☢️ Radioaktivität

Gefahrenhinweis

Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund ihrer ionisierenden und toxikologischen Wirkung gefährlich und bedarf besonderer Sorgfalt.
Bei kernphysikalischen Versuchen sind die Regeln der Strahlenschutzanweisung zu befolgen!
Grundsätzlich wird der Umgang mit diesen Substanzen durch die aufgrund des Atomgesetzes erlassene Strahlenschutzverordnung geregelt. Diese schreibt vor, wer, wann, wo, wie lange und unter welchen Bedingungen mit radioaktiven Substanzen umgehen darf, und hat zum Ziel, unnötige Strahlenexposition oder Kontamination von Personen, Sachgütern oder der Umwelt zu verhindern.

➡️ Strahlungsarten

Beim Zerfall instabiler Atomkerne treten Alpha-, Beta- und/oder Gamma-Strahlung auf:

Alphastrahlung besteht aus $\mathrm{He}$-Kernen,
Betastrahlung aus Elektronen oder Positronen und
Gammastrahlung aus hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung.

Radioaktive Zerfälle sind stochastisch Natur, d.h. sie treten zufällig auf. Wie stark ein radioaktives Material strahlt ist durch seine Aktivität $A$, d.h. durch die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit, gekennzeichnet. Man misst $A$ in Einheiten von Becquerel [$\mathrm{Bq}$]:

\[ \begin{equation*} 1\,\mathrm{Bq} = 1\,\mathrm{s^{-1}} \end{equation*} \]

Die alte Einheit Curie [$\mathrm{Ci}$]:

\[ \begin{equation*} 1\,\mathrm{Ci} = 3.7\times 10^{10}\,\mathrm{Bq} \end{equation*} \]

entspricht der Aktivität von $1\,\mathrm{g}\,^{226}\mathrm{Ra}$.

➡️ Definition der Dosismessgrößen

Ganz allgemein wird die Wirkung ionisierender Strahlung in Materie durch die Größe Dosis beschrieben. Man unterscheidet Ionen- und Energiedosis.

Ursache für die Strahlenwirkung (z.B. die biologische Schädigung) ist die Abbremsung und Absorption primärer oder sekundärer geladener Teilchen. Gammastrahlung erzeugt in diesem Fall geladene Teilchen durch eine erste Wechselwirkung.

Die Ionendosis ist definiert als erzeugte Ladung pro Masseneinheit des biologischen Gewebes und wird in $\mathrm{C/kg}$ angegeben. Eine ältere Einheit hierfür ist das Röntgen [$\mathrm{R}$],

\[ \begin{equation*} 1\,\mathrm{R} = 2.58\times 10^{-4}\,\mathrm{C/kg}. \end{equation*} \]

Der durch Strahlung verursachte Schaden in biologischem Gewebe ist proportional zu der im Gewebe deponierten Energie.

Die Energiedosis entspricht der absorbierten Energie pro Masseneinheit unter der Annahme einer räumlich konstanten Energieflussdichte. Sie wird in Einheiten von Gray [$\mathrm{Gy}$] angegeben:

\[ \begin{equation*} 1\,\mathrm{Gy} = 1\,\mathrm{J/kg}. \end{equation*} \]

Eine ältere Einheit hierfür ist das Rad [$\mathrm{rd}$]:

\[ \begin{equation*} 1\,\mathrm{rd} = 0.01\,\mathrm{Gy}. \end{equation*} \]

Die biologische Schädlichkeit radioaktiver Strahlung für biologisches Gewebe hängt nicht nur von der Energiedosis sondern auch von der Art der Strahlung ab. Man berücksichtigt dies durch den Strahlungswichtungsfaktor $w_{r}$, der von der Ionisierungsdichte der Strahlung abhängt.

Das Produkt aus Energiedosis und $w_{r}$ definiert die Äquivalenzdosis. Diese wird in Einheiten von Sievert [$\mathrm{Sv}$] gemessen

\[ \begin{equation*} 1\,\mathrm{Sv} = 1\,\mathrm{J/kg}. \end{equation*} \]

Eine ältere Einheit hierfür ist das Rem [$\mathrm{rem}$]:

\[ \begin{equation*} 1\,\mathrm{rem} = 0.01\,\mathrm{Sv}. \end{equation*} \]

In Tab. 1 sind die Werte für $w_{r}$ für verschiedene Strahlungsarten z.T. mit verschiedenen Energien angegeben:

Strahlungsart	Energiebereich	Strahlungswichtungsfaktor $w_{r}$
Gamma	gesamtes Energiespektrum	1
Elektronen/Myonen	gesamtes Energiespektrum	1
Neutronen	${<}10\,\mathrm{keV}$	5
Neutronen	$0{-}100\,\mathrm{keV}$	10
Neutronen	$100{-}2000\,\mathrm{keV}$	20
Neutronen	$2{-}20\,\mathrm{MeV}$	10
Neutronen	${>}20\,\mathrm{MeV}$	5
Protonen	${>}2\,\mathrm{MeV}$	5
Alpha, Spaltfragmente	–	20

Tab. 1: Strahlenwichtungsfaktoren für verschiedene Arten radioaktiver Strahlung.

➡️ Abschirmung radioaktiver Strahlung

Das oberste Strahlenschutzgebot ist, jede Strahlenexposition, auch unterhalb der gesetzlich festgelegten Freigrenzen, so gering wie möglich zu halten. Da die Intensität einer gleichmäßig in den Raum strahlenden Quelle mit $1/d^{2}$ abnimmt, wobei $d$ der Entfernung von der Quelle entspricht, ist Abstand zu halten eine effektive Methode sich vor Strahlung zu schützen.

Zusätzlich wird Strahlung beim Durchgang durch Materie geschwächt oder gar vollständig absorbiert.

Dabei wird Gammastrahlung durch schwere Materialien (mit hoher Kernladungszahl, wie z.B. Blei), deutlich stärker absorbiert als durch leichte Materialien gleicher Dicke.
Betastrahlung wird dagegen besser durch leichte Kerne abgebremst, so dass Bremsstrahlungseffekte so gering wie möglich gehalten werden.
Alphastrahlung hat aufgrund ihrer hohen Ionisierung sehr kurze Reichweiten. Bereits die Dicke eines Papierblatts reicht aus, um Alphastrahlung mit Energien von typischen radioaktiven Quellen vollständig abzubremsen.

Die folgende Tab. 2 gibt die Reichweite verschiedener Strahlungsarten in Wasser an (dies entspricht in etwa den Reichweiten in menschlichem Gewebe):

Strahlenart	Energie [$\mathrm{MeV}$]	Reichweite [$\mathrm{mm}$]
Alphastrahlung	5	0.04
Betastrahlung	1	4
Gammastrahlung	1	660¹

Tab. 2: Reichweiten verschiedener Strahlungsarten in Wasser, 1) entspricht der Schichtdicke, nach deren Durchquerung noch 1% der Photonen mit der primären Energie vorhanden ist.

In Luft sind die Reichweiten etwa 1000 mal höher.

➡️ Natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung

Die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland beträgt im Mittel ca. $2.4\,\mathrm{mSv/a}$. Sie setzt sich wie folgt zusammen:

Terrestrische Strahlung: $0.4{-}8\,\mathrm{mSv/a}.
Kosmische Strahlung: ${\approx}0.3\,\mathrm{mSv/a}.
Innere Strahlung: $1.7\,\mathrm{mSv/a}.

Zum Vergleich listen wir im Folgenden einige zivilisatorische Strahlenexpositionen auf:

Die Äqivalenzdosis während eines Fluges in $10\,\mathrm{km}$ Höhe beträgt ${\approx}0.002\,\mathrm{mSv/h}$.
Medizinische Anwendungen in Deutschland tragen etwa ${\approx}1.5\,\mathrm{mSv/a}$ bei.
Die lethale Ganzkörperdosis beträgt ${\approx}5\,\mathrm{Sv}. In 50% der Fälle tritt nach einer solchen Strahlenexposition nach ca. 1 Monat der Tod ein.
Bei einer Krebsbehandlung können lokale(!) Strahlungsexpositionen von bis zu $50\,\mathrm{Sv}$ erreicht werden.

➡️ Grenzwerte der Strahlenbelastung

Zum Schutz der Bevölkerung müssen Bereiche, in denen mit radioaktiven Stoffen umgegangen wird, klassifiziert werden. Zudem unterliegen sie einer gesetzlichen Überwachungspflicht.

Diese Klassifikation gliedert sich wie folgt:

Sperrbereich: Bereiche, in denen Ortsdosisleistungen von ${>}3\,\mathrm{mSv/h} auftreten können.
Kontrollbereich: Bereiche in denen Personen eine Ganzkörperdosis ${>}1\,\mathrm{mSv/a}$ aber weniger als $20\,\mathrm{mSv/a}$ erhalten können. Diese Bereiche dürfen nur beruflich strahlenexponierten Personen zugänglich sein.
Überwachungsbereich: Betriebliche Bereiche, wo die Dosisleistungsgrenze ${<}1\,\mathrm{mSv/a}$ garantiert ist.

Nach §49 StrlSchV hängt die zulässige Strahlenbelastung von der jeweiligen Person ab:

Jedermann kann im innerbetrieblichen Überwachungsbereich eine Strahlenbelastung bis zu $1\,\mathrm{mSv/a}$ erhalten.
Bei beruflich strahlenexponierten Personen liegt dieser Grenzwert für Kategorie B bei $6\,\mathrm{mSv/a}$, für Kategorie A bei $20\,\mathrm{mSv/a}$ (ärztlich überwacht).
Weiterhin gilt die Regel, dass in 3 aufeinanderfolgenden Monaten die Hälfte der Jahresdosis nicht überschritten werden darf.
Die akkumulierte Dosis im Berufsleben darf $400\,\mathrm{mSv}$ nicht überschreiten.

Note

Im Praktikum gehen wir i.a. maximal mit Überwachungsbereichen um.

➡️ Umgang mit radioaktiven Quellen

Die Quellen, die wir im Praktikum verwenden befinden sich in abgeschirmten Behältern. Sie werden Ihnen in der Regel durch den/die Betreuer:in in die Apparatur eingebaut. Die Quellen im Praktikum sind versiegelt, so dass keine Gefahr einer Kontaminierung oder Inkorporation besteht, es sei denn Sie zerstören das Gehäuse.

Achtung: Besonders die Beta-Quellen sind sehr zerbrechlich.

Sicherheitsregel

Falls es zur Zerstörung eines Quellengehäuses kommen sollte, dann gilt die Regel: Fassen Sie nichts an und geben Sie sofort der Praktikumsleitung Bescheid!

Beachten Sie zum Umgang mit radioaktiven Quellen die folgenden Hinweise:

Alle kernphysikalischen Versuche dürfen nur nach der gesetzlich vorgeschriebenen Strahlenschutzunterweisung durchgeführt werden.
In Räumen, in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird, darf laut §53 StrlSchV weder gegessen, getrunken noch geraucht werden.
Vermeiden Sie, die Quellen mit den Fingern zu berühren.
Halten Sie die Quelle immer möglichst weit vom Körper weg. Achten Sie dabei aber darauf, dass Sie keine andere Person bestrahlen.