☢️ Radioaktivität
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund ihrer ionisierenden Wirkung und toxikologischen Eigenschaften 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. Sie 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 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 die Aktivität A, d.h. durch die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit, gekennzeichnet. Man misst A in Einheiten von Becquerel [Bq]. Ein Becquerel entspricht einem Zerfall/Sekunde. Die alte Einheit Curie [Ci, \(1 \text{Ci} = 3.7 \cdot 10^{10}\) Bq] entspricht der Aktivität von 1 g \(^{226}\text{Ra}\).
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. ihre biologische Schädigung) ist die Abbremsung und Absorption primärer oder sekundärer geladener Teilchen. Gamma-Strahlung 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 C/kg angegeben. Eine ältere Einheit hierfür ist das Röntgen [R, \(1\ \text{R} = 2.58 \cdot 10^{-4}\) C/kg].
Der durch Strahlung verursachte Schaden in biologischem Gewebe ist proportional zu der im Körper deponierten Energie. Die Energiedosis entspricht der absorbierte Energie pro Masseneinheit unter der Annahme einer räumlich konstanten Energieflussdichte. Sie wird in Einheiten von Gray angegeben (1 Gy = 1 J/kg). Eine ältere Einheit hierfür ist das Rad [rd: 1 rd = 0.01 Gy].
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 wr definiert die Äquivalenzdosis. Diese wird in Einheiten von Sievert gemessen (1 Sv = 1 J/kg). Eine ältere Einheit hierfür ist das Rem [rem: 1 rem = 0.01 Sv].
In Tab. 1 sind die Werte für \(w_r\) für verschiedene Strahlungsarten z.T. mit verschiedenen Energien gezeigt:
| Strahlungsart | Energiebereich | Strahlungswichtungsfaktor \(w_r\) |
|---|---|---|
| Gamma | gesamtes Energiespektrum | 1 |
| Elektronen/Myonen | gesamtes Energiespektrum | 1 |
| Neutronen | < 10 keV | 5 |
| Neutronen | 0 … 100 keV | 10 |
| Neutronen | 100 … 2000 keV | 20 |
| Neutronen | 2 … 20 MeV | 10 |
| Neutronen | > 20 MeV | 5 |
| Protonen | > 2 MeV | 5 |
| Alpha, Spaltfragmente | – | 20 |
Tab. 1: Strahlenwichtungsfaktoren für verschiedene Arten radioaktiver Strahlung.
Abschirmung von 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/(Entfernung)2 abnimmt, ist eine effektive Methode sich vor Strahlung zu schützen Abstand zu halten.
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 Blatt Papiers ist ausreichend, um Alphastrahlung mit Energien von typischen radioaktiven Quellen vollständig abzubremsen. Die folgende Tabelle gibt die Reichweite verschiedener Strahlungsarten in Wasser an (dies entspricht in etwa dem menschlichen Gewebe). In Luft sind die Reichweiten etwa 1000 mal höher. Die Reichweiten für die verschiedenen Strahlungsarten sind in Tab. 2 zusammengefasst:
| Strahlenart | Energie [MeV] | Reichweite [mm] |
|---|---|---|
| Alpha-Strahlung | 5 | 0,04 |
| Beta-Strahlung | 1 | 4 |
| Gamma-Strahlung | 1 | 660¹ |
Tab. 2: Reichweiten verschiedener Strahlungsarten in Wasser, 1) entspricht derjenigen Schichtdicke, nach deren Durchquerung noch 1% der primären Quanten vorhanden sind.
Natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
Die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland beträgt im Mittel ca. 2.4 mSv pro Jahr. Sie setzt sich wie folgt zusammen:
- terrestrische Strahlung: 0,4-8 mSv/Jahr
- kosmische Strahlung: ca. 0,3 mSv/Jahr
- innere Strahlung: 1,7 mSv/Jahr
Zum Vergleich listen wir im Folgenden einige zivilisatorische Strahlenexpositionen auf:
- Die Äqivalenzdosis während eines Fluges in 10 km Höhe beträgt ca. 0,002 mSv/h.
- Medizinische Anwendungen in Deutschland tragen etwa 1,5 mSv/Jahr bei.
- Die lethale Ganzkörperdosis beträgt ca. 5 Sv. In 50% der Fälle tritt nach einer solchen Strahlenexposition nach ca. 1 Monat der Tod ein. Zum Vergleich: bei einer Krebsbehandlung können lokale Strahlungsexpositionen von bis zu 50 Sv erreicht werden.
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevölkerung müssen Bereiche, in denen mit radioaktiven Stoffen umgegangen wird, klassifiziert werden und unterliegen einer gesetzlichen Überwachungspflicht. Diese Klassifikation gliedert sich wie folgt:
- Sperrbereich: Bereiche, in denen die Ortsdosisleistung größer als 3 mSv/h sein kann.
- Kontrollbereich: Bereiche in denen Personen eine Ganzkörperdosis größer 1 mSv/Jahr aber weniger als 20 mSv/Jahr erhalten können. Diese Bereiche sind nur beruflich strahlen- exponierten Personen zugänglich.
- Überwachungsbereich: betriebliche Bereiche, wo die Dosisleistungsgrenze kleiner 1mSv/Jahr zu garantieren ist.
Nach §49 StrlSchV hängt die zulässige Strahlenbelastung von der jeweiligen Person ab:
- Jedermann kann im innerbetrieblichen Überwachungsbereich eine Strahlenbelastung bis zu 1 mSv/Jahr erhalten.
- Bei beruflich strahlenexponierten Personen liegt dieser Grenzwert für Kategorie B bei 6 mSv/Jahr, für Kategorie A bei 20 mSv/Jahr (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 mSv nicht überschreiten.
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen, die wir im Praktikum verwenden befinden sich in abgeschirmten Behältern und 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. Besonders die Beta-Quellen sind sehr zerbrechlich.
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.