Die verschiedenen Arten von Strahlung

An dieser Stelle werden einige der Strahlenarten behandelt, die physikalisch nachweisbar sind.

So gibt es beispielsweise Schall, Ultraschall, elektromagnetische Strahlung wie TV-Strahlung, Radiostrahlung, UV-Strahlung, Wärmestrahlung, Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung und sichtbares Licht.

Eine wichtige Einteilung besteht in der Unterscheidung nach ionisierender und nicht ionisierender Strahlung.

Unter ionisierender Strahlung versteht man, wie es der Name auch nahe legt, Strahlung, die beim Auftreffen auf Materie Ionen erzeugt. Ionen sind Atome oder Moleküle, denen ein oder mehrere Elektronen in ihrer Hülle fehlen und die deswegen einfach oder auch mehrfach elektrisch geladen sind. Die ionisierende Strahlung ihrerseits lässt sich nach elektromagnetischer Strahlung und Teilchenstrahlung unterscheiden.

Hinweis
Die Unterteilung in Alpha-, Beta- und Gammastrahlung erfolgte 1903 durch den in Neuseland geborenen Ernest Rutherford (1871-1937), der 1908 den Nobelpreis für Chemie erhalten hatte. Auch die Halbwertszeit wurde von ihm eingeführt.

Es gibt energiereiche Teilchen wie Elektronen, Alphateilchen, Protonen oder Neutronen, um die wichtigsten Vertreter zu nennen. Diese Teilchen können beim Auftreffen auf Materie, und dazu kann auch der Mensch gehören, Elektronen aus den Molekülen dieser Materie herausschlagen, also Ionen erzeugen.

Das Atom
Ein Atom ist sicherlich den meisten bekannt, es besteht aus dem Atomkern und der Elektronenhülle. Der Atomkern setzt sich aus den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen zusammen.
Die sich auf Grund ihrer Ladung abstoßenden Protonen sowie die Neutronen werden durch die so genannte Kernkraft zusammen gehalten.

Es gibt zwei Arten von Betastrahlung (β-Strahlung), die Beta-Plusstrahlung (β⁺-Strahlung) und die Beta-Minusstrahlung (β^--Strahlung) . Beide Arten dieser ionisierenden Strahlung sollen hier kurz vorgestellt werden.

Zum Verständnis dieser Art von Strahlung betrachten wir vorerst freie Neutronen, die u. a. bei der Kernspaltung in Kernreaktoren oder bei der Explosion einer Atombombe entstehen: Ein freies Neutron ist instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von rund 10 Min. in ein Proton, ein Betaminus-Teilchen und ein so genanntes Antineutrino.

Das Betaminusteilchen ist übrigens nach seiner Entstehung absolut identisch mit einem Elektron und verlässt nach dem Zerfall gemeinsam mit dem Antineutrino das Neutron. Das Antineutrino spielt in der Medizin keine Rolle, da es so gut wie wie überhaupt nicht mit Materie in Wechselwirkung tritt. Es spielt aber in der Astrophysik eine umso größere Rolle.
Im Atomkern dagen können Neutronen stabil sein, aber in einer Reihe von Atomenkernen sind sie instabil und zerstrahlen in der gleichen Weise wie freie Neutronen. Das betreffende Nuklid, in dem ein Neutron zerfällt, verändert dabei seine Massenzahl nicht, da die Summe von Neutronen und Protronen konstant bleibt. Aber die Ordnungszahl erhöht sich um den Wert 1, da nach dem Zerfall ein Protron mehr vorhanden ist. So entsteht z. B. bei dem Beta-Minuszerfall des Cobalt 60 mit der Ordnungszahl Z = 27 das Nickel 60 mit der Ordnungszahl Z = 28.
Allerdings entstehen Beta-Minusteilchen auch in den Beschleunigern in der Strahlentherapie, und somit künstlich. Sie werden dort mit Energien zwischen 6 und 21 MeV (Megaelektronenvolt) zur Bestrahlung meist bösartiger Tumoren angewendet.
Die Reichweite von Beta-Minusteilchen ist in Materie, und damit auch im menschlichen Gewebe, nicht allzu groß. Die Reichweite in Wasser und Gewebe lässt sich nach der folgenden Faustformal sehr einfach berechnen bzw. abschätzen: Man nehme die Energie der Betastrahlung in MeV, dann ist die Hälfte dieses Wertes die Reichweite der Strahlung, in cm gemessen, in Wasser. Also hat eine Beta-Minusstrahlung mit einer Energie von 6 MeV damit in Wasser eine Reichweite von rund 3 cm.
in der folgenden Tabelle sind ein paar typische Beispiele für Beta-Minustrahler dargestellt

Freie Protronen sind, im Gegensatz zu freien Neutronen, stabil. Allerdings sind sie im Kern einer Reihe von Nukliden aus energetischen Gründen instabil, so z. B. beim Sauerstoff 15 oder dem Fluor 18. In diesem Fall zerfällt das Protron in ein Neutron, ein Neutrino und ein Beta-Plusteilchen, einem positiv geladenen Elektron, also dem Antitelchen des Elektrons. Dieses Teilchen wird auch als Positron bezeichnet.

Das Neutrino spielt aus denselben Gründen wie beim Antineutrino in der Medizin ebenfalls keine Rolle. Bei dem Zerfall eines Protrons in ein Neutron ändert sich die Massenzahl wie beim Beta-Minuszerfall ebenfalls nicht. Aber die Ordnungszahl verringert sich durch den Zerfall des Protons um den Wert von Z = 1. So zerfällt der Sauerstoff 15 mit der Ordnungszahl Z = 8 in das Nuklid Stickstoff 15 mit der Ordnungszahl Z = 7.
Die Reichweite von Beta-Plusteilchen ist geriger als die von Beta-Minusteilchen, da die Positronen sofort mit den in der Materie zahlreich vorhandenen Elektronen jeweils in zwei Gammastrahlen zerstrahlt. Diese Gammastrahlen mit einer Energie von 511 keV (Kiloelektronenvolt) allerdings durchdringen die Materie darauf dann sehr weit.
In der medizinischen Diagnostik werden Beta-Plusstrahler bei der Positronen Emissions Tomographie (PET) verwendet. Im folgenden sind einige Beispiele für Beta-Plusstrahler aufgelistet.

Es gibt Atomkerne wie z. B. Radium 226, Radon 222 oder Polonium 210, die aus energetischen Gründen instabil sind und ihre überschüssige Energie bzw. Masse in Form eines energiereichen Alphateilchens abstrahlen. Ein Alphateilchen besteht aus 2 relativ fest aneinander gebundenen Protonen und 2 Neutonen, es ist daher identisch mit einem Helium 4-Atomkern. Die Energie dieser Alphateilchen liegt im MeV-Bereich. So hat beispielsweise die Alphastrahlung des Poloniums 210 eine Energie von 5,4 MeV.
Die Reichweite von Alphastrahlen in Materie ist extrem gering, so werden die Alphastrahlen des Poloniums 210 in Wasser bzw. in menschlichem Gewebe bereits nach wenigen Zehntel Millimetern (ungefähr 0,1 mm) vollständig absorbiert.
Einige Alphastrahler sind in der folgenden Tabelle vorgestellt.

Neutronen bilden zusammen mit den Protronen den Atomkern. Mit Ausnahme des Wasserstoffs 1 (H 1) besitzt jedes Element und jedes Nuklid Neutronen in seinem Atomkern. Sofern diese Neutronen jedoch, z. B. infolge einer Kernspaltung in Kernreaktoren oder bei der Explosion einer Atombombe, abgespalten werden, können Sie als energiereiche ionisierende Strahlung wirksam werden. Dabei sind sie in ihrer Wirkung im menschlichen Organismus besonders zerstörend, da sie die nahezu massengleichen und geladenen Protronen in großer Anzahl aus den Kernen der Materie herausschlagen, die dann ihrerseits zu einer starrken Ionisation der Materie führen. Ihre "Gefährlichkeit" liegt wahrscheinlich noch über der von Alphateilchen, mit dem negativen Unterschied, dass sie, wie Gammastrahlung, in etwa mit einer e-Funktion geschwächt werden und daher eine relativ große Reichweite in einer Materie besitzen.
Die starke Energieübertragung von Neutronen auf die Protronen lässt sich gut am Beispiel von Billardkugeln verdeutlichen; trifft dort eine Kugel auf eine andere gleich schwere, so überträgt sie ihre gesamte kinetische Energie auf diese. Dabei bleibt die stoßende Kugel liegen und die gestoßene rollt davon. Daher kann man sich vor Neutronenstrahlung mit Hilfe von protonenreichen Substanzen besonders gut schützen, z.B. mit Hilfe von Wasser!

Unter elektromagnetischer Strahlung versteht man Strahlung, die aus elektrischen und magnetischen Feldern besteht. Das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung besteht aus den folgenden Wellen, wobei sie hier von langwelligen und damit energiearmen zu den energiereichen kurzwelligen aufgezählt werden. Von den dargestellten Wellen bzw. Strahlen gehören jedoch nur die Gamma- und die Röntgenstrahlen zu den ionisierenden Strahlen. Manche Autoren rechnen allerdings auch noch den sehr energiereichen Anteil der UV-Strahlung zur ionisierenden Strahlung.

• Radiowellen (Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen und Ultrakurzwellen (UKW))
• TV-Wellen
• Mikrowellen bzw. Radarstrahlen (Dezimeterwellen)
• Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung)
• Sichtbares Licht
• UV-Strahlung (nur die energiereichsten Anteile sind ionisierend)
• Gammastrahlung (ionisierend)
• Röntgenstrahlung (ionisierend)

Gammastrahlung ist nur die Strahlung, die von einem Atomkern abgegeben wird. Damit ein Atomkern aber Energie in Form von Gammastrahlung abgeben kann, muss er in einen über dem niedrigsten Energieniveau liegenden Energiezustand gebracht worden sein. Das geschieht in der Regel durch einen vorangegangenen Alpha- oder Betazerfall. Nach einem derartigen Zerfall befindet sich dann der Folgekern in einem, wie der Physiker sagt, angeregten Zustand. Diese Energiedifferenz zwischen dem angeregten und dem Grundzustand gibt er dann mit Hilfe einer oder auch mehrerer Gammastrahlen wieder ab. Meistens ergibt sich ein regelrechtes Zerfallsschema, das am Beispiel des Cobalt 60 vorgestellt sei.

Wie man in der Darstellung sieht, kann das Co 60 entweder über Betazerfall mit einer Energie von 0,314 MeV in den angeregten Zustand des Folgeproduks Nickel 60 zerfallen oder aber über einen Betazerfall mit einer Energie von 1,48 MeV. Aus dem höheren angeregten Zustand geht es dann, unter Ausstrahlung von Gammastrahlung, mit einer Energie von 1,173 MeV in den ersten angeregten Zustand über und dann, unter Aussendung von Gammastrahlung, mit einer Energie von 1,332 MeV in den Grundzustand über. Es kann aber auch direkt von dem niedrigeren Zustand in den Grundzustand übergehen. Natürlich ist bei einem Co 60-Atom nur eine der beiden Arten des Zerfalls möglich, aber bei vielen Atomen kommen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit jeweils beide Zerfallsarten vor.

Die Reichweite von Gammastrahlung in Gewebe (= Wasser) ist recht groß, da es nach einer e-Funktion abfällt. So ist die Dosis von Gammastrahlung mit einer Energie von 1 MeV nach rund 12 cm erst auf die Hälfte und nach weiteren 12 cm auf ein Viertel abgesunken. Nach insgesamt 36 cm beträgt die Dosis dann ein Achtel der Ausgangsdosis. Die üblichen Energien von Radionukliden liegen im MeV-Bereich.

Wie der Name leicht erahnen lässt, stammt Röntgenstrahlung aus Röntgenröhren. Dort wird sie vorwiegend in der Diagnostik mit maximalen Energien zwischen etwa 30 keV (Mammografie) und 130 keV (CT-Geräten) eingesetzt. Hin und wieder werden Röntgenstrahlen auch in der Strahlentherapie mit Energien bis zu ca. 400 keV verwendet. Für Spezialuntersuchen, z. B. beim Durchleuchten von Containern oder ganzen LKWs, kommen allerdings noch höhere Energien zum Einsatz.
Aber Röntgenstrahlung entsteht auch in Form von Röntgenbremsstrahlung in den riesigen Kreisbeschleunigern der Physik und kann dort extrem hohe Energien annehmen, die weit über denen der Gammastrahlung liegen. Auch aus dem All kommt hochenergetische Röntgenbremsstahlung. Die Reichweite gleicht im Prinzip der der Gammastrahlung, wobei aber berücksichtigt werden muss, dass sie aus vielen verschiedenen Energien besteht - der Physiker würde sagen: sie ist kontinuierlich verteilt - und ihre Abschwächung folgt daher nicht einfach einer e-Funktion.

Unter der nicht ionisierenden Strahlung stellen wir an dieser Stelle die elektromagnetische Strahlen bzw. Wellen von den Radiowellen bis zu den Mikrowellen vor, zu denen auch die aus dem Haushaltsnetz entstammende 50 Hertz-Strahlung sowie die Handystrahlung gehören.

Radiowellen
Radiowellen sind elektromagnetische Wellen bzw. Strahlen, die sich, wie alle derartigen Wellen, im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. In Materie ist ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit allerdings geringer. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit beträgt c = 299.792,458 km/s = 299.792.458 m/s. Mit Hilfe der einfachen folgenden Gleichung lässt sich übrigens die Wellenlänge der Strahlung in ihre Frequenz umrechnen:

c = f · λ

Dabei sind f die Frequenz der Strahlung in Schwingungen pro Sekunde, c die Vakuumlichtgeschwindigkeit in m/s und λ die Wellenlänge in m.

Typische Frequenzen der üblicherweise verwendeten UKW-Sender liegen in etwa zwischen 87,5 MHz und 108 MHz (1 MHz = 1 Million Schwingungen pro Sekunde). die Frequenzen von Handys liegen, in Abhängigkeit vom benutzten Handynetz, im Bereich von 450 bis zu 1.800 GHz. (1 GHz = 1 Milliarde Schwingungen pro Sekunde). Das Fernsehen sendet, je nach Übertragungsart, Land oder TV-Sender mit den folgenden Frequenzen:

• Band I: 47 MHz bis 68 MHz (PAL-B TV)
• Band III: 174 MHz bis 230 MHz (PAL-B TV, DVB-T + DAB)
• Band IV: 470 MHz bis 622 MHz (PAL-G TV, DVB-T)
• Band V: 622 MHz bis 854 MHz (PAL-G TV, DVB-T)
• L-Band: 1452 MHz bis 1492 MHz (DAB)