Ordnungszahl, Massezahl, Aktivität, Becquerel

Um die Wirkung von Radioaktivität - wie z.B. die Strahlenbelastungen durch natürliche Strahlung oder auch von Kernkraftwerken - verstehen zu können, werden hier eine Reihe von Begrifflichkeiten kurz erläutert.

Ordnungszahl
Ein Element ist sicherlich jedem bekannt, man findet sie im Periodensystem der Elemente aufgelistet. So sind Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff sowie Schwefel, Eisen, Kupfer, Silber und Gold Elemente. Die Anzahl der Protonen im Atomkern der Elemente ergibt ihre Ordnungszahl. So hat der Wasserstoff ein Proton in seinem Kern und besitzt damit eine Ordnungszahl von 1. Die Ordnungszahl von Helium ist 2, die von Kohlenstoff 6, von Stickstoff 7, von Sauerstoff 8, von Schwefel 16, von Eisen 26, von Kupfer 29, von Silber 47, die von Gold 79 und die von Uran 92.

Isotop, Massezahl, Radionukild
In der Regel symbolisiert man die Ordnungszahl mit einem großen Z.
Bei fast allen Elementen gibt es aber verschiedene Isotope, die sich bei identischer Ordnungszahl Z nur in der Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. So gibt es Wasserstoff mit keinem Neutron im Kern, Wasserstoff mit einem Neutron und solchen mit zwei Neutronen im Kern.
Die Summe der Protonen und Neutronen im Kern eines Elements bezeichnet man als Massezahl und symbolisiert sie mit einem A. In der Regel wird dieses hinter das Elementzeichen gesetzt - somit gibt es beispielsweise H 1, H 2 und H 3. Allerdings kann man auch die Massenzahl links oben und die Ordnungszahl links unten an das Elementzeichen setzen. Das Isotop H 2 wird übrigens als schweres Wasser bezeichnet und das radioaktive H 3 als Tritium bzw. überschweres Wasser. Sofern man bei einem Isotop nur seinen Atomkern betrachtet, spricht man von einem Nuklid, und sofern ein Isotop bzw. Nuklid instabil ist, also Strahlung abgibt, spricht man von einem Radionuklid.

Aktivität, Becquerel
Die Aktivität einer radioaktiven, also strahlenden Substanz ist ein Maß für die "Menge der Strahlung" der betreffenden Substanz. Physikalisch exakt gibt die Aktivität die Anzahl an Zerfällen pro Zeit an. Die Maßeinheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). Das Becquerel ist wie folgt definiert:

1 Bq = 1 Zerfall / 1 Sekunde

Wenn also innerhalb einer radioaktiven Substanz pro Sekunde 1 Nuklid bzw. Isotop zerfällt, so hat die Substanz eine Aktivität von 1 Bq.

Elektronenvolt, Energiedosis, Sievert, Gray
Die Energie wurde früher in Kalorien bzw. Kilokalorien gemessen. In der Ernährungswissenschaft gibt es diese Einheit sogar immer noch. Die heutige SI- Einheit (Système International d'Unités) der Energie ist das Joule, wobei ein Joule einem Newtonmeter oder einer Wattsekunde entspricht.
In der Kern- oder Atomphysik wird dagegen in Elektonenvolt (eV) oder seinen größeren Einheiten dem Kiloelektronenvolt (keV = 10³ eV), dem Megaelektronenvolt (MeV = 10⁶ eV) oder dem Gigaelektronenvolt (GeV = 10⁹ eV) gerechnet. Dabei gewinnt ein Elektron eine Energie von 1 eV, sofern es durch eine elektrische Spannung von 1 Volt beschleunigt wurde. In die große Einheit des Joules rechnet sich das eV wie folgt um: 1 eV = 1,602 176 · 10^-19 Joule.

Wenn ionisierende Strahlung auf Materie trifft, so reagiert sie in Wechselwirkung mit den Atomen oder Molekülen der Materie. Diese Wechselwirkung besteht in der Regel in der Erzeugung von Ionen und den dabei freigesetzten Elektronen. Dabei verlieren Alphateilchen sehr schnell ihre gesamte Energie, was aber bedeutet, dass sie auf einer relativ kurzen Strecke ihre Energie abgeben und dort zu einer starken Ionisierung führen. Ein Maß für die Energieübertragung auf Materie ist die Energiedosis (D).
Sie gibt an, wieviel Energie eine bestimmte Strahlung in einer bestimmten Materie wie Wasser, Blei oder menschlichem Gewebe übertragen hat. Die Maßeinheit der Energiedosis ist das Gray (Gy). Dabei ist ein Gray wie folgt definiert:

1 Gy = 1 Joule/1 kg

Sofern also eine Strahlung in einem Kilogramm Materie eine Energiemenge von 1 Joule übertragen (abgegeben) hat, liegt eine Energiedosis von 1 Gy vor. Diese Maßeinheit ist für den Physiker eine ausreichende Größe, nicht aber für den Strahlenbiologen bzw. Medizinphysiker. Hier wird für Zwecke des Strahlenschutzes eine Maßeinheit benötigt, die u. a. die art der Strahlung, die Ionisationsdichte und die Art des Gewebes berücksichtigt. Dafür wurde die Äquivalentdosis eingeführt, die sich aus der Multiplikation der Energiedosis mit einem Bewertungsfaktor q ergibt. Dieser Faktor ist für Beta- und Gammastrahlung bis zu Energien im einstelligen MeV-Bereich etwa gleich 1. Aber für Alpha- und Neutronenstrahlung kann er in Abhängigkeit von der Energie Werte bis zu 20 annehmen. Bei Neutronen werden sogar noch höhere Werte diskutiert.
Ein Faktor von 20 bedeutet, dass die Wirkung von Alphastrahlung, verglichen mit einer gleich starken (mit derselben Energiedosis) Gammastrahlung, 20 Mal schädlicher ist. Im Fall der Gammastrahlung mit einer Energiedosis von 1 Gy ergäben sich 1 Sievert und im Fall der Alphastrahlung 20 Sievert.

D_A = q · Gy

Die Einheit der Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv). Sofern ein Mensch einer Ganzkörperstrahlung von 1 Sv ausgesetzt war, stecken in dieser Angabe alle Aussagen über die Art der Strahlung (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung oder andere Strahlung sowie ihre Energie). Die Wirkungen der Strahlung auf den Menschen finden Sie unter: Strahlenwirkung hoher Dosen und Strahlenwirkung niedriger Dosen.

Strahlenbelastung
Es stellt sich natürlich die wichtige Frage, zu welcher Strahlenbelastung beim Menschen eine Strahlenquelle mit einer bestimmten Aktivität führt. Diese Frage lässt sich relativ leicht mit Hilfe der folgenden Gleichung für Gammastrahlung beantworten:

H = Γ·A/r^²

H = Äquivalentdosis pro Zeit (in mSv pro h)
Γ = spezifische Dosisleistungskonstante
A = Aktivität (in GBq = 1 Milliarde Bq)
r = Abstand von der Quelle (in m)

Bei der Berechnung der Strahlenbelastung durch die Gammastrahlung ist eine punktförmige Strahlenquelle angenommen, was in einem größeren Abstand im Verhältnis zur Größe der Quelle recht gut erfüllt ist. Außerdem wird die Schwächung durch die Luft nicht berücksichtigt.
Die Werte für die Dosisleistungskonstante findet man in speziellen Tabellen, ihre Einheit ist mSv·GBq^-1·m²·h^-1. Ein paar Beispiele für Γ:

Inkorperation von Radionukliden
Über die Atmung, die Haut, Verletzungen oder über Essen und Trinken (Trinkwasser) können Radionuklide in den Körper gelangen. Besonders diskutiert wird u.a. die Aufnahme von Jod oder Cäsium und ganz besonders von Plutonium. Dabei stellt sich natürlich besonders die Frage nach der daraus folgenden Strahlenbelastung, wobei beim Plutonium auch dessen chemische Giftigkeit zusätzlich eine Rolle spielt.
Die Berechnung der Dosis, also der Strahlenbelastung, aus der aufgenommenen Aktivität (in Becquerel) ist recht kompliziert. Aber für zahlreiche Nuklide liegen die Werte in Tabellen vor.
Dabei ist die angegebene Dosis eine Ganzkörperdosis, die die Strahlenbelastung über die gesamte Zeit, die das Nuklid sich im Körper befindet, berücksichtigt. Die in den folgenden Beispielen angenommenen Aktivitäten von 1.000 Bq sind bei einer Belastung des Trinkwassers mit Jod oder Cäsium durchaus realistisch, da der - allerdings bis jetzt noch nicht offizielle - Grenzwert bei 500 Bq pro Liter Wasser liegt.

Cäsium
Bei der Aufnahme von 1.000 Bq = 1 kBq Cäsium 137 über die Atmung ergibt sich eine Strahlenbelastung von 9,7 μSv.
Bei der Aufnahme derselben Menge über den Magen-Darmtrakt, also über Essen und Trinken, beträgt die Strahlenbelastung 13 μSv.

Jod
Bei der Aufnahme ;von 1.000 Bq = 1 kBq Jod 131 über die Atmung ergibt sich eine Strahlenbelastung von 2,4 μSv.
Bei der Aufnahme derselben Menge über den Magen-Darmtrakt, also über Essen und Trinken, beträgt die Strahlenbelastung 22 μSv.

Plutonium
Bei der Aufnahme von 1.000 Bq = 1 kBq Plutonium 239 über die Atmung ergibt sich eine Strahlenbelastung von 50.000 μSv = 50 mSv.
Bei der Aufnahme derselben Menge über den Magen-Darmtrakt, also über Essen und Trinken, beträgt die Strahlenbelastung 250 μSv.

Die Strahlenbelastung bei anderen Aktivitäten lässt sich sehr leicht durch Division oder Multiplikation mit den obigen Ergebnissen gewinnen.
So wäre z.B. die Strahlenbelastung von 1 MBq (= 1 Million Bq = 1.000 kBq) Cäsium 137, das über den Magen-Darmtrakt aufgenommen wurde, rund 13 mSv. Bei Plutonium wäre die Strahlenbelastung bei Aufnahme von 1 MBq über die Atmung sogar 50.000 mSv = 50 Sv - eine absolut tödliche Dosis!

Spezifische Aktivität
Unter der Spezifischen Aktivität versteht man die Aktivität eines Radionuklids pro Masse. Der Wert wird in der Regel in Becquerel (Bq) und seinen Obereinheiten wie kBq (1.000 Bq), MBq (Million Bq) oder GBq (Milliarde Bq) pro Gramm (g) bzw. dessen Untereinheiten angegeben.
Eine Aktivität von 1 MBq = 10⁶ Bq entspricht beispielsweise der folgenden Menge in Gramm (g):

Jod 131: 0,22 ng (1 ng = 1 Milliardestel Gramm)
Plutonium 239: 0,43 mg (1 mg = Tausendstel Gramm)
Polonium 210: 2 ng