Physik 4: Arten ionisierender Strahlung Ob zur Bildgebung, Bestrahlung oder für radiochirurgische Eingriffe - die ionisierende Strahlung ist ein unverzichtbares Werkzeug der modernen Medizin geworden. Im Einsatz sind die Alpha-, Beta- und Gammastrahlen von radioaktiven Substanzen sowie die Röntgenstrahlung. Schauen wir uns einmal genauer an, was die verschiedenen Strahlungsarten unterscheidet.
Zunächst zur Strahlung von radioaktiven Substanzen: Sie entsteht, wenn instabile Elemente Strahlung aus dem Atomkern aussenden und dabei in stabilere Elemente übergehen. Radioaktivität kommt in der Natur beispielsweise im Zusammenhang mit Uran und Radon vor. Außerdem werden radioaktive Elemente auch synthetisch hergestellt, wie etwa Technetium-99, das beispielsweise zur Schilddrüsenszintigrafie genutzt wird.
Radioaktive Elemente können durch verschiedene Arten von Kernreaktionen Strahlung aussenden. Wahrscheinlich hast du schon einmal gesehen, dass man für diese Kernreaktionen normalerweise die sogenannte Nuklid-Schreibweise verwendet. Aus dieser kann man alle wichtigen Informationen über das jeweilige Element und die radioaktive Strahlung ablesen.
Um das zu verstehen, sollten wir uns aber kurz nochmal den generellen Aufbau eines Atoms ansehen: Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle. Den Kern bilden die ungeladenen Neutronen und die einfach-positiv geladenen Protonen. Will man allgemein von den Teilchen des Kerns sprechen, fasst man Neutronen und Protonen zu den Nukleonen zusammen.
Die Nukleonen tragen alle zur Masse des Atoms bei. Jedes Teilchen wiegt 1 u, was die Maßeinheit für die atomare Masse ist. Die Hülle des Atoms bilden die einfach-negativ geladenen Elektronen, deren Masse so klein ist, dass sie vernachlässigt werden kann.
Ein Atom ist insgesamt ungeladen, weil es gleich viele Protonen und Elektronen hat. Die Zahl der Neutronen kann aber variieren. Atome mit unterschiedlicher Protonenzahl bezeichnet man als Elemente.
Elemente mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope. Ok, das reicht für unsere Zwecke, zurück zur Nuklid-Schreibweise. Hier kürzt man die Namen der Elemente mit ihrem Elementsymbol aus dem Periodensystem der Elemente ab.
Oben links in die Ecke schreibt man die Massenzahl, an der man ablesen kann, wie viele Nukleonen vorhanden sind. Unten links steht die Ordnungszahl. Die Ordnungszahl gibt an, wieviele Protonen und damit auch Elektronen das Element hat.
Die Neutronenzahl ist dann die Differenz aus Nukleonen- und Protonenzahl. Was passiert nun mit einem Element, wenn Alphastrahlung ausgesendet wird? Ein Alphastrahler ist beispielsweise Radium, das wir eben schon auf der Folie gesehen haben.
Alphastrahler spalten Heliumkerne ab, um sich zu stabilisieren. So ein Heliumkern besteht aus je zwei Neutronen und Protonen. Das bedeutet, dass insgesamt vier Nukleonen abgegeben werden.
Die Nukleonenzahl sinkt daher bei Radium von 224 auf 220. Zwei der abgegebenen Nukleonen sind Protonen, die Ordnungszahl fällt also von 88 auf 86. Die Folge: Aus Radium entsteht Radon.
Bei der Alphastrahlung handelt es sich um eine Partikelstrahlung. Zur Partikelstrahlung gehören alle Strahlungsarten, die aus Atomen, Ionen oder Elementarteilchen bestehen. Die Eindringtiefe von Alphastrahlung ist nicht groß.
Ein Blatt Papier reicht im Prinzip aus, um die Heliumkerne aufzuhalten. Alphastrahlung ist deswegen aber nicht harmlos! Ihre Energie ist hoch und ihre gewebeschädigende Wirkung etwa 20-mal so groß wie die von Beta- oder Gammastrahlung.
Nun zur Betastrahlung. Bei der Betastrahlung reduziert sich die Zahl der Nukleonen im Kern nicht, denn sie wandeln sich ineinander um, entweder ein Neutron in ein Proton oder umgekehrt. Dabei werden dann Partikel als Strahlung ausgesendet.
Welche Partikel das genau sind, hängt davon ab, welches Nukleon sich umwandelt: Wird ein Proton zu einem Neutron, muss es positive Ladung abgeben. Folglich besteht die Betastrahlung aus positiv geladenen Positronen, nicht zu verwechseln mit den Protonen im Kern, die ja auch positiv geladen sind! Diese Strahlung wird Beta-plus-Strahlung genannt.
Wenn sich ein Neutron in ein Proton umwandelt, muss es negative Ladung abgeben, um positiv geladen zu sein. Folglich besteht diese Betastrahlung aus negativ geladenen Elektronen und wird Beta-minus-Strahlung genannt. Außerdem werden bei der Betastrahlung auch noch Neutrinos bzw.
Antineutrinos frei, das brauchst du dir aber nicht unbedingt zu merken. Ein Beispiel für einen Beta-plus-Strahler ist Kalium. Es hat vor und nach dem Strahlungsvorgang 40 Nukleonen.
Allerdings sinkt die Zahl seiner Protonen um eins, da sich ein Proton in ein Neutron umwandelt. Dabei entsteht Argon. Beim radioaktiven Blei-214 ist es genau andersherum, da es ein Beta-minus-Strahler ist.
Auch hier bleibt die Zahl der Nukleonen insgesamt bei 214. Durch den Zerfallsprozess steigt aber die Zahl der Protonen um eins, da sich ein Neutron in ein Proton umwandelt. Es entsteht Bismut.
Die Eindringtiefe von Betastrahlung ist mit etwa 5 mm in Wasser oder Gewebe größer als die von Alphastrahlung. Abschirmen kann man Betastrahlung mit Aluminiumblech. Die Energie der Betastrahlung hängt vom zerfallenden Element ab und besteht nicht nur aus Strahlung einer Wellenlänge, sondern aus einem Energiespektrum, das Strahlung verschiedener Wellenlänge enthält.
Damit fehlt nur noch die Gammastrahlung. Bei der Gammastrahlung handelt es sich nicht um eine Partikelstrahlung, sondern um elektromagnetische Strahlung, genauer um Photonen. Elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich nennen wir "Licht".
Gammastrahlung ist also diesem Licht ähnlich, nur dass die Wellenlänge der Strahlung sehr viel kürzer und für uns nicht sichtbar ist. Wie alle radioaktive Strahlung stammt die Gammastrahlung aus dem Atomkern. Sie wird ausgesendet, wenn ein Atomkern von einem angeregten Zustand mit höherer Energie in seinen Grundzustand mit niedrigerer Energie übergeht.
Ein medizinisch eingesetzter Gammastrahler ist Cobalt-60, das beispielsweise als Strahlenquelle für das sogenannte Gamma-Knife dient. Mit dem Gamma-Knife können radiochirurgische Eingriffe durchgeführt werden. Man schreibt den angeregten Zustand des Nuklids üblicher Weise in eckige Klammern und markiert ihn mit einem Sternchen.
Die Nukleonenzahl und die Ordnungszahl bleiben bei der Strahlenabgabe gleich. Da Gammastrahlung keine Partikelstrahlung ist, hat sie eine viel größere Eindringtiefe als Alpha- oder Betastrahlung. Um sich vor Gammastrahlung zu schützen, benötigt man dicke Bleiplatten.
Ok, kommen wir zuletzt noch zur Röntgenstrahlung: Sie ist ebenso wie die Gammastrahlung eine elektromagnetische Strahlung aus Photonen, aber sie wird nicht von radioaktiven Elementen ausgesendet. Röntgenstrahlung entsteht, wenn man eine Metall-Anode mit Elektronen beschießt. Dabei werden einerseits Elektronen durch das Anodenmaterial abgebremst und die dabei freigesetzte Energie als sogenannte Bremsstrahlung abgegeben.
Die Bremsstrahlung besteht dann aus einem Spektrum von elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Länge. Andererseits können die auftreffenden Elektronen auch Elektronen aus den Atomen des Anodenmaterials entfernen und das Atom ionisieren. An die Stelle des entfernten Elektrons kann dann ein Elektron aus dem Anodenmaterial treten, das vorher in einem höheren Energiezustand war.
Auch dabei wird Energie frei, die in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben wird, das sogenannte Linienspektrum. Der Name drückt aus, dass die freigesetzte Energie nicht beliebig groß ist wie bei der Bremsstrahlung, sondern immer genau den energetischen Abständen zwischen dem leeren und den für die Wiederauffüllung infrage kommenden höheren Energieniveaus entspricht. Beides, die Bremsstrahlung und das Linienspektrum, sind Röntgenstrahlung und stammen aus der Atomhülle.
Von der Gammastrahlung wissen wir bereits, wie man die Abgabe von Photonen in der Nuklidschreibweise ausdrückt. Hier haben wir es noch einmal für das Molybdän dargestellt, das oft im Anodenmaterial eingesetzt wird. Röntgenstrahlung dringt genau wie Gammastrahlung gut in Gewebe ein.
Je nach der Dichte des Gewebes wird die Röntgenstrahlung unterschiedlich stark abgeschwächt. Das macht man sich bei der Belichtung von Röntgenfilmen zunutze, auf denen die Bereiche mit besonders dichtem Gewebe sehr hell dargestellt sind. Um sich vor Röntgenstrahlen zu schützen, benötigt man ebenfalls dicke Bleiplatten.
Am Anfang hatten wir dir ja angekündigt, dass man alle wichtigen Informationen über die ionisierende Strahlung an der Nuklidschreibweise ablesen kann. Lass uns das isn zwei Aufgaben testen: Was musst du machen, wenn du einen beim radioaktiven Zerfall entstehenden Tochterkern bestimmen sollst? In diesem Fall wird dir normalerweise angegeben, was das radioaktive Nuklid ist und welche Strahlungsart abgegeben wird.
Hier siehst du das Radionuklid, das man bei der Positronenemissionstomografie nutzt. Wie es der Name dieses spektroskopischen Verfahrens schon verrät, besteht die Strahlung hier aus Positronen. Es handelt sich also um Beta-plus-Strahlung.
Positronen werden nur frei, wenn sich ein Proton in ein Neutron umwandelt. Die Nukleonenzahl des Tochternuklids muss also genauso groß sein wie die des radioaktiven Elements, die Protonenzahl hingegen um eins kleiner. Aus Fluor muss daher ein anderes Element entstehen und zwar das, was im Periodensystem der Elemente gleich links vom Fluor steht, nämlich Sauerstoff.
Und wie findest du mithilfe der Nuklidschreibweise heraus, welche Art von ionisierender Strahlung bei einem Strahlungsvorgang frei wird? Nun, da vergleichst du einfach das Mutter- und das Tochternuklid und bestimmst, ob und um wieviel sich die Zahl der Nukleonen und Protonen ändert. Wenn ersteres um vier sinkt und letzteres um zwei, dann handelt es sich um Alpha-Strahlung, bei der Heliumkerne ausgesendet werden.
Ändert sich die Zahl der Nukleonen nicht, aber die Zahl der Protonen, dann ist es Beta-Strahlung, Beta-plus-Strahlung, wenn die Zahl der Protonen sinkt, Beta-minus-Strahlung, wenn die Zahl der Protonen steigt. Und wenn sich beides, die Zahl der Nukleonen und die Zahl der Protonen nicht ändern, dann handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung, bei der Photonen frei werden. Damit kommen Gamma-Strahlung und Röntgenstrahlung infrage.
Diese beiden kann man nicht allein mithilfe der Nuklidschreibweise auseinanderhalten. Hier musst du wissen, ob Strahlung von einem radioaktiven Element ausgeht oder ob sie durch Elektronenbeschuss angeregt wird. Soviel zu den ionisierenden Strahlungsarten.
Wenn du jetzt nach einer Gelegenheit suchst, um dein Wissen über die Nuklidschreibweise zu testen, dann nutze doch einfach die Fragen, die wir hier für dich zusammengestellt haben. Viel Erfolg.
