Strahlungsarten

Radioaktivität und Strahlung in Film und Literatur

Radioaktivität und Strahlung werden in zahlreichen Filmen, Serien und Comics unterhaltsam thematisiert. Dabei wird jedoch häufig ein falsches Bild vermittelt, welches die Auswirkungen von Strahlenbelastung stark verharmlost.

Arbeitet in Kleingruppen!

1. In welchen Superhelden-Erzählungen kommt Strahlung/Radioaktivität vor?
2. Wie wird darin Strahlung/Radioaktivität dargestellt? Erstellt eine Liste!
3. Wie unterscheiden sich diese Darstellungen von eurer Vorstellung?

Elektromagnetische Strahlung

Strahlung transportiert Energie von einer Strahlungsquelle zu anderen Orten. Die Sonne erzeugt Strahlungsenergie, die zu uns (und anderen Himmelskörpern) gelangt und so das Leben auf der Erde ermöglicht.

Die Sonne ist natürlich nicht die einzige Quelle elektromagnetischer Strahlung.

Die Temperatur bestimmt dabei, in welchem Wellenlängenbereich das Maximum der Wärmestrahlung liegt.

Das Maximum der Wärmestrahlung der Sonne liegt im Bereich des sichtbaren Lichts. Das Maximum der Wärmestrahlung der Erde (und auch von Menschen, Tieren, Pflanzen, ...) liegt im IR-Bereich. Die unterschiedlichen Strahlungsarten werden bei der elektromagnetischen Strahlung durch ihre Wellenlänge charakterisiert.

Teilchenstrahlung

Teilchenstrahlung kann man sich wie einen Strom von Teilchen vorstellen. Je nach Geschwindigkeit der Teilchen, haben sie mehr oder weniger Energie. Manche Teilchen sind elektrisch geladen, manche neutral.

Die Teilchenstrahlung wird nach der Sorte der Teilchen, aus denen sie besteht, eingeteilt. Zu den häufigsten gehören:

• Alphastrahlung (Heliumkerne/Heliumionen),
• Betastrahlung (Elektronen oder Positronen; auch Elektronenstrahlung, Positronenstrahlung)
• Protonenstrahlung (Protonen)
• Neutronenstrahlung (Neutronen)

Es gibt unterschiedliche Quellen von Teilchenstrahlung – sowohl auf der Erde als auch im Weltraum:

• Zerfall radioaktiver Elemente: unter anderem Alphastrahlung und Betastrahlung
• Sonnenwind und Sonneneruptionen: Sie bestehen überwiegend aus Protonen und α-Teilchen (Heliumkerne) und lösen in der Ionosphäre Polarlichter aus, wenn sie auf die Erdatmosphäre treffen.
• Kosmische Strahlung: Als kosmische Strahlung wird die gesamte Teilchenstrahlung bezeichnet, die vom Weltraum auf die Erde trifft.

Kosmische Strahlung

Kosmische Strahlung stammt beispielsweise von der Sonne, aus der Milchstraße, anderen Galaxien und von explodierenden Sternen. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, enthält aber auch Elektronen und andere Atomkerne (z. B. Eisenkerne/Eisenionen). Vor der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern war die kosmische Strahlung die einzige Quelle hochenergetischer Teilchen, die für Experimente der Teilchenphysik herangezogen werden konnte.

Wir sind der hochenergetischen kosmischen Strahlung nicht schutzlos ausgeliefert. Geladene Teilchen werden vom Magnetfeld der Erde aus ihrer Bahn abgelenkt und zum Teil in einer Umlaufbahn eingefangen. Das führt zu einem Strahlungsgürtel aus energiereichen geladenen Teilchen in 700 bis 6 000 km Höhe.

Neben dem Erdmagnetfeld dient auch die Erdatmosphäre als Schutzschild. Der größte Teil der auf die Erde eintreffenden, primären kosmischen Teilchenstrahlung wird durch Kollision mit Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in der Ionosphäre abgebremst. Dabei entstehen sekundäre Teilchenschauer und elektromagnetische Strahlung, die wiederum auf neue Moleküle treffen und diese ionisieren: Es entstehen sehr viele positiv geladene Ionen und freie Elektronen. Die Anzahl der geladenen Teilchen und damit auch die Dicke der Ionosphäre ändert sich im Tagesverlauf sowie mit der Sonnenaktivität, und ist auf der Sonnenseite höher.

In Summe ergibt sich daraus, dass die Strahlungsbelastung auf der Erde in Bodennähe gering ist, aber mit der Höhe zunimmt (Höhenstrahlung).

Ein weiteres Resultat dieses Effekts ist die kontinuierliche Entstehung von radioaktiven Kohlenstoff-14-Atomen aus Stickstoff, welche zur C-14 Datierung in der Archäologie verwendet werden.

Mithilfe einer Nebelkammer (ein mit übersättigten Luft-Alkohol-Gemisch gefüllter Behälter) können die Spuren der kosmischen Strahlung auch beobachtet werden. Darin erzeugt Teilchenstrahlung zahlreiche Ionen, die zur Kondensation kleiner Tröpfchen führen: Eine Nebelspur wird sichtbar, ähnlich einem Kondensstreifen.

Ionisierende Strahlung

Nach der Wirkung der Strahlung wird zwischen ionisierender und nicht-ionisierender Strahlung unterschieden, unabhängig davon, ob es sich um elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung handelt.

Bei ionisierender Strahlung wird mehr Energie pro Zeiteinheit transportiert als bei nicht-ionisierender Strahlung. Die ionisierende Strahlung ist „energiereicher“ als nicht ionisierende.

• Teilchenstrahlung ist bei hoher Geschwindigkeit der Partikel ionisierend (kinetische Energie).
• Elektromagnetische Strahlung hat bei kleineren Wellenlängen (ab Wellenlängen unter rund 250 nm bzw. ab kurzwelliger UV-Strahlung) genug Energie um Elektronen aus Atomen herauszuschlagen. Durch die Wechselwirkung mit der ionisierenden Strahlung nehmen die Elektronen des Atoms so viel Energie auf, dass sie das Atom verlassen können. Dabei entstehen aus neutralen Atomen oder Molekülen positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen. Diese Ladungsträger können den elektrischen Strom leiten – das ist direkt messbar.

In manchen Ländern (USA, Australien, früher auch in Europa) wird diese ionisierende Wirkung von Strahlung in einer ganz alltäglichen Anwendung direkt genutzt: Die Alphastrahlung des radioaktives Elementes Americium-241 (in Form einer Americumoxidtablette) wird dort heute noch in Rauchmeldern verwendet, um Luft zu ionisieren und damit für elektrischen Strom leitfähig zu machen. Rauch in der Luft verändert diese Leitfähigkeit und der Alarm wird ausgelöst.

Strahlungsschäden

Wenn Strahlung auf Materie einwirkt, wird Energie übertragen. Je nach Art der Strahlung kann das ganz unterschiedliche Auswirkungen haben. Auf der Erde sind alle Lebewesen andauernd geringen Mengen elektromagnetischer Strahlung (z. B. durch Wärmestrahlungen) und Teilchen Strahlung ausgesetzt – sowohl ionisierender als auch nicht ionisierender. Diese Hintergrundstrahlung ist nicht überall gleich hoch und die Strahlungsquellen liegen im Weltall, in der Atmosphäre, im Erdboden und sogar in unserem eigenen Körper. Unsere Körper haben viele Reparaturmechanismen, um kleinere Strahlungsschäden zu reparieren.

Dringt ionisierende Strahlung in Materie ein, kann sie diese verändern. Elektronen können aus Atomen herausgeschlagen, chemische Verbindungen aufgebrochen und Ionen sowie hoch reaktive Radikale gebildet werden. Diese Veränderungen können bei lebenden Organismen Schäden in den Zellen verursachen. Dadurch kann es kurzfristig zum Zelltod kommen, und das Gewebe stirbt ab. Die Stärke dieser schnell auftretenden Schäden steigt direkt mit der Strahlendosis (Strahlenkrankheit).

Äquivalentdosis

Die langfristige Einwirkung von selbst sehr kleinen Dosen ionisierender Strahlung kann Jahre oder Jahrzehnte später zur Entstehung von Krebszellen und Tumoren führen. In niedrigen Dosisbereichen steigt die Wahrscheinlichkeit für auftretende Schäden mit der Höhe der Dosis.

Um diesen längerfristigen Effekt unterschiedlicher ionisierende Strahlungsarten auf den menschlichen Körper vergleichen und bemessen zu können, gibt es die Äquivalentdosis mit der SI-Einheit Sievert (Sv).

Die jährliche Belastung durch ionisierende Strahlung beträgt in Österreich durchschnittlich 4,3 mSv (Millisievert) pro Person und setzt sich aus natürlich vorhandener Strahlenbelastung und der zivilisatorischen Strahlenbelastung zusammen.

Ein Großteil der natürlichen Strahlenbelastung in Österreich wird von dem radioaktiven Edelgas Radon verursacht. Rund ein Drittel wird durch Strahlung die aus dem Weltraum kommt (kosmische Strahlung) sowie durch Strahlung von Elementen die in Gesteinen enthalten sind (terrestrische Strahlung) und durch die Aufnahme natürlicher radioaktiver Stoffe mit der Nahrung verursacht.

Die zivilisatorisch verursachte Strahlenbelastung wird zum größten Teil durch die Anwendung radioaktiver Stoffe und ionisierender Strahlung in der Medizin (z. B. Röntgenaufnahmen) verursacht.

Die natürliche Strahlenbelastung auf unserem Planeten hat sich seit der Entdeckung der Radioaktivität durch den Einfluss des Menschen bereits geringfügig erhöht. Dies geschah durch oberirdische Atomwaffenversuche und Unfälle wie Tschernobyl und Fukushima, bei denen Radionuklide weltweit verteilt wurden.

Auch nicht ionisierende elektromagnetische Strahlung kann unter Umständen Schäden an Personen verursachen, wenn sie intensiv genug ist. Dies geschieht durch die Absorption (Aufnahme) der Strahlung im Gewebe, was zu Wärmefreisetzung oder Reizungen der Nerven führen kann. Es ist wichtig, Sicherheitsbestimmungen einzuhalten, zum Beispiel Laserpointer oder UV-Taschenlampen nicht auf die Augen zu richten.

Strahlenkrankheit

Wenn Menschen sehr hohen Dosen ionisierender Strahlung (über 1 Sv) ausgesetzt sind, werden viele Zellen im Körper gleichzeitig so stark geschädigt, dass sie sich nicht mehr teilen können oder sogar absterben. Die Symptome, die dabei auftreten, werden Strahlenkrankheit genannt.

Sie spiegeln wieder, wo im Körper Zellen besonders aktiv sind und sich häufig erneuern müssen, wodurch sie besonders empfindlich auf Störungen durch ionisierende Strahlung reagieren können. Dies betrifft beispielsweise Zellen der Schleimhäute, der Haarwurzeln, des Knochenmarks und des Verdauungstraktes.

Bei der Strahlenkrankheit hängen Verlauf und Überlebenschancen direkt von der Höhe der erhaltenen Äquivalentdosis ab.

Ab extrem hohen Dosen von über 20 Sv am ganzen Körper beginnen alle Körperzellen, inklusive der Zellen im Gehirn, zu sterben. Auf Schwindel, Erbrechen und Kopfschmerzen folgen sehr schnell Koma und Tod.

Schutz vor Strahlungsschäden

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