück.
3. Elektrische Effekte
Die Ionisierung von Materialien erhöht vorübergehend ihre Leitfähigkeit, was sich auf die Elektronik der Atome auswirkt. Dies ist eine besondere Gefahr in der Halbleitermikroelektronik mit dem Risiko, dass verzögerte Ströme zu Fehlfunktionen führen. Halbleiter-Mikroelektronik wird in elektronischen Geräten verwendet.
Wenn Geräte für Umgebungen mit hoher Strahlung bestimmt sind, können sie so hergestellt werden, dass sie solchen Effekten durch Design, Materialien und Herstellungsverfahren standhalten. Diese Geräte werden üblicherweise in Raumfahrtausrüstungen (außeratmosphärisch) und für die Nuklearindustrie verwendet.
Auswirkungen ionisierender Strahlung auf den Menschen
Ionisierende Strahlung beeinträchtigt biologisches Gewebe und damit die Gesundheit.
Die Schäden, die es an biologischem Gewebe verursachen kann, sind unterschiedlicher Art und werden unterteilt in:
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Deterministischer somatischer Schaden: Deterministische Effekte beinhalten hohe Strahlungsdosen über große Teile des Körpers.
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Stochastische somatische Schädigung: Nicht deterministische Wirkungen treten bei geringer Strahlenexposition auf. In diesem Fall ist der Schaden statistisch, d. h. es ist möglich, den Anteil einer bestimmten Population von exponierten Personen vorherzusagen, der betroffen sein wird, aber unmöglich zu wissen, wie er sich auf jede einzelne Person auswirken wird.
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Stochastische Genschäden: Diese Schäden beschreiben vererbbare genotypische Veränderungen, die durch Mutationen in Genen oder Keimzellchromosomen entstehen.
Somatischer Schaden bezieht sich auf den Schaden, der in den Geweben der bestrahlten Person aufgetreten ist. Andererseits bezieht sich genetischer Schaden auf Schäden, die zukünftige Generationen betreffen werden.
Die aktuellen Vorschriften zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung setzen strenge Grenzwerte für die individuelle Exposition, die auch die Exposition gegenüber üblichen Baumaterialien wie Tuff (der Radondämpfe freisetzt) einschließt.
In Berufszweigen, in denen der Arbeitnehmer radioaktiven Stoffen ausgesetzt sein kann, muss ein Arbeitsrisikoverhütungsplan vorhanden sein.
Auswirkungen von Alphastrahlung auf die Gesundheit
Alphateilchen haben eine geringe Durchschlagskraft. Daher kann es leicht durch die oberflächliche Hautschicht gestoppt werden. Die Haut erfüllt in diesem Sinne eine Strahlenschutzfunktion, ist also bei äußerer Bestrahlung für den Menschen nicht gefährlich.
Stattdessen wird Alphastrahlung in Situationen gefährlich, in denen die radioaktive Quelle eingeatmet oder verschluckt wird, da sie in diesem Fall strahlenempfindliches Gewebe direkt schädigen kann.
Gesundheitliche Auswirkungen von Gammastrahlung
Andererseits kann Gammastrahlung (Photonen), die eine sehr hohe Durchdringungskraft hat, auch bei äußerer Bestrahlung gefährlich für Lebewesen sein. Die von einem Körper absorbierte Strahlungsmenge wird als absorbierte Dosis bezeichnet und in Grau gemessen.
Beispiele für ionisierende Strahlung
Einige Beispiele für Quellen ionisierender Strahlung sind die folgenden:
Natürliche Quellen:
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Spontaner radioaktiver Zerfall von Radionukliden.
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Thermonukleare Reaktionen, wie sie in der Sonne auftreten.
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Kernreaktionen, die durch den Eintritt hochenergetischer Elementarteilchen in den Kern oder durch Kernfusion induziert werden.
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kosmische Strahlung.
künstliche Quellen:
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künstliche Radionuklide.
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Kernreaktoren.
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Teilchenbeschleuniger, die Ströme geladener Teilchen sowie Bremsstrahlungs-Photonenstrahlung erzeugen.
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Röntgengerät als eine Art Beschleuniger, die Bremse erzeugt Röntgenstrahlen.