Messgrößen der Radioaktivität

Wenn Atomkerne zerfallen, entstehen verschiedene Arten von Teilchenstrahlung und elektromagnetischer Strahlung, deren Menge, Energieinhalt und biologische Wirksamkeit von Element zu Element, von Strahlungsart zu Strahlungsart unterschiedlich ist. Je nachdem, welche Aussagen man über das radioaktive Material machen möchte, verwendet man dabei unterschiedliche Messgrößen mit ihren Maßeinheiten.

Dosis: Gray

Doch mit der Messung der Aktivität kann man noch wenig über die Energie aussagen, die durch die Radioaktivität abgegeben wird. Je nachdem, welches Isotop zerfällt, handelt es sich bei der abgegebenen radioaktiven "Strahlung" um so genannte Alphastrahlung (das sind ausgestoßene Heliumkerne) oder Betastrahlung (hier werden Elektronen oder Positronen aus dem Kern ausgestoßen). Meist tritt praktisch zeitgleich mit der Alpha- oder Betastrahlung auch Gammastrahlung auf. Das ist elektromagnetische Strahlung sehr hoher Energie, weit kurzwelliger und pro Gamma-"Teilchen" energiereicher als z.B. Röntgenstrahlung.

Diagramm der Zerfallswege

Alpha-, Beta- und Gammastrahlung unterscheiden sich in ihrem Energieinhalt und in ihrer Reichweite. Alphastrahlung beispielsweise kommt in der Luft nur wenige Zentimeter weit, Betastrahlung schafft es auf einige zehn Zentimeter. Die Gammastrahlung hingegen wird erst in fester Materie nennenswert aufgehalten, zur Abschirmung ist zum Beispiel Blei mit einer Dicke von mehreren zehn Zentimetern notwendig.

Wie viel Energie radiaoktive Strahlung in einem Kilogramm Gewebe abgibt, nennt man "Strahlendosis", sie wird mit der Einheit "Gray" angegeben. Ein Gray ist die Energiedichte von einem Joule pro Kilogramm Körpergewicht.

Biologisch gewichtete Dosis: Sievert

Umgekehrt zur Reichweite ist die Wirkung der Strahlung im menschlichen Körper. Eben weil Alphastrahlung sehr viel Energie auf einer kurzen Strecke abgeben kann, werden Zellen oder das Erbgut von Alphastrahlen stärker geschädigt als von Betastrahlen. Gammastrahlen, die ja durch den Körper hindurchgehen, geben verhältnismäßig wenig Energie ab. Zu Zerstörungen in den empfindlichen Zellen von Lebewesen führen sie aber auch.

Diese unterschiedliche biologische Wirksamkeit wird mit Korrekturfaktoren je nach Art der Strahlung bestimmt. Die Einheit für die biologisch gewichtete Strahlendosis - die Äquivalentdosis - ist das Sievert, abgekürzt Sv. 1 Sv ist dabei schon eine sehr große Dosis, daher wird häufig in Einheiten von tausendsteln Sievert, also Millisievert, mSv, gemessen.

Der natürliche Hintergrund

Auch ganz ohne Kernkraftwerke oder Atombombenversuche kommt es in unserer natürlichen Umgebung zu radioaktiven Zerfällen und entsprechend zur Aufnahme radioaktiver Dosen. Der natürliche Strahlungshintergrund liegt in Deutschland je nach Region zwischen 0,6 Millisievert pro Jahr (mSv/a) in der norddeutschen Tiefebene und über 1,2 mSv/a in den Mittelgebirgen.

Deutschlandkarte mit unterschiedlich eingefärbten gebieten. In den Mittelgebirgen ist die natürliche Strahlenbelastung höher als in den Ebenen.
Natürliche Strahlenbelastung in Deutschland

Selbst aus dem Weltall erreicht uns radioaktive Strahlung - in Form von kosmischer Strahlung. Auf Meereshöhe entspricht diese Strahlung etwa 0,3 mSv/a, doch schon in der Flughöhe von Flugzeugen, also auf etwa zehn Kilometern Höhe, ist die kosmische Äquivalenzdosisleistung etwa einhundert Mal so groß.

Die Strahlenbelastung bei der medizinischen Diagnostik ist besonders bei aufwändigen Röntgenuntersuchungen hoch. Eine einzige Computertomographie kann etwa so viel Strahlenbelastung erzeugen wie die natürliche Strahlenbelastung in zehn bis 50 Jahren.

Grenzwerte

An der natürlichen Strahlenbelastung kann man nichts ändern. Beeinflussbar - und damit durch Grenzwerte regulierbar - ist die Strahlenbelastung durch technische Anlagen.

Erwachsene, die durch ihre Arbeit radioaktiver Strahlung ausgesetzt sind, dürfen in fünf Jahren nicht mehr als 100 mSv aufnehmen, wobei in einem einzelnen Jahr nicht mehr als 50 mSv erreicht werden dürfen. Das entspricht etwa dem 20-fachen der natürlichen Strahlenbelastung.

Für alle anderen Personen gilt, dass durch technische Anlagen oder künstlich eingebrachte radioaktive Stoffe pro Jahr maximal 1 mSv Äquivalenzdosis aufgenommen werden dürfen.

Diese Grenzwerte sind in der EU-Vorschrift 96/29/EURATOM geregelt.

Gefährliche Einzeldosis

Während es bei der langsamen und langfristigen Aufnahme geringer Strahlendosen schwierig ist, genaue Ursache-Wirkung-Beziehungen herzustellen, sind bei schweren Unfällen mit großer Aufnahme von Strahlung die Effekte bekannt und leider auch in der Praxis beobachtet worden:

Bei der kurzzeitigen Aufnahme von hohen Dosen radiaktiver Strahlung sind schwere Schädigungen des Gewebes bis hin zum Tod unausweichlich, wie die folgende Tabelle zeigt.

                   

Dosis

Wirkung

1-6 Sv

Einige Stunden nach der Bestrahlung kommt es zu Übelkeit und Erbrechen, ab 3 Gy zu Haarausfall; die Überlebensprognosen sind noch gut.

5-20 Sv

Schon ab einer Viertelstunde nach Bestrahlung kommt es zu Übelkeit, Erbrechen, Kopfschmerzen und getrübtem Bewusstsein. Ab 15 Gy bestehen kaum Überlebenschancen.

mehr als 20 Sv

Es kommt praktisch sofort zum Versagen des zentralen Nervensystems und des Herz-Kreislauf-Systems mit Schock, Krämpfen und Bewusstlosigkeit. Nach spätestens zwei Tagen tritt der Tod ein.

Nach: Bundesamt für Strahlenschutz

Die Gefahr von innen

Alpha- und Betastrahlung wird schon durch die obersten Hautschichten abgeschirmt. Nur Gammastrahlung kann tief in den Körper eindringen. Richtig gefährlich wird es jedoch, wenn radioaktive Stoffe selbst in den Körper gelangen und so von innen strahlen können. Viele Stoffe wie radioaktives Jod-131 werden vom Körper aufgenommen und können so für lange Zeit direkt das angrenzende Gewebe schädigen.

Wenn alles durcheinander geht: Dosisleistung und ihre Verwandten

In der Berichterstattung um Unfälle in Kernkraftwerken wird häufig etwa von einer "erhöhten Strahlendosis von 1500 Millisievert" berichtet. Was ist damit gemeint? Sind dort nun alle Personen verstrahlt - schließlich führen 1,5 Sv Äquivalenzdosis in einem kurzen Aufnahmezeitraum schon zu schweren Schädigungen? Wahrscheinlich nicht, denn gemeint ist wohl, dass eine Dosisleistung von 1500 mSv pro Jahr gemessen wurde - allerdings nur während eines kleinen Zeitraums von einigen Stunden.

Die natürliche Dosis ist etwa 2 mSv/a. Wenn während eines Tages zum Beispiel durch das ausblasen von radioaktivem Dampf zum Druckabbau im Reaktorinneren, die Dosisleistung auf 1500 mSv/a steigt, dann bedeutet dies, dass ein Mensch, der dieser Strahlung einen Tag lang ausgesetzt ist etwa 4 mSv Äquivalenzdosis aufgenommen hat. Das ist immerhin das eineinhalbfache der üblichen Jahresdosis, doch noch weit entfernt von wahrscheinlichen Schädigungen oder den Jahresgrenzwerten.

Kritisch wird es hingegen, wenn die Dosisleistung Werte von einigen hunderte Millisievert pro Stunde erreicht.

Die Messgröße und Einheiten Zusammengefasst:

  • Die Aktivität gemessen in Becquerel (Bq) gibt an, wie viele radioaktive Kerne pro Sekunde zerfallen und dabei die so genannte radioaktive Strahlung erzeugen.
  • Die Dosis gemessen in Gray (Gy) gibt an, wie viel Energie (in Joule) durch Strahlung pro Kilogramm Körpergewicht aufgenommen wird.
  • Die Äquivalenzdosis, gemessen in Sievert (Sv), gibt auch die Dosis in Joule pro Kilogramm an, allerdings gewichtet mit einem Faktor, der der biologischen Wirksamkeit der unterschiedlichen Strahlungsarten Rechnung trägt.
  • Die Dosisleistung, gemessen in Gray pro Jahr (Gy/a) oder Sievert pro Jahr (Sv/a), gibt an, wie viel Energie pro Zeit (also Leistung) pro Kilogramm aufgenommen wird. Normalerweise ist diese Dosisleistung klein und liegt im Bereich von wenigen tausendstel Sievert (Millisievert) pro Jahr, also z.B. 3 mSv/a.
  • Steigt wegen eines Unfalls in einem Kernkraftwerk in dessen Umgebung die Radioaktivität, so geht dies über kurze Zeiträume mit erhöhten Dosisleistungen einher. Menschen, die für einen Tag einer Dosisleistung von 1500 mSv/a ausgesetzt sind, erhalten dabei eine Dosis von 4 mSv, also etwas mehr als sonst in einem Jahr.
  • Aktuelle Messwerte von Dosisleistung werden gelegentlich auch als Stundenwerte angegeben. Dabei gilt die Umrechnung: 1 µSv/h=8,76 mSv/a. Natürliche Hintergrundwerte sind in der Stundeneinheit daher im Bereich von 0,23 µSv/h. In der Berichterstattung um das havarierte Kraftwerk Fukushima I in Japan wurde von Werten mit einigen hundert mSv berichtet, gemeint waren dabei immer mSv/h.