Ioniserende stråling

Advarselsskilt i henhold til ISO 7010 mot radioaktive stoffer eller ioniserende stråling (også på skjermbeholdere)

Advarselsskilt i henhold til ISO 21482 direkte på farlige radioaktive stoffer

Ioniserende stråling (også ioniserende stråling ) er et begrep for enhver partikkel- eller elektromagnetisk stråling som er i stand til å fjerne elektroner fra atomer eller molekyler (hovedsakelig gjennom kollisjonsprosesser) slik at positivt ladede ioner eller molekylære rester forblir ( ionisering ).

Noe ioniserende stråling kommer fra radioaktive stoffer. Det forkortede begrepet radioaktiv stråling blir noen ganger brukt daglig for dem . Slik stråling kalles også kjernefysisk stråling .

Betegnelsen som ioniserende stråling går tilbake til Joseph John Thomson , som kunngjorde 27. februar 1896 at røntgenstråler delte luftmolekylene i elektrisk ladede partikler og beskrev dette som "luften er ionisert".

Typer av ioniserende stråling

Ioniserende stråling er enhver stråling hvis kinetiske energi (i tilfelle partikler) eller kvanteenergi (i tilfelle bølger) er tilstrekkelig til å frigjøre elektroner fra et atom eller molekyl - også via mellomreaksjoner. For å generere den ioniseringsenergien som kreves for dette , må partikkel- eller kvanteenergien vanligvis være mer enn omtrent 5 elektronvolt (eV).

• I det elektromagnetiske spekteret tilsvarer dette bølgelengder på mindre enn 250 nm; har derfor bare kosmiske stråler ( kosmisk stråling ), gammastråling , røntgenstråling og kortbølget ultrafiolett stråling tilstrekkelig kvanteenergi til elektroner fra atomskallene til å løse, og så skilles kovalente bindinger . Derimot er ikke radiobølger , radarbølger, mikrobølger , infrarød stråling eller synlig lys ioniserende stråling, fordi de ikke kan endre eller bryte ned molekyler permanent (bortsett fra spesielle, lysfølsomme stoffer). Molekyler som ville bli brutt ned av slike lavenergi fotoner kan ikke eksistere i henhold til normale forhold .
• Gratis protoner , elektroner eller andre ladede partikler regnes som ioniserende stråling fra en kinetisk energi på ca. 5 eV. Følgelig er alfastråling (positivt ladede heliumkjerner) og beta-stråling (negativt ladede elektroner eller positivt ladede positroner) alltid ioniserende stråling.
• Fordi de er elektrisk nøytrale, har frie nøytroner ikke noe merkbart samspill med elektroner. Imidlertid ioniserer de indirekte gjennom kjernefysiske reaksjoner eller spredningsprosesser på atomkjerner. Den mest effektive overføringen av hurtige nøytroner skjer på hydrogenatomkjerner, som har nesten samme masse ( elastisk kollisjon ). Derfor er vann på den ene siden en god moderator ; på den annen side er raske nøytroner spesielt farlige for levende vev fordi de alltid inneholder vann (f.eks. i cytosolen ). Hver vannmolekyl (H ₂ O) inneholder to hydrogenatomer (H).

Interaksjon med materie

Materiale beskytter ioniserende stråling gjennom absorpsjon .

Den eponyme mekanismen - ionisering - er frigjøring av elektroner fra atomskall. Ioniserende stråling er omtrent delt inn i løs og tett ioniserende stråling: Stråling fra massive partikler (protoner og ioner) er tett ioniserende fordi partiklene nesten kontinuerlig frigjør energi til det gjennomtrengte mediet på vei og ioniserer det i prosessen. Fotoner (dvs. røntgenstråler eller gammastråler ) er tynne ioniserende. Hvis det er nok energi overført til det frigjorte elektronet, snakker man om et delta-elektron , som igjen kan ionisere seg selv. Høyenergielektroner genererer i materie utover bremsstrahlung , som også virker ioniserende. Elektronstråling regnes også som løst ioniserende stråling. Banene til ioniserende ladede strålingspartikler kan observeres i et skykammer som spor av tåke .

Jo tettere en type partikkel ioniserer, desto mer uttalt karakteriserer økningen i lineær energioverføring / bremsekapasitet , dvs. Jeg. energiproduksjonen per avstand mot slutten av stien ( Bragg-toppen ).

	ladede partikler (f.eks. alfastråling og beta-stråling ): direkte ioniserende
	uladede partikler (f.eks. gammastråling og nøytronstråling ): indirekte ioniserende
Interaksjon av ioniserende stråling med materie: I tilfelle av innfallende nøytron, vises noen typiske mellomprosesser i hydrogenholdig materiale. Gamma-kvanta er representert av bølgede linjer, ladede partikler og nøytroner med rette linjer eller rette linjer. De små sirkler representerer ioniseringsprosesser.

Fotoner (gamma quanta) ioniserer ikke kontinuerlig på vei som alfa- eller beta-partikler. Samspillet mellom et gammakvantum og materie skjer gjennom en av følgende tre prosesser:

1. Fotoeffekt : Med fotoeffekten banker fotonet et elektron ut av skallet til et atom.
2. Compton-effekt : For hver Compton-spredning gir fotonet energi til et truffet elektron og flyr videre i en annen retning med redusert energi.
3. Pardannelse : I pardannelse forsvinner fotonet; dens energi fører til dannelsen av et partikkel-antipartikkel-par.

Interaksjonsprosesser for gammastråling som en funksjon av energi og atomnummer

Ved lave energier og store atomnumre dominerer den fotoelektriske effekten, ved høye energier og store atomnumre er parformasjonen, i mellom i området 0,1 til 20 MeV for lyselementer Compton-spredningen (se diagram). Hvis energien til fotonet er tilstrekkelig høy, kan raske protoner eller nøytroner også frigjøres gjennom den nukleare fotoeffekten, og radionuklider kan dannes.

Ioniserende stråling bryter opp kjemiske forbindelser og det opprettes høyreaktive radikaler . Det er her deres biologisk skadelige effekt ligger. Radiolysisering av vann er spesielt relevant for strålingsbiologi . De reaktive oksygenarter som genereres på denne måten er ansvarlige for den såkalte oksygeneffekten . De reagerer med molekyler som enzymer eller DNA , som inaktiverer eller skader dem, og som kanskje må repareres . I motsetning til tynt ioniserende stråling, skaper tett ioniserende stråling kompleks DNA-skade som er mye vanskeligere å reparere, med flere individuelle skader i umiddelbar nærhet, noe som fører til en høyere relativ biologisk effektivitet , som tas i betraktning i strålingsbeskyttelse gjennom strålingsvektende faktorer.

Stråleeksponering av befolkningen

Naturlige strålekilder

Den stråling for ioniserende stråling fra naturlige kilder leder for innbyggerne i Tyskland, avhengig av bosituasjon (hjemme osv) til en tilsvarende dose 1-10 mSv per år. Dette er hovedsakelig kosmiske stråler og stråling fra radioaktive stoffer som forekommer naturlig i jordskorpen, bygningsmaterialer og i atmosfæren, f.eks. B. de radioaktive isotoper av de vitale elementene karbon og kalium . Menneskekroppen selv inneholder også en liten mengde av disse radioaktive stoffene, som holdes konstant av stoffskiftet .

• Naturlig forekommende radioaktivitet:
  • Radon (kan akkumuleres spesielt i kjellerrom)
  • Kalium -40 og andre radionuklider i steiner og byggematerialer
  • radioaktive partikler innebygd i mat
  • innhold av naturlig karbon 14 i mat og luft
• Kosmisk stråling : hovedsakelig hurtigladede partikler, sekundær stråling gjennom interaksjon med atmosfæren når jordoverflaten; ansvarlig z. B. for strålingseksponering under flytrafikk. Lasten øker med høyden over havet.
• Stråling fra solen : Ultrafiolett (UV-B absorberes nesten fullstendig, men fører fremdeles til solbrenthet , blant annet ; UV-C absorberes fullstendig i atmosfæren og fører til ozonlaget ved å bryte opp det molekylære oksygenet), partikkelstråling ( solvind ) fører til nordlys.

Sivilisering av strålekilder

Den årlige dosen fra sivilisering av strålekilder er i gjennomsnitt i samme størrelsesorden som den naturlige. Hun er fra

• medisinske strålingsapplikasjoner som røntgen eller strålebehandling ,
• radioaktivt materiale som ble frigitt i tidligere atomvåpenforsøk eller atomulykker som Tsjernobyl ,
• Atomreaktorer og partikkelakseleratorer .

Røntgenstråler oppstår også uunngåelig som et "biprodukt" i enheter der elektroner akselereres med høy spenning, for eksempel rørskjerm , elektronmikroskop , radarsendere eller elektronstrålesveisesystemer . Det er en mening om dette fra Medical Advisory Board on “Occupational Diseases” ved det tyske forbundsdepartementet for arbeid og sosiale forhold.

effekt

Størrelser og måleenheter

Absorbert dose

Den absorberte dosen er den for et bestrålt objekt, f.eks. B. kroppsvev, mengde energi absorbert per masseenhet over en stressperiode. Det avhenger av intensiteten til bestrålingen og absorpsjonskapasiteten til det bestrålte stoffet for den gitte typen og strålingsenergien.

• SI- enhet: Grey Gy; 1 Grå = 1 J / kg (ikke-vektet stråling fra en kilde)

Ionedose

Den ion-dosen er et mål for styrken på ionisering, uttrykt ved ladningen frigjort pr massen av den bestrålte stoff.

• SI- enhet: C / kg ( coulomb per kilogram )

Tilsvarende dose

Den ekvivalente dosen er et mål på styrken av den biologiske effekten av en viss stråledose; deres gyldighet er begrenset til bruk i strålevern . Tilsvarende doser av samme størrelse er derfor sammenlignbare når det gjelder effekten på mennesker, uavhengig av type og energi av stråling.

Doseekvivalenten oppnås ved å multiplisere den absorberte dosen i grått med strålingsvektsfaktoren (tidligere kalt kvalitetsfaktor), som på en forenklet måte beskriver den relative biologiske effektiviteten til den aktuelle strålingen. Det avhenger av typen og energien til stråling. For eksempel er strålingsvektsfaktoren for beta- og gammastråling 1; den tilsvarende dosen i Sv er numerisk lik den absorberte dosen i Gy. For andre typer stråling gjelder faktorer på opptil 20 (se tabell i strålingsvektsfaktor).

• SI- enhet: Sievert Sv; 1 Sv = 1 J / kg

Se også: størrelsesorden (doseekvivalent)

Biologisk effekt

Radikaler generert av ioniserende stråling forårsaker vanligvis større skade gjennom påfølgende kjemiske reaksjoner enn ødeleggelsen av det første molekylet ved stråling alene. Denne effekten er ønskelig , for eksempel i kampen mot kreft , fordi den favoriserer død av berørte celler, i dette tilfellet ideelt tumorceller. Den Radonbalneologie sett av edelgassen på den terapeutiske effekt av radon i visse sykdommer.

Det er forskjellige meninger om omfanget av skadelighet:

• Strålingssykdom oppstår fra kortvarig eksponering på rundt 0,2 til 1,0  Sv . 4  Sv da kortvarig bestråling er dødelig i 50% av tilfellene, er 7 Sv definitivt dødelig. Det manifesterer seg i et svekket immunforsvar og brenner . Uten tvil ødelegges så mange molekyler med biologiske funksjoner på en gang fra en høy strålingsdose (større enn ca. 2  Sv ) samtidig at de berørte cellene ikke lenger er levedyktige. Det opprettes også for mange giftige stoffer fra nedbrytningen av molekyler som dreper cellen. På molekylært nivå er blant annet den skadelige effekten av radikaler forårsaket av radiolysis involvert. Som en langsiktig konsekvens er endringer i genetisk materiale også hyppige, som med en viss sannsynlighet kan føre til kreft , men fremfor alt til mutasjoner som kan føre til misdannelser hos avkom eller utviklende embryoer / fostre samt total sterilitet (infertilitet) ) (se også strålerisiko ).
• Ved gjennomsnittlige levetidsdoser på rundt 0,1  Sv , som tilsvarer omtrent dosen som en person inntar i løpet av 76 år på grunn av den konstante naturlige strålingen på (i Tyskland) opp til 1,3 mSv / a, er det ingen slående observasjoner. tilsynelatende har alle levende vesener tilpasset seg det i løpet av evolusjonen.
• Effekten av svært lave doser rundt 0,02  Sv er kontroversiell:
  1. Noen eksperter antyder at skadeligheten av ioniserende stråling avtar lineært med avtagende dose. Siden risikoen for å dø av kreft bare økes med 1 ‰ ved 0,02  Sv i henhold til den lineære modellen, vil det være behov for millioner av testpersoner for pålitelig statistisk bevis. Slike bevis er ikke mulig.
  2. Betydelig færre forskere registrerer indikasjoner på at lavere strålingseksponering også kan forårsake større skade; for eksempel fordi immunforsvaret "sovner" på grunn av mangel på aktivitet og følsomheten for sykdom øker. Det er kontroversielt om en reduksjon i naturlig strålingseksponering kan fremme sykdom (se Hormesis ).

Den alfa-stråling har på levende vev ved sin ioniserende strøm særlig høy skadelig virkning, men det har å lufte et område på bare noen få centimeter, og kan ved en enkel ark fullstendig skjermet være (det samme formål møte de beste døde hudflak) , slik at alfa-emittere som er plassert utenfor menneskekroppen i stor grad er ufarlige. Alfa-emittere er farlige når de kommer i direkte kontakt med levende vev. En måte å gjøre dette på er å inhalere aerosoler som absorberes gjennom slimhinnene i luftveiene; radioaktivt støv lagres i lungene og kan forårsake kreft der. På grunn av sine kjemiske egenskaper lagres ikke edelgassradon i kroppen, men er truet av radioaktivt forfall i lungene under innånding . Hvis en veldig kraftig alfa-emitter (halveringstid på noen dager eller mindre) har blitt inntatt gjennom mat eller injisert i blodet, kan til og med noen få mikrogram være dødelig for mennesker.

Dessuten kan ultrafiolett stråling virke ioniserende fordi de kortere bølgelengdekomponentene på grunn av ozonlaget bare når en liten andel av solen på jordoverflaten, øker risikoen for hudkreft.

Andre effekter

Ioniserende stråling kan forårsake feil i mikroelektroniske kretser (chips) (bitfeil i RAM osv.). Disse feilene oppstår oftere, jo lavere blir ladningene på de respektive komponentene. De er derfor de mest urovekkende i veldig små strukturer. Stabiliteten mot slike feil er et viktig designkriterium. Egnede vernetiltak må treffes, spesielt for bruk i rommet.

Biologiske og kjemiske anvendelser av ioniserende stråling

I biologien brukes hovedsakelig den muterende og steriliserende effekten. I planteforedling genereres for eksempel ”strålingsinduserte mutasjoner” ( mutagenese ) som kan produsere modifiserte arter . Et bruksområde er “ steril insektteknologi ”, eller kort sagt SIT. Insektdyr fra hanner steriliseres av gammastråling og frigjøres deretter i målområdet. Fraværet av avkom fører til en nedgang i befolkningen. Fordelen her er at ingen skadelige kjemikalier brukes og andre insekter forblir upåvirket.

Ioniserende stråling er også egnet for sterilisering av apparater, implantater, mat og drikkevann. Dette dreper mikroorganismer. Imidlertid gjelder strenge krav til strålesterilisering av mat. Veksten til en frøplante kan forbedres ved svak stråling, mens overdreven stråling har en veksthemmende effekt.

Ved produksjon av polymerer muliggjør bestråling tverrbinding uten å generere varme. Store komponenter kan også kobles sammen med stråling som trenger langt inn. Blant annet benyttes beta-stråling (strålingstverrbundne isolasjonsmaterialer) og ultrafiolett stråling (herding av syntetiske harpikslakklag). Når aktivatorer tilsettes, kan noen polymerreaksjoner også initieres ved bestråling med synlig lys.

Ioniserende stråling kan forårsake fargeforandringer i edelstener, briller og pigmentert plast. I krystaller som korund gjøres dette ved å lage fargesentre .

Den fotolitografi (u en i .. Microelectronics - og trykte kretskortet produksjons ) anvendelser tverrbindingsreaksjoner (positiv motstå) eller spaltningsreaksjoner (negativ resist) som er forårsaket av ultrafiolett, røntgen, ion eller beta-stråling.

Ultrafiolett stråling kan brukes til klorfri bleking av cellulose . Fargekomponentene i stoffene brytes ned kjemisk og omdannes til flyktige eller vaskbare stoffer.

Strålevern

Mennesker kan ikke oppfatte ioniserende stråling direkte, enten fra radioaktive eller andre kilder. Spesiell forsiktighet er derfor nødvendig for effektiv strålebeskyttelse ved håndtering av radioaktive materialer. Avskjerming, opprettholdelse av en lang avstand og begrensning av lengden på tiden i strålingsfeltet ( 3-A-regel ), om nødvendig, er bruk av måle- og advarselutstyr ( dosimetre ) nyttig .

litteratur

• Hanno Krieger: Grunnleggende om strålingsfysikk og strålevern . 4. utgave, Springer 2012, ISBN 978-3-8348-1815-7 .

weblenker

• Den "Glossary stråle beskyttelse" av den Jülichs Research Center forklart mange begreper runde (ol-enheter, dosebetingelser, alfa-, beta-, gamma- stråling, stråling) til ioniserende stråling.

Individuelle bevis

1. ^ Heinz Otremba: Wilhelm Conrad Röntgen. Et liv i vitenskapens tjeneste. En dokumentasjon med vitenskapelig forståelse av Walther Gerlach . Frankisk firma trykkeri, Würzburg 1970, s. 55.
2. ^ Håndbok for strålingskreftfysikk IAEA, avdeling for menneskers helse, dosimetri og medisinsk strålingsfysikk. Kapittel 19, s. 487. Hentet 2. mars 2015.
3. ↑ Helserisiko ved eksponering for lave nivåer av ioniserende stråling Komité for å vurdere helserisiko fra eksponering for lave nivåer av ioniserende stråling, Board on Radiation Effects, Research Division on Earth and Life Studies, National Research Council of the National Academies. ISBN 0-309-09156-X (paperback), ISBN 0-309-53040-7 (pdf). S. 19. Tilgang 2. mars 2015.
4. ↑ Eric J. Hall, Amato J. Garcia: Radiobiology for the Radiologist, 7. utgave, Lippincott Williams & Wilkins 2012, ISBN 978-1-4511-5418-4 .
5. ↑ Vitenskapelig mening om sykdommer forårsaket av ioniserende stråling
6. ↑ Ray F. Evert, Susan E. Eichhorn: Esaus plante anatomi meristemer, celler og vev av planter - deres struktur, funksjon og utvikling . Walter de Gruyter, 2009, ISBN 978-3-11-020592-3 , s. 108 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
7. ↑ Claus Grupen, Tilo Stroh, Ulrich Werthenbach: Grunnleggende kurs om strålevern, praktisk kunnskap for å håndtere radioaktive stoffer . Springer-Verlag, 2008, ISBN 978-3-540-75849-5 , s. 191 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
8. ↑ Heinz M. Hiersig : Leksikonproduksjonsteknikk, prosessteknikk . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-57851-9 , s. 85 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
9. ↑ Werner Stolz: Grunnleggende om radioaktivitet - Måling - Applikasjoner . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-01497-3 , pp. 166 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
10. ↑ Hans J. Mair: plast i kabelteknologi, testing, erfaring, tendenser; med 34 bord . ekspertverlag, 1999, ISBN 978-3-8169-1511-9 , s. 279 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
11. ↑ Bodo Müller, Johann Georg Leutmann, Ulrich Poth: Malingformulering og malingoppskrift, lærebok for trening og praksis . Vincentz Network GmbH & Co KG, 1978, ISBN 978-3-87870-170-5 , s. 239 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
12. ↑ Florian Neukirchen: Edelstener Strålende vitner for utforskningen av jorden . Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8274-2922-3 , pp. 9 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
13. ↑ Andreas Risse: Produksjonsprosesser innen mekatronikk, presisjonsteknikk og presisjonsteknologi . Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8348-8312-4 , s. 524 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk).