Arbeitsblatt 3:
Arbeitsblatt 4:
Gamma- und Neutronenstrahlung
Energiedosis, Organdosis und effektive Dosis Gammastrahlung
In den Tagen nach der Reaktorkatastrophe in Japan war in den Nachrichten immer wieder von Millisievert (mSv) zu hören und zu lesen. Was hat es damit auf sich?
Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, wie auch Radiowellen, Mikrowellen oder das sichtbare Licht. Sie ist jedoch wesentlich energiereicher. Gammastrahlung tritt oft auf, wenn beim Alpha- oder Betazerfall überschüssige Energie in Form von Strahlung abgegeben werden muss. Sie ist praktisch mit Röntgenstrahlung identisch, entsteht aber im Kern und nicht wie die Röntgenstrahlung in der Atomhülle. Gammastrahlung wird mit für den jeweiligen Atomkern charakteristischen Energien abgegeben. Der Atomkern ist nach einem Alpha- oder Betazerfall meist noch in einem angeregten Zustand. Diese Energie wird dann in Form eines oder mehrerer Gammaquanten abgegeben. Dadurch ändert sich zwar der Energiezustand des Kerns, nicht jedoch dessen Massenzahl oder Kernladungszahl. Beispielsweise kann der nach dem Betazerfall noch angeregte (metastabile - m) Kern des Barium-137m ein Gammaquant abgeben und dadurch ein niedrigeres Energieniveau erreichen. Gammastrahlung ist sehr durchdringend, um sie abzuschirmen, braucht es dicke Bleischilde von mindestens 20 cm oder Betonwände von mindestens einem Meter Dicke.
Neutronenstrahlung
4 2 He
+ 3 4 Be 12 6C 13 6C
Die Neutronenstrahlung spielt bei der Nutzung der Kernenergie eine entscheidende Rolle. Um die Kettenreaktion in einem Atomreaktor zu starten, braucht man freie Neutronen. Diese strahlt zum Beispiel Beryllium ab, wenn man es mit Alphateilchen (Heliumkernen) beschießt. Dringt ein Alphateilchen in den BerylliumKern ein, so entsteht ein instabiles Kohlenstoff-Isotop mit 13 Kernbausteinen (6 Protonen und 7 Neutronen). Einen stabilen Zustand erreicht der Kern dadurch wieder, dass er ein Neutron abstößt. Am Ende steht Kohlenstoff-12.
Sievert
Strahlenexposition im Vergleich:
Strahlung radioaktiver Stoffe ionisiert beim Eindringen in den Körper Atome und Moleküle. Dabei gibt sie Energie ab. Die Energieabgabe je Masseneinheit nennt man Energiedosis der Strahlung. Sie wird in der Einheit 1 Joule/kg gemessen. Je mehr Energie die Strahlung an den Körper abgibt, desto größer kann die Wirkung sein. Zudem wurde festgestellt, dass die biologischen Wirkungen ionisierender Strahlung nicht nur von der Höhe der Energiedosis, sondern auch von der Art der Strahlung abhängen. Um das zu berücksichtigen, wurde die Organdosis eingeführt. Sie ist gleich der Energiedosis in einem Organ multipliziert mit einem von der jeweiligen Strahlungsart abhängigen Faktor. Bei Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlung ist der Faktor 1, bei Alphastrahlung 20. Ihre Einheit ist ebenfalls 1 Joule/kg, sie wird mit dem speziellen Einheitennamen Sievert (Sv*) bezeichnet. Da 1 Sievert eine sehr große Strahlendosis ist, werden die Werte üblicherweise in tausendstel Sievert (Millisievert, 1 mSv = 0,001 Sv) oder in millionstel Sievert (Mikrosievert, 1 μSv = 0,001 mSv = 0,000001 Sv) angegeben.
• 7.000 mSv: Tödliche Dosis bei kurzzeitiger Ganzkörperbestrahlung
Die effektive Dosis berücksichtigt dazu noch die unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe durch einen organspezifischen Wichtungsfaktor. Ihre Einheit ist ebenfalls 1 Sv. Die in einer bestimmten Zeitspanne erhaltene Strahlendosis, dividiert durch die Länge dieser Zeitspanne, bezeichnet man als Dosisleistung. Die Angabe erfolgt üblicherweise in Millisievert oder Mikrosievert pro Stunde (mSv/h oder μSv/h). Die maximale erlaubte effektive Dosis im Jahr für beruflich strahlenexponierte Personen beträgt 20 mSv/a, über ein Berufsleben dürfen jedoch nicht mehr als 400 mSv zusammenkommen.
1 0n
• 20 mSv: Jahres-Grenzwert für beruflich strahlenexponierte Personen. • 6-10 mSv: Computertomographie des Brustkorbs. • 4 mSv: Mittlere jährliche effektive Dosis durch natürliche und künstliche Strahlenquellen in Deutschland • 0,1 mSv: Hin- und Rückflug Frankfurt – New York; Röntgenaufnahme des Brustkorbs.
Aufgaben 1. Wieso ist der Umrechnungsfaktor zur Ermittlung der Organdosis aus der Energiedosis bei der Alphastrahlung so viel höher als bei den anderen Strahlungsarten?
Aufgabe 1. Erläutern Sie in Ihren eigenen Worten die Entstehung der Gammastrahlung. Zeitbild Wissen
• 1.000 mSv: Vorübergehende Strahlenkrankheit bei kurzzeitiger Ganzkörperbestrahlung.
* Rolf Sievert (1896-1966), schwedischer Physiker
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2. Wie hoch ist die empfangene Jahresdosis durch die natürliche kosmische Strahlung, wenn deren Dosisleistung auf Meereshöhe im Mittel 0,035 μSv/h beträgt? 30 mSv/a 3 mSv/a 0,3 mSv/a Zeitbild Wissen