Im Zusammenhang mit Radioaktivität wird häufig von ionisierender Strahlung gesprochen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sind dabei die bekanntesten Beispiele. Doch was genau ist eigentlich ionisierende Strahlung, wie unterscheidet sie sich von nicht ionisierender Strahlung und begegnet sie Dir auch im Alltag?
Ionisierende Strahlung Definition
Bei ionisierender Strahlung handelt es sich einfach erklärt um einen Überbegriff für verschiedene Strahlungsarten, die in der Lage sind, ein Atom in ein Ion zu verwandeln. Diesen Prozess bezeichnest Du als Ionisation.
Ein Ion ist ein Atom, bei dem die Anzahl der positiv geladenen Protonen im Kern und der negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle nicht übereinstimmen, wodurch sich deren Ladungen nicht mehr ausgleichen.
Elektronen in der Atomhülle besitzen gewisse Energieniveaus. Die Energie ist umso größer, je weiter sie vom Kern entfernt sind. Durch die Aufnahme oder Abgabe von Energie können Elektronen ihr Energieniveau wechseln. Nehmen Elektronen genügend Energie auf, so können sie das Atom verlassen.
Die nötige Energiemenge, damit ein Elektron das Atom verlassen kann, bezeichnest Du als Ionisierungsenergie. Sie kann zum Beispiel durch ionisierende Strahlung bereitgestellt werden.
Unter ionisierender Strahlung verstehst Du verschiedene Arten von Teilchen- oder elektromagnetischer Strahlung, die in der Lage sind, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen (Ionisation).
Verlässt zum Beispiel eines der Außenelektronen ein Atom mit drei Protonen, so bleibt dieses als einfach-positiv geladenes Ion zurück (Abbildung 1). Der Fachbegriff für ein positiv geladenes Ion ist Kation. Dabei ist die Ionisierungsenergie eines Elektrons abhängig von dem jeweiligen Element, sowie von seinem ursprünglichen Energieniveau.
Abb. 1 - Beispiel für ein Kation
Ionisierende Strahlung gibt ihre Energie entweder direkt oder indirekt an andere Materieteilchen ab. Je stärker ionisierend eine Strahlung ist, desto mehr Materieteilchen ionisiert sie auf ihrem Weg. Dadurch verliert sie schneller ihre Energie. Deshalb kannst Du stark ionisierende Strahlung meist einfacher abschirmen.
Direkt ionisierende Strahlung
Du unterscheidest direkt und indirekt ionisierende Strahlung aufgrund ihrer Wechselwirkung mit anderer Materie. Vor allem geladene Teilchen mit großer Masse interagieren stärker mit anderer Materie als zum Beispiel ungeladene Strahlung.
Bei direkt ionisierender Strahlung handelt es sich um geladene Teilchenstrahlung mit hoher kinetischer Energie, die in direkte Wechselwirkung mit anderen Materieteilchen tritt. Dabei gibt sie ihre Energie (teilweise) durch die Coulomb-Kraft und/oder durch Stöße an Elektronen ab, wodurch deren Atome ionisiert werden.
Teilchenstrahlung bezeichnet jegliche Art von Teilchen mit einer Masse und hoher (kinetischer) Energie. Mehr zur Coulomb-Kraft kannst Du in der gleichnamigen Erklärung lesen.
Die Energie von Teilchenstrahlung steckt zum Großteil in ihrer Geschwindigkeit, es handelt sich also um kinetische Energie. Geben die Teilchen einen Teil ihrer Energie an die Elektronen ab, werden sie selbst abgebremst.
Abb. 2 - Beispiel für direkte Ionisation
Auf der obigen Abbildung siehst Du den Prozess der direkten Ionisation am Beispiel von Beta-Plus-Strahlung (hochenergetischen Positronen). Weitere Beispiele für direkt ionisierende Strahlung sind Beta-Minus-Strahlung und Alphastrahlung. Mehr zu diesen findest Du auch in den Erklärungen zur Betastrahlung und zur Alphastrahlung.
Diese geladenen Teilchen spielen auch bei der indirekten Ionisation eine Rolle.
Indirekt ionisierende Strahlung
Indirekt ionisierende Strahlung wird so genannt, da der überwiegende Teil der Ionisation durch Sekundärstrahlung geschieht. Einfach erklärt bedeutet dies, dass indirekt ionisierende Strahlung (z.B. ein Photon) erst durch Wechselwirkung direkt ionisierende Strahlung (Sekundärstrahlung) erzeugt. Diese Sekundärstrahlung ionisiert anschließend weitere Materie.
Du sprichst von indirekt ionisierender Strahlung, wenn der Großteil der Ionisation durch Sekundärstrahlung geschieht. Bei indirekt ionisierender Strahlung handelt es sich um hochenergetische Photonen oder neutral geladene Teilchen, die nur schwach mit Materie wechselwirken.
Trifft zum Beispiel ein hochenergetisches Photon auf ein Atom in einem Medium, kann es dieses durch den Photoeffekt oder den Compton Effekt ionisieren (direkte Ionisation).
Mehr zum Photoeffekt und zum Compton Effekt kannst Du in den gleichnamigen Erklärungen lesen.
Dabei absorbiert ein Elektron in der Atomhülle (teilweise) die Energie des Photons, wodurch es das Atom mit hoher kinetischer Energie verlassen kann.
Abb. 3 - Ionisation durch ein Photon
Das freigesetzte Elektron wird nun zu einem sekundären Beta-Minus-Teilchen, welches weitere Atome ionisieren kann. Das Photon löst also eine Art Kettenreaktion aus, wodurch es indirekt (durch das Elektron) weitere Atome ionisiert.
Obwohl das Photon das erste Elektron also direkt ionisiert, sprichst Du von indirekter Ionisation, da die meisten Teilchen in dem Medium von dem sekundären Elektron ionisiert werden.
Ein weiteres Beispiel sind freie Neutronen mit hoher kinetischer Energie. Diese können, zum Beispiel durch Kollision mit einem Wasserstoff-Atom, ihre Energie an das Proton im Kern abgeben. Dadurch wird dieses zu einem freien, geladenen Teilchen, welches selbst direkt ionisierend ist.
Ionisierende Strahlung Beispiele
Prinzipiell kann jegliche Art von Strahlung mit genügend hoher Energie (direkt oder indirekt) ionisierend wirken. Die folgende Tabelle gibt Dir dabei einen vollständigen Überblick zu den bekannten ionisierenden Strahlungsarten:
| Name | Beschreibung | Entstehung |
| direkte Ionisation |
| Alphastrahlung | Positiv geladener Helium-4-Kern aus 2 Protonen und 2 Neutronen. | Alphazerfall |
| Betastrahlung | negativ geladenes Elektron (Beta-Minus-Teilchen) | Betazerfall |
| positiv geladenes Positron (Beta-Plus-Teilchen) |
| Protonenstrahlung | freie (nicht an einen Kern gebundene) Protonen mit hoher kinetischer Energie. | Teilchenbeschleuniger, Neutronenstrahlung |
| indirekte Ionisation |
| Röntgenstrahlung | Hochenergetische Photonen mit einer Energie zwischen 100 und 250 keV. | Außerhalb des Atomkerns (z.B. Bremsstrahlung) |
| Gammastrahlung | Hochenergetische Photonen mit einer Energie von mindestens 200 keV. | Im Atomkern (z.B. Gammaübergang, Annihilation) |
| Neutronenstrahlung | freie (nicht an einen Kern gebundene) Neutronen mit hoher kinetischer Energie. | Kernfusion oder Kernspaltung |
Mehr zu den einzelnen Strahlungsarten findest Du in den gleichnamigen Erklärungen.
Nicht ionisierende Strahlung
Einfach erklärt, ist nicht ionisierende Strahlung das Gegenstück zu ionisierender Strahlung. Sie umfasst also jegliche Teilchenstrahlung und elektromagnetische Strahlung, die nicht in der Lage ist, Atome zu ionisieren.
Nicht ionisierende Strahlung ist ein Überbegriff für alle Arten von Strahlung, deren Energie nicht ausreicht, um Elektronen aus Atomen zu lösen und diese somit zu ionisieren.
Nicht ionisierende Strahlung kann ebenso mit Materie wechselwirken und ihre Energie (teilweise) an Atome oder Moleküle abgeben. Trifft zum Beispiel ein Photon, dessen Energie unterhalb der Ionisierungsenergie für ein bestimmtes Atom liegt, auf ein Elektron in dessen Hülle, dann kann dieses dennoch absorbiert werden.
Abb. 4 - Nicht ionisierende Strahlung
Daraufhin kann das Elektron zum Beispiel auf ein höheres Energieniveau wechseln, allerdings kann es das Atom nicht verlassen. Mehr zu diesem Prozess findest Du in der Erklärung zum atomaren Energieaustausch.
Nicht ionisierende Strahlung Beispiele
Jegliche Teilchenstrahlung kann sowohl ionisierend und nicht ionisierend sein. Der Unterschied liegt hierbei allein in der kinetischen Energie der Teilchen.
So kann zum Beispiel ein Elektron, welches bei einem Betazerfall emittiert wird, zunächst aufgrund seiner hohen kinetischen Energie ionisierend wirken. Sobald es allerdings den Großteil seiner Energie abgegeben hat, kann es keine weiteren Atome mehr ionisieren und gilt damit als nicht mehr ionisierende Strahlung.
Auch bei der elektromagnetischen Strahlung hängt es davon ab, wie energiereich die einzelnen Photonen sind. Auf der folgenden Abbildung siehst Du das elektromagnetische Spektrum. Dieses kannst Du in unterschiedliche Strahlungsarten von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlung unterteilen.
Abb. 5 - elektromagnetisches Spektrum
Die Unterteilung des elektromagnetischen Spektrums geschieht dabei durch die Energie (und daraus folgend Wellenlänge und Frequenz) der Photonen. Somit sind verschiedene Teile dieses Spektrums unterschiedlich ionisierend. Wie Du auf der Abbildung sehen kannst, sind alle elektromagnetischen Strahlungsarten außer Röntgen- und Gammastrahlung nicht ionisierend, wobei UV-Licht je nach Energie ionisierend sein kann.
Nicht ionisierende Strahlung begegnet Dir also überall im Alltag: als sichtbares Licht, bei der Kommunikation über Radiowellen und beim Mittagessen aus der Mikrowelle. Doch wie sieht es mit ionisierender Strahlung aus?
Ionisierende Strahlung im Alltag
Auch mit ionisierender Strahlung kommst Du täglich in Kontakt. Dabei kannst Du zwischen natürlichen und künstlichen Quellen unterscheiden.
Natürliche Quellen waren schon seit der Geburt des Planeten Erde vorhanden und kommen sowohl aus den Gesteinen unter der Erdoberfläche, als auch aus dem All (kosmische Strahlung). Vor allem Ansammlungen von radioaktiven Nukliden wie Radon oder Kalium-40 sind verantwortlich für einen Großteil der natürlichen Strahlendosis. Dabei nehmen viele Organismen (auch Menschen) diese ionisierende Strahlungsquellen über die Nahrung oder die Atemluft auf.
Abb. 6 - Strahlungsdosis aus verschiedenen Strahlungsquellen
Künstliche Strahlungsquellen sind dagegen menschengemacht und stammen vor allem aus der Industrie und der Energiewirtschaft, allerdings auch aus der Medizin. Zu ihnen zählen beispielsweise Lagerstätten nuklearer Abfälle oder Untersuchungen mittels Röntgenstrahlen sowie Strahlentherapie.
Ionisierende Strahlung (künstliche und natürliche) ist ständig präsent und wird deshalb oft als Hintergrundstrahlung bezeichnet. Damit begegnet Dir ionisierende Strahlung überall im Alltag, wenn auch nicht in so hoher Menge wie nicht ionisierende Strahlung. Zum Glück, denn große Mengen ionisierender Strahlung sind schädlich für Lebewesen.
Sie kann nämlich die oberen Hautschichten durchdringen und für Verbrennungen sorgen oder die DNA im Zellkern schädigen und somit das Krebsrisiko erhöhen. Mehr dazu erfährst Du in der Erklärung zur biologischen Strahlenwirkung.
Unter der Äquivalentdosis verstehst Du die Menge an ionisierender Strahlung, der ein Organismus in einem gewissen Zeitraum ausgesetzt ist. Du gibst sie in der Einheit Sievert \(Sv\) pro Zeiteinheit t an.
Die Menge an ionisierender Strahlung, der ein Mensch pro Jahr ausgesetzt ist, hängt stark von seinem Wohnort sowie Lebens- und Ernährungsgewohnheiten ab.
Der kritische Schwellenwert liegt bei 2,5 bis 3 \(\mu Sv/h\). ionisierende Strahlung.
In Deutschland beträgt die durchschnittliche Äquivalentdosis nur etwa 0,08 \(\mu Sv/h \) (Mikrosievert pro Stunde). Diese Dosis ist ungefährlich für Menschen, da Reparaturmechanismen im Körper negative Effekte dieser kleinen Menge schnell heilen können.
Ionisierende Strahlung - Das Wichtigste
- Unter ionisierender Strahlung verstehst Du verschiedene Arten von Teilchen- oder elektromagnetischer Strahlung, die in der Lage sind, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen (Ionisation).
- Bei direkt ionisierender Strahlung handelt es sich um geladene Teilchenstrahlung mit hoher kinetischer Energie, die durch die Coulomb-Kraft und/oder durch Stöße Atome ionisieren kann.
- Beispiele für direkt ionisierende Strahlung sind Alphastrahlung, Betastrahlung und Protonenstrahlung.
- Bei indirekt ionisierender Strahlung handelt es sich um hochenergetische Photonen oder neutral geladene Teilchen, deren ionisierende Wirkung vor allem in der Erzeugung von Sekundärstrahlung liegt.
- Beispiele für indirekt ionisierende Strahlung sind Röntgen- und Gammastrahlung, sowie Neutronenstrahlung.
- Nicht ionisierende Strahlung ist ein Überbegriff für alle Arten von Strahlung, deren Energie nicht ausreicht, um Elektronen aus Atomen zu lösen und diese somit zu ionisieren. Dazu gehören zum Beispiel Mikrowellenstrahlung, sichtbares Licht oder Teilchen mit niedriger kinetischer Energie.
- Ionisierende Strahlung begegnet Dir im Alltag als sogenannte Hintergrundstrahlung sowohl aus natürlichen, als auch aus künstlichen Quellen.
- Unter der Äquivalentdosis verstehst Du die Menge an ionisierender Strahlung, der ein Organismus in einem gewissen Zeitraum ausgesetzt ist. Du gibst sie in der Einheit Sievert \(Sv\) pro Zeiteinheit t an.
Nachweise
- amboss.com: Ionisierende Strahlung. (11.9.2022)
- nuclear-power.com: Forms of ionising radiation. (10.09.2022)
- bfs.de: Was ist ionisierende Strahlung? (11.09.2022)
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