Ionisierende Strahlung ist überall. Sie kommt als kosmische Strahlung aus dem Weltraum. Es befindet sich in der Luft als Emissionen von radioaktivem Radon und seinen Nachkommen. Natürlich vorkommende radioaktive Isotope treten in alle Lebewesen ein und verbleiben darin. Es ist unausweichlich. Tatsächlich haben sich alle Arten auf diesem Planeten in Gegenwart ionisierender Strahlung entwickelt. Während Menschen, die kleinen Strahlendosen ausgesetzt sind, möglicherweise nicht sofort offensichtliche biologische Wirkungen zeigen, besteht kein Zweifel daran, dass ionisierende Strahlung, wenn sie in ausreichenden Mengen verabreicht wird, Schaden anrichten kann. Diese Wirkungen sind sowohl der Art als auch dem Grad nach gut bekannt.

Während ionisierende Strahlung Schaden anrichten kann, hat sie auch viele nützliche Anwendungen. Radioaktives Uran erzeugt in vielen Ländern in Kernkraftwerken Strom. In der Medizin werden mit Röntgenstrahlen Röntgenaufnahmen zur Diagnose innerer Verletzungen und Krankheiten erstellt. Nuklearmediziner verwenden radioaktives Material als Tracer, um detaillierte Bilder von inneren Strukturen zu erstellen und den Stoffwechsel zu untersuchen. Therapeutische Radiopharmaka stehen zur Behandlung von Erkrankungen wie Hyperthyreose und Krebs zur Verfügung. Strahlentherapeuten verwenden Gammastrahlen, Pionstrahlen, Elektronenstrahlen, Neutronen und andere Arten von Strahlung zur Behandlung von Krebs. Ingenieure verwenden radioaktives Material bei der Protokollierung von Ölquellen und in Bodenfeuchtigkeitsmessgeräten. Industrielle Röntgenassistenten verwenden Röntgenstrahlen in der Qualitätskontrolle, um die inneren Strukturen hergestellter Geräte zu untersuchen. Ausgangsschilder in Gebäuden und Flugzeugen enthalten radioaktives Tritium, um sie bei einem Stromausfall im Dunkeln leuchten zu lassen. Viele Rauchmelder in Wohn- und Geschäftsgebäuden enthalten radioaktives Americium.

Diese vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten von ionisierender Strahlung und radioaktiven Materialien verbessern die Lebensqualität und helfen der Gesellschaft in vielerlei Hinsicht. Der Nutzen jeder Anwendung muss immer den Risiken gegenübergestellt werden. Die Risiken können für Arbeitnehmer bestehen, die direkt an der Anwendung der Strahlung oder des radioaktiven Materials beteiligt sind, für die Öffentlichkeit, für zukünftige Generationen und für die Umwelt oder für eine Kombination davon. Jenseits politischer und wirtschaftlicher Erwägungen muss der Nutzen bei ionisierender Strahlung immer die Risiken überwiegen.

Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung besteht aus Teilchen, einschließlich Photonen, die die Trennung von Elektronen von Atomen und Molekülen bewirken. Einige Strahlungsarten mit relativ niedriger Energie, wie z. B. ultraviolettes Licht, können jedoch unter bestimmten Umständen auch eine Ionisation verursachen. Um diese Arten von Strahlung von Strahlung zu unterscheiden, die immer eine Ionisation verursacht, wird eine willkürliche untere Energiegrenze für ionisierende Strahlung normalerweise auf etwa 10 Kiloelektronenvolt (keV) festgelegt.

Direkt ionisierende Strahlung besteht aus geladenen Teilchen. Zu solchen Teilchen gehören energetische Elektronen (manchmal auch als Negatronen bezeichnet), Positronen, Protonen, Alphateilchen, geladene Mesonen, Myonen und schwere Ionen (ionisierte Atome). Diese Art von ionisierender Strahlung interagiert hauptsächlich durch die Coulomb-Kraft mit Materie und stößt aufgrund ihrer Ladung Elektronen von Atomen und Molekülen ab oder zieht sie an.

Indirekt ionisierende Strahlung besteht aus ungeladenen Teilchen. Die häufigsten Arten indirekt ionisierender Strahlung sind Photonen über 10 keV (Röntgen- und Gammastrahlen) und alle Neutronen.

Röntgen- und Gammastrahlenphotonen interagieren mit Materie und verursachen auf mindestens drei verschiedene Arten Ionisation:

1. Photonen mit niedrigerer Energie interagieren hauptsächlich über den photoelektrischen Effekt, bei dem das Photon seine gesamte Energie an ein Elektron abgibt, das dann das Atom oder Molekül verlässt. Das Photon verschwindet.
2. Photonen mittlerer Energie interagieren hauptsächlich durch den Compton-Effekt, bei dem das Photon und ein Elektron im Wesentlichen als Teilchen kollidieren. Das Photon bewegt sich mit reduzierter Energie in eine neue Richtung, während das freigesetzte Elektron mit dem Rest der einfallenden Energie (abzüglich der Bindungsenergie des Elektrons an das Atom oder Molekül) verschwindet.
3. Eine Paarbildung ist nur für Photonen mit einer Energie über 1.02 MeV möglich. (Allerdings dominiert in der Nähe von 1.02 MeV immer noch der Compton-Effekt. Bei höheren Energien dominiert die Paarbildung.) Das Photon verschwindet und an seiner Stelle erscheint ein Elektron-Positron-Paar (dies tritt aufgrund der Impulserhaltung nur in der Nähe eines Kerns auf). energetische Überlegungen). Die gesamte kinetische Energie des Elektron-Positron-Paares ist gleich der Energie des Photons abzüglich der Summe der Ruhemassenenergien von Elektron und Positron (1.02 MeV). Diese energiereichen Elektronen und Positronen wirken dann als direkt ionisierende Strahlung. Wenn es kinetische Energie verliert, trifft ein Positron schließlich auf ein Elektron, und die Teilchen vernichten sich gegenseitig. Zwei (normalerweise) 0.511 MeV-Photonen werden dann von der Vernichtungsstelle in einem Winkel von 180 Grad zueinander emittiert.

Bei einem gegebenen Photon kann jedes davon auftreten, außer dass die Paarbildung nur für Photonen mit einer Energie von mehr als 1.022 MeV möglich ist. Die Energie des Photons und das Material, mit dem es wechselwirkt, bestimmen, welche Wechselwirkung am wahrscheinlichsten auftritt.

Abbildung 1 zeigt die Bereiche, in denen jede Art von Photonenwechselwirkung dominiert, als Funktion der Photonenenergie und Ordnungszahl des Absorbers.

Abbildung 1. Relative Bedeutung der drei Hauptwechselwirkungen von Photonen in Materie

Die häufigsten Neutronenwechselwirkungen mit Materie sind inelastische Kollisionen, Neutroneneinfang (oder -aktivierung) und Spaltung. All dies sind Wechselwirkungen mit Kernen. Ein Kern, der unelastisch mit einem Neutron kollidiert, wird auf einem höheren Energieniveau belassen. Es kann diese Energie in Form eines Gammastrahls oder durch Emission eines Betateilchens oder beides freisetzen. Beim Neutroneneinfang kann ein betroffener Kern das Neutron absorbieren und Energie als Gamma- oder Röntgenstrahlen oder Betateilchen oder beides ausstoßen. Die Sekundärteilchen verursachen dann eine Ionisation, wie oben diskutiert. Bei der Spaltung absorbiert ein schwerer Kern das Neutron und spaltet sich in zwei leichtere Kerne auf, die fast immer radioaktiv sind.

Mengen, Einheiten und verwandte Definitionen

Die International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU) entwickelt international anerkannte formale Definitionen von Mengen und Einheiten von Strahlung und Radioaktivität. Die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) legt auch Standards für die Definition und Verwendung verschiedener Größen und Einheiten fest, die im Strahlenschutz verwendet werden. Es folgt eine Beschreibung einiger Größen, Einheiten und Definitionen, die üblicherweise im Strahlenschutz verwendet werden.

Aufgenommene Dosis. Dies ist die fundamentale dosimetrische Größe für ionisierende Strahlung. Grundsätzlich ist es die Energie, die ionisierende Strahlung der Materie pro Masseneinheit verleiht. Formal,

woher D ist die absorbierte Dosis, de ist die mittlere Energie, die Materie der Masse d verliehen wirdm. Die absorbierte Dosis hat Einheiten von Joule pro Kilogramm (J kg^-1). Der spezielle Name für die Einheit der Energiedosis ist Gray (Gy).

Aktivität. Diese Größe repräsentiert die Anzahl der Kernumwandlungen von einem gegebenen Kernenergiezustand pro Zeiteinheit. Formal,

woher A ist die Aktivität, dN der Erwartungswert der Anzahl spontaner Kernübergänge aus dem gegebenen Energiezustand im Zeitintervall dt. Sie hängt mit der Anzahl der radioaktiven Kerne zusammen N durch:

wobei l die Zerfallskonstante ist. Aktivität hat Einheiten von inversen Sekunden (s^-1). Die spezielle Bezeichnung für die Aktivitätseinheit ist Becquerel (Bq).

Zerfallskonstante (l). Diese Größe stellt die Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit dar, dass eine Kernumwandlung für ein gegebenes Radionuklid stattfindet. Die Zerfallskonstante hat Einheiten von umgekehrten Sekunden (s^-1). Es hängt mit der Halbwertszeit zusammen t_½ eines Radionuklids durch:

Die Zerfallskonstante l steht in Beziehung zur mittleren Lebensdauer t eines Radionuklids durch:

Die Zeitabhängigkeit der Aktivität A(t) und der Anzahl radioaktiver Kerne N(t) kann ausgedrückt werden durch und  beziehungsweise.

Deterministischer biologischer Effekt. Dies ist ein biologischer Effekt, der durch ionisierende Strahlung verursacht wird und dessen Auftretenswahrscheinlichkeit bei kleinen absorbierten Dosen null ist, aber über einem bestimmten Niveau der absorbierten Dosis (dem Schwellenwert) steil auf eins (100 %) ansteigt. Kataraktinduktion ist ein Beispiel für einen stochastischen biologischen Effekt.

Wirksame Dosis. Die effektive Dosis E ist die Summe der gewichteten Äquivalentdosen in allen Geweben und Organen des Körpers. Es handelt sich um eine Strahlensicherheitsgröße, daher ist ihre Verwendung für große absorbierte Dosen, die in relativ kurzer Zeit abgegeben werden, nicht geeignet. Es wird gegeben von:

woher w _T ist der Gewebegewichtungsfaktor und H_T ist die äquivalente Dosis für Gewebe T. Die effektive Dosis hat Einheiten von J kg^-1. Die spezielle Bezeichnung für die Einheit der effektiven Dosis ist Sievert (Sv).

Äquivalentdosis. Die Äquivalentdosis H_T ist die absorbierte Dosis, gemittelt über ein Gewebe oder Organ (nicht an einem Punkt) und gewichtet für die interessierende Strahlungsqualität. Es handelt sich um eine Strahlensicherheitsgröße, daher ist ihre Verwendung für große absorbierte Dosen, die in relativ kurzer Zeit abgegeben werden, nicht geeignet. Die Äquivalentdosis ergibt sich aus:

woher D_{T, R} ist die über das Gewebe oder Organ T gemittelte Energiedosis durch Strahlung R und w _R
ist der Strahlungsgewichtungsfaktor. Die Äquivalentdosis hat Einheiten von J kg^-1. Die spezielle Bezeichnung für die Einheit der Äquivalentdosis ist Sievert (Sv).

Halbwertszeit. Diese Menge ist die Zeitdauer, die erforderlich ist, damit sich die Aktivität einer Radionuklidprobe um den Faktor ½ verringert. Äquivalent dazu ist es die Zeit, die eine bestimmte Anzahl von Kernen in einem bestimmten radioaktiven Zustand benötigt, um sich um einen Faktor von der Hälfte zu reduzieren. Es hat grundlegende Einheiten von Sekunden (s), wird aber auch üblicherweise in Stunden, Tagen und Jahren ausgedrückt. Halbwertszeit für ein bestimmtes Radionuklid t_½ hängt mit der Zerfallskonstante l zusammen über:

Lineare Energieübertragung. Diese Menge ist die Energie, die ein geladenes Teilchen der Materie pro Längeneinheit verleiht, wenn es die Materie durchquert. Formal,

woher L ist die lineare Energieübertragung (auch genannt lineare Kollisionsstoppkraft) und de ist die mittlere Energie, die das Teilchen beim Durchlaufen einer Strecke d verliertl. Die lineare Energieübertragung (LET) hat Einheiten von J m^-1.

Mittlere Lebensdauer. Diese Größe ist die durchschnittliche Zeit, die ein nuklearer Zustand überlebt, bevor er durch Emission ionisierender Strahlung in einen niedrigeren Energiezustand umgewandelt wird. Es hat grundlegende Einheiten von Sekunden (s), kann aber auch in Stunden, Tagen oder Jahren ausgedrückt werden. Sie hängt mit der Zerfallskonstante zusammen über:

wobei t die mittlere Lebensdauer und l die Zerfallskonstante für ein gegebenes Nuklid in einem gegebenen Energiezustand ist.

Strahlungsgewichtungsfaktor. Dies ist eine Zahl w _R die für eine gegebene Art und Energie der Strahlung R repräsentativ für Werte der relativen biologischen Wirksamkeit dieser Strahlung bei der Induktion stochastischer Wirkungen bei niedrigen Dosen ist. Die Werte von w _R beziehen sich auf die lineare Energieübertragung (LET) und sind in Tabelle 1 angegeben. Abbildung 2 (umseitig) zeigt die Beziehung zwischen w _R und LET für Neutronen.

Tabelle 1. Strahlungsgewichtungsfaktoren w_R

¹ Alle Werte beziehen sich auf die auf den Körper einfallende bzw. bei internen Quellen von der Quelle emittierte Strahlung.

² Ohne Auger-Elektronen, die von an DNA gebundenen Kernen emittiert werden.

Relative biologische Wirksamkeit (RBE). Die RBE einer Strahlungsart im Vergleich zu einer anderen ist das umgekehrte Verhältnis der absorbierten Dosen, die den gleichen Grad eines definierten biologischen Endpunkts erzeugen.

Abbildung 2. Strahlungsgewichtungsfaktoren für Neutronen (die glatte Kurve ist als Näherung zu behandeln)

Stochastischer biologischer Effekt. Hierbei handelt es sich um einen durch ionisierende Strahlung verursachten biologischen Effekt, dessen Eintrittswahrscheinlichkeit mit zunehmender Energiedosis wahrscheinlich ohne Schwellenwert zunimmt, dessen Schwere jedoch unabhängig von der Energiedosis ist. Krebs ist ein Beispiel für einen stochastischen biologischen Effekt.

Gewebegewichtungsfaktor w _T. Dies stellt den Beitrag des Gewebes oder Organs T zum Gesamtschaden aufgrund aller stochastischen Effekte dar, die sich aus einer gleichmäßigen Bestrahlung des gesamten Körpers ergeben. Sie wird verwendet, weil die Wahrscheinlichkeit stochastischer Wirkungen aufgrund einer Äquivalentdosis vom bestrahlten Gewebe oder Organ abhängt. Eine einheitliche Äquivalentdosis über den ganzen Körper sollte eine effektive Dosis ergeben, die numerisch gleich der Summe der effektiven Dosen für alle Gewebe und Organe des Körpers ist. Daher wird die Summe aller Gewebegewichtungsfaktoren auf Eins normiert. Tabelle 2 gibt Werte für Gewebegewichtungsfaktoren an.

Tabelle 2. Gewebegewichtungsfaktoren w_T

¹ Die Werte wurden aus einer Referenzpopulation mit gleichen Zahlen beider Geschlechter und einer breiten Altersspanne entwickelt. In der Definition der effektiven Dosis gelten sie für Arbeitnehmer, für die gesamte Bevölkerung und für beide Geschlechter.

² Der Rest setzt sich rechnerisch aus folgenden zusätzlichen Geweben und Organen zusammen: Nebennieren, Gehirn, oberer Dickdarm, Dünndarm, Nieren, Muskel, Bauchspeicheldrüse, Milz, Thymus und Uterus. Die Liste enthält Organe, die voraussichtlich selektiv bestrahlt werden. Einige Organe in der Liste sind bekanntermaßen anfällig für Krebsinduktion.

³ In den Ausnahmefällen, in denen ein einzelnes der übrigen Gewebe oder Organe in einem der zwölf Organe, für die ein Gewichtungsfaktor festgelegt ist, eine Äquivalentdosis erhält, die die höchste Dosis übersteigt, sollte auf dieses Gewebe ein Gewichtungsfaktor von 0.025 angewendet werden oder Organ und einem Gewichtungsfaktor von 0.025 zur Durchschnittsdosis im Rest des oben definierten Restes.

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