Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung ist Strahlung, die Atome oder Moleküle ionisieren kann.

Zur ionisierenden Strahlung rechnet man Teilchenstrahlung und elektromagnetische Strahlung, wenn die Energie der Teilchen bzw. die Quantenenergie ausreicht, Elektronen - auch über Zwischenreaktionen - aus einem Atom oder Molekül herauszulösen. Strahlung ist ionisierend oberhalb der stoffspezifischen Ionisationsenergie von um 5 Elektronenvolt (eV). Das entspricht im elektromagnetischen Spektrum einer Wellenlänge von weniger als etwa 200 nm; daher hat nur Gamma- und Röntgenstrahlung sowie kurzwelligere Ultraviolettstrahlung genügend Quantenenergie, um Elektronen aus den Atomhüllen zu lösen und so auch Atombindungen aufzutrennen. Elektromagnetische Wellen der Bereiche Infrarot, Radar- und Radiowellen sind prinzipiell nicht in der Lage, Moleküle zu ändern oder gar zu zerlegen. Moleküle, die durch so energiearme Photonen zerlegt würden, können bei Zimmertemperatur nicht existieren.

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Wechselwirkung mit der Materie

Der namensgebende Mechanismus ionisierender Strahlung ist der Umstand, dass sie Elektronen aus Atomhüllen schlagen kann, wodurch das betroffene Atom oder Molekül zu einem elektropositiven Ion (Kation) wird. Bei ausreichend hoher Energie treten Mehrfachionisationen auf, die z. B. die Nebelspuren in einer Nebelkammer erzeugen. Hochenergetische Elektronen erzeugen in Materie Bremsstrahlung, die selbst ebenfalls ionisierend wirkt.

Ionisierende Strahlung ionisiert Materie aber nicht nur, sondern kann chemische Verbindungen zerstören, das heißt größere Moleküle zerteilen, wodurch chemische Radikale entstehen. Hierin liegt ihre biologisch schädliche Wirkung. Auch durch Strahlung erzeugte Ionen sind instabil und sind bestrebt, die fehlenden Elektronen aus ihrer Umgebung zu holen, wodurch entweder die ursprünglichen Moleküle/Atome wiederhergestellt werden (Rekombination) oder auch durch Abspalten von Atomen andere Moleküle entstehen. Fragmente gesprengter Moleküle finden hingegen selten wieder zusammen. Sie reagieren/verbinden sich mit anderen Molekülen, wodurch diese in der Regel ebenfalls ihre biologische Funktion verlieren.

In dem Bild sind Gammaquanten durch Wellenlinien dargestellt, geladene Teilchen und Neutronen durch Geraden bzw. Geradenstücke. Die kleinen Kreise stellen Ionisationsprozesse dar.

Photonen (Gammaquanten) ionisieren nicht laufend auf ihrem Weg wie Alpha- oder Betateilchen (siehe Teilchenstrahlung). Die Wechselwirkung eines Gammaquants mit Materie erfolgt durch einen der folgenden drei Prozesse:

1. Compton-Effekt (siehe Bild: zwei hintereinander stattfindende Compton-Streuungen). Bei jeder Compton-Streuung gibt das Quant Energie an ein angestoßenes Elektron ab und fliegt mit verringerter Energie in anderer Richtung weiter.
2. Photoeffekt: Beim Photoeffekt gibt das Photon seine gesamte Energie an ein Elektron ab. Dieser Effekt tritt an Metalloberflächen und in Halbleitern auch bei weit geringeren Quantenenergien als 5 eV auf.
3. Paarbildung: Bei der Paarbildung verschwindet das Photon; seine Energie führt zur Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares. Die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares erfordert z.B. eine Quantenenergie von mehr als 1 MeV.

Größen und Maßeinheiten

Gray Gy

(SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab. Es gibt an, wie viel Energie von einem Kilogramm der bestrahlten Materie aufgenommen wird. 1 Gray = 1 J / kg = 100 Rad; 1 Rad = 0,01 Gray

Rad 

radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy)

Rem

roentgen-equivalent man; alte Einheit der Personendosis, abgelöst durch Sievert (Sv)

Röntgen

alte Einheit der Ionendosis

Sievert Sv

Einheit der Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung Rem (roentgen-equivalent-man) ab.

Quellen ionisierender Strahlung

Unterschiedliche natürliche oder künstliche Quellen senden ionisierende Strahlung aus:

• Kosmische Strahlung: hauptsächlich schnelle geladene Teilchen, Sekundärstrahlung durch Wechselwirkung mit der Atmosphäre gelangt bis zur Erdoberfläche; verantwortlich für die Strahlungsbelastung beim Flugverkehr
• Strahlung der Sonne: Ultraviolett (UV-B wird fast vollständig absorbiert und führt u.a. zu Sonnenbrand, UV-C wird vollständig in der Atmosphäre absorbiert und führt durch Auftrennen des molekularen Sauerstoffs zur Ozonschicht), Teilchenstrahlung (führt zu Polarlichtern)
• Radioaktive Stoffe: Alphastrahlung, Betastrahlung, Gammastrahlung, Neutronen, in Folge von Elektroneneinfang entstehende Röntgenstrahlung
• Kernreaktionen in Kernreaktor- und Beschleuniger-Anlagen: bedeutsam sind Photonen und Neutronen - geladene Teilchen durchdringen Gehäuse oder Wandungen meist nicht.
• Röntgenstrahlung (Photonen): aus Röntgenröhren, Bremsstrahlung an Elektronenbeschleunigern, kosmische Quellen; Röntgenstrahlung entsteht auch unbeabsichtigt in Hochspannungs-Röhren und Bildröhren.

Gesundheitliche Wirkungen

Durch ionisierende Strahlung erzeugte Radikale richten in der Regel größeren Schaden durch nachfolgende chemische Reaktionen an, als die Zerstörung des ersten Moleküls durch die Strahlung allein. Dieser ist, etwa bei der Krebsbekämpfung, u.U. erwünscht, da er das Absterben getroffener Zellen, in diesem Fall idealerweise Tumorzellen, begünstigt.

Ab einer gewissen Strahlendosis werden so viele Moleküle mit biologischer Funktion auf einmal zerstört, dass betroffene Zellen nicht mehr lebensfähig sind oder es entstehen zu viele zu giftige Substanzen, durch die die Zelle abgetötet wird. Auch Veränderungen des Erbguts sind häufig, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in Krebs münden können, vor allem aber in Mutationen, die zu Missbildungen an Nachkommen oder sich entwickelnden Embryonen/Föten sowie totaler Sterilität (Unfruchtbarkeit) führen können (siehe auch Strahlenrisiko). Grundsätzlich sind alle ionisierenden Strahlen für Lebewesen gesundheitsschädlich, deshalb ist u. a. in Deutschland der Strahlenschutz gesetzlich geregelt.

Die Kurzzeitfolge einer zu hohen Strahlendosis wird Strahlenkrankheit genannt. Sie äußert sich durch ein geschwächtes Immunsystem und Verbrennungen. Auf molekularer Ebene ist unter anderem die schädigende Wirkung von durch Radiolyse entstehenden Radikalen beteiligt. Die Strahlenkrankheit tritt etwa ab einer kurzfristigen Belastung von 0,25 Sv auf. 4 Sv als Kurzzeitbestrahlung ist in der Regel tödlich.

Ionisierende Strahlung tritt in geringer Dosis als natürliche Hintergrundstrahlung auf. Diese besteht unter anderem aus der kosmischen Strahlung und der Strahlung radioaktiver Stoffe, die natürlich in Erdkruste und Atmosphäre vorkommen, wie z.B. dem radioaktiven Anteil im Kohlenstoff. Die derzeit messbare Dosisleistung der Hintergrundstrahlung liegt global über der ehemals natürlichen Hintergrundstrahlung, da durch oberirdische Atomwaffenversuche und die Katastrophe von Tschernobyl Radionuklide weltweit in der Atmosphäre, an Land und im Wasser verteilt wurden.

Das radioaktive Edelgas Radon entsteht laufend aus spontanen Kernspaltungsreaktionen in der Erdkruste. Es tritt aus der Erdkruste aus, kann u.a. durch Beton, Gesteinsschichten und Mauerwerk diffundieren und ist deshalb und aufgrund seiner hohen Dichte häufig z.B. in Kellern über Uranlagerstätten (siehe Radon in Häusern) und beim untertägigen Uranabbau in höherer Konzentration zu finden. Es führt hier bei ungenügender Bewetterung zu gesundheitsschädlichen Strahlendosen mit erhöhtem Leukämierisiko, da es spontan (auch in der Lunge) unter Alphastrahlung zu ihrerseits radioaktiven Stoffen zerfällt. Durch Lüften kann die Radon-Konzentration in Kellerräumen ausreichend gesenkt werden.

Ultraviolettstrahlung wird von der Sonne sowie künstlich meist von Quecksilberdampflampen erzeugt. Es führt zu Strahlenschäden auf der Haut, zu Hornhautschäden und Bindehautentzündung. Während UV-A (längerwelliges Ultraviolett nahe des sichtbaren Spektralbereiches) auch therapeutisch und kosmetisch eingesetzt wird (gegen Akne, zur Bräunung), sind die kurzwelligeren Anteile, die aufgrund der Ausdünnung der Ozonschicht in der Stratosphäre mit größerem Anteil auch von der Sonne auf die Erdoberfläche gelangen, verantwortlich für ein erhöhtes Hautkrebsrisiko. Die kurzwelligere Ultraviolettstrahlung der Sonne wird fast vollständig durch die Erdatmosphäre absorbiert; dennoch erfordert Sonnenexposition der Haut und der Augen insbesondere im Gebirge einen Sonnenschutz (absorbierende Hautchremes, Sonnenbrille).
Natürliche und künstliche Ultraviolettstrahlung führt auch zum Zerfall von Kunststoffen (Lacke, Plaste) und organischen Farbstoffen (Bleichen).

Biologische und chemische Anwendungen ionisierender Strahlung

In der Biologie wird hauptsächlich die Mutationen fördernde und sterilisierende Wirkung genutzt. In der Pflanzenzüchtung werden zum Beispiel durch „strahlungsinduzierte Mutationen“ Mutanten erzeugt, durch die veränderte Arten hervorgebracht werden können. Ein Einsatzfeld ist die „Sterile-Insekten-Technik“, kurz SIT. Dabei werden männliche Schadinsekten sterilisiert und dann im Zielgebiet freigelassen. Das Ausbleiben von Nachkommen führt zur Verringerung der Population. Vorteil hierbei ist, dass keine schädlichen Chemikalien eingesetzt werden und andere Insekten unbetroffen bleiben.

Ein dunkles Kapitel deutscher Geschichte ist die Zwangssterilisation von Menschen mittels Röntgenstrahlung.

Weiterhin eignet sich ionisierende Strahlung auch zur Sterilisation von Geräten, Implantaten, Lebensmitteln und Trinkwasser (Sterilisation und Abbau organischer Stoffe durch Ultraviolett). Hierbei werden Mikroorganismen abgetötet. Für die Strahlensterilisation von Lebensmitteln gelten jedoch strenge Auflagen. Das Wachstum eines Keimlings kann durch schwache Strahlung verbessert werden, wohingegen zu starke Strahlung wachstumshemmend wirkt.

Niedere Lebewesen wie Bakterien können sehr viel stärkere Strahlungsdosen als Menschen ertragen. Rekordhalter ist Deinococcus radiodurans, der sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben kann.

Bei der Herstellung von Polymeren ist durch Bestrahlung die Vernetzung ohne Wärmeentwicklung möglich. Mit weit eindringender Strahlung können auch große Komponenten vernetzt werden. Es wird u.a. Betastrahlung (strahlenvernetzte Isolierstoffe) und Ultraviolettstrahlung (Aushärtung von Kunstharz-Lackschichten) eingesetzt. Manche Polymerreaktionen können bei Zusatz von Aktivatoren auch durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert werden.

Interessant ist auch die Farbänderung von Edelsteinen, Gläsern und pigmentierten Kunststoffen durch Radioaktivität.

Die Fotolithografie (u.a. in der Mikroelektronik- und Leiterplattenfertigung) nutzt Vernetzungsreaktionen (Positivlack) oder Zersetzungsreaktionen (Negativlack), die durch Ultraviolett-, Röntgen-, Ionen- oder Betastrahlung hervorgerufen werden.

Zur chlorfreien Bleiche von Zellulose kann auch Ultraviolettstrahlung genutzt werden; früher nutzte man zum Bleichen weißer Textilien das Licht der Sonne. In beiden Fällen werden färbende (Schmutz-)Bestandteile der Stoffe chemisch aufgespalten und so in flüchtige bzw. auswaschbare Substanzen überführt.