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Radioaktivität, Strahlung und Strahlenwirkungen

Einleitung

Radioaktivität ist im Aufbau der Materie - genauer im Aufbau von Atomen begründet. Im Gegensatz zur Chemie spielen Elektronen und Kernladungen keine Rolle. Radioaktivität entsteht ausschließlich durch Reaktionen, die im Atomkern ablaufen. Es sind Reaktionen unter Freisetzung von Energie, die es dem System Atomkern erlauben einen stabileren Zustand zu erreichen. Die Stabilität von Atomkernen hängt unmittelbar vom Verhältnis der Protonen zu den Neutronen ab. Protonen sind die positiven Ladungsträger, deren Anzahl der Chemiker nutzt um das Atom als Element zu bestimmen. So besitzt das Element Kohlenstoff immer sechs Protonen. Neutronen sind der "Kleber" zwischen den sich abstoßenden Ladungen. Ist zu viel oder zu wenig Kleber im Atomkern vorhanden, ist das Atom instabil und es führt Kernreaktionen durch, um stabiler zu werden. Kohlenstoff mit sechs Neutronen ist stabil, Kohlenstoff mit acht Neutronen ist uns als Radiocarbon C-14 bekannt. Es zerfällt zum stabilen Stickstoff mit sieben Neutronen und sieben Protonen. In 5730 Jahren ist die Hälfte C-14 in Stickstoff umgewandelt. 5730 Jahre ist die Halbwertzeit von C-14, korrekter als 14C bezeichnet. So bezeichnete Elemente nennt man Nuklide.

Dieses einfache Denkmodell beschreibt, warum Radioaktivität nicht auf Umwelteinflüsse, wie Druck, Temperatur, Lichteinstrahlung, … reagiert. Einen Einfluss auf das Verhältnis Protonen zu Neutronen zu gewinnen bedarf hoher technischer Anstrengungen. Ohne Neutronen-Quellen, Protonen-Quellen, Kernreaktoren, Linearbeschleuniger oder Fusionsreaktoren sind Kernreaktionen nicht auszulösen.

Dieses Denkmodell lässt aber auch verstehen, warum es solare Häufigkeiten der Atomkerne gibt. Egal woher außerirdische Steine kommen, man wird die gleichen Elemente finden, insbesondere die Elemente der Eisengruppe. Man kann sogar die Herkunft der Steine im vielfachen der mittleren Entfernung zwischen Erde und Sonne ermitteln. Der Grund liegt in der Strahlung, die im Weltall vorherrscht. Die kosmische Strahlung ist in der Lage Kernreaktionen auszulösen. Die Produkte dieser Kernreaktionen können nachgewiesen werden und mit der Strahlungsdauer und somit der Wegstrecke im All in Einklang gebracht werden. Es wundert daher nicht, dass die Untersuchung der Höhenstrahlung und die Astrophysik wesentlich zum Verständnis der Entstehung der Materie, die immer über Radioaktivität erfolgte, beigetragen haben. Seit dem Urknall gibt es radioaktive Stoffe. Einige haben Halbwertszeiten, die länger sind als der Zeitablauf seit dem Urknall. Insbesondere Thorium, Uran und Kalium senden immer noch Energie aus, da ein kleiner aber hochwirksamer Anteil an Nukliden radioaktiv ist. Wir nennen diese Nuklide radioaktive Stoffe natürlichen Ursprungs. Die Reaktionen dieser Stoffe und andere Kernreaktionen bestimmen die Temperatur in und auf der Erde, ebenso wie die Strahlungsenergie der Sonne. Sie sichern unser Überleben. Dennoch kann Radioaktivität schnell verheerende Folgen haben. Ursächlich ist die ionisierende Strahlung, deren Messung unter Messverfahren erläutert wird.

Natürliche StrahlenexpositionInhalte ein- bzw.ausblenden

Die in unserer Umwelt in verschiedenen Formen vorkommenden radioaktiven Stoffe - auch im Menschen selbst - sind seit Urzeiten allgegenwärtig. Sie führen über diverse natürliche Prozesse zur natürlichen Strahlenexposition.

Die natürliche Strahlenexposition setzt sich wie folgt zusammen:

  • direkte terrestrische Strahlung,
  • direkte kosmische Strahlung,
  • Strahlung durch natürliche Radionuklide in der Nahrung,
  • Radongas und seine Zerfallsprodukte

Das radioaktive Edelgas Radon wird durch den natürlichen Zerfall der Uran-Radium- und Thorium-Reihe fortlaufend im Boden gebildet, je nach Gehalt der im Boden vorhandenen Erze und verursacht einen Großteil der natürlich bedingten Strahlenexposition.

Als effektive Jahresdosis aus der natürlichen Strahlenexposition können im Mittel für eine in Deutschland lebende Person folgende Werte angegeben werden:

  • aus direkter terrestrischer Strahlung 0,4 mSv,
  • aus direkter kosmischer Strahlung 0,3 mSv,
  • durch natürliche Radionuklide in der Nahrung 0,3 mSv,
  • durch Radon und seine Zerfallsprodukte 1,1 mSv.

[Quelle: BMUB (Hrsg.), Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung, Jahresbericht 2015, www.bfs.de]

...auch Gegenstände des täglichen Lebens können radioaktive Stoffe enthalten, z. B. uranhaltige Gläser oder mit leuchtenden Farben glasierte Fliesen, Teller etc.:

Gegenstände des täglichen Lebens
© LUNG440
Gegenstände des täglichen Lebens
© LUNG440

Ionisierende StrahlungInhalte ein- bzw.ausblenden

Ionisierende Strahlung ist das Fachwort für "Radioaktive Strahlung", die Strahlung ist nicht radioaktiv, denn sie besitzt nicht ausreichend Energie, um das Verhältnis zwischen Protonen und Neutronen in Atomkernen zu verändern sie entsteht bei diesen Prozessen. Eine Verstrahlung im Sinne von "Radioaktivmachung" gibt es nur im Zusammenhang mit Neutronen- und Protonen-Quellen hoher Strahlungsdichten. Verstrahlung ist daher kein gültiger Begriff im Zusammenhang mit Strahlenwirkungen.

Als ionisierende Strahlungsarten treten Energiepakete, schnelle Elektronen und schnelle Helium-Kerne auf. Die Energie der Strahlung wird in Elektronenvolt (eV) angegeben. Die Angabe nennt die Spannung, die im Vakuum auf einer Stärke von einem Meter angelegt werden müsste, um einen Strahl auf null abbremsen zu können. Der Strahlenschutz beschäftigt sich mit der Strahlung, die im menschlichen Körper wirksam wird. Energien von mehr als 3 MeV (1 MeV = 1000000 eV) bei -Strahlung, den Energiepaketen, bleiben unwirksam. Sie sind so schnell, dass keine Strahlenwirkung im menschlichen Körper entsteht. Das gilt für schnelle Elektronen, die -Strahlung und schnelle Helium-Kerne, die -Strahlung nicht, auch wenn mehr als 10 MeV erreicht werden können. -Strahlung und -Strahlung sind im menschlichen Körper immer hochwirksam. Der Grund sind intensive Materie-Materie-Wechselwirkungen, die aber auch die Reichweite der Strahlung schnell begrenzen. So führt -Strahlung schnell zu Schäden der Haut aber nicht der darunter liegenden Schichten. Für ß-Strahlung gilt das nur, wenn die Energie begrenzt ist. Anders ist es bei der Aufnahme in den Körper, der Inkorporation. Hier wird immer lebenswichtiges Gewebe geschädigt. Entscheidend ist die Energieübertragung in das jeweilige Gewebe.

Der Mediziner gibt die Energieübertragung je "Masse Gewebe" als Energiedosis oder in Kerma (kinetic energy relased in matter), jeweils in Gray (Gy) an. Kerma berücksichtigt den Anteil an unwirksamen Ionen, die durch die ionisierende Strahlung entstanden sind nicht. Der Strahlenschützer weiß über die Wirkung der Strahlung in den einzelnen Geweben und gibt die Energiedosis als Äquivalentdosis, effektive Dosis, Organdosis, Körperdosis, Personendosis oder Ortsdosis, jeweils in Sievert (Sv) an, oder er misst eine Ionendosis und ermittelt daraus eine Personendosis oder Ortsdosis. Ziel ist immer die Abschätzung der nicht durch Messung direkt zugänglichen Größe Sievert. Sievert ist aufgrund der Bewertung der Wirksamkeit von Strahlung keine Messgröße sondern eine Schutzgröße. Die Ermittlung der Schutzgröße nennt man Dosimetrie. Dosimetrie kann beliebig kompliziert werden. Je nachdem, wie viel Wissen über das Strahlenfeld, die Aufnahme radioaktive Stoffe, die beteiligten Nuklide, die Verteilung im Körper oder die Art der Messung zu berücksichtigen sind. Am einfachsten erscheint die Ortsdosimetrie und Personendosimetrie, die per direkte Messung zugänglich zu sein scheint. Je nach Messgerät werden dabei aber nur Anteile eines Strahlenfeldes erfasst. So gibt es Messgeräte die ausschließlich nur Photonenstrahlung, also -Strahlung erfassen, andere wiederum nur - und -Strahlung. Dosimetrie verlangt immer Fachwissen, um Strahlenwirkungen realistisch abschätzen zu können.

International werden die Erkenntnisse, die zu berücksichtigen sind, vor allem in Veröffentlichungen der International Commission on Radiological Protection (ICRP) erfasst. Dazu zählen auch Erkenntnisse aus der medizinischen Überwachung von Überlebenden der Atombombenabwürfe in Hiroshima und Nagasaki, die bis zum heutigen Tage andauern. Hiroshima und Nagasaki haben zu den Schutzzielen für die allgemeine Bevölkerung und den beruflich strahlenexponierten Personen bei der Anwendung von ionisierender Strahlung beigetragen. Für die allgemeine Bevölkerung darf im ungünstigsten Fall nicht mehr als eine effektive Dosis von 0,001 Sv = 1 mSv pro Jahr resultieren. Entsprechend sind die Auflagen für die Nutzung ionisierender Strahlung verfasst. Für beruflich strahlenexponierte Personen beträgt der Grenzwert 20 mSv effektive Dosis pro Jahr. 20 mSv pro Jahr stellt ein Risiko ernstlich zu erkranken dar, das der Ausübung anderer Berufe gleichkommt. Das Schutzziel 1 mSv pro Jahr liegt unterhalb der Schwelle an der wissenschaftlich eine Aussage über das Risiko zu erkranken möglich ist. Beide Schutzziele gehen bei einer Überschreitung nicht von einem akut auftretenden Schaden aus. Berücksichtigt wird dabei die Gefahr ernstlich zu erkranken. Es entspricht der Beobachtung, dass die jährliche effektive Dosis weltweit in der Regel zwischen 1 mSv und 10 mSv beträgt ohne dass unterschiedliche Erkrankungsraten erkennbar wären. Die Bundesrepublik liegt im Durchschnitt bei einer mittleren jährlichen effektiven Dosis von 2 mSv, wobei 4 mSv keine Seltenheit ist.

Was passiert im Körper mit der durch Strahlung eingetretenen Energie? Wie sieht die biologische Strahlenwirkung aus? Zunächst treten nur sehr kurzzeitige physikalische Wechselwirkungsprozesse der biologischen Materie mit der Strahlung auf, die durch Anregung und Ionisation von Atomen ablaufen. Direkt und indirekt, über chemisch hochwirksame Radikale, können Moleküldefekte auftreten, die im Verbund der unterschiedlichen Zellgewebe, Zelldefekte verursachen. Dabei ist es nicht unerheblich welches Zellgewebe geschädigt wird. Ist es der Zellkern oder gar ein Chromosom können Erbanlagen verändert werden. Ist die Anzahl der Zelldefekte sehr hoch, kommt es zu Hautrötungen, Trübung von Augenlinsen, zur Veränderung des Blutbildes, diese Liste kann beliebig fortgeführt werden. Es kommt zu medizinisch erkennbaren Schäden, den deterministischen Schäden. Diese treten insbesondere bei medizinischer Anwendung und kurzeitiger Bestrahlung mit hohen Energiedosen über 1 Gy auf. Unterhalb einer effektiven Dosis von 250 mSv sind deterministische Schäden in der Regel nicht zu beobachten. Indirekt wirksame Radikale und andere chemisch wirksame Stoffe, die auch in benachbartem Gewebe von bestrahlten Zellen auftreten, können Zellfunktionen über längere Zeiträume beeinträchtigen, die bei der Teilung auf weitere Zellen übertragen werden können. Daher sind Gewebe, die sich durch Teilung schnell erneuern, wesentlich anfälliger für Zellschäden. Hieraus können ernsthafte Erkrankungen noch nach Jahren einer Bestrahlung auftreten. Diese Schäden treten mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf und sind individuell verschieden. Die Wirksamkeit von Reparaturmechanismen sind vom individuellen Stoffwechsel einer Person abhängig und können damit von Person zu Person variieren. Der Zelltod ist dabei der effektivste Mechanismus denn in jedem Körper müssen ständig abgestorbene Zellen gegen neue ausgetauscht werden.

Zivilisatorische StrahlenexpositionInhalte ein- bzw.ausblenden

Die zivilisatorisch bedingte Strahlenbelastung resultiert aus künstlichen Quellen und beträgt in Deutschland im Mittel ca. 1,7 mSv pro Jahr. Sie setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

< 0,01 mSv aus den oberirdischen Kernwaffenexperimenten,
< 0,01 mSv aus dem Reaktorunfall von Tschernobyl,
< 0,01 mSv aus Forschung, Technik und Haushalt,
< 0,01 mSv aus kerntechnischen Anlagen,
  0,1 mSv aus der Anwendung von radioaktiven Stoffen in der  Nuklearmedizin.
ca. 1,6 mSv aus der Röntgendiagnostik

Die zivilisatorische Strahlenexposition wird somit  weitgehend von den medizinischen Anwendungen bestimmt. Bei beruflich strahlenexponierten Personen, in Deutschland ca. 361.000 Personen (Stand 2015), die in Medizin, Forschung und Kerntechnik arbeiten, kommt eine mittlere Dosis von etwa 0,07 mSv/a dazu. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass für etwa 85 % aller überwachten Personen eine effektive Dosis von 0,0 mSv festgestellt worden ist. Für alle Personen mit einer nachgewiesenen Dosis (etwa 57.000 Personen) beträgt die mittlere effektive Dosis 0,46 mSv/a.

[Quelle: BMUB (Hrsg.), Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung, Jahresbericht 2015, www.bfs.de]

Weitere Ausführungen zum Thema finden Sie auch unter:  www.bfs.de

ExpositionspfadeInhalte ein- bzw.ausblenden

Radioaktive Stoffe können mit der Atemluft (Inhalation), mit der Nahrung (Ingestion) oder durch offene Wunden in den Körper gelangen (Inkorporation) und dort ihre Wirkung entfalten. Eine Strahlenwirkung kann auch durch Bestrahlung von außen (Direktstrahlung) eintreten. Natürliche radioaktive Stoffe wirken ständig auf den Menschen und die Umwelt ein. Das geschieht z. B. über die Nahrungsaufnahme (Kalium-40, Blei-210, Polonium-210, u.a.), besonders aber über die Atemluft (Zerfallsprodukte des Radon). Bei regelmäßigen Flügen in hohen Schichten der Atmosphäre kommt ein nicht zu vernachlässigender Anteil kosmischer Strahlung hinzu. Gelangen z. B. aufgrund eines kerntechnischen Unfalls nicht unerhebliche Mengen radioaktiver Stoffe in die Umwelt, muss bei Schutzmaßnahmen für die Bevölkerung besonders berücksichtigt werden, dass die Aufnahme radioaktiver Stoffe über die Nahrungskette (z. B. Gras-Kuh-Milch) vermieden oder zumindest minimiert wird.

StrahlenwirkungenInhalte ein- bzw.ausblenden

Durch Ionisierende Strahlung erfolgt eine Energieübertragung auf die bestrahlte Materie. In der Folge wiederum werden Reaktionen physikalischer, chemischer und biologischer Natur ausgelöst. Auf Lebewesen und Pflanzen kann ionisierende Strahlung in hohen Dosen schädliche Wirkungen haben.

Speziell in der Medizin wird die schädigende Wirkung der ionisierenden Strahlung zum Nutzen für den Menschen bei Therapien (z.B. Bestrahlung von Tumoren) mit entsprechend angepassten Dosen eingesetzt. Für Zwecke der medizinischen Diagnostik (Röntgenaufnahmen, Computertomographie u. a.) wird ionisierende Strahlung ebenso eingesetzt, in diesem Bereich soll die Strahlenbelastung jedoch so niedrig wie möglich gehalten werden, um unerwünschte Schädigungen zu vermeiden. Grundsätzlich gilt es, die möglichen Risiken gegenüber dem Nutzen abzuwägen (Rechtfertigung).

Im technisch-wissenschaftlichen Strahlenschutz werden deterministische und stochastische Strahlenwirkungen unterschieden.

Deterministische Strahlenwirkungen treten erst bei der Überschreitung von hohen Dosisschwellwerten auf. Der Schweregrad der Schädigung nimmt mit der applizierten Dosis zu. Ein Beispiel dafür ist das akute Strahlensyndrom. Dies beginnt z. B. mit Hautrötung, Übelkeit, Erbrechen und anderen Symptomen und kann bei sehr hohen Dosen auch kurzfristig zum Tod führen. Die Dosisschwellenwerte für das Auftreten deterministischer Schäden sind um mehrere hundertmal größer als die natürliche Strahlendosis.

Bei stochastischen Strahlenschäden geht man aus Vorsorgegründen derzeit davon aus, dass diese keine Dosisschwelle haben. Mit zunehmender Strahlendosis steigt hier die Wahrscheinlichkeit für das spätere Auftreten einer gesundheitlichen Schädigung, z. B. in Form von Tumoren. Der Verlauf eines einmal eingetretenen gesundheitlichen Schadens ist dann aber unabhängig von der applizierten Dosis. Bei Strahlendosen, die im Bereich oder deutlich unterhalb der natürlichen Strahlendosis liegen, darf davon ausgegangen werden, dass das Risiko für das Auftreten stochastischer Schäden vernachlässigbar klein ist.

Der wichtigste Grundsatz im Strahlenschutz ist demzufolge, deterministische Strahlenschäden sicher zu vermeiden und die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten stochastischer Strahlenwirkungen so gering wie mit vernünftigen Mitteln erreichbar(ALARA) zu halten. Diesem Ziel dient auch die Einhaltung der im folgenden Abschnitt beschriebenen Grenzwerte. Darüber hinaus muss jede Strahlenexposition gerechtfertigt sein.

Ausgewählte GrenzwerteInhalte ein- bzw.ausblenden

Für den Schutz der Menschen und der Umwelt wurden in der Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) Werte für die maximale Strahlenbelastung festgelegt. Beschäftigte in kerntechnischen Anlagen dürfen bspw. pro Jahr eine Strahlendosis von maximal 20 mSv erhalten, wenn sie als beruflich Strahlenexponierte Person eingestuft und registriert sind. Die Dosis im gesamten Arbeitsleben darf 400 mSv nicht überschreiten. Ausnahmen sind für Maßnahmen zur Abwehr von Gefahren für Personen zugelassen. In diesen Fällen ist einmal im Jahr eine Dosis von 100 mSv oder einmalig im Leben eine Dosis von 250 mSv zulässig.

 Alle diese Strahlenexpositionen werden messtechnisch erfasst und personenbezogen gespeichert. Beruflich strahlenexponierte Personen werden regelmäßig medizinisch und behördlich überwacht.

Im Gegensatz zur beruflichen Strahlenexposition gelten für die Bevölkerung ganz andere Werte. Nach der StrlSchV dürfen einzelne Personen der Bevölkerung maximal eine effektive Dosis von 1 mSv pro Jahr durch Strahlenexpositionen aus den durch die StrlSchV geregelten Tätigkeiten erhalten. Diese effektive Dosis entspricht ungefähr 50 % der mittleren Jahresbelastung aus natürlichen Strahlenquellen in Deutschland.

Für Ableitungen radioaktiver Stoffe aus kerntechnischen Anlagen mit Luft oder Wasser sind außerhalb des Betriebsgeländes nur maximal 0,3 mSv pro Jahr zulässig.

Bei einem einstündigen Aufenthalt in unmittelbarer Nähe (2 m Abstand) eines beladenen CASTOR- Behälters darf gemäß den international gültigen Gefahrgutvorschriften nur eine Strahlendosis von maximal 0,1 mSv auftreten. An bisher beladenen und transportierten Behältern hat die Strahlendosis jedoch nur ca. 0,03 mSv pro Stunde in 2 m Abstand betragen.

Ungleich höhere Strahlenexpositionen treten bei medizinischen Anwendungen auf. Eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs bedeutet beispielsweise eine Strahlendosis von 0,23 mSv, also mehr als das Doppelte der effektiven Dosis, die bei einem einstündigen Aufenthalt an einem CASTOR- Behälter auftreten darf oder ein Zehntel der mittleren Strahlenbelastung in Deutschland. Bei einer Computertomografie können dagegen Strahlendosen zwischen etwa 2 und 30 mSv pro Anwendung auftreten. Um aber dennoch die Strahlenexposition von Patienten auch bei radiologischen und nuklearmedizinischen Untersuchungen so gering wie möglich zu halten, hat das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) Diagnostische Referenzwerte (DRW) vorgegeben, deren Einhaltung behördlich kontrolliert wird.

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