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Über dieses Buch

Die schädigende aber auch nutzbringende Wirktmg ionisierender Strahlung für den Menschen ist seit Beginn dieses Jahrhunderts bekannt. Es hat daher von Anbeginn der Radiologie Bemühungen gegeben, den Schaden durch geeignete Schutzmaßnahmen zu begrenzen oder zu vermeiden. Die weitverbreitete Anwendung von Radionukliden, Röntgenstrahlung und sonstiger ionisierender Strahlung in Medizin, Technik und Forschung hat bei vielen Menschen das Interesse geweckt, mehr über die Grundlagen und die Anwendungen der Strahlung zu wissen. Die Diskussionen der vergangenen Jahre um Nutzen und Risiken der Kerntechnik, die durch den Reaktorunfall in Tschernobyl aktuellen Bezug erhalten haben, führten vor allem zu einem gesteigerten Bedürfuis nach sachktmdiger Infonnation über die Wirktmg der Strahlung auf den Menschen. Wegen des frühen und plötzlichen Todes meines lieben und geschätzten Kollegen Wolfgang Petzold habe ich die Aufgabe übernommen, die jetzt notwendige dritte Auflage des 1. Bandes Strahlenphysik, Do­ simetrie und Strahlenschutz zu erstellen. Seit Erscheinen der zweiten Auflage ist die Fachdiskussion im Strahlenschutz durch neue wissen­ schaftliche Erkenntnisse in Bewegung geraten. Auslösend waren vor allem die erneute Analyse der Daten der japanischen Atombombenopfer und ihre Neubewertung durch die Wissenschaft und die einschlägigen internationalen Gremien. Die Internationale Strahlenschutzkommission hat eine Reihe von Strahlenschutzempfehlungen herausgegeben, die eine Überarbeitung der nationalen Strahlenschutzgesetze notwendig macht. Im Jahre 1989 wurden in der novellierten Fassung der deutschen Strahlenschutzverordnung einige dieser Vorschläge berücksichtigt. Daneben wurde auch eine Vielzahl von DIN-Vorschriften zum Strahlenschutz, zur Radiologie und zur Dosimetrie neu erstellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Strahlungsarten

Zusammenfassung
Unter Strahlung versteht man den nicht an Medien gebundenen Energie- und Massentransport. Bei elektromagnetischen Wellen bzw. zeitlich und räumlich begrenzten Wellenzügen (Wellenpaketen) ist die transportierte Energie elektromagnetische Energie. Diese Strahlungsart wird als Photonenstrahlung, die einzelnen Strahlungsquanten als Photonen(1) bezeichnet. Die Photonenstrahlung wird im Wellenbild anhand ihrer Frequenz oder Wellenlänge, im atomphysikalischen Bild anhand ihrer Energie charakterisiert. Sie umfaßt alle elektromagnetischen Strahlungen von den Radiowellen, über die Infrarot-, Licht- und Ultraviolett-Strahlung bis hin zur Röntgen- und Gammastrahlung. Ist Strahlung auch mit Materietransport verbunden, so bezeichnet man sie als Teilchenstrahlung oder Korpuskularstrahlung. Teilchenstrahlung kann aus geladenen oder ungeladenen Elementarteilchen wie Elektronen, Positronen, Protonen, Pionen und Neutronen oder aus komplexeren materiellen Gebilden wie vollständigen Atomen, Molekülen, Spaltfragmenten oder sonstigen Ionen bestehen.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

2. Atombau

Zusammenfassung
Zur Beschreibung von Atomen und anderen mikroskopischen Systemen werden in der Physik Atommodelle verwendet. Sie sind je nach Anwendungszweck mehr oder weniger anschaulich oder kompliziert und abstrakt. Sie sollen ein anschauliches räumliches Bild vom Aufbau der Atome vermitteln. Für die Brauchbarkeit eines bestimmten Modells kommt es nicht auf seine absolute physikalische ”Richtigkeit” an, sondern auf die korrekte Beschreibung des Verhaltens und der Eigenschaften des Atoms in bestimmten Situationen. Für die Atomphysik existieren tatsächlich eine Reihe verschiedener Modelle, die jeweils zwar Teilaspekte richtig beschreiben, zu anderen Eigenschaften des Atoms aber keine oder falsche Aussagen machen.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

3. Radioaktivität

Zusammenfassung
Atomkerne heißen radioaktiv, wenn sie unter spontaner Strahlungsemission und Energieabgabe aus einem instabilen Zustand in eine stabilere Konfiguration oder Struktur übergehen. Radioaktivität umfaßt alle ohne äußere Einwirkung stattfindenden Kemumwandlungsprozesse. Dazu zählen die Umwandlungen eines Atomkernes (des Mutternuklids) in einen Tochterkern sowie isomere Übergänge, bei denen der Ausgangskern aus einem angeregten, metastabilen Anfangszustand in einen Zustand niedrigerer Energie übergeht. Dieser Zustand ist oft der Grundzustand des Atomkernes, manchmal aber auch ein weiterer angeregter Zustand. Die Gründe für einen radioaktiven Zerfall eines Nuklides liegen also in dessen Energieüberschuß. Bei allen radioaktiven Zerfallen ist die Bindungsenergie der Zerfallsprodukte kleiner als die des Mutternuklides.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

4. Wechselwirkung ionisierender Photonenstrahlung mit Materie

Zusammenfassung
Die in Medizin und Technik verwendete Photonenstrahlung umfaßt den Bereich nieder- und hochenergetischer Röntgenstrahlung aus Röntgenröhren und Beschleunigern (10 keV — 50 MeV) und die von radioaktiven Atomkernen ausgesendete Gammastrahlung mit Energien zwischen wenigen Kiloelektronenvolt und mehreren Megaelektronenvolt. Bei der Wechselwirkung dieser Strahlungen mit Materie kann es zur vollständigen oder teilweisen Absorption der Photonenenergie und zur Streuung (Richtungsänderung) der Photonen kommen. Dabei entstehen in der Regel freie, elektrisch geladene Sekundärteilchen wie Elektronen und Positronen. Diese können ihrerseits die sie umgebende Materie anregen und ionisieren und dabei Energie an die durchstrahlte Materie abgegeben. Da die Ionisation der durchstrahlten Materie überwiegend indirekt über diese Sekundärteilchen und nicht unmittelbar von den Photonen verursacht wird, zählt man Photonenstrahlung zu den indirekt ionisierenden Strahlungsarten.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

5. Wechselwirkung von Elektronenstrahlung mit Materie

Zusammenfassung
Bei der Wechselwirkung der indirekt ionisierenden Photonenstrahlung wird die Energie des einfallenden Strahlenbündels zunächst in Bewegungsenergie elektrisch geladener Elementarteilchen (Elektronen, Positronen) umgewandelt. Diese Sekundärteilchen geben ihre Energie an den Absorber weiter. Sie sind verantwortlich für die Ionisation der durchstrahlten Materie und die darin entstehende Energiedosis. Die Wechselwirkungen primärer Elektronenstrahlung unterscheiden sich nicht von denen der Sekundärelektronen aus den Photonenwechselwirkungsprozessen. Die Kenntnis der Elektronenwechselwirkungen ist deshalb die Grundlage der meisten dosimetrischen Meßverfahren und der Untersuchungen der Ausbreitung der direkt ionisierenden Elektronenstrahlenbündel in Materie.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

6. Wechselwirkung schwerer geladener Teilchen

Zusammenfassung
Unter schweren geladenen Teilchen werden alle elektrisch positiv oder negativ geladenen Korpuskeln verstanden, deren Teilchenruhemasse bzw. Ruheenergie größer ist als die der Elektronen (E0>511 keV). Neben dem Proton zählen zu dieser Kategorie der Teilchen also auch Mehrnukteleonensysteme wie Deuteron (d), Triton (t), Alphateilchen (α) und schwere Nuklide. Medizinisch sind Schwerionen bis in den Massenbereich des Argons von Bedeutung. Zu den schweren geladenen Teilchen zählen auch die elektrisch negativ geladenen Pi-Mesonen (π). Ihre Ruhemasse beträgt allerdings nur etwa 270 Elektronenruhemassen (s. Tab. 6.1), also nur ein Siebtel der Massen von Proton oder Neutron. Ihre Eignung für die medizinischen Anwendung rührt von der besonderen Art ihrer Wechselwirkung am Ende ihrer Teilchenbahn in Materie her, dem sogenannten ”Nuklearen Stern”, einer explosionsartigen Zerlegung eines Absorberatomkernes nach dem Einfang des Pi-Mesons (s. Abschn. 6.3).
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

7. Wechselwirkung von Neutronenstrahlung mit Materie

Zusammenfassung
Wechselwirkungen von Neutronen mit Materie finden ausschließlich mit den Atomkernen des Absorbers nicht aber mit den Atomhüllen statt. Der Grund ist die fehlende elektrische Ladung bzw. das fehlende Coulombfeld der Neutronen. Die Ladungsneutralität der Neutronen ermöglicht das ungehinderte Eindringen der Neutronen in das Absorbermaterial, da sie weder durch die negativ geladenen Elektronenhüllen noch durch die positiven Kernladungen in ihrer Bewegung beeinflußt oder gehindert werden. Neutronenwechselwirkungen mit Atomkernen können erst stattfinden, wenn das einlaufende Neutron in den Wechselwirkungsbereich der kurzreichweitigen Kernkräfte eingetreten ist. Dies bedeutet Annäherungen an die Zielkerne von nur wenigen Nukleonenradien (einige 10-15 m). Das Neutron wird dann entweder mit oder ohne Kernanregung am Kernpotential gestreut oder es wird in den Targetkern hineingezogen, unterliegt also einer sogenannten Einfangreaktion bei der der Targetkern angeregt wird und eventuell instabil wird.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

8. Ionisierung, Energieübertragung und Dosisleistungskonstanten

Zusammenfassung
Die durch Wechselwirkung ionisierender Strahlung erzeugten elektrischen Ladungen sind in Gasen und halbleitenden Festkörpern leicht mit der Ionisationsmethode nachzuweisen. Die Zahl der erzeugten Ionen in Gasen ist proportional zum Gasdruck und zum Teilchen- oder Photonenfluß der Strahlung. Eine sehr anschauliche Darstellung der Ionisierungsereignisse und ihrer räumlichen Verteilung entlang einer Teilchenbahn ist mit sogenannten ”Nebelkammern” möglich. In ihnen befinden sich übersättigte Dämpfe, in denen die Ionisationsorte als Kondensationskeime wirken. Die Zahl der durch ein geladenes Teilchen einer bestimmten Energie erzeugten Ionenpaare pro Weglänge wird als Ionisierungsvermögen J bezeichnet (SI-Einheit: C/m, s. Gleichung 8.1). Es hängt von der Teilchenart, der Teilchengeschwindigkeit und der Dichte des Mediums ab. Etwa die Hälfte aller Wechselwirkungen geladener Teilchen findet ohne Ionisationen statt.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

9. Biologische Grundlagen des Strahlenschutzes

Zusammenfassung
In biologischen Systemen schließt sich den primären physikalischen Vorgängen bei der Einwirkung ionisierender Strahlungen auf Materie, sofern ein Wechselwirkungsakt mit Energieabsorption stattgefunden hat, eine physikalisch-chemische, eine biochemische und eine biologische Wechselwirkunsphase an. Biochemische oder sogar biologische Wirkungen sind immer dann zu erwarten, wenn die Energieübertragung zu Ionisationen von Biomolekülen führt. Aber auch Energieüberträge, die nur zu Anregungen der Moleküle führen, können zur Zerstörung oder Beeinträchtigung von Biomolekülen beitragen. Im Mittel wird in Wasser oder typischen menschlichen Geweben die Energie von etwa 30 eV zur Erzeugung eines Ionenpaares benötigt. Da die mittlere Ionisierungsenergie in diesen Medien um 15 eV beträgt, wird die Hälfte der Energie ohne Ionisierung übertragen. Aus dem Energiebedarf für eine einzelne Ionisation kann man die Zahl der lonisationsprozesse bei der Bestrahlung von Gewebe mit einer vorgegebenen Dosis abschätzen.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

10. Strahlenexposition und Strahlenrisiko

Zusammenfassung
Die schädigenden Wirkungen ionisierender Strahlung auf den lebenden Organismus bei hohen Dosiswerten, die sogenannten nichtstochastischen oder deterministischen Schäden, sind schon lange bekannt. So trug H. Becquerel 1901 ein Radiumpräparat in der Westentasche mit sich herum. Nach zwei Wochen zeigte die Bauchhaut Verbrennungserscheinungen mit einer schwer abheilenden geschwürartigen Wunde. Im Jahr 1902 wurde bereits der erste Strahlenkrebs, also ein stochastischer Strahlenschaden, beobachtet. 1903 und 1904 entdeckte man bei Tierversuchen die sterilisierende Wirkung der Röntgenstrahlung auf die Keimdrüsen sowie die Schädigung der blutbildenden Organe. Bei Ärzten und anderen Personen, die sich berufsmäßig mit Röntgenstrahlen beschäftigten, traten in der Folgezeit strahlenbedingte chronische Entzündungen, schmerzhafte Geschwüre und Dauerveränderungen der Haut auf, die zu einer schweren Plage für die Betroffenen wurden. Auf dem Gelände des Krankenhauses St. Georg in Hamburg ist ein Denkmal für die Opfer der Radiologie errichtet, auf dem 359 Namen derer eingemeißelt sind, die ihre berufsmäßige Beschäftigung mit den ionisierenden Strahlen mit dem Leben bezahlen mußten.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

11. Praktischer Strahlenschutz

Zusammenfassung
Das nationale deutsche Atom- und Strahlenschutzrecht ist wie kaum ein anderes Rechtsgebiet durch internationales Recht beeinflußt. Historische Gründe dafür sind die weltweiten Transporte der für die Erzeugung von Kernbrennstoffen erforderlichen Rohstoffe, die wegen der wenigen Erzlagerstätten erforderlich sind, sowie die wegen der Kosten notwendige internationale Beteiligung bei einschlägigen Entwicklungsvorhaben und bei der Entsorgung nuklearer Abfälle. Nicht zuletzt spielt auch die grenzüberschreitende Auswirkung ionisierender Strahlungen bei Kernunfällen, nuklearen Katastrophen und beim Fall-Out aus Kernwaffenerprobung und -einsatz eine wichtige Rolle.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

12. Anhang

Zusammenfassung
Das Internationale Einheitensystem (Système International d’Unités: SI) ist in Deutschland seit 1970 verbindlich. Die Basiseinheiten sind im Gesetz über die Einheiten im Meßwesen festgelegt.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

13. Literatur

Ohne Zusammenfassung
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

Backmatter

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