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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung

Eine ionisierende Strahlung ist die Strahlung, die von Photonen oder Partikeln gebildet wird, die mit Materie in Wechselwirkung treten, und zwar direkt oder indirekt. Beispiele für ionisierende elektromagnetische Strahlung sind Ultraviolettstrahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen mit der höchsten Energie; Als Beispiele für korpuskuläre ionisierende Strahlung kann der Radioaktivitäts-Alpha-und Beta-Zerfall verwendet werden. Ionisierende Strahlung ist weder sichtbares Licht noch Infrarotstrahlen oder Radiowellen.

Sie werden seit ihrer Entdeckung durch Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1895 in medizinischen und industriellen Anwendungen eingesetzt und sind die bekannteste Anwendung von Röntgengeräten oder die Verwendung von Strahlenquellen im medizinischen Bereich, sowohl in der Diagnostik (Szintigraphie). B. in der Behandlung (z. B. Strahlentherapie in der Onkologie) durch Verwendung von Quellen oder Teilchenbeschleunigern.

Die ionisierende Strahlung ist unsichtbar und für den menschlichen Sinn nicht direkt erkennbar. Daher sind Instrumente erforderlich, um Strahlung zu erfassen, wie z. B. Geigerzähler, um sie zu erfassen. Es kann jedoch unmittelbar nach Wechselwirkung mit Materie, wie Cherenkov- Strahlung und Radiolumineszenz, die Emission von sichtbarem Licht verursachen.

Ionisierende Strahlung wird in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, einschließlich Nuklearmedizin, Forschung, Herstellung und Bauwesen. Sie birgt jedoch ein Gesundheitsrisiko, wenn die richtigen Maßnahmen gegen unerwünschte Exposition nicht ergriffen werden. Die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung schädigt lebendes Gewebe und kann zu Mutationen, akuten Strahlenkrankheiten, Krebs und zum Tod führen.

Herkunft der ionisierenden Strahlung

Ionisierende Strahlung kann von radioaktiven Substanzen stammen, die diese Strahlung spontan abgeben, oder von künstlichen Generatoren wie Röntgengeneratoren und Teilchenbeschleunigern. Ionisierende Strahlung interagiert mit lebender Materie und erzeugt verschiedene Effekte. Das Studium dieser Wechselwirkung und ihrer Auswirkungen ist für die Strahlenbiologie verantwortlich.

Einige Elemente eignen sich besser als andere, um solche Reaktionen hervorzurufen. Dies ist der Fall von Uran-235, das dazu neigt, alle Neutronen zu absorbieren, die damit kollidieren. In diesem Fall nimmt Uran-235 an Gewicht zu, wird instabiler und zerfällt in mehrere Fragmente, wobei andere Neutronen freigesetzt werden. Wenn diese Neutronen wiederum von anderen Uran-235-Atomen absorbiert werden, kommt es zu einer Folge von Kettenreaktionen, die erhebliche Mengen an Radioaktivität und Energie erzeugen.

Physikalische Einwirkungen ionisierender Strahlung

Wir können die physikalischen Wirkungen ionisierender Strahlung einteilen in:

  • Nukleare Effekte
  • Chemische Wirkungen
  • Elektrische Wirkungen

Nukleare Effekte

Neutronen, Alphastrahlen und extrem energiereiche Gammastrahlen (> 20 MeV) können eine Kerntransmutation verursachen. Die relevanten Mechanismen sind Neutronenaktivierung und Photointegration. Eine relativ große Anzahl von Transmutationen kann die makroskopischen Eigenschaften verändern und dazu führen, dass die Ziele radioaktiv werden, selbst nachdem die ursprüngliche Quelle entfernt wurde.

Chemische Wirkungen

Ionisierende Strahlung, die mit Molekülen interagiert, kann zu Folgendem führen:

  • Radiolyse (Aufbrechen chemischer Bindungen)
  • Bildung hochreaktiver Radikale. Diese freien Radikale, die ein ungepaartes Elektron haben, können chemisch mit benachbarten Elementen reagieren und ein Elektron von ihnen abziehen, selbst nachdem die ursprüngliche Strahlung aufgehört hat.
  • Zerstörung der kristallinen Netzwerke, wodurch sie amorph werden.
  • Beschleunigung chemischer Reaktionen wie der Polymerisation, wodurch die für die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie erreicht wird.

Stattdessen gibt es einige Elemente, die gegenüber den chemischen Wirkungen ionisierender Strahlung immun sind, wie beispielsweise einatomige Flüssigkeiten (z. B. Natriumschmelze), die keine chemischen Bindungen zum Aufbrechen aufweisen und das Kristallgitter nicht stören. Im Gegensatz dazu bilden sich einfache biatomare Verbindungen mit sehr negativer Enthalpie wie Flusssäure nach der Ionisierung schnell und spontan zurück.

Elektrische Wirkungen

Durch die Ionisierung von Materialien wird die Leitfähigkeit vorübergehend erhöht. Dies ist eine besondere Gefahr in der Halbleiter-Mikroelektronik, die in elektronischen Geräten verwendet wird, mit der Gefahr von verzögerten Strömen, die zu Betriebsfehlern führen, oder bei hohen Durchflüssen, die das Gerät selbst dauerhaft beschädigen. Protonenstrahlung im Weltraum kann auch den Zustand digitaler Schaltkreise erheblich verändern.

Geräte, die für Umgebungen mit hoher Strahlung vorgesehen sind, wie Weltraumgeräte (außeratmosphärische Geräte) und für die Atomindustrie, können so hergestellt werden, dass sie solchen Effekten durch Design, Materialauswahl und Herstellungsverfahren widerstehen. In der Realität kompensieren die komplexeren Schaltungen, die die Software verwenden, Fehler aufgrund von Bestrahlung.

Auswirkungen ionisierender Strahlung auf die Gesundheit

In Fällen, in denen ionisierende Strahlung auf biologisches Gewebe einwirkt, kann dies zu Gesundheitsschäden führen. Alpha-Strahlung hat in der Tat ein geringes Durchdringungsvermögen und wird daher leicht von der oberflächlichen Schicht abgestorbener Hautzellen gestoppt, so dass sie für den Menschen bei äußerer Strahlung nicht gefährlich ist. Stattdessen wird es in Situationen gefährlich, in denen die radioaktive Quelle eingeatmet oder verschluckt wird (interne Strahlung), da in diesem Fall strahlungsempfindliches Gewebe direkt beschädigt werden kann.

Andererseits kann Gammastrahlung (Photonen), die ein sehr hohes Durchdringungsvermögen aufweist, auch in Situationen äußerer Strahlung für Lebewesen gefährlich sein. Die von einem Körper absorbierte Strahlungsmenge wird als Energiedosis bezeichnet und in Grau gemessen.

Es gibt verschiedene Arten von Schäden, die durch ionisierende Strahlung an biologischen Geweben verursacht werden können. Diese sind unterteilt in:

  • deterministische somatische Schädigung
  • stochastischer somatischer Schaden
    • stochastischer genetischer Schaden

Das Nationale Gesundheitsinstitut schätzt, dass es in Italien zwischen 1.500 und 9.000 Todesfälle pro Jahr aufgrund von Lungenkrebs gibt, der durch natürliche Radioaktivitätsquellen verursacht wird. Gegenwärtige Vorschriften gegen Verschmutzung legen strenge Grenzen für die individuelle Exposition fest, die auch die Exposition gegenüber üblichen Baumaterialien wie Tuffstein (der Radondämpfe freisetzt) ​​beinhalten.

Quellen ionisierender Strahlung

Natürliche ionisierende Strahlungsquellen:

  • Spontaner radioaktiver Zerfall von Radionukliden.
  • thermonukleare Reaktionen, wie die Sonne.
  • Induzierte Kernreaktionen infolge des Eintritts von Elementarteilchen mit hoher Energie oder Kernfusion in den Kern.
  • Kosmische Strahlung.

Künstliche ionisierende Strahlungsquellen:

  • Künstliche Radionuklide
  • Kernreaktoren.
  • Teilchenbeschleuniger (erzeugen geladene Teilchenströme sowie Strahlung von Bremsstrahlungsphotonen).
    • Röntgenapparat Als eine Art Beschleuniger erzeugt die Bremse Röntgenstrahlen.

Induzierte Radioaktivität

Infolge der Bestrahlung und der entsprechenden induzierten Kernreaktion werden viele stabile Atome zu instabilen Isotopen. Durch diese Bestrahlung wird eine stabile Substanz radioaktiv und die Art der sekundären ionisierenden Strahlung unterscheidet sich von der anfänglichen Bestrahlung. Dieser Effekt ist nach Neutronenbestrahlung stärker ausgeprägt.

Die Kette der nuklearen Transformationen

Während des Zerfalls oder der Synthese von Kernen entstehen neue Nuklide, die auch instabil sein können. Das Ergebnis ist eine Kette von Kerntransformationen. Jede Transformation hat ihre eigene Wahrscheinlichkeit und ihre eigene Menge an ionisierender Strahlung. Infolgedessen können Intensität und Art der Strahlung einer radioaktiven Quelle im Laufe der Zeit erheblich variieren.

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Geändert am: 28. November 2019