Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung bezeichnet jede Strahlung, welche es ermöglicht Elektronen aus der Atomhülle zu entfernen. Was du sonst noch über ionisierende Strahlung wissen solltest, erklären wir dir in einfachen Worten in diesem Artikel.

Ionisierende Strahlung ist ein Teilgebiet der Kernphysik und wird im Fach Physik unterrichtet. 

george.bellamy@studysmarter.de

Strahlenexposition berechnen: Gray, Sievert 

stochastische und deterministische Strahlenwirkung

Nachweis Ionisierender Strahlung (Nebelkammer, Zählrohre)

20:45 27.07.2021

Was ist eine ionisierende Strahlung?

Unter Ionisierung versteht man den Vorgang, wenn Elektronen aus der Atomhülle eines Atoms „herausgeschlagen“ werden. Dies passiert unter Einfluss von sehr viel Energie – sogenannter ionisierender Strahlung. Dabei bleibt ein positiv geladener Atom- oder Molekülrest zurück. Ein elektrisch geladenes Teilchen, nennt man Ion. 

Du möchtest die Grundlagen des Atomaufbaus noch einmal wiederholen? Dann schau dir unseren Artikel zum Atomaufbau an, bevor du fortfährst.

Damit ein Elektron aus der Atomhülle entfernt werden kann, muss eine Energie von mindestens 5 Elektronenvolt (eV) aufgebracht werden. Zum Vergleich: sichtbares Licht hat – je nach Farbe – eine Energie von 1,59 und 3,26 eV. 

Vorkommen von ionisierender Strahlung

Natürliche Strahlungsquellen

Je nach dem wo in Deutschland du wohnst, bist du einem Risiko an natürlicher ionisierender Strahlung zwischen 1 und 10 Millisievert pro Jahr ausgesetzt. Sievert (1 Sv = 1 kg/J) ist die Einheit der Äquivalenzdosis. Diese gibt die biologische Wirkung ionisierender Strahlung auf den Menschen an – abhängig von der Strahlenart.

Der größte Anteil an ionisierender Strahlung stammt von der kosmischen Strahlung und natürlich vorkommenden radioaktiven Stoffen.

Beispiele:

• Kosmische Strahlung
• Kohlenstoff-14 in Nahrungsmitteln und der Atemluft
• Radon in Kellerräumen
• Kalium-40 ins Steinen und Baumaterial
• Radioaktive Partikel in Nahrungsmitteln
• Ultraviolette Strahlung der Sonne

Zivilisatorische Strahlungsquellen

Zusätzlich zu natürlichen Strahlungsquellen gibt es Strahlungsquellen, welche wir als Menschen selber erzeugen. Dabei liegt die Äquivalenzdosis in der gleichen Größenordnung wie die der natürlichen ionisierenden Strahlung. 

Beispiele: 

• Medizinische Anwendungen: Röntgenaufnahmen oder Strahlentherapie
• Kernreaktoren und Teilchenbeschleuniger
• Radioaktives Material welches bei Kernwaffentests oder Nuklearunfällen freigesetzt wurde
• Nebenprodukt von Geräten: Röhrenbildschirmen, Elektronenmikroskopen, Radarsendern

Arten von ionisierender Strahlung

Man unterscheidet Teilchenstrahlung (Teilchenstrom) und elektromagnetische Strahlung (auch: elektromagnetische Wellen). Bei der Teilchenstrahlung lösen sich Teilchen, wie zum Beispiel Protonen oder Neutronen, vom Atomkern. Bei elektromagnetischer Strahlung werden Wellen, auch Photonen genannt, durch den Raum transportiert.

Beispiele:

• Teilchenstrahlung: Alphastrahlung und Betastrahlung
• Elektromagnetische Strahlung: Röntgenstrahlung und Gammastrahlung

Möchtest du genauer über Alpha-, Beta- und Gammastrahlung Bescheid wissen? Dann schau dir unsere Artikel dazu an!

Nützliches Wissen: Bei der Kernspaltung in den Brennstäben des Atomreaktor wird neben den Spaltprodukten ionisierende Strahlung frei. Dabei handelt es sich sowohl um Teilchenstrahlung (Neutronen), also auch um Gammastrahlung. 

Radioaktivität

Röntgenstrahlung wird technisch erzeugt. Bei Alpha-, Beta- und Gammastrahlung hingegen zerfällt der Atomkern ohne äußere Einwirkung von selbst und lässt dabei ionisierende Strahlung frei. Diesen Vorgang nennt man Radioaktivität. Bei diesem radioaktiven Zerfall wird der instabile Kern in Zerfallsprodukte umgewandelt (Kernumwandlung). Diese Zerfallsprodukte können stabil sein oder radioaktiv. Radioaktive Zerfallsprodukte zerfallen weiter, bis der Atomkern nicht weiter zerfallen kann. Radioaktive Atomkerne nennt man Radionuklide. Die Strahlungsintensität und Aktivität nimmt während des radioaktiven Zerfalls mit der Zeit ab. 

Vorsicht! Unterscheide radioaktive Substanzen von ionisierender Strahlung

Bestimmt hast du den Begriff radioaktive Strahlung schon einmal in den Medien gehört. Nach dem du den letzten Absatz gelesen hast, müsstest du jetzt wissen, dass dieser Begriff genau genommen falsch ist. Die Strahlung selbst ist nicht radioaktiv, sondern die Substanz, welche Strahlung aussetzt. Richtig wäre: ionisierende Strahlung radioaktiver Substanzen.

Die Halbwertszeit  ist die Zeit in der sich die Menge der radioaktiven Nuklide halbiert hat. Dies kann innerhalb von Millisekunden passieren, oder aber sich über Quadrillionen Jahre erstrecken!

Laut dem Zerfallsgesetzt nimmt die Menge der Nuklide exponentiell ab und lässt sich durch folgende Formel beschreiben:

Dabei ist N die Anzahl der zu Beginn vorhandenen Nuklide und t die Zeit.

(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertszeit)

Der Graph illustriert den exponentiellen Zerfall eines Radionuklid in Abhängigkeit von der Zeit

Behalte aber bitte im Kopf, dass der Zeitpunkt an dem ein Atom zerfällt reinzufällig ist und dies nur eine mathematische Annäherung and die Realität beschreibt. 

Röntgenstrahlung

Mit Röntgenstrahlen werden in der Medizin Knochen und innere Organe sichtbar gemacht.

Röntgenstrahlung ist eine ionisierende Strahlung mit Wellenlängen unter 10nm. Damit liegt sie oberhalb ultraviolettem Licht und unterhalb Gammastrahlung. Elektromagnetische Wellen haben eine Quantenenergie von ca. 100 eV. 

Merke dir: Röntgenstrahlung entsteht durch die Geschwindigkeitsänderung geladener Teilchen. 

(Quelle: https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/erzeugung-von-roentgen-strahlung)

In einer Röntgenröhre (siehe Abbildung), werden Elektronen stark beschleunigt. Diese Elektronen treffen mit großer Geschwindigkeit auf eine Anode aus Metall. Dabei werden die Elektronen abgebremst und elektromagnetische Strahlung (=Röntgenstrahlung) wird kontinuierlich frei. Dieses kontinuierliche Spektrum aus unterschiedlichen Wellenlängen nennt man auch Bremsstrahlung. 

(Quelle: https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/charakteristische-roentgen-strahlung)

Wenn ein Elektron auf die Anode trifft, versetzt es ein Elektron aus der Elektronenhülle des Anoden-atoms in ein höheres Energielevel. Das bedeutet, dass ein Elektron aus einer energetisch niedrigeren (näher am Atomkern liegenden) Elektronenschale in eine höhere Elektronenschale angehoben wird. Dadurch entsteht ein „Loch“ in der der niedrigeren Elektronenschale. Da Elektronen ein energetisch günstigeren Zustand bevorzugen, wird wiederum ein Elektron aus einer höheren Schale in dieses Loch fallen. Dabei wird Strahlung frei. Die Wellenlänge  der freigesetzten Strahlung hängt davon ab, „wie weit das Elektron herunterfällt“ um das Loch zu füllen. Dies ist in der Abbildung durch die unterschiedlich farbigen Pfeile illustriert. Dieser Vorgang passiert gleichzeitig unzählige Male, sodass ein kontinuierliches Wellenspektrum entsteht. 

Beispiel: Durch die Anregung des Atomkerns wird ein Elektron aus der K Schale in die N Schale angehoben. Das Loch in der K Schale kann nun von Elektronen aus der L, M oder N Schale geschlossen werden. Je nach dem von welchem Energielevel das Elektron herunterfällt, imitiert es entweder rosa, pinkes oder violette Licht (Pfeile im Bild). 

Wirkung ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlung kann in Materie eindringen und diese verändern. Bei chemischen Stoffen werden dadurch Molekülverbindungen aufgebrochen. Trifft ionisierende Strahlung auf lebende Zellen oder Organismen, führt dies zu Schäden in den Zellen. 

Sehr hohe Strahlendosen sind in 50% der Fälle tödlich. Bei akuter, hoher Strahlendosis kommt es zum Absterben des betroffenen Gewebes (Nekrose) oder zu schlimmen Verbrennungen. Auch ist es möglich, dass ionisierende Strahlung dein Erbgut verändert und du diese Mutationen an deine Nachkommen weitergibst. Menschen die chronisch ionisierender Strahlung ausgesetzt sind, haben ein höheres Risiko an Krebs zu erkranken. 

Strahlenschutz

Ionisierende Strahlung ist für den Menschen nicht sichtbar. Deshalb ist es sehr wichtig beim Umgang mit ionisierender Strahlung äußerste Sorgfalt walten zu lassen und sich an die Richtlinien zum Strahlenschutz zu halten.

Dabei sind diese beiden Warnzeichen von großer Bedeutung:

(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Ionisierende_Strahlung)

Das gelbe Gefahrensymbol warnt vor radioaktiven Stoffen und ionisierender Strahlung.

Das rote Gefahrensymbol ist direkt an gefährlichen radioaktiven Stoffen angebracht. 

Abhängig von der Art der ionisierenden Strahlung, kann diese abgeschirmt werden. Alphastrahlung kann schon durch ein Paper abgeschirmt werden, für Röntgenstrahlung verwendet man Blei.

Anwendung ionisierender Strahlung

Die Wirkung der ionisierenden Strahlung kann aber auch nützlich sein und wird in der Pflanzenzüchtung, Lebensmittelindustrie oder industrieller Chemie angewendet. Außerdem wird ionisierende Strahlung bei der Strahlentherapie gegen Krebs verwendet. Dabei werden meist Gamma- oder Röntgenstrahlen auf das infizierte Gewebe gerichtet und somit die Tumorzellen abgetötet.

Ionisierende Strahlung – das Wichtigste auf einem Blick

• Ionisierende Strahlung bezeichnet jede Strahlung, welche es ermöglicht Elektronen aus der Atomhülle zu entfernen. 
• Unter Ionisierung versteht man den Vorgang, wenn Elektronen aus der Atomhülle eines Atoms „herausgeschlagen“ werden. Dabei bleibt ein positiv geladener Atom- oder Molekülrest zurück. 
• Du bist vor allem kosmischer Strahlung und natürlich vorkommenden radioaktiven Stoffen ausgesetzt. 
• Man unterscheidet Teilchenstrahlung und elektromagnetische Strahlung. Alpha- und Betastrahlung sind Teilchenstrahlung. Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung.
• Wenn ein Atomkern ohne äußere Einwirkung von selbst zerfällt und dabei ionisierende Strahlung freisetzt, spricht man von Radioaktivität. 
• Bei diesem radioaktiven Zerfall wird der instabile Kern (Radionuklid) in Zerfallsprodukte umgewandelt. Radioaktive Zerfallsprodukte zerfallen weiter, bis der Atomkern nicht weiter zerfallen kann. 
• Die Halbwertszeit  ist die Zeit in der sich die Menge der radioaktiven Nuklide halbiert hat.
• Röntgenstrahlung wird technisch erzeugt und entsteht durch die Geschwindigkeitsänderung geladener Teilchen. 
• Ionisierende Strahlung kann in Zellen eindringen, diese verändern oder sogar zerstören.