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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 Teilchen gebildet wird, die bei Wechselwirkung mit Materie Ionen erzeugen, unabhängig davon, ob sie dies direkt oder indirekt tun.

Beispiele für ionisierende elektromagnetische Strahlung:

  1. Ultraviolette Strahlen mit der höchsten Energie.
  2. Röntgen- und Gammastrahlen

Beispiele für korpuskuläre ionisierende Strahlung:

  1. Alpha-Radioaktivität.
  2. Der Beta-Zerfall.

Sichtbares Licht und Infrarotstrahlen sind weder ionisierende Strahlung noch Radiowellen.

Diese Strahlung wurde 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt. Seitdem werden sie in medizinischen und industriellen Anwendungen eingesetzt. Trotz der vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten stellt ionisierende Strahlung ein Gesundheitsrisiko dar, wenn nicht die richtigen Maßnahmen gegen unerwünschte Exposition ergriffen werden. Die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung schädigt lebendes Gewebe und kann Mutationen, akute Strahlenkrankheit, Krebs und Tod verursachen.

Auf dem Gebiet der Nuklearmedizin ist die bekannteste Anwendung von Röntgengeräten oder die Verwendung von Strahlungsquellen im medizinischen Bereich sowohl in der Diagnose (Szintigraphie) als auch in der Behandlung (Strahlentherapie in der Onkologie) durch die Verwendung von Quellen oder Teilchenbeschleunigern.

Ionisierende Strahlung ist unsichtbar und für die menschlichen Sinne nicht direkt wahrnehmbar. Aus diesem Grund werden Instrumente zur Detektion von Strahlung benötigt, beispielsweise Geigerzähler. Es kann jedoch die Emission von sichtbarem Licht unmittelbar nach der Wechselwirkung mit Materie verursachen, wie bei Cherenkov-Strahlung und Radiolumineszenz.

Woher kommt ionisierende Strahlung?

Ionisierende Strahlung kann natürlichen oder künstlichen Ursprungs sein. Natürlich können einige radioaktive Substanzen spontan Strahlung abgeben. Andererseits gibt es künstliche Generatoren wie Röntgengeneratoren und Teilchenbeschleuniger.

Einige Elemente sind besser geeignet als andere, um diese Art von Reaktion zu erzeugen. Dies ist der Fall bei Uran-235 mit der Tendenz, jedes mit ihm kollidierende Neutron zu absorbieren. Wenn dies auftritt, 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, wird genug Energie freigesetzt  , um mehr Reaktionen zu erzeugen. Dann tritt  eine Folge von Kettenreaktionen auf. Diese Teilung des Atomkerns wird als Kernspaltung bezeichnet und erzeugt erhebliche Mengen an Radioaktivität und Energie.

In Wirklichkeit werden diese Kernspaltungsreaktionen in Kernreaktoren erzeugt, damit der Rest des Kernkraftwerks diese Energie in Elektrizität umwandeln kann.

Was ist Radiobiologie?

Die Radiobiologie ist das interdisziplinäre Gebiet der Wissenschaft, das die biologischen Folgen ionisierender und nichtionisierender Strahlung über das Spektrum elektromagnetischer Wellen umfasst. Dieses Feld umfasst Radioaktivität (Alpha, Beta und Gamma), Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlen, sichtbares Licht, Mikrowellen und Radiowellen.

Darüber hinaus untersucht die Radiobiologie niederfrequente Strahlung (wie sie bei alternierender elektrischer Übertragung, Ultraschall- ( Wärme-) Wärmestrahlung und verwandten Modalitäten verwendet wird. Das Gebiet wurde von Louis Harold Gray gegründet.

Zusammenfassend untersucht die Radiobiologie, wie ionisierende Strahlung mit lebender Materie interagiert und welche Auswirkungen sie hat.

Was sind die physikalischen Auswirkungen ionisierender Strahlung?

Wir können die physikalischen Wirkungen ionisierender Strahlung in folgende Kategorien einteilen:

  • Nukleare Effekte
  • Chemische Wirkungen
  • Elektrische Effekte

Nukleare Effekte

Neutronen (subatomare Teilchen), Alphastrahlen und extrem energetische Gammastrahlen (> 20 MeV) können eine Kerntransmutation verursachen. Die relevanten Mechanismen sind Neutronenaktivierung und Photozerfall.

Eine relativ große Anzahl von Transmutationen kann die makroskopischen Eigenschaften verändern und dazu führen, dass Ziele radioaktiv werden, selbst nachdem die ursprüngliche Quelle entfernt wurde.

Chemische Wirkungen

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

  • Radiolyse (Bruch chemischer Bindungen)
  • Hochreaktive Radikalbildung. Diese freien Radikale, die ein ungepaartes Elektron haben, können chemisch mit benachbarten Elementen reagieren und ein Elektron von ihnen subtrahieren, selbst nachdem die ursprüngliche Strahlung aufgehört hat.
  • Zerstörung von Kristallgittern, wodurch sie amorph werden.
  • Beschleunigung chemischer Reaktionen wie Polymerisation, die dazu beitragen, die für die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie zu erreichen.

Stattdessen gibt es einige Elemente, die gegen die chemischen Auswirkungen ionisierender Strahlung immun sind, wie z. B. einatomige Flüssigkeiten, die keine chemischen Bindungen zum Aufbrechen aufweisen und das Kristallgitter nicht stören.

Im Gegensatz dazu reformieren sich einfache zweiatomige Verbindungen mit stark negativer Enthalpie wie Flusssäure nach der Ionisierung schnell und spontan.

Elektrische Effekte

Die Ionisierung von Materialien erhöht vorübergehend ihre Leitfähigkeit und beeinflusst die  Elektronik der Atome . Dies ist eine besondere Gefahr in der Halbleitermikroelektronik mit dem Risiko, dass verzögerte Ströme zu Betriebsfehlern führen. Die Halbleitermikroeletronik wird in elektronischen Geräten eingesetzt.

Bei hohen Durchflussmengen ist das Gerät selbst dauerhaft beschädigt. Im Weltraum vorhandene Protonenstrahlung kann auch den Zustand digitaler Schaltungen erheblich verändern.

Geräte, die für Umgebungen mit hoher Strahlung vorgesehen sind, können hergestellt werden, um solchen Effekten durch Design, Materialauswahl und Herstellungsverfahren zu widerstehen. Diese Geräte werden üblicherweise in Weltraumgeräten (außeratmosphärisch) und für die Nuklearindustrie eingesetzt.

In der Realität schaffen es die komplexeren Schaltungen, die von der Software verwendet werden, die durch Bestrahlung verursachten Fehler zu kompensieren.

Welche Auswirkungen hat Strahlung auf die Gesundheit?

Ionisierende Strahlung kann das biologische Gewebe und damit die Gesundheit beeinträchtigen.

Es gibt verschiedene Arten von Schäden an biologischen Geweben, die unterteilt sind in:

  • Deterministischer somatischer Schaden. Deterministische Effekte beinhalten hohe Strahlendosen auf große Teile des Körpers.
  • Stochastischer somatischer Schaden. Nicht deterministische Effekte treten bei geringer Strahlenexposition auf. In diesem Fall ist der Schaden statistisch. Das heißt, es ist möglich, den Anteil einer bestimmten Population exponierter Personen vorherzusagen, der betroffen sein wird, aber es ist unmöglich zu wissen, wie sich dies auf jede Person einzeln auswirkt.
  • Stochastischer genetischer Schaden. Diese Schäden beschreiben die vererbten genotypischen Veränderungen, die sich aus Mutationen in den Genen oder Keimzellchromosomen ergeben.

Somatische Schäden beziehen sich auf Schäden, die im Gewebe des bestrahlten Individuums aufgetreten sind. Andererseits bezieht sich genetischer Schaden auf Schaden, der zukünftige Generationen betreffen wird. 

Gegenwärtige Vorschriften zur Vermeidung von Umweltverschmutzung legen strenge Grenzwerte für die individuelle Exposition fest, einschließlich der Exposition gegenüber üblichen Baumaterialien wie Tuff (der Radondämpfe freisetzt).

    Auswirkungen von Alphastrahlung auf die Gesundheit

    Alphastrahlung hat eine geringe Durchdringungskraft und wird daher leicht von der oberflächlichen Schicht abgestorbener Hautzellen gestoppt. In diesem Sinne erfüllt die Haut eine Funktion des  Strahlenschutzes,  so dass sie bei äußerer Strahlung für den Menschen nicht gefährlich ist.

    Stattdessen wird Alphastrahlung in Situationen gefährlich, in denen die radioaktive Quelle eingeatmet oder aufgenommen wird (interne Strahlung), da sie in diesem Fall strahlenempfindliche Gewebe direkt schädigen kann.

    Auswirkungen von Gammastrahlung auf die Gesundheit

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

    Was sind die Quellen ionisierender Strahlung?

    Natürliche Quellen:

    • Spontaner radioaktiver Zerfall von Radionukliden.
    • Thermonukleare Reaktionen wie die Sonne.
    • Kernreaktionen, die durch den Eintritt hochenergetischer Elementarteilchen oder die Kernfusion in den Kern induziert werden.
    • Kosmische Strahlung.

    Künstliche Quellen:

    • Künstliche Radionuklide.
    • Kernreaktoren.
    • Teilchenbeschleuniger (erzeugen geladene Teilchenflüsse sowie Bremsstrahlungsphotonenstrahlung).
      • Röntgengerät als eine Art Beschleuniger erzeugt die Bremse Röntgenstrahlen.

    Induzierte Radioaktivität

    Durch Bestrahlung und die entsprechende induzierte Kernreaktion werden viele stabile Atome zu instabilen Isotopen.

    Infolge einer solchen Bestrahlung wird eine stabile Substanz radioaktiv und die Art der sekundären ionisierenden Strahlung unterscheidet sich von der anfänglichen Exposition. Dieser Effekt ist nach Neutronenbestrahlung stärker ausgeprägt.

    Die Kette der nuklearen Transformationen

    Während des Zerfalls oder der Synthese des Kerns entstehen neue Nuklide, die auch instabil sein können. Das Ergebnis ist eine Kette nuklearer Transformationen.

    Jede Transformation hat ihre eigene Wahrscheinlichkeit und ihren eigenen Satz ionisierender Strahlung. Infolgedessen können die Intensität und die Art der Strahlung von einer radioaktiven Quelle im Laufe der Zeit erheblich variieren.

    Referenzen

    Biologische Auswirkungen von Strahlung - Dosimetrie  (es - pdf)

    Autor:

    Erscheinungsdatum: 28. November 2019
    Geändert am: 21. März 2020