Messung und Anwendung radioaktiver Strahlen

Inhaltsverzeichnis

I) Allgemeine Informationen zu radioaktiver Strahlung

II) Messung radioaktiver Strahlen
1) Wichtige Maßeinheiten zur Messung radioaktiver Strahlung
a) Die Aktivität
b) Die Energiedosis
c) Die Äquivalentdosis (biologisch gewichtete Dosis)
2) Dedektoren, die radioaktive Strahlung messen können
a) Der Geigerzähler
b) Die Nebelkammer

III) Anwendung radioaktiver Strahlen
1) Technische Anwendung
a) Der Rutherford’sche Streuversuch
b) Altersbestimmung von Objekten mithifle der Radiokohlenstoffdatierung
c) Durchstrahlungsprüfung
2) Medizinische Anwendung
a) Szintigrafie
b) Röntgenstrahlung
(1) Unterschied zwischen Röntgenstrahlung und Gammastrahlung
(2) Medizinische Anwendung von Röntgenstrahlen

IV) Literatur- Und Quellenverzeichnis

Allgemeine Informationen zu radioaktiver Strahlung

Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft von instabilen Atomkernen bei deren Zerfall Strahlung auszusenden. Diese Strahlung wird ionisierende (radioaktive) Strahlung genannt.^[1]

Dabei werden 3 verschieden Arten von Strahlung unterschieden, nämlich α-Strahlung (Alphastrahlung), β-Strahlung (Betastrahlung) und γ-Strahlung (Gammastrahlung).

„α-Strahlung besteht aus Heliumkernen, β-Strahlung aus Elektronen [und] γ-Strahlung aus Photonen.“^[2]

Messung radioaktiver Strahlen

Wichtige Maßeinheiten zur Messung radioaktiver Strahlung

Beim Zerfall von Atomkernen entstehen verschiedene Arten von Teilchenstrahlung und elektromagnetischer Strahlung, „deren Menge, Energieinhalt und biologische Wirksamkeit von Element zu Element, von Strahlungsart zu Strahlungsart unterschiedlich ist.“ 3 Deshalb gibt es für verschiedene Eigenschaften von radioaktiven Material unterschiedliche Messgrößen^[3], von denen ich im Folgenden die drei Wichtigsten vorstellen möchte.

a) Die Aktivität

Die physikalische Größe der „Aktivität“ misst, „wie viele Kerne eines radioaktiven Stoffes in einer Sekunde zerfallen.“3 Sie wird in Becquerel (abgekürzt: Bq) gemessen.

Weil man mithilfe der Aktivität noch wenig Aussage darüber treffen kann, wieviel Energie durch die Radioaktivität abgegeben wird, ist eine weitere physikalische Größe notwendig:

b) Die Energiedosis

Die „Dosis“ gibt an, wieviel Energie radioaktive Strahlung in einem Kilogramm Körpergewebe abgibt. Sie wird in Gray (abgekürzt: Gy) gemessen. Ein Gray ist folgedessen die Energiedichte von einem Joule pro Kilogramm Körpergewicht. Dadurch ergibt sich folgender Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Außerdem gibt es noch eine weitere wichtige physikalische Größe, die bei der Messung von Radioaktivität eine Rolle spielt:

c) Die Äquivalentdosis (biologisch gewichtete Dosis)

„Umgekehrt zur Reichweite ist die Wirkung der Strahlung im menschlichen Körper.“^[4] Weil Alphastrahlung auf kurzer Strecke viel Energie abgibt, werden Zellen deshalb von Alphastrahlen mehr angegriffen als von Betastrahlen, die auf derselben Strecke weniger Energie abgeben. Gammastrahlen, die durch den Körper hindurchgehen, geben dabei am wenigsten Energie ab.

„Diese unterschiedliche biologische Wirksamkeit wird mit Korrekturfaktoren je nach Art der Strahlung bestimmt. Die Einheit für die biologisch gewichtete Strahlendosis - die Äquivalentdosis - ist das Sievert, abgekürzt Sv. 1 Sv ist dabei schon eine sehr große Dosis, daher wird häufig in Einheiten von tausendsteln Sievert, also Millisievert, mSv, gemessen.“^[5]

Somit ist der Unterschied zwischen der Energiedosis und der Äquivalentdosis folgender:

Die Energiedosis ist ein Maß für die physikalische Strahlenwirkung, nämlich wieviel Joule Energie radioaktive Strahlung in einem Kilogramm Körpergewicht abgibt, die Äquivalentdosis hingegen berücksichtigt die unterschiedliche Wirksamkeit der verschiedenen Strahlenarten

Die Äquivalentdosis ist also zusätzlich noch von einem „Qualitätsfaktor“, der „relativen biologischen Wirksamkeit“ abhängig, die „ein Unterscheidungsfaktor für Strahlenarten hinsichtlich ihrer biologischen Effekte“^[6] darstellt.

Daraus ergibt sich folgender physikalischer Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

H : Äquivalentdosis

Q: Qualitätsfaktor

D: Energiedosis

2) Dedektoren, die radioaktive Strahlung messen können

Bei der Messung von radioaktiven Strahlen ist es wichtig anzumerken, dass „keine direkte Messung möglich“6 ist, sondern dass man die „unterschiedlichen Wechselwirkungen der verschiedenen Strahlungsarten mit der Materie“^[7] betrachten und auswerten muss. Dafür haben Forscher etliche Dedektoren entwickelt, von denen ich im Folgenden zwei vorstellen möchte: Den Geigerzähler und die Nebelkammer.

a) Der Geigerzähler

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Skizze zur Funktionsweise eines Geigerzählers^[8]

Der Geigerzähler ist ein wichtiges Instrument zur Feststellung ionisierender Strahlen. Er besteht aus einem Metallrohr, das negativ geladen ist, also als Kathode fungiert. Dieses Metallrohr ist mit einem Edelgas (Helium, Argon oder Neon) unter vermindertem Druck gefüllt. Außerdem wird durch das Rohr ein Draht (meist aus Wolfram) gespannt; dieser Draht ist positiv geladen (Anode). Schließlich wird zwischen der Kathode und der Anode eine Hochspannung angelegt. (siehe Skizze)

Gelangen nun α-, β- oder γ-Strahlen in das Rohr des Geigerzählers, spalten sich Elektronen von den Atomen des sich im Metallrohr befindenden Edelgases ab. Durch die hohe Spannung werden die Elektronen mit einer großen Beschleunigung zu Anode, dem Wolframdraht, gezogen. Auf dem Weg zur Anode lösen die Elektronen aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit noch mehr Elektronen von den Atomen des Edelgases ab. Es kommt also zu einer Kettenreaktion, sodass unzählige Elektronen zur Anode gelangen. Das ionisierte Gas wird stromleitend und der Stromkreis schließt sich.

Die Elektronen fließen zum Pluspol und passieren dabei einen Widerstand (siehe Skizze). Nach dem Ohmschen Gesetz entsteht an diesem Widerstand also eine Spannung. Diese Spannung wird durch einen parallel geschalteten Verstärker verstärkt und von einem Zähler gemessen.

Zeigt der Zähler also eine Spannung an, ist radioaktive Strahlung vorhanden. Je höher die Spannung ist, die vom Zähler angezeigt wird, desto größer ist auch Dosis der radioaktiven Strahlung.^[9]

b) Die Nebelkammer

Eine weitere Möglichkeit, radioaktive Strahlung nachzuweisen, ist die Nebelkammer. Diese Methode hat nur noch eine historische Bedeutung und wird heutzutage nur noch zur Demonstration und Veranschaulichung angewandt. Eine wissenschaftliche Bedeutung hat die Nebelkammer heute nicht mehr.

Sie wurde 1912 vom britischen Nobelpreisträger Charles T.R. Wilson (1869 - 1959) erfunden und funktioniert folgendermaßen.

Die Wilson'sche Nebelkammer besteht aus einem zylindrischen Gefäß, das auf einer Seite durch eine Glasplatte und auf der anderen Seite durch einen verschiebbaren Kolben, der das Volumen des Gefäßinneren verändern kann, verschlossen ist. In diesem Zylinder befindet sich ein wasserdampfgesättigtes Gas.^[10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[11]

Wenn man den Kolben zurückzieht und dadurch das Volumen des Gefäßinhaltes vergrößert, sinkt die Temperatur des Gases. Dieses Gas ist nun mit Wasserdampf übersättigt, dieser kondensiert aber erst dann, wenn er mit „Kondensationskeimen“ in Berührung kommt. Ein Kondensationskeim, oder auch Kondensationskern genannt ist ein „feinstes Teilchen [, das] als Ausgangspunkt für die Kondensation von Wasserdampf [dient]“^[12] 11.

Solche Kondensationskeime können Staub oder andere Mikropatikel sein, aber auch ionisierte Teilchen wie α- oder β-Strahlen (aber keine γ-Strahlen).

Lässt man nun also α- oder β-Strahlen durch das Glas ins Innere des Zylinders eintreten, kondensiert der Wasserdampf an den ionisierten Teilchen und wird als weißer Strich sichtbar.^[13]

Es ist anzumerken, dass es mehrere Arten und Funktionsweisen von Nebelkammern gibt. Diejenige, die ich vorgestellt habe, basiert auf die ursprüngliche Version von Charles T.R. Wilson und heißt deshalb auch „Wilson'sche Nebelkammer“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[14]

III) Anwendung radioaktiver Strahlen

1) Technische Anwendung

Radioaktive Strahlung hat in der Technik ein weites Anwendungsgebiet. So hat Rutherford mithilfe seines „Rutherford’schen Streuversuchs“ den Aufbau eines Atoms bewiesen, was als eine der ersten Anwendungen von radioaktiver Strahlung zu sehen ist. Aber auch noch heute ist radioaktive Strahlung in der Archäologie, Kunstwissenschaft und in der Geologie zur Altersbestimmung von Objekten wichtig. Außerdem lässt sich mit Hilfe der Durchstrahlungsprüfung Materialeigenschaften überprüfen, ohne dazu das untersuchte Objekt zu zerstören.

Im Folgenden möchte ich die hier angesprochenen Anwendungsgebiete vorstellen.

b) Der Rutherford’sche Streuversuch

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[15]

· Aufbau des Rutherford’schen Streuversuchs

Rutherford nahm für seinen Streuversuch einen radioaktiven Stoff und setzte diesen in einen Bleiblock, der nach vorne hin eine kleine Öffnung hatte. Somit konnte er einen Strahl mit radioaktiven α-Teilchen erzeugen. Diesen Strahl ließ er auf eine 0,0004 mm dicke Goldfolie (das entspricht 1000 Atomschichten) fallen. Vorher stellte er fest, dass α-Teilchen diese Goldfolie durchqueren können. Um die Goldfolie herum legte er kreisförmig einen Zinksulfidschirm. Jedes α-Teilchen, das auf den Zinksulfidschirm trifft, erzeugt einen kleinen Lichtblitz, nachdem es die Goldfolie passiert hat.

Rutherfords Mitarbeiter Geiger, der inzwischen mehr als 100000 Lichtblitze gezählt hatte, bemerkte, dass einige von ihnen sich nicht auf der geradlinigen Verlängerung des α-Teilchen-Strahls befinden, sondern an anderen Positionen auf dem Zinksulfidschirm. Manche der α-Teilchen müssen also in der Goldfolie abgelenkt werden, jedes Zehntausendste wird sogar zurückgeworfen. Rutherford folgerte aus dieser Erkenntnis, dass es im Goldatom einen Ort geben müsste, in dem die positive Ladung konzentriert ist.

Zwei Jahre später veröffentlichte Rutherford auf Grundlage dieses Experiments das „Rutherford’sche Atommodell“. Demnach hat ein Atom ein Massezentrum mit positiver Ladung, an dem beim Experiment die α-Teilchen aufgrund von Abstoßungskräften zwischen zwei positiven Ladungen abgelenkt oder gar zurückgeworfen wurden.

[...]

^[1] vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivität

^[2] Appel, Thomas u.a.: Schroedel Spektrum Physik Gymnasium, 2. Neubearbeitung, Braunschweig 2008, Seite 174

^[3] http://www.weltderphysik.de/de/8936.php

^[4] http://www.weltderphysik.de/de/8936.php

^[5] http://upload.wikimedia.org/math/e/f/1/ef1e0e2f377c129190fdd6b6f4983b9b.png

^[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Relative_biologische_Wirksamkeit

^[7] http://www.jurentschk.de/AT/Strahlung-PP.pdf

^[8] http://blog.mineralium.com/wp-content/uploads/2007/06/geiger_mueller_zaehlrohr.gif (von mir aufgrund eines Fehlers modifiziert)

^[9] vgl. http://blog.mineralium.com/wie-funktioniert-ein-geigerzahler/

^[10] vgl. http://www.solstice.de/grundl_d_tph/exp_detek/exp_detek_01.html

^[11] http://www.solstice.de/grundl_d_tph/exp_detek/nebel.jpg

^[12] http://www.portal-tideelbe.de/Allgemeine_Informationen/Glossar/index.html#K

^[13] vgl. http://www.solstice.de/grundl_d_tph/exp_detek/exp_detek_01.html

^[14] http://www.solstice.de/grundl_d_tph/exp_detek/nebel2.jpg

^[15] http://hlg.landshut.org/HLG-OLD/chemie/bilder/rustr_gr.png (modifiziert)