Radioaktivität - Einführung

Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

  • Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
  • Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
  • Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
  • Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?

Zerfallsreihen

Es gibt vier verschiedene Zerfallsreihen, welche bei der "Geburt" der Erde vorhanden waren. Die Neptunium-Reihe ist heute nicht mehr zu beobachten.

  • Thorium-Zerfallsreihe          (4·n)
  • Uran-Radium-Zerfallsreihe   (4·n + 2)
  • Uran-Actinium-Zerfallsreihe (4·n + 3)
  • Neptunium-Zerfallsreihe       (4·n + 1)

Der in Klammern angegebene Term beschreibt, wie sich die Massezahl eines Mitglieds der Zerfallsreihe darstellen lässt. Dabei ist n eine natürliche Zahl. Zum Beispiel sind die Massezahlen der Mitglieder der Thorium-Zerfallsreihe immer als Vielfache von 4 darstellbar.

Hinweis/Fehlerkorrektur: In der Animation ist ein Fehler in der Zerfallsgleichung des ersten Thoriumzerfalls. Radium hat die Ordnungszahl 88.

  • Der α-Zerfall führt zu einem Kern, der im N-Z-Diagramm um zwei Plätze nach links und um zwei Plätze nach unten gegenüber der Lage des Mutterkerns verschoben ist.
  • Der β-Zerfall führt zu einem Kern, der im N-Z-Diagramm um einen Platz nach links und um einen Platz nach oben gegenüber der Lage des Mutterkerns verschoben ist.
  • γ-Übergänge führen zu keinem Platzwechsel im N-Z-Diagramm.

Beachte, dass ein Kern nicht gleichzeitig Mitglied mehrerer Zerfallsreihen sein kann!

1 Ablauf der vier natürlichen Zerfallsreihen
Verständnisaufgabe

Gib eine Begründung dafür an, dass die Neptunium-Reihe heute nicht mehr in der Natur zu beobachten ist.

Lösung

Das Alter der Erde beträgt ca. 4,5 Milliarden Jahre. Die längste Halbwertszeit der Neptuniumreihe ist 2,1 Millionen Jahre. Daher ist von dieser Reihe kaum noch ein Mitglied in der Natur vorhanden.

Kontinuierliche Nebelkammer

Aufbau und Funktionsweise

Prinzipieller Aufbau einer kontinuierlichen Nebelkammer
Abb.
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Prinzipieller Aufbau einer kontinuierlichen Nebelkammer

In einer kontinuierlichen Nebelkammer wird eine geschichtete Alkoholatmosphäre erzeugt, indem die Kammer oben erwärmt und unten gekühlt wird. So entsteht im Zwischenraum übersättigter Alkoholdampf. Der übersättigte Dampf kondensiert, sobald sich ein Kondensationskeim hierfür findet. Diese Rolle übernehmen Teilchen, die durch auf die Nebelkammer treffende Strahlung ionisiert wurden. Jeder Ionisation führt sofort zur Nebelbildung führt. Damit die Nebeltröpfchen nicht zu einer dichten, gleichmäßigen Schicht werden, liegt zwischen einem Metallgitter unterhalb der Glasplatte, welches auch als Heizung dient, und dem Boden eine Spannung an. Diese Spannung erzeugt ein E-Feld in der Nebelkammer und saugt die geladenen Nebeltröpfchen nach oben oder unten ab.

Typischerweise wird eine solche kontinuierliche Nebelkammer genutzt, um ionisierende kosmische Strahlung nachzuweisen. Die stets vorhandene kosmische Strahlung führt laufend zur Erzeugung energiereicher ionisierender Strahlen, die in der Kammer sichtbar werden.

Einsatz und Aufbau in der Schule

Der Aufbau einer kontinuierlichen Nebelkammer ist etwas aufwendiger und benötigt u.a. einen Wasseranschluss. Zusätzlich wird hier i.d.R. ein radioaktives Präparat an die Nebelkammer gehalten, um die vom Präparat ausgehende ionisierende Strahlung sichtbar zu machen. Dabei kann unterhalb der Nebelkammer ein Magnet positioniert werden, um geladene Teilchen auf ihrer Bahn durch die Kammer abzulenken. Je nach Ablenkrichtung können so \(\alpha\)- und \(\beta\)-Teilchen unterschieden werden.

Aufbau einer kontinuierlichen Nebelkammer
Abb.
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Aufbau einer kontinuierlichen Nebelkammer

Durchführung

Für die Versuchsdurchführung im folgenden Video wurde ein Magnet von unten an die Kammer gehalten. Der Südpol des Magnetes zeigte dabei in die Kammer.

Strahlung in kontinuierlicher Nebelkammer

Abb. 3 Strahlung in einer kontinuierlichen Nebelkammer
Aufgabe

Bestimme anhand der Teilchenspuren in der Nebelkammer, ob es sich bei dem verwendeten radioaktiven Präparat um einen \(\alpha\)- oder \(\beta\)-Strahler handelt. 

Lösung

Die Lorentzkraft sorgt für die Ablenkung der geladenen Teilchen. Mithilfe der Drei-Finger-Regel folgt bei einem in die Nebelkammer hinein zeigenden Magnetfelde und einer Ablenkung nach rechts, dass die Teilchen, die die Spuren verursachen, negativ geladen sein müssen.
Das verwendete Präparat ist also ein \(\beta\)-Strahler.

Große kontinuierliche Demonstrationsnebelkammern

Teilchenspuren in einer kontinuierlichen Nebelkammer
Abb.
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Teilchenspuren in einer kontinuierlichen Nebelkammer

An Universitäten oder in Museen (z.B. dem Deutschen Museum in München) gibt es große, kontinuierliche Nebelkammern, an denen man die natürlich vorhandene ionisierende Strahlung, die bspw. aus dem Weltall zu uns gelangt, beobachten. Da verschiedene Teilchen- bzw. Strahlungsarten unterschiedliche Spuren in der Nebelkammer hinterlassen kann diese mit solchen Nebelkammern genauer untersucht und erforscht werden.

Solche großen Nebelkammern sind jedoch sehr teuer und kosten mehr als 20000 Euro. Daher sind sie in Schulen nicht zu finden.

Welche Spuren unterschiedliche Strahlungen in der Nebelkammer hinterlassen, kannst du im Artikel "Typische Nebelkammerspuren" sehen.

Typische Nebelkammeraufnahmen

α - Strahlung

Typische Aufnahme eine α-Strahlers mit zwei verschiedenen α-Energien. Alle Spuren einer Energie sind gleich lang wie die Haare bei einem Rasierpinsel, da die Heliumkerne bei jeder Ionisation im Mittel etwa gleich viel Energie abgeben und so nach einer definierten Wegstrecke ihre gesamte Energie abgegeben haben. Die α-Teilchen besitzen ein diskretes Energiespektrum.
Stoß eines α-Teilchens mit einem Heliumkern. Aus den Winkeln und den Restlängen kann man den Impuls- und den Energiesatz überprüfen.
Umwandlung eines Stickstoffkerns N-14 (die Nebelkammer war mit Stickstoff gefüllt) durch ein energiereiches α-Teilchen. Die kurze dicke Spur ist der entstandene Sauerstoffkern O-17, die lange dünne Spur zeigt das entstandene Proton, das aus dem zunächst entstandenen F-18 herausgestoßen wird.
Spuren von α-Teilchen in der Nebelkammer mit überlagertem starken Magnetfeld. Aus dem Radius kann man die Energie der α-Teilchen berechnen.

β - Strahlung

Das spezifische Ionisationsvermögen der β-Strahlung ist deutlich geringer als das der α-Strahlung (Faustwert: 1/100). Pro Längeneinheit werden deutlich weniger Elektron-Ion-Paare gebildet. Die Spur energiereicher β-Teilchen ist "perlschnurartig" (unterer Bildteil, horizontaler Verlauf). Langsame β-Teilchen sind an "kringelförmigen" Spuren zu erkennen (geringe Masse, leichte Ablenkbarkeit bei Stößen).
Aufnahme von β-Strahlung eines Präparats. Senkrecht zur Papierebene wirkt ein homogenes Magnetfeld. Aus der unterschiedlichen Krümmung der Bahnen kann auf unterschiedliche Energien der β-Teilchen geschlossen werden. β-Strahler besitzen ein kontinuierliches Energiespektrum.

γ - Strahlung

γ-Strahlung kann in der Nebelkammer nur sehr indirekt nachgewiesen werden. Ihre spezifische Ionisationsfähigkeit ist nochmals geringer als diejenige der β-Strahlung (Faustwert: 1/100).
Die Abbildung zeigt die Aufnahme eines von rechts kommenden Bündels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, die auf eine Silberplatte trifft. Die weißen Spuren stellen Fotoelektronen dar, die durch die Strahlung ausgelöst werden.

Biologische Strahlenwirkung

Äußere und innere Bestrahlung

Grundsätzlich musst du unterscheiden, ob eine Bestrahlung von außen erfolgt oder vom inneren des Körpers ausgeht.

Innere und äußere Strahleneinwirkung
Abb.
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Innere und äußere Strahleneinwirkung

Äußere Bestrahlung:

  • Die \(\alpha\)-Strahlung dringt nicht durch die Haut. Die Keimschicht der Haut, in der die Zellerneuerung stattfindet ist von der \(\alpha\)-Strahlung nicht mehr betroffen.
  • Energiereiche \(\beta\)-Strahlung kann einige Millimeter in die Haut eindringen, so dass es bei hoher Strahlungsintensität zu Hautschäden und zu einer Trübung der Augenlinse kommen kann.
  • Neutronenstrahlung (n) und \(\gamma\)-Strahlung kann sehr weit in den Körper eindringen und durch Sekundärprozesse zur Zellschädigung und zur Zerstörung von Bio-Molekülen (auch DNS) führen.

Innere Bestrahlung:

  • Während \(\alpha\)- und \(\beta\)-Strahlung, wenn sie von außen auf den Körper kommt, keine allzu große Gefahr darstellt, erhöhen diese beiden Strahlenarten das Schadensrisiko deutlich, wenn sie durch die Nahrung oder Atmung in den Körper gelangen (Inkorporation).
    Die Energie der \(\alpha\)-Teilchen liegt im MeV-Bereich. Längs ihrer kurzen Strecke, die sie im Gewebe des Körperinneren zurücklegen, bewirken sie zahlreiche Ionisationen, die den betroffenen Zellen samt ihren Kernen in denen Erbinformationen gespeichert sind z.T. nicht wieder reparable Schäden zufügen.

Die Schädigung einer Zelle führt nicht zwangsläufig zum Wirksamwerden eines Schadens. Das Gewebe besitzt nämlich die Fähigkeit, geschädigte Zellen zu erkennen und mit Hilfe seines Immunsystems abzusondern. Damit bleibt der gesetzte Schaden ohne Konsequenzen für den Organismus. Wenn allerdings das Immunsystem geschwächt oder überfordert ist, funktioniert dieser "interne Reparaturmechanismus" nicht. Es kommt zu Schäden, die man grob in zwei Klassen einteilt.

Stochastische und deterministische Strahlenschäden

Diagramm Strahlenwirkung gegen Strahlendosis
Abb.
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Diagramm Strahlenwirkung gegen Strahlendosis
Im Strahlenschutz werden stochastische (zufallsbedingte) und deterministische (nicht zufallsbedingte) Strahlenwirkungen unterschieden. Die beiden Schadenstypen haben einen unterschiedlichen Zusammenhang zwischen der Dosis die dem Organismus verabreicht wird und der darauf folgenden Wirkung (Dosiswirkungsbeziehung).

  • Die deterministischen Strahlenschäden weisen eine Schwellendosis auf, unterhalb der keine Schäden zu beobachten sind. Nach Überschreiten dieser Schwelle steigen die Schäden stark mit der Dosis an.
  • Bei den stochastischen Strahlenschäden geht man davon aus, dass es keine Schwellendosis gibt, d.h. auch bei kleinen Dosen kann es schon zu Schäden dieses Typs kommen. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit für Schäden bei geringen Dosen kleiner als bei höheren Dosen.

Deterministische Schäden
In der folgenden Tabelle ist grob dargestellt, welche Schäden bei unterschiedlicher Dosis auftreten.

Hinweise:

  • Die Angaben in der Tabelle sind nur grobe Faustwerte.
  • Die Dosiseinheit Sievert (Sv) wird auf der Seite "Dosiseinheiten" näher erläutert.
  • Die Strahlenwirkung auf einen Menschen hängt nicht nur von der Dosis, sondern von einer Reihe weiterer Faktoren, wie z.B. der Strahlungsart, der zeitlichen Dosisverteilung (öfter eine geringe Bestrahlung ist nicht so schädlich wie die gesamte Dosis auf einmal, da die Reparaturmechanismen der Zellen nicht zum Tragen kommen), der räumlichen Dosisverteilung (Ganzkörper- oder Teilkörperbestrahlung), der Art des Organs (Organe mit häufig sich teilenden Zellen, wie z.B. Lymphknoten, Darm. Lunge, weibl. Brust) sind gefährdeter; der persönlichen Strahlenempfindlichkeit usw.
Dosis
Wirkung
Schwellendosis 0,25 Sv
Erste klinisch erfassbare Bestrahlungseffekt:
Kurzzeitige Veränderungen im Blutbild, insbesondere Absinken der Lymphozytenzahl;
Subletale Dosis 1 Sv
Vorübergehende Strahlenkrankheit:
Unwohlsein am ersten Tag; Absinken der Lymphozytenzahl; nach 2-3 Wochen treten Haarausfall, wunder Rachen, Appetitmangel, Durchfall, Unwohlsein, Mattigkeit, purpurfarbene Hautflecke auf;
Mittelletale Dosis 4 Sv
Schwere Strahlenkrankheit:
Übelkeit und Erbrechen am ersten Tag; fast vollständiges Verschwinden der Lymphozyten; große Infektionsneigung, da Schutzfunktion der Schleimhäute und des lymphatischen Systems stark eingeschränkt ist; als Folge davon werden normale Krankheitserreger nicht mehr ausreichend abgewehrt;
Zusätzlich zu den Erscheinungen bei subletaler Dosis treten noch Fieber, innere Blutungen, Sterilität bei Männern, Zyklusstörungen bei Frauen auf;
Bei fehlenden Therapiemaßnahmen ist bei Dosen über 5 Sv mit etwa 50% Todesfällen zu rechnen;
Letale Dosis 7 Sv
Tödliche Strahlenkrankheit:
Übelkeit und Erbrechen nach 1-2 Stunden; nach 3-4 Tagen: Durchfall, Erbrechen, Entzündungen im Mund und Rachen, sowie im Magen-Darm-Trakt; Fieber, schneller Kräfteverfall;
Bei fehlenden Therapiemaßnahmen fast 100% Todesrate;

Stochastische Schäden
Bei stochastischen Schäden nimmt nicht wie bei den deterministischen Schäden die Schwere der Erkrankung, sondern die Wahrscheinlichkeit der Erkrankung mit der Dosis zu.

  • Als Folge schwacher chronischer Strahlendosen, aber auch bedingt durch einmalig hohe Belastungen kann insbesondere der Krebs (Leukämie; Knochen-, Lugen-, Schilddrüsen- und Brusttumor) eine Schadensmöglichkeit sein.
  • Zu den stochastischen Schäden zählen auch die sogenannten genetischen Schäden, bei denen die Erbanlagen durch die radioaktive Strahlung verändert wurden.
  • Das Absinken der Kurve im oberen Bereich lässt sich dadurch erklären, dass bei sehr hohen Dosen die Zellen so stark geschädigt werden, dass sie vermehrt vollständig absterben und nicht zu Krebszellen degenerieren.

Die Hiroshima-Atombombe wurde 1945 abgeworfen. Im Jahr 1955 war das Maximum der Leukämiefälle und erst im Jahr 1970 das Maximum der Tumorerkrankungen festzustellen.

Dosiseinheiten

Auf dieser Seite wird dargestellt, wie die Physiker die Wirkung radioaktiver Strahlung durch eine Größe beschreiben.

Größe
SI-Einheit
Alte Einheit
Umrechnung
Energiedosis DE
1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg
1 rad
1 rad = 10-2 Gy
Ionendosis DI
1 C/kg
1 Röntgen = 1 R
1 R = 2,58·10-4 C/kg
Äquivalentdosis H
1 Sievert = 1 Sv
1 rem
1 rem = 10-2 Sv

Während die Aktivität die "Stärke" eine Strahlungsquelle beschreibt (Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit, führt man zur Beschreibung der Wirkung der radioaktiven Strahlung auf einen Körper den Begriff der Dosis ein . Dividiert man die Dosis durch die Zeit, so gelangt man zur Dosisleistung.

  • Energiedosis DE
    Je mehr Energie durch radioaktive Strahlung auf einen Körper übertragen wird, desto größer ist die - meist schädliche - Wirkung. Die Energiedosis ist der Quotient aus der absorbierten Energie ΔE und der Masse Δm des absorbierenden Körpers.
  • Ionendosis DI
    Die Ionendosis ist der Quotient aus der durch die Strahlung im Körper entstandenen elektrischen Ladung ΔQ und der Masse Δm des absorbierenden Körpers.
     
  • Äquivalentdosis H
    Die Äquivalentdosis berücksichtigt neben der Energieabgabe an den Körper auch noch die unterschiedliche Wirkung verschiedener Strahlenarten auf das Zellgewebe eines lebenden Organismus, indem die Energiedosis mit einem Bewertungsfaktor q multipliziert wird.
H = q·DE

Beispiele für einige Bewertungsfaktoren

Strahlenart
Bewertungsfaktor q
Photonen, alle Energien
1
Elektronen, Myonen, alle Energien
1
Neutronen
kleiner 10 keV
5
10 keV bis 100 keV
10
100 keV bis 2 MeV
20
2 MeV bis 20 MeV
10
größer 20 MeV
5
Protonen
5
Alphateilchen, Spaltrückstände, schwere Kerne
20
Hinweis:  

Organ

w

Nach den neueren Bestimmungen der Strahlschutzverordnung ist eine effektive Dosis zu berechnen, die sich aus den summierten Äquivalentdosen für jedes Organ zusammensetzt, wobei die Organdosen noch jeweils mit einem Gewebe-Wichtungsfaktor w zu multiplizieren sind.
Man sieht, dass diejenigen Organe mit schneller Zellbildung besonders gefährdet sind.

Keimdrüsen

0,20

Rotes Knochenmark

0,12

Dickdarm

0,12

Lunge

0,12

Magen

0,12

Blase

0,05

Brust

0,05

Leber

0,05

Speiseröhre

0,05

Schilddrüse

0,05

Haut

0,01

Knochenoberfläche

0,01

Andere Organe und Gewebe

0,05

Einen Überblick über die Strahlenbelastung des Menschen finden Sie auf der Seite: Strahlenbelastung

Dosimeter

Zur Feststellung der Dosis, die von einer Person aufgenommen wurde, dient ein sogenanntes Personendosimeter. Es sind vielerlei Dosimeter im Umlauf, von denen zwei hier etwas näher besprochen werden.

Filmdosimeter
Dieser Dosimetertyp nutzt die Tatsache, dass radioaktive Strahlung einen Film schwärzt. Dabei ist der Grad der Schwärzung in gewissen Bereichen ein Maß für die vom Film aufgenommene Dosis.

Ein Film ist lichtdicht in ein Kunststoffgehäuse gepackt. Um Aussagen über die Strahlenart, die Strahlenenergie und anderen für die Ermittlung der Dosis wichtiger Faktoren machen zu können, liegen auf dem Film verschieden dicke Absorber aus Kupfer bzw. Blei. Ist z.B. der Film hinter dem 0,05 mm dicken Kupferabsorber geschwärzt und hinter dem Absorber mit 0,3 mm Kupfer nach der Entwicklung noch klar, so kann eine ungefähre Aussage über die Energie der aufgetroffenen Strahlung gemacht werden. Je mehr Felder hinter den Absorbern geschwärzt werden, desto höher war die Energie der einfallenden Strahlungsquanten.

Die Filmdosimeter werden meistens im Brustbereich angesteckt.

 

Füllhalterdosimeter oder Stabdosimeter 

Dieser Dosimetertyp nutzt die Tatsache, dass radioaktive Strahlung in einem Gas Ionisationen bewirkt.

 

 

Das Kernstück dieses Dosimeters ist eine kleine, zylindrische mit Gas (gelb) gefüllte Ionisationskammer. Die Außenelektrode (blau) wird durch den Zylindermantel gebildet, an der Innenelektrode (rot) ist ein dünner Quarzfaden befestigt. Lädt man die Innenelektrode über den Kontaktstift kurzzeitig elektrisch auf, so dass zwischen den beiden Elektroden eine Spannung von ca. U = 100V besteht, nimmt der Quarzfaden eine Stellung ein, die dem Nullpunkt der Skala entspricht. Tritt radioaktive Strahlung in den Gasraum, so bewirken die dabei entstehenden Ladungen eine Abnahme der Spannung U, der Quarzfaden verändert seine Lage (vgl. Zeigerausschlag beim Elektroskop). Die Auslenkung des Fadens ist proportional zur Dosis.

Im linken Teil des Dosimeters befindet sich eine Art Mikroskop, bestehend aus Okular und Objektiv, durch das man die genaue Position des Quarzfadens beobachten kann. An der durchscheinenden Skala lässt sich nun sofort die vom Gerät aufgenommene Dosis ablesen.

Das zylindrische Stabdosimeter hat die Form und Abmessung eines Füllhalters.
Mit einem Clip kann es bequem in der Brusttasche befestigt werden.


stark vereinfachte Schemazeichnung

Nenne einen Vorteil, den das Füllhalterdosimeters gegenüber dem Filmdosimeter besitzt.

Nenne einen Vorteil, den das Filmdosimeters gegenüber dem Füllhalterdosimeter besitzt.

Strahlenbelastung des Menschen

In diesem Artikel erfährst du, wie groß die jährliche Strahlenbelastung eines Menschen in der BRD zur Zeit ist und worauf man sie zurückführen kann. Die Zahlenangaben stellen Durchschnittswerte dar, die bei Einzelpersonen u. U. deutlich verschieden ausfallen können. Wenn du dich über die physikalischen Größen informieren willst, in denen die Strahlenbelastung angegeben wird, so gehe zu der folgenden Seite.

Die Angaben verschiedener Institute differieren leicht, die grobe Richtung ist aber bei allen gleich. Die folgenden Daten stammen aus dem bayr. Umweltministerium und dem Bundesamt für Strahlenschutz. Sie lauten: Die durchschnittliche effektive Strahlenbelastung einer Person beträgt in der BRD zur Zeit ungefähr \(4,3\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\). Diese Strahlenbelastung setzt sich aus ca. 56% natürlicher und ca. 44% künstlicher Strahlenbelastung zusammen. Die nebenstehende Graphik zeigt die Aufteilung in die wichtigsten Bereiche.

Natürliche Strahlenbelastung (ca. \(2,4\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\))

Belastung bei Inkorporation durch die Nahrungsaufnahme (ca. \(0,3\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)): In allen Nahrungsmitteln kommen Substanzen mit radioaktiven Elementen vor. Dabei handelt es sich vorwiegend um das langlebige Kaliumisotop K-40 und die langlebigen Nuklide der Uran-Radium- und Thorium-Zerfallsreihe.

Inhalation von Radon (ca. \(1,3\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)): Die Inhalation des radioaktiven Edelgases Rn-222 (aus der Zerfallsreihe des U-238) und in geringerem Maße des Rn-220 (aus der Zerfallsreihe des Th-232) macht über die Hälfte der natürlichen radioaktiven Belastung des Menschen in der BRD aus. Radon gelangt aus dem Erdboden, Gesteinen und Baumaterialien in die Luft und wird von uns eingeatmet. Im Freien ist die Aktivität etwa \(15\frac{{{\rm{Bq}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\) in geschlossenen Räumen \(50\frac{{{\rm{Bq}}}}{{{{\rm{m}}^{\rm{3}}}}}\). Darüber hinaus lagern sich Zerfallsprodukte des Rn an den Aerosolen der Luft an und werden ebenfalls von uns eingeatmet. Die Körperstrahlung im "Normalmenschen" (70kg; 20-30 Jahre) setzt sich aus folgenden Anteilen zusammen:

Nuklid K-40 C-14 Rb-87 Pb-210 Rn-220 H-3 Be-7 Rn-222 Sonstige Summe
Aktivität in Bq 4500 3800 650 60 30 25 25 15 7 9112

Terrestrische Strahlung (ca. \(0,5\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)): Die terrestrische Strahlung stammt von den natürlichen Radionukliden, die in unterschiedlichen Spurenkonzentrationen seit der Erdentstehung im Boden und Gesteinen vorhanden sind. Die Ortsdosisleistung der terrestrischen Strahlung wird im freien Gelände vom Radionuklidgehalt der Böden und Untergründe bestimmt. Sie weist deshalb große regionale Unterschiede auf. Genaueres erfährst du im Artikel Strahlenbelastung durch terrestrische Strahlung.

Kosmische Strahlung (ca. \(0,3\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)): Die Erde wird ständig von einem Strom hochenergetischer atomarer Teilchen (hauptsächlich Protonen) aus dem Weltraum getroffen. Die Teilchen reagieren mit den Bestandteilen unserer Lufthülle und bilden neue atomare Teilchen. Die Gesamtheit dieser Teilchen macht die sogenannte Höhenstrahlung aus. Auf ihrem Weg zur Erdoberfläche wird die Höhenstrahlung mit zunehmender Dichte der Atmosphäre schwächer. Genaueres erfährst du im Artikel Strahlenbelastung durch Höhenstrahlung.

Künstliche Strahlenbelastung (ca. \(1,9\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\))

Anwendung radiologischer Stoffe und ionisierender Strahlung in der Medizin (ca. \(1,8\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)): Schon kurz nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung im Jahre 1895 wurde diese für diagnostische Zwecke in der Medizin eingesetzt. Seither hat sich der Umfang der Anwendungen vervielfacht. Mit der Entwicklung der Computertomographie (CT) konnte man noch genauere Informationen gewinnen. Für spezielle medizinische Fragestellungen werden dem Patienten auch Radionuklide injiziert (Nuklearmedizin).

Wesentlich höhere Dosen als in der Diagnostik werden in der Strahlentherapie zur Krebsbehandlung eingesetzt.

Genaueres über die Belastung bei radiologischen Untersuchungen und Bestrahlungen erfährst du im Artikel Strahlenbelastung durch medizinische Anwendungen.

Weitere künstliche Strahlung (\(<0,1\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)): Fall-out von Kernwaffenversuchen \(<0,01\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\); Kerntechnische Anlagen \(<0,01\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\); Berufliche Strahlenexposition \(<0,01\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\); Nachwirkungen des Reaktorunfalls von Tschernobyl (1986) ca. \(<0,02\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\).

Der berufliche Umgang mit radioaktiven Stoffen sowie mit Beschleunigern wird durch die Strahlenschutzverordnung geregelt. Seit 1. April 2001 gelten neue strengere Grenzwerte: Beschäftigte und Personen aus der Allgemeinbevölkerung \(1\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\) (früher \(1,5\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)); Beruflich strahlenexponierte Personen \(20\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\) (früher \(50\frac{{{\rm{mSv}}}}{{\rm{a}}}\)).

Strahlenbelastung durch Höhenstrahlung

Hinweis: Alle Daten stammen vom Bundesamt für Strahlenschutz BFS.

Bild von Quarks & Co.

Die Höhen- oder kosmische Strahlung dringt nicht überall gleich stark in die Erdatmosphäre ein, da das Magnetfeld der Erde die elektrisch geladenen Teilchen teilweise von der Erde ablenkt.

Die Abschirmung durch das Erdmagnetfeld wirkt am stärksten am Äquator. Über den geomagnetischen Polen, die sich etwa 1600 km abseits der geografischen Pole unserer Erde befinden, ist die Schutzwirkung dagegen am schwächsten. In Folge dessen ist die Höhenstrahlung in den nördlichen und südlichen Regionen der Erde deutlich stärker als am Äquator.

Die Höhenstrahlung wird zudem noch vom Sonnenwind beeinflusst, der immer dann besonders intensiv ist, wenn eine Sonnenfleckenaktivität zu beobachten ist. Bei starkem Sonnenwind sinkt die Intensität der Höhenstrahlung, die Teilchen der kosmischen Strahlung werden - salopp ausgedrückt - vom Sonnenwind "weggeblasen".

Die mittlere jährliche natürliche Strahlenbelastung auf Grund der kosmischen Strahlung (Weltraum, Sonne) beträgt in Meereshöhe 0,3 mSv. In einer Höhe von 10.000 m beträgt die mittlere Strahlenbelastung aufgrund der kosmischen Strahlung pro Jahr ca. 44 mSv, das sind 0,005 mSv pro Stunde (= 5 μSv/h). In einer Höhe von 12.000 m steigt sie auf etwa 52 mSv pro Jahr, also 0,006 mSv pro Stunde (= 6 μSv/h).

Strahlenbelastung durch Flüge

Die nebenstehende Abbildung zeigt den Verlauf der Dosisleistung bei einem Flug von Paris nach Rio de Janeiro: Man kann gut erkennen, dass die kosmische Strahlenbelastung nicht nur von der Flughöhe, sondern auch vom beflogenen Breitengrad abhängt. So ist die Strahlenbelastung am Äquator am geringsten und steigt mit zunehmender geografischer Breite, etwa bis zum 60. Breitengrad, an, um dann in etwa konstant zu bleiben. Die Strahlenbelastung ist dabei am Äquator etwa 2-3 mal geringer als ab dem 60. Breitengrad.

Seit 2003 sind die Fluggesellschaften verpflichtet die Dosiswerte für ihr Personal zu ermitteln und den Personaleinsatz so zu planen, dass die Dosisgrenzwerte eingehalten werden.

Personengruppe Flugpersonal Vielflieger Urlaubsflieger
Angenommene Flugdauer 40 Tage 10 Tage 2 Tage
Jahresdosis 5,7 mSv 1,4 mSv 0,29 mSv

Strahlenbelastung durch medizinische Anwendungen


Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz

Bei der Bestrahlung von Tumoren werden in der Regel wesentlich höhere Dosen verwendet als in der Diagnostik: Die zur Bekämpfung einer Tumorerkrankung notwendige Gesamtdosis von 40–70 Gy wird in der Regel über einen Zeitraum von vier bis sieben Wochen verabreicht, um das gesunde Gewebe in der Umgebung nicht zu stark zu schädigen. Dabei ist zu beachten, dass bei Teilkörperbestrahlung die Dosis erheblich höher sein kann als bei Ganzkörperbestrahlung. Bei einer Gesamtkörperbestrahlung reicht die Dosis von 7 Sv (Letal-Dosis) aus, um die tödliche Strahlenkrankheit auszulösen

Strahlenbelastung durch terrestrische Strahlung

Daten vom Bundesamt für Strahlenschutz BFS

Die Ortsdosisleistung der terrestrischen Strahlung in der BRD wurde für über 30000 Orte bestimmt:
Weite Bereiche Norddeutschlands sind durch Ortsdosisleistungen unter 60 nSv/h gekennzeichnet. In Niedersachsen, in Brandenburg und im nordöstlichen Sachsen liegen große Gebiete mit Dosisleistungen von sogar weniger als 30 nSv/h. Die Mittelgebirge treten meist als Gebiete höherer Ortsdosisleistungen im Bereich von etwa 60 bis 80 nSv/h hervor. Großflächig sehr hohe Werte oberhalb 120 nSv/h sind im Fichtelgebirge, im Oberpfälzer und im Bayrischen Wald gemessen worden. Deutlich niedrige Werte unter 50 nSv/h treten wiederum in Süddeutschland verbreitet im Alpenvorland auf. Die großflächigen Dosisleistungsverteilungen korrelieren gut mit den geologischen Bodenregionen, die durch typische Gehalte der natürlichen Radionuklide charakterisiert sind.

Einige Jahresdosisleistungen aus verschiedenen Gegenden:

Ort
Jahresdosisleistung in mSv/a
Schleswig-Holstein
0,14
München
0,31
Bayerischer Wald
1,46
Katzenbuckel (BW)
6,30
Kerla (Indien)
27
Brasilien (Atlantikküste)
87
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