Messgerät für radioaktive Strahlung

Strahlung und ihre Wirkung auf den Organismus

Strahlung begegnet uns überall in unserer Umgebung. Sie kommt aus dem All, aus der Mikrowelle, vom Sendemast oder aus radioaktiven Spuren im Gestein. Viele Strahlungsformen durchdringen jeden Tag den Körper, ohne dass die Gesundheit gefährdet ist. Doch einige können ab einer bestimmten Dosis den Zellen schaden. In diesen Fällen sind Schutzmaßnahmen nötig.

Der Begriff Strahlung beschreibt die Ausbreitung von Wellen und Teilchen im Raum. Er umfasst somit das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Wellen, beginnend bei energiearmer, niederfrequenter infraroter Wärmestrahlung im Kilohertzbereich. Dazu gehören zum Beispiel die Wärmestrahlung der Sonne oder die Mikrowellenstrahlung. Das sichtbare Licht, das unser Auge wahrnehmen kann, hat eine höhere Frequenz mit Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometern. Gefährlich kann es bei kurzwelliger UV-Licht werden, das die Sonne auf die Erde sendet und das Sonnenbrand und im schlimmsten Fall sogar Hautkrebs verursachen kann.

Ionisierende und nichtionisierende Strahlung

Strahlung kann je nach Art und Energiegehalt eines einzelnen „Strahlungsteilchens“ mit Materie wechselwirken. Elektromagnetische Strahlung bis hin zur UV-Strahlung gehört zur nichtionisierenden Strahlung, sie können zwar Teilchen zu Schwingungen anregen und Stoffe somit erwärmen, aber nicht die Bindungen innerhalb eines Atoms oder Moleküls lösen. Anders ist es bei ionisierender Strahlung, sie kann Elektronen aus Atomhüllen herausschlagen. Übrig bleiben ionisierte, also geladene, Atome und Moleküle. Diese können weitere Reaktionen auslösen und dadurch Zellen oder Zellbestandteile im Körper schädigen.

Zur Ionisierenden Strahlung zählen elektromagnetische Wellen mit einer Länge unter 200 Nanometern wie UV-, Höhen-, Röntgen- und Gammastrahlung. Ihr Frequenz liegt im Zetaherzbereich, also \(10^{21}\) Schwingungen pro Sekunde. Ein einzelnes Strahlungsquant („Photon“) dieser hochenergietischen elektromagnetischen Strahlung hat eine Energie von einigen Elektronenvolt (eV) bis hin zu mehreren Million Elektronenvolt (MeV). Die Höhenstrahlung, auch kosmische Strahlung genannt, wirkt sich vor allem auf Moleküle in den oberen Atmosphärenschichten aus. Röntgenstrahlung ist ein wichtiges Werkzeug in der Medizin, allerdings darf die Strahlendosis für die Patienten dabei nicht zu hoch sein.

Gammastrahlung

Gammastrahlung entsteht beim Zerfall vieler radioaktiver Elemente, wenn ein Teil der Energie in Form von Strahlung abgegeben wird. Sie hat eine große Reichweite und kann Materie leicht durchdringen, daher sind zur Abschirmung dicke Blei- oder Betonschichten nötig. Tritt sie durch menschliches Gewebe, wird ein Teil davon absorbiert. Dabei können Elektronen aus den Atomhüllen freigesetzt und das Erbgut der Zellen geschädigt werden, so dass diese sich nicht mehr richtig teilen. Deshalb führt die so genannte Strahlenkrankheit, die durch eine kurzzeitige sehr hohe Strahlenbelstung ausgelöst wird, oft erst nach einiger Zeit zum Tod.

Radioaktivität ist auch die Quelle für Teilchenstrahlen, bei denen statt elektromagnetischer Wellen zum Beispiel Elektronen, Protonen, Neutronen oder Atomkerne freigesetzt werden. Sie wirken ebenfalls ionisierend. Unterschieden werden sie in Alpha- und Betastrahlung sowie Neutronenstrahlung.

Alphastrahlung

Gelbes Warnschild mit Symbol für Radioaktivität auf einer Metallwand.
Warnung vor radioaktivem Material

Alphastrahlung besteht aus zweifach positiv geladenen Heliumkernen, die sich jeweils aus zwei Protonen und zwei Neutronen zusammensetzen. Sie entsteht beim Alphazerfall radioaktiver Kerne. Wenn langsame Alphateilchen mit Atomen in Wechselwirkung treten, können sie Elektronen aus den Atomhüllen einfangen, die Heliumkerne werden so zum Edelgas Helium.

Die Heliumkerne wirken stark ionisierend auf Materie. Die Wegstrecke von Alphastrahlung in Luft ist allerdings kurz, sie beträgt abhängig von der Energie des Teilchens und dem herrschenden Luftdruck zumeist nur wenige Zentimeter. Deshalb reicht bereits ein Blatt Papier, um sie abzuschirmen. Um sich vor Alpha-Strahlung zu schützen, sollte man deshalb Abstand zur Strahlungsquelle halten.

In organischem Material dringen Alphateilchen mit einer Energie von fünf Elektronenvolt (eV) bis zu 40 Mikrometer ein. Das entspricht beim Menschen den obersten Hautschichten, die nur aus toten Zellen bestehen. Wesentlich kritischer ist die Situation, wenn radioaktive Stoffe, bei denen der Alphazerfall stattfindet, in erhöhter Konzentration durch Nahrung oder Einatmen aufgenommen werden. Dann entsteht die Strahlung im Körper und kann bei hoher Dosis lebende Zellen schädigen und Krebs auslösen.

Ein Alphastrahler ist das in der Luft vorkommende radioaktive Isotop Radon-222. Es entsteht beim Zerfall von Uran, das in geringen Dosen in Gesteinen in der Erdkruste enthalten ist. Uran ist dadurch auch natürlicher Bestandteil von mineralischen Baustoffen. Die Konzentration von Radon-222 in der Außenluft und im Inneren von Gebäuden liegt allerdings deutlich unter den Grenzwerten des Bundesamts für Strahlenschutz. Da Radon schwerer als die meisten anderen Luftbestandteile ist, ist in Kellern die Radonkonzentration höher als in anderen Räumen. Daher der Name „Kellergas“ für Radon.

Betastrahlung

Betastrahlung besteht entweder aus Elektronen oder ihren positiven Geschwistern, den Positronen. Sie entsteht beim Betazerfall von radioaktiven Isotopen. Man unterscheidet den Beta(+)- und Beta(-)-Zerfall. Der Beta(-)- Zerfall tritt bei Atomkernen mit Neutronenüberschuss auf. Eines der Neutronen des Kerns wandelt sich unter Aussendung eines Elektrons und eines Antineutrino in ein Proton um. Der Beta(+)-Zerfall kommt bei hohen Protonenanzahl vor. Ein Proton wandelt sich unter Aussendung eines Positrons und eines Neutrinos in ein Neutron um.

Die Energieverteilung von Betastrahlung aus radioaktiven Kernen ist sehr verschieden und reicht bis zu zwei MeV. In Luft kann die Reichweite von Betastrahlung des Phosphorisotops 32 (1,7 MeV) bis zu sieben Meter betragen; die Reichweite der Betastrahlung von Tritium (19 keV) dagegen nur acht Zentimeter. Schichten von dichteren Materialien wie Aluminium, Glas oder Plexiglas schirmen Betastrahlung schon bei wenigen Millimetern Dicke ab.

Wenn Betastrahlung oberflächlich ins Körpergewebe eindringt, kann sie je nach Energiegehalt und Menge Verbrennungen oder Hautkrebs verursachen. Die Aufnahme von Betastrahlern kann die inneren Organe wie zum Beispiel die Schilddrüse massiv schädigen. Die Schilddrüse nimmt Iod-Atome jeder Art auf. Sind in der aufgenommenen Nahrung statt des stabilen Jod-127 radioaktive Isotope von Jod-131 vorhanden oder werden diese eingeatmet, so lagern sie sich in der Schilddrüse ein und können dort Krebs auslösen. Man kann Schädigungen durch Jod-131 unter bestimmten Bedingungen durch die Einnahme von Jodtabletten vorbeugen (siehe Infokasten: Jodtabletten).

Strontium-90 reichert sich in den Knochen an, da es chemisch dem Kalzium ähnlich ist und vom Körper entsprechend aufgenommen wird. Seine Strahlung kann in hohen Dosen zu Knochenkrebs und Leukämie führen. Strontium-90 kommt in sehr geringen Dosen in Lebensmittels vor, die Werte liegen nur bei etwa 0,003 Millisievert pro Jahr und werden von der  Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel kontrolliert.

Neutronenstrahlung

Neutronenstrahlung entsteht insbesondere bei der Kernspaltung – dem Prozess, durch den in Kernreaktoren Energie gewonnen wird. Kernspaltung ist nur bei schweren Atomkernen wie Uran-235 möglich. Ein Neutron, das in den Urankern eindringt, macht ihn instabil, der Kern teilt sich in zwei leichtere Kerne und gibt zwei oder drei Neutronen ab, die wiederum eine Reaktion bei Nachbarkernen auslösen können – die nukleare Kettenreaktion. Da die Neutronen elektrisch neutral sind, können sie sehr tief eindringen. Beim Zusammenstoß mit Wasserstoff im Gewebe entstehen Rückstoßprotonen, die ihrerseits stark ionisierend wirken, und Gammastrahlung. Die Wirkung ist daher ähnlich wie bei Gammastrahlung, allerdings ist die Wahrscheinlichkeit für Schäden bei gleicher Dosis höher. In unserer Umgebung gibt es allerdings keine natürlichen Strahlungsquellen, die Neutronstrahlung aussenden.

Neutronen, die in Kernkraftwerken entstehen, lassen sich durch Materialien mit hohem Wasserstoffgehalt abbremsen, zum Beispiel Wasser, Polyethylen oder Paraffin. Um sie gänzlich einzufangen, verwendet man anschließend Absorber wie Bor oder Cadmium. Die dabei entstehende Gammastrahlung erfordert wiederum einen Schutz aus Blei oder Beton.

Natürliche Strahlenquellen in unserer Umgebung

Das Bild zeigt ein Messgerät für die Strahlungsdosis. Es zeigt einen Wert von drei Millisievert an.
Messung der Strahlendosis in Sievert

Der Mensch ist ständig einer geringen Dosis an radioaktiver Strahlung ausgesetzt. Als Beispiel wurde bereits das Edelgas Radon-222 genannt. Eine weitere Quelle ist das radioaktive Kohlenstoff-Isotop 14C, auch C-14 oder Kohlenstoff-14 genannt, das durch Höhenstrahlung in der Atmosphäre entsteht. Es wird von Pflanzen durch COaufgenommen und gelangt so auch in den Stoffwechsel von Tieren und Menschen. Seine Halbwertzeit ist mit 5730 Jahren sehr hoch, es ist für den Menschen nicht gefährlich.

Auch mit der Nahrung nehmen wir radioaktive Stoffe wie Kalium-40 auf. Kalium ist ein wichtiger Mineralstoff. Rechnet man die Mengen an radioaktiven Soffen zusammen, die wir durch Lebensmitteln, Atemluft aufnehmen, ergibt sich für einen in Deutschland lebenden Menschen ein durchschnittlicher Strahlendosiswert von 2,4 Millisievert pro Jahr.

Schutz vor erhöhter Strahlenbelastung

Menschen, die einer erhöhten Strahlungsbelastung ausgesetzt sind, sollten als Grundregeln die „vier A“ einhalten: Es muss eine Abschirmung der Strahlung mit geeigneten Materialien vorgenommen werden, die Aufenthaltsdauer im Strahlungsfeld sollte so kurz wie möglich sein, der Abstand zur Quelle dagegen möglichst groß. Zuletzt sollte die Aktivität von Strahlungsquellen, die bewusst eingesetzt werden, möglichst gering gehalten werden. Zum Strahlenschutz dienen außerdem festgelegte Dosisgrenzwerte die angeben, ab wann die aufgenommene Dosis als gefährlich eingeschätzt wird.

Gray und Sievert - Einheiten für die Strahlendosen und deren Wirkung auf den Organismus

Die Einheit für die Strahlendosis heißt Gray, abgekürzt Gy. 1 Gray entspricht der Energie von 1 Joule, die von einem 1 Kilogramm Körpergewicht aufgenommen wird. Eine akute Exposition von mehr als vier Gray ist für den Menschen in der Regel tödlich.

Da die verschiedenen Strahlungsarten unterschiedlich stark ionisieren, wird jeder von ihnen ein Strahlungsgewichtungsfaktor zugeordnet. Bei Röntgen-, Gamma- und Betastrahlung liegt der Faktor bei 1, Alphastrahlung erreicht einen Faktor von 20, bei Neutronenstrahlung liegt er je nach Energie zwischen 5 und 20. Multipliziert man die Strahlendosis in Gray mit dem Gewichtungsfaktor der Strahlungsart, erhält man die Organdosis, angegeben in Sievert (Sv). In manchen Fällen wird auch der Begriff Äquivalentdosis verwendet. Im Gegensatz zur Organdosis geht die Äquivalentdosis aber nicht auf die tatsächlich absorbierte Energiedosis eines Organs oder Körperteils zurück, sondern rechnet mit einem Mittelwert für ein Weichteilgewebe mit festgelegten Eigenschaften.

Bei einer Organdosis von etwa 0,2 Sv erhöhen sich die Wahrscheinlichkeit für Erbgutschäden und das Krebsrisiko. Der Wert entspricht etwa der hundertfachen Strahlenbelastung, die in Deutschland pro Jahr durchschnittlich gemessen wird.

Weitere Gewichtungsfaktoren sind für die Organe im menschlichen Körper festgelegt, da zum Beispiel viele der inneren Organe wesentlich empfindlicher für Strahlung sind als die Haut. Daraus ergibt sich die effektive Dosis, die ebenfalls in Sv angegeben wird.

Schützen Jodtabletten vor Schäden durch radioaktive Stoffe?

Neben Evakuierung und Dekontamination ist die Einnahme von Jodtabletten eine der Maßnahmen, die das Bundesamt für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit empfiehlt, wenn durch einen kerntechnischen Unfall radioaktive Stoffe freigesetzt werden. Ziel ist es, die Schilddrüse mit stabilem Jod-127 zu sättigen, so dass radioaktives Jod-131 nicht eingelagert sondern rasch ausgeschieden wird.

Jodtabletten sind allerdings nur für die Bevölkerungsgruppen sinnvoll, die beim Durchzug einer radioaktiven Wolke gefährliche Stoffe direkt einatmen. Bei falscher Einnahme kann Jod zu Schilddrüsenüberfunktion und anderen Krankheiten führen. Zudem schützt die Einnahme von Jodtablette nicht vor Schäden durch andere radioaktive Isotope wie Cäsium-137, Plutonium-239 oder Strontium-90.