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Atom- und Kernphysik

Strahlenschutz und Anwendung von Radionukliden

Wie ionisierende Strahlung wirkt, welche Schutzmaßnahmen es gibt und wo Radionuklide in Medizin und Technik nützen.

Benötigte Grundlagen

Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.

Einführung

Marie Curie starb 1934 an den Folgen ihrer ; ihre Notizbücher sind bis heute so stark belastet, dass sie in Bleikästen aufbewahrt werden und nur mit Schutzkleidung eingesehen werden dürfen.

Dieselbe Strahlung, die sie tötete, rettet heute täglich Leben: in der Krebstherapie, in der Diagnostik, in der Sterilisation von Operationsbesteck. ist weder gut noch böse; entscheidend ist die Dosis und der bewusste Umgang. Genau darum geht es in diesem Kapitel.

Das kannst du nach diesem Kapitel

  • die biologische Wirkung ionisierender Strahlung erklären.

  • die Größen Aktivität und Äquivalentdosis unterscheiden.

  • die vier Grundregeln des Strahlenschutzes nennen und begründen.

  • natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung einordnen.

  • Anwendungen von Radionukliden in Medizin und Technik beschreiben.

  • Nutzen und Risiko sachlich gegeneinander abwägen.

Wie ionisierende Strahlung wirkt

Strahlung ist ionisierend: Sie schlägt Elektronen aus Atomen heraus. In lebendem Gewebe hat das Folgen auf zwei Wegen:

Direkte Wirkung. Die Strahlung trifft ein wichtiges Molekül, meist die DNA, und zerstört eine Bindung.

Indirekte Wirkung. Die Strahlung spaltet Wassermoleküle (der Körper besteht überwiegend aus Wasser). Es entstehen sehr reaktionsfreudige Bruchstücke, sogenannte Radikale, die anschließend andere Moleküle angreifen. Dieser Weg ist der häufigere.

Der Körper kann viele Schäden reparieren. Kritisch wird es, wenn zu viele Schäden gleichzeitig auftreten oder wenn die Reparatur fehlerhaft ist.

Man unterscheidet zwei Arten von Folgen:

  • Akute Schäden (Strahlenkrankheit) treten ab einer bestimmten Schwellendosis auf und sind umso schwerer, je höher die Dosis ist. Ursache ist der massenhafte Zelltod.
  • Späte Schäden (Krebs, Erbgutschäden) haben keine bekannte Schwelle. Mit der Dosis steigt nur die Wahrscheinlichkeit, nicht die Schwere. Deshalb gilt im Strahlenschutz: Jede vermeidbare Dosis ist zu vermeiden.

🔴 Besonders empfindlich sind Zellen, die sich häufig teilen: Knochenmark, Schleimhäute, Embryonen. Genau darauf beruht die Strahlentherapie, denn Tumorzellen teilen sich ebenfalls sehr häufig.

Die beiden wichtigsten Größen

Aktivität AA: Zerfälle je Sekunde.

[ A ]=1 Becquerel=1 Bq=1s[\,A\,] = 1\,\text{Becquerel} = 1\,\text{Bq} = \frac{1}{\text{s}}

Sie beschreibt die Quelle, sagt aber nichts über die Wirkung auf den Menschen aus. Ein Kilogramm Kaffee hat rund 1000 Bq1000\,\text{Bq}, ein Mensch etwa 9000 Bq9000\,\text{Bq} (überwiegend Kalium-40).

Äquivalentdosis HH: Maß für die biologische Wirkung auf den Menschen.

[ H ]=1 Sievert=1 Sv[\,H\,] = 1\,\text{Sievert} = 1\,\text{Sv}

Sie berücksichtigt, wie viel im Gewebe abgegeben wird und wie schädlich die jeweilige Strahlenart ist. Alphastrahlung wird dabei zwanzigfach gewichtet, weil sie ihre Energie so konzentriert abgibt.

🔴 Aktivität und Dosis nicht verwechseln. Eine hohe Aktivität in großem Abstand kann harmlos sein, eine kleine Aktivität im Körper gefährlich. Meldungen, die nur Becquerel nennen, sagen über die Gefährdung wenig.

Übliche Werte:

SituationÄquivalentdosis
Natürliche Belastung in Deutschlandrund 2,1 mSva2{,}1\,\frac{\text{mSv}}{\text{a}}
Flug Frankfurt-New Yorketwa 0,05 mSv0{,}05\,\text{mSv}
Röntgenaufnahme Brustkorbetwa 0,1 mSv0{,}1\,\text{mSv}
Computertomografie1010 bis 20 mSv20\,\text{mSv}
Grenzwert beruflich (je Jahr)20 mSv20\,\text{mSv}
Erste messbare Blutbildveränderungenab etwa 250 mSv250\,\text{mSv}
Ohne Behandlung meist tödlichab etwa 4000 mSv4000\,\text{mSv}
Zwei Größen, und nur eine sagt etwas über die GefahrEnergiedosis DD = E / mEinheit: Gray (Gy)misst nur die EnergieÄquivalentdosis HH = q · DEinheit: Sievert (Sv)rechnet dieSchadwirkung mitBewertungsfaktor qαq = 20βq = 1γq = 11 Gy Alpha wirkt wie 20 Sv, 1 Gy Gamma wie 1 Sv.Gleiche Energie, sehr verschiedene Wirkung

Der Unterschied ist prüfungsrelevant: Gray misst nur die aufgenommene , Sievert rechnet die Schadwirkung mit ein. Deshalb stehen alle Grenzwerte in Sievert, 1 Gray Alphastrahlung wirkt wie 20 Sievert.

Die vier Grundregeln des Strahlenschutzes

1. Abstand halten. Die Dosisleistung nimmt bei einer punktförmigen Quelle mit dem Quadrat des Abstands ab. Doppelter Abstand bedeutet ein Viertel, zehnfacher Abstand ein Hundertstel. Das ist die wirksamste und billigste Maßnahme.

2. Aufenthaltsdauer verkürzen. Die Dosis ist der Dosisleistung mal der Zeit proportional. Halbe Zeit bedeutet halbe Dosis.

3. Abschirmen. Papier gegen Alpha, Aluminium gegen Beta, Blei oder Beton gegen Gamma. Gammastrahlung lässt sich nie vollständig abschirmen, nur abschwächen.

4. Inkorporation vermeiden. Nichts einatmen, essen oder über Wunden aufnehmen. Im Körper hilft weder Abstand noch Abschirmung, und gerade Alphastrahler werden dann besonders gefährlich.

Merkhilfe: Abstand, Aufenthaltsdauer, Abschirmung, Aufnahme vermeiden.

Die vier A des StrahlenschutzesAAbstanddoppelt so weit:ein ViertelAAbschirmungPapier, Alu, Blei, je nach ArtAAufenthalthalb so lange:halbe DosisAAktivitätwenig PräparatverwendenDer Abstand wirkt am stärksten, weil er quadratisch eingeht.Die anderen drei wirken einfach: halbe Zeit, halbe Dosis.Wenn nur eine Regel geht, dann Abstand

Vier Regeln, aber eine wirkt stärker als die anderen drei: Der Abstand geht quadratisch ein, alles andere nur einfach. Deshalb gilt im Praktikum: Präparate immer mit der Zange fassen, nie mit der Hand.

Doppelter Abstand heißt ein Viertel, nicht die HälfteDieselbe Strahlung auf immer größerer Fläche.Quelle1 m100 %2 m25 %3 m11,1 %4 m6,3 %Dosis ~ 1 / r²100 % · 25 % · 11,1 % · 6,3 %, jeder Schritt zählt mehr.Ein Meter Abstand ersetzt eine dicke Abschirmung

Rechne die Prozentzahlen nach: 100, 25, 11,1 und 6,3. Bei doppeltem Abstand ist die Kugelfläche viermal so groß, dieselbe Strahlung verteilt sich also auf das Vierfache. Wer hier „die Hälfte" sagt, unterschätzt seine Dosis um das Doppelte.

Woher unsere Strahlenbelastung stammt

Von den rund 2,1 mSva2{,}1\,\frac{\text{mSv}}{\text{a}} natürlicher Belastung in Deutschland entfallen etwa:

  • 1,1 mSv1{,}1\,\text{mSv} auf Radon in Innenräumen (der mit Abstand größte Anteil),
  • 0,3 mSv0{,}3\,\text{mSv} auf kosmische Strahlung,
  • 0,3 mSv0{,}3\,\text{mSv} auf Boden und Baustoffe,
  • 0,3 mSv0{,}3\,\text{mSv} auf Nahrung und den eigenen Körper.

Dazu kommen im Mittel rund 1,7 mSva1{,}7\,\frac{\text{mSv}}{\text{a}} aus medizinischer Diagnostik, fast ausschließlich Röntgen und CT. Der Beitrag kerntechnischer Anlagen liegt im Normalbetrieb unter einem Prozent der Gesamtbelastung.

🔴 Diese Zahlen sind wichtig für die Einordnung: Wer nicht weiß, dass er ohnehin ständig bestrahlt wird, kann keine Meldung über Grenzwerte bewerten.

Woher die Strahlung wirklich kommtMittelwerte für Deutschland in Millisievert je Jahr.Radon in Innenräumen1,3Medizin (Röntgen, CT)1,3Nahrung und Körper0,8Boden und Baustoffe0,4kosmische Strahlung0,3Kerntechnik0,01natürlichvom Menschen gemachtGrößte künstliche Quelle: die Medizin, nicht das Kraftwerk

Rund 4 mSv bekommt ein Mensch in Deutschland pro Jahr ab. Der kaum sichtbare Balken ganz unten ist kein Zeichenfehler: Die Kerntechnik trägt weniger als ein Hundertstel Millisievert bei. Die größte künstliche Quelle ist die Medizin, die größte überhaupt das Radon im Keller.

Anwendungen in der Medizin

Diagnostik (Szintigrafie). Man verabreicht ein Radiopharmakon, das sich in einem bestimmten Organ anreichert, etwa radioaktives Iod in der Schilddrüse. Eine Kamera nimmt die austretende Gammastrahlung auf und macht sichtbar, wie gut das Organ arbeitet. Verwendet werden kurzlebige Gammastrahler wie Technetium-99m (T1/2=6 hT_{1/2} = 6\,\text{h}): lange genug für die Untersuchung, kurz genug, um schnell abzuklingen.

Strahlentherapie. Tumorzellen teilen sich häufiger als gesunde und sind deshalb empfindlicher. Man bestrahlt aus vielen Richtungen, sodass sich die Dosis nur im Tumor summiert, und verteilt sie auf viele Sitzungen, damit gesundes Gewebe dazwischen reparieren kann.

Sterilisation. Einwegspritzen, Implantate und Operationsbesteck werden mit Gammastrahlung keimfrei gemacht, und zwar in der verschweißten Verpackung. Die Gegenstände werden dabei nicht .

Anwendungen in der Technik

AnwendungPrinzip
DickenmessungJe dicker das Material, desto weniger Strahlung kommt durch
FüllstandsmessungStrahlung wird von Flüssigkeit stärker geschwächt als von Gas
WerkstoffprüfungGammadurchleuchtung findet Risse in Schweißnähten
AltersbestimmungC-14 für Organisches, Uran-Blei für Gestein
Rauchmelder (ältere)Alphastrahler ionisiert Luft; Rauch stört den Strom
Leckortungmarkierte Flüssigkeit wird von außen verfolgt

Nutzen und Risiko abwägen

Bei jeder Anwendung gilt die Frage: Überwiegt der Nutzen das Risiko?

  • Eine CT-Untersuchung verursacht eine messbare Dosis. Bei begründetem Verdacht auf eine schwere Erkrankung überwiegt der Nutzen klar; als Routine ohne Anlass nicht.
  • Strahlentherapie schädigt auch gesundes Gewebe. Gegen einen unbehandelten Tumor ist das Risiko trotzdem gering.

🔴 Diese Abwägung ist keine physikalische, sondern eine medizinische und gesellschaftliche Entscheidung. Die Physik liefert die Zahlen; was daraus folgt, ist damit noch nicht entschieden. Genau deshalb verlangt der Lehrplan hier ausdrücklich einen eigenen begründeten Standpunkt.

Abstandsregel anwenden

In 1 m1\,\text{m} Abstand von einer Quelle misst man eine Dosisleistung von 80 µSvh80\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}.

a) Wie groß ist sie in 2 m2\,\text{m}, 4 m4\,\text{m} und 10 m10\,\text{m} Abstand?

b) Eine Person arbeitet 30 min30\,\text{min} in 2 m2\,\text{m} Abstand. Welche Dosis erhält sie?

c) Wie lange dürfte sie in 1 m1\,\text{m} Abstand arbeiten, um dieselbe Dosis nicht zu überschreiten?

d) Vergleiche mit der natürlichen Jahresbelastung.

  1. 1

    a) Die Dosisleistung sinkt mit dem Quadrat des Abstands:

    bei 2 m:8022=20 µSvh\text{bei } 2\,\text{m}: \quad \frac{80}{2^2} = 20\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}} bei 4 m:8042=5 µSvh\text{bei } 4\,\text{m}: \quad \frac{80}{4^2} = 5\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}} bei 10 m:80102=0,8 µSvh\text{bei } 10\,\text{m}: \quad \frac{80}{10^2} = 0{,}8\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}

    🔴 Zehnfacher Abstand bedeutet ein Hundertstel. Deshalb ist Abstandhalten die wirksamste Schutzmaßnahme, und sie kostet nichts.

  2. 2

    b) Dosis ist Dosisleistung mal Zeit:

    H=20 µSvh⋅0,5 h=10 µSvH = 20\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}} \cdot 0{,}5\,\text{h} = 10\,\text{µSv}
  3. 3

    c) In 1 m1\,\text{m} Abstand ist die Dosisleistung viermal so hoch (8080 statt 20 µSvh20\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}):

    t=10 µSv80 µSvh=0,125 h=7,5 mint = \frac{10\,\text{µSv}}{80\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}} = 0{,}125\,\text{h} = 7{,}5\,\text{min}

    Statt 3030 Minuten nur noch 7,57{,}5 Minuten, also ein Viertel der Zeit. Abstand und Zeit lassen sich also gegeneinander tauschen, aber der Abstand wirkt quadratisch und die Zeit nur linear.

    Praktische Folge: Wer eine Quelle mit einer langen Zange statt mit der Hand hantiert, gewinnt mehr als durch jede Beeilung.

  4. 4

    d) Einordnung. 10 µSv=0,01 mSv10\,\text{µSv} = 0{,}01\,\text{mSv}.

    Die natürliche Jahresbelastung beträgt rund 2,1 mSv2{,}1\,\text{mSv}, also das 210-fache. Die entspricht damit etwa der natürlichen Belastung von knapp zwei Tagen oder rund einem Fünftel eines Transatlantikflugs.

    🔴 Solche Vergleiche sind wichtig, um Zahlen einzuordnen. „Zehn Mikrosievert" klingt bedrohlich, wenn man keinen Maßstab hat, und ist tatsächlich sehr wenig. Umgekehrt gilt: Auch kleine Dosen sollen nach dem Vorsorgeprinzip vermieden werden, weil bei Spätschäden keine Schwelle bekannt ist.

a) 2020, 55 und 0,8 µSvh0{,}8\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}} b) 10 µSv10\,\text{µSv} c) nur 7,5 min7{,}5\,\text{min} d) etwa zwei Tage natürlicher Belastung.

Ein Radionuklid für eine Untersuchung auswählen

Für eine Schilddrüsenuntersuchung stehen zur Wahl:

  • A: Gammastrahler, T1/2=6 hT_{1/2} = 6\,\text{h}
  • B: Alphastrahler, T1/2=8 TageT_{1/2} = 8\,\text{Tage}
  • C: Gammastrahler, T1/2=30 JahreT_{1/2} = 30\,\text{Jahre}

Welches Nuklid eignet sich, und warum sind die anderen ungeeignet?

  1. 1

    Kriterium 1: Die Strahlung muss den Körper verlassen können.

    Nur Gammastrahlung hat genug Reichweite, um von außen mit einer Kamera aufgenommen zu werden.

    Alphastrahlung (B) kommt gar nicht aus dem Körper heraus; sie gäbe kein Bild. Schlimmer noch: Sie würde ihre gesamte im Gewebe abgeben und wäre besonders schädlich. B scheidet damit doppelt aus.

  2. 2

    Kriterium 2: Die Halbwertszeit muss zur Untersuchung passen.

    Sie muss lang genug sein, um Verabreichung, Anreicherung und Messung zu überstehen (einige Stunden), und kurz genug, damit die Belastung danach rasch abklingt.

    C (3030 Jahre) bliebe praktisch lebenslang im Körper aktiv. Für ein paar Bilder wäre das eine völlig unverhältnismäßige Dauerbelastung. C scheidet aus.

  3. 3

    Ergebnis: A ist geeignet. Gammastrahler mit 66 Stunden Halbwertszeit.

    Nach einem Tag sind nur noch (12)4=6,25 %\left(\frac{1}{2}\right)^4 = 6{,}25\,\% übrig, nach zwei Tagen unter 0,4 %0{,}4\,\%. Die Belastung ist damit auf wenige Tage begrenzt.

    Genau diese Eigenschaften hat Technetium-99m, das in der Nuklearmedizin am häufigsten verwendete Nuklid.

  4. 4

    Weitere Anforderungen in der Praxis, die über die Aufgabe hinausgehen:

    • Das Nuklid muss sich im Zielorgan anreichern. Deshalb bindet man es an eine passende Trägersubstanz oder wählt ein Element, das der Körper ohnehin dort einlagert (Iod in der Schilddrüse).
    • Es muss chemisch verträglich sein und wieder ausgeschieden werden.
    • Die Gammaenergie sollte in einem Bereich liegen, den die Kamera gut misst.

    🔴 Die allgemeine Regel: Für Diagnostik nimmt man kurzlebige Gammastrahler, für Therapie dagegen kurzreichweitige Beta- oder Alphastrahler, weil dort die Energie gerade im Gewebe bleiben soll. Dieselbe Eigenschaft, die Alphastrahler zur Diagnostik untauglich macht, macht sie für gezielte Therapie interessant.

A ist geeignet: Gammastrahlung verlässt den Körper, und 66 Stunden reichen für die Untersuchung, ohne lange zu belasten. B strahlt nicht heraus und schädigt, C bliebe Jahrzehnte aktiv.

Typischer Fehler

„Ein Gegenstand, der bestrahlt wurde, ist danach selbst ."

In aller Regel nicht. Bestrahlung und Kontamination sind zwei verschiedene Dinge.

Bestrahlung bedeutet, dass Strahlung durch einen Körper hindurchgegangen ist. Sie hinterlässt keine radioaktiven Kerne, genauso wenig wie Licht eine Wand leuchtend zurücklässt. Nach dem Abschalten der Quelle ist alles vorbei.

Kontamination bedeutet, dass radioaktives Material anhaftet oder eingedrungen ist. Dann strahlt der Gegenstand tatsächlich weiter, und man muss ihn reinigen.

Beispiele:

  • Eine Röntgenaufnahme macht den Patienten nicht radioaktiv. Er kann unmittelbar danach ohne jede Vorsicht nach Hause gehen.
  • Sterilisiertes Operationsbesteck wird mit Gammastrahlung behandelt und ist danach völlig unbedenklich. Es wird deshalb in der verschweißten Verpackung bestrahlt.
  • Bestrahlte Lebensmittel (in Deutschland nur eingeschränkt zugelassen und kennzeichnungspflichtig) sind nicht radioaktiv.
  • Nach einer Szintigrafie ist der Patient dagegen tatsächlich kurzzeitig eine schwache Quelle, weil ihm radioaktives Material verabreicht wurde. Das ist Kontamination, nicht Bestrahlung, und klingt mit der ab.

Die eine Ausnahme, ehrlich benannt: Sehr intensiver Neutronenbeschuss kann Kerne tatsächlich in radioaktive umwandeln (Aktivierung). Das geschieht in Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern, nicht bei Röntgen oder gewöhnlicher Gammabestrahlung.

Merksatz: Strahlung durchdringt, Material haftet an. Nur das Zweite bleibt.

Übung 1

leicht

a) Nenne die vier Grundregeln des Strahlenschutzes.

b) Was misst man in Becquerel, was in Sievert?

c) In 2 m2\,\text{m} Abstand misst man 12 µSvh12\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}. Wie groß ist die Dosisleistung in 6 m6\,\text{m} Abstand?

Tipp anzeigen

c) Dreifacher Abstand bedeutet ein Neuntel.

Lösung anzeigen

a) Abstand halten · Aufenthaltsdauer verkürzen · Abschirmung benutzen · Aufnahme in den Körper vermeiden.

b) In Becquerel misst man die Aktivität, also die Anzahl der Zerfälle je Sekunde. Sie beschreibt die Quelle.

In Sievert misst man die Äquivalentdosis, also die biologische Wirkung auf den Menschen. Nur sie erlaubt eine Aussage über die Gefährdung.

c) Der Abstand ist dreimal so groß, die Dosisleistung sinkt also auf ein Neuntel:

12 µSvh32=129≈1,3 µSvh\frac{12\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}}{3^2} = \frac{12}{9} \approx 1{,}3\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}
Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Gegeben und Gesucht: Regeln, Einheiten und eine Rechnung

    a) fragt nach den vier Grundregeln, b) nach der Bedeutung von Becquerel und Sievert. c) gibt 12 µSvh12\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}} in 2 m2\,\text{m} Abstand; gesucht ist die Dosisleistung in 6 m6\,\text{m}.

  2. 2

    a) und b) Die vier A und die beiden Einheiten

    Abstand halten · Aufenthaltsdauer verkürzen · Abschirmung benutzen · Aufnahme in den Körper vermeiden. In Becquerel misst man die Aktivität (Zerfälle je Sekunde, beschreibt die Quelle), in Sievert die Äquivalentdosis (biologische Wirkung auf den Menschen).

  3. 3

    c) Das Abstandsgesetz

    Die Dosisleistung nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab. Der Grund ist geometrisch: Die Strahlung verteilt sich auf eine Kugeloberfläche, und die wächst mit r2r^2.

  4. 4

    c) Die Dosisleistung im dreifachen Abstand

    Dreifacher Abstand bedeutet ein Neuntel der Dosisleistung.

    12 µSvh32≈1,3 µSvh\frac{12\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}}{3^2} \approx 1{,}3\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}

    Zwischenergebnis

    ≈1,3 µSvh\approx 1{,}3\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}} in 6 m6\,\text{m} Abstand

  5. 5

    c) Ergebnis deuten: warum Abstand die wirksamste Regel ist

    Aus 1212 werden 1,3 µSvh1{,}3\,\frac{\text{µSv}}{\text{h}}, allein dadurch, dass man vier Meter weiter weggeht. Keine andere der vier Grundregeln ist mit so wenig Aufwand so wirksam.

Übung 2

mittel

a) Warum ist Strahlentherapie überhaupt wirksam, obwohl sie auch gesundes Gewebe trifft?

b) Warum bestrahlt man aus mehreren Richtungen und verteilt die Behandlung auf viele Sitzungen?

c) Warum eignet sich Technetium-99m (T1/2=6 hT_{1/2} = 6\,\text{h}, Gammastrahler) besonders für die Diagnostik?

d) Warum ist bestrahltes Operationsbesteck unbedenklich?

Tipp anzeigen

a) Welche Zellen sind besonders empfindlich?

Lösung anzeigen

a) Weil sich häufig teilende Zellen empfindlicher gegenüber ionisierender Strahlung sind. Tumorzellen teilen sich deutlich häufiger als die meisten gesunden Zellen und werden deshalb stärker geschädigt.

Zusätzlich haben gesunde Zellen wirksamere Reparaturmechanismen, während Tumorzellen häufig genau diese Systeme verloren haben.

b) Mehrere Richtungen: Alle Strahlenbündel werden auf den Tumor gerichtet, durchqueren aber jeweils verschiedenes gesundes Gewebe. Im Tumor summiert sich die Dosis, im umliegenden Gewebe nicht. So erreicht man eine hohe Tumordosis bei erträglicher Belastung außen herum.

Viele Sitzungen (Fraktionierung): Zwischen den Sitzungen können gesunde Zellen ihre Schäden reparieren, Tumorzellen wegen ihrer defekten Reparatursysteme deutlich schlechter. Der Unterschied summiert sich über die Sitzungen und vergrößert den therapeutischen Abstand.

c) Aus zwei Gründen, die genau zusammenpassen:

  1. Gammastrahlung hat genug Reichweite, um den Körper zu verlassen und von einer Kamera aufgenommen zu werden. Alpha- oder Betastrahler würden ihre im Gewebe abgeben und kein Bild liefern.
  2. Die von 6 Stunden ist lang genug für die Untersuchung und kurz genug, dass die Aktivität rasch abklingt. Nach einem Tag sind nur noch gut 6 %6\,\% übrig.

Damit ist die Belastung für den Patienten auf ein Minimum begrenzt.

d) Weil Bestrahlung und Kontamination verschiedene Dinge sind.

Bei der Sterilisation durchdringt Gammastrahlung das Besteck und tötet Keime ab, indem sie deren Erbgut zerstört. Sie hinterlässt dabei keine Kerne; nach dem Abschalten der Quelle ist der Vorgang beendet.

Radioaktiv würde das Besteck nur, wenn radioaktives Material daran haften bliebe (Kontamination) oder wenn Kerne durch intensiven Neutronenbeschuss umgewandelt würden (Aktivierung). Beides tritt bei der Gammasterilisation nicht auf.

Deshalb kann das Besteck in der verschweißten Verpackung bestrahlt werden und ist danach steril und völlig unbedenklich.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    a) Warum Strahlentherapie trotz Schäden am gesunden Gewebe wirkt

    Weil sich häufig teilende Zellen empfindlicher gegenüber ionisierender Strahlung sind. Tumorzellen teilen sich deutlich häufiger als die meisten gesunden Zellen und werden deshalb stärker geschädigt. Zusätzlich haben gesunde Zellen wirksamere Reparaturmechanismen.

  2. 2

    b) Warum aus mehreren Richtungen und in vielen Sitzungen

    Mehrere Richtungen: Alle Strahlenbündel zielen auf den Tumor, durchqueren aber jeweils verschiedenes gesundes Gewebe, im Tumor summiert sich die Dosis, außen herum nicht. Viele Sitzungen: Zwischen den Sitzungen reparieren gesunde Zellen ihre Schäden, Tumorzellen wegen defekter Reparatursysteme deutlich schlechter.

  3. 3

    c) Warum Technetium-99m so gut zur Diagnostik passt

    Aus zwei Gründen, die genau zusammenpassen. Gammastrahlung hat genug Reichweite, um den Körper zu verlassen und von einer Kamera aufgenommen zu werden: Alpha- oder Betastrahler würden ihre Energie im Gewebe abgeben und kein Bild liefern. Und die Halbwertszeit von 66 Stunden ist lang genug für die Untersuchung und kurz genug, dass die Aktivität rasch abklingt.

  4. 4

    d) Ergebnis deuten: Bestrahlung ist nicht Kontamination

    Bei der Sterilisation durchdringt Gammastrahlung das Besteck und tötet Keime ab, indem sie deren Erbgut zerstört, sie hinterlässt dabei keine radioaktiven Kerne. Nach dem Abschalten der Quelle ist der Vorgang beendet.

Übung 3

schwer

a) Erkläre den Unterschied zwischen akuten Schäden und Spätschäden und welche Folge das für den Strahlenschutz hat.

b) Warum ist Radon die größte natürliche Strahlenquelle, obwohl Alphastrahlung von außen harmlos ist?

c) Eine Meldung lautet: „In Pilzen wurden 600 Bq600\,\text{Bq} Cäsium-137 je Kilogramm gemessen." Was sagt diese Zahl aus, und was nicht?

d) Nimm begründet Stellung zur Frage, ob eine CT-Untersuchung sinnvoll ist.

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c) Welche Größe beschreibt die Wirkung auf den Menschen?

Lösung anzeigen

a) Akute Schäden (Strahlenkrankheit) entstehen durch massenhaften Zelltod. Sie treten erst oberhalb einer Schwellendosis auf (etwa 250 mSv250\,\text{mSv} für erste messbare Veränderungen), und ihre Schwere wächst mit der Dosis.

Spätschäden (vor allem Krebs, außerdem Erbgutschäden) entstehen durch fehlerhaft reparierte Zellen. Nach heutigem Kenntnisstand gibt es hier keine Schwelle: Mit der Dosis wächst nicht die Schwere, sondern die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaden eintritt.

Folge für den Strahlenschutz: Weil man keine unschädliche Untergrenze kennt, gilt das Minimierungsgebot: Jede vermeidbare Dosis ist zu vermeiden, auch weit unterhalb aller Grenzwerte. Grenzwerte sind keine Sicherheitsgrenzen, sondern Obergrenzen für das noch Vertretbare.

b) Weil Radon ein Gas ist und deshalb eingeatmet wird.

Die Regel „Alphastrahlung ist von außen harmlos" gilt nur für Quellen außerhalb des Körpers; die Hornhaut hält sie ab. Radon entweicht aus dem Boden, sammelt sich in Kellern und schlecht gelüfteten Räumen und gelangt beim Atmen direkt in die Lunge.

Dort liegt die Quelle unmittelbar an lebendem Gewebe, und die Alphastrahlung gibt ihre gesamte in wenigen Zellschichten ab. Genau die Eigenschaft, die sie von außen ungefährlich macht (kurze Reichweite), macht sie innen besonders schädlich.

Radon ist deshalb nach dem Rauchen die zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs. Wirksame Gegenmaßnahmen sind Lüften und das Abdichten von Kellern gegen den Boden.

c) Die Zahl sagt aus, wie viele Kernzerfälle je Sekunde in einem Kilogramm Pilzen stattfinden, also etwas über die Aktivität der Quelle.

Sie sagt nicht aus, welche Wirkung das auf den Menschen hat. Dafür bräuchte man die Äquivalentdosis in Sievert, und die hängt zusätzlich davon ab:

  • wie viel man tatsächlich isst,
  • welche Strahlenart mit welcher Energie beteiligt ist,
  • wie lange der Stoff im Körper bleibt, bevor er ausgeschieden wird.

Zur Einordnung: Der EU-Grenzwert für Cäsium-137 in Lebensmitteln liegt bei 600 Bqkg600\,\frac{\text{Bq}}{\text{kg}}. Wer ein Kilogramm solcher Pilze isst, nimmt eine Dosis in der Größenordnung von etwa 0,008 mSv0{,}008\,\text{mSv} auf, also rund ein Fünftel eines Transatlantikflugs.

🔴 Meldungen, die nur Becquerel nennen, klingen dramatisch, ohne eine Aussage über die Gefährdung zu treffen. Ohne Angabe der Menge und ohne Vergleichsmaßstab ist die Zahl nicht bewertbar.

d) Eine Abwägung, keine reine Rechenaufgabe.

Was dafür spricht: Eine CT liefert Bilder, die andere Verfahren nicht bieten, und kann Diagnosen ermöglichen, die über Leben und Tod entscheiden. Gegenüber einem unerkannten Tumor, einer inneren Blutung oder einer Lungenembolie ist ein zusätzliches Krebsrisiko im Bereich von Bruchteilen eines Prozents gering.

Was dagegen spricht: Eine CT verursacht mit 1010 bis 20 mSv20\,\text{mSv} eine Dosis, die dem Fünf- bis Zehnfachen der natürlichen Jahresbelastung entspricht. Bei Spätschäden ist keine Schwelle bekannt, das Risiko ist also nicht null. Besonders zurückhaltend ist man bei Kindern (empfindlicheres Gewebe, längere Lebenszeit für Spätfolgen) und in der Schwangerschaft.

Begründete Position: Eine CT ist sinnvoll, wenn eine konkrete Fragestellung vorliegt, die Antwort das ärztliche Vorgehen ändert und kein strahlungsfreies Verfahren (Ultraschall, MRT) dieselbe Information liefert. Als Routineuntersuchung ohne Anlass oder auf bloßen Wunsch ist sie nicht zu rechtfertigen.

Genau das schreibt auch die Strahlenschutzverordnung vor: rechtfertigende Indikation durch eine Ärztin oder einen Arzt.

🔴 Wichtig ist hier die Rollenklärung: Die Physik liefert Dosis und Risikoabschätzung. Die Entscheidung ist medizinisch und persönlich und lässt sich aus der Physik allein nicht ableiten.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    a) Akute Schäden und Spätschäden unterscheiden

    Akute Schäden (Strahlenkrankheit) entstehen durch massenhaften Zelltod, treten erst oberhalb einer Schwellendosis auf (etwa 250 mSv250\,\text{mSv}), und ihre Schwere wächst mit der Dosis. Spätschäden (vor allem Krebs) entstehen durch fehlerhaft reparierte Zellen. Hier gibt es nach heutigem Kenntnisstand keine Schwelle: Mit der Dosis wächst die Wahrscheinlichkeit, nicht die Schwere.

  2. 2

    b) Warum Radon trotz harmloser Alphastrahlung gefährlich ist

    Weil es ein Edelgas ist und deshalb eingeatmet wird. Von außen wäre seine Alphastrahlung harmlos, die Haut stoppt sie vollständig. In der Lunge liegt die Quelle dagegen unmittelbar an lebenden Zellen, und Alphastrahlung ionisiert dort sehr stark.

  3. 3

    c) Was 600 Becquerel je Kilogramm aussagen und was nicht

    Die Zahl sagt: In jedem Kilogramm Pilze zerfallen je Sekunde 600600 Kerne. Sie beschreibt also die Aktivität der Quelle. Sie sagt nicht, welche Dosis ein Mensch dadurch erhält, dafür bräuchte man das Sievert.

  4. 4

    d) Ergebnis deuten: wie man über eine CT-Untersuchung entscheidet

    Die Frage lässt sich nicht allgemein beantworten, sondern nur durch Abwägung: Der Nutzen einer sicheren Diagnose steht gegen ein zusätzliches, statistisches Krebsrisiko. Beides muss im Einzelfall gegeneinandergehalten werden.

Zusammenfassung

Ionisierende Strahlung schädigt Zellen direkt an der DNA und häufiger indirekt über Radikale aus gespaltenem Wasser; besonders empfindlich sind sich häufig teilende Zellen, und genau darauf beruht die Strahlentherapie. Akute Schäden setzen erst oberhalb einer Schwelle ein, für Spätschäden ist keine Schwelle bekannt, weshalb im Strahlenschutz jede vermeidbare Dosis vermieden wird. Die Aktivität in Becquerel beschreibt dabei nur die Quelle, erst die Äquivalentdosis in Sievert die Wirkung auf den Menschen. Geschützt wird nach vier Regeln: Abstand halten, Aufenthaltsdauer verkürzen, abschirmen und die Aufnahme in den Körper vermeiden, wobei der Abstand quadratisch wirkt und deshalb am wirksamsten ist. Radionuklide nützen in Diagnostik, Therapie, Sterilisation, Werkstoffprüfung und Altersbestimmung, und ob eine Anwendung vertretbar ist, entscheidet eine Abwägung, für die die Physik die Zahlen liefert, aber nicht das Urteil.