Grundlagen der Radioaktivität

Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Abgabe von Energie (in der Regel in Form von ionisierender Strahlung) umzuwandeln. Als Strahlung wird allgemein die Ausbreitung von Teilchen oder Energie bezeichnet. Ionisierende Strahlung ist dabei in der Lage, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen, wobei positiv geladene Kationen zurückbleiben.

Aufbau des Atoms

Ein Atom setzt sich aus dem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Elektronenhülle zusammen. Für die positive Ladung des Kerns sind die Protonen verantwortlich. Die Anzahl der Protonen (Ordnungszahl Z) ist spezifisch für jedes chemische Element. So verfügt bspw. Kohlenstoff (C) über sechs Protonen, Stickstoff (N) über sieben.

Nach außen hin ist ein Atom neutral, da die positiven Ladungen der Protonen durch die gleiche Anzahl an negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle ausgeglichen werden. Sind mehr oder weniger Elektronen als Protonen vorhanden, spricht man stattdessen von einem (geladenen) Ion.

Neben den Protonen sind im Atomkern auch ungeladene (neutrale) Neutronen zu finden. In der Regel entspricht die Neutronenzahl N der Protonen- bzw. Ordnungszahl Z. Zusammen ergibt sich die Massenzahl A:

A = N + Z

Nach Massen-, Ordnungs- und Neutronenzahl lassen sich unterschiedliche Atomsorten (Nuklide) unterscheiden. Nuklide mit gleicher Ordnungs-, aber unterschiedlicher Neutronenzahl bezeichnet man als Isotope. Von Kohlenstoff existieren bspw. zwei stabile Isotope: Kohlenstoff-12 (12C) mit sechs und Kohlenstoff-13 (13C) mit sieben Neutronen.

Strahlungsarten

α-Strahlung

Beim Zerfall des Atomkerns wird ein α-Teilchen (Heliumkern) bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen emittiert, wodurch sich die Ordnungszahl um zwei und die Massenzahl um vier reduziert. So wandelt sich bspw. 210Po (Z = 84) unter Abgabe eines Heliumkerns in 206Pb (Z = 82) um.

ß-Strahlung

Beim β--Zerfall wird bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton ein Elektron abgegeben. Die Ordnungszahl nimmt um eins zu. Beispiel: 198Au (Z = 79) wandelt sich unter Emission eines Elektrons in 198Hg (Z = 80) um.

Wandelt sich ein Proton in ein Neutron um, wird ein Positron emittiert und es wird von einem β+-Zerfall gesprochen. Die Ordnungszahl reduziert sich um eins.

γ-Strahlung

γ-Strahlung tritt meist als direkte Folge eines α- oder β-Zerfalls auf. Liegt der Atomkern nach einem solchen Zerfall in einem angeregten Zustand vor, wird beim Übergang in den energetisch günstigeren Grundzustand ein γ-Quant freigesetzt. Massen- und Ordnungszahl bleiben bei diesem Prozess unverändert.

Biologische Wirkung und Durchdringungsvermögen

Da im Falle der α-Strahlung relativ große Teilchen freigesetzt werden, sind hier die ionisierende Wirkung und damit die Schädlichkeit gegenüber lebendem Gewebe besonders hoch. Gleichzeitig hat α-Strahlung das geringste Durchdringungsvermögen und kann bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden. β-Strahlung kann sich in Festkörpern nur wenige Millimeter weit ausbreiten, die Abschirmung ist hier also z. B. durch eine Holzplatte möglich. γ-Strahlung hat das höchste Durchdringungsvermögen. Sie hat allerdings keine definierte Reichweite, sondern wird je nach Schichtdicke und Material in unterschiedlichem Maße abgeschwächt.

Physikalische Größen und Einheiten

Aktivität

Als Aktivität (A) wird die innerhalb einer bestimmten Zeit abgegebene Strahlungsmenge bezeichnet. Die Einheit ist das Becquerel (Bq). Dabei entspricht 1Bq einem Kernzerfall pro Sekunde. Da die Aktivität auch von der Anzahl der instabilen Atomkerne in einer gegebenen Probe abhängt, wird sie bei Lebensmitteln auf die Masse bezogen und in Bq/kg angegeben.

Energiedosis

Die Energiedosis (D) beschreibt die von einer bestimmten Masse absorbierte Energie (Joule pro Kilogramm). Sie hat die Einheit Gray (Gy). Dabei gilt:

1 Gy = 1 J/kg

weitere dosimetrische Größen

Ein und dieselbe Energiedosis kann sich je nachdem, von welcher Strahlungsart sie verursacht und von welchem Organ sie aufgenommen wird, in unterschiedlichem Maße schädlich auf lebendes Gewebe auswirken. Darum wird mit dimensionslosen Qualitäts- oder Wichtungsfaktoren multipliziert, um bspw. die Äquivalent-, Organ- oder effektive Dosis zu berechnen. Diese gewichteten Dosen haben ebenfalls die Einheit J/kg. Um sie jedoch von der Energiedosis abzugrenzen, wird die Einheit hier nicht als Gray, sondern als Sievert (Sv) bezeichnet.

1 Sv = 1 J/kg

Verzehr von durch Radioaktivität kontaminierter Lebensmittel

Das Bundesamt für Strahlenschutz gibt an, dass die Aufnahme von 80.000Bq Cäsium-137 (137Cs) über ein kontaminiertes Lebensmittel für einen Erwachsenen eine Strahlenbelastung von ca. 1 mSv (Millisievert) bedeutet.

Der Verzehr einer Portion von 200 g Pilzen mit 4000 Bq/kg bewirkt damit eine Strahlenexposition von 0,01 mSv. Zum Vergleich: Die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland beträgt ca. 2,1 mSv pro Jahr.