Teilchen- oder Photonen- (d. h. Elektromagnetische Wellen-)Strahlung wird als ionisierende Strahlung bezeichnet, wenn sie in der Lage ist, Atome oder Moleküle zu ionisieren, d. h. aus diesen Elektronen zu entfernen. Neutronenstrahlung zählt aus praktischer Sicht dazu, obwohl sie physikalisch nur indirekt (über Zwischenprozesse) ionisiert. Wenn die einzelnen Teilchen (Photonen) nicht genug Energie zur Ionisation haben, können grundsätzlich auch große Mengen dieser Strahlung keine Ionisation hervorrufen.

Vorgänge beim Durchgang durch Materie

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In dem Bild sind Gammaquanten durch Wellenlinien dargestellt, geladene Teilchen und Neutronen durch Geraden bzw. Geradenstücke. Die kleinen Kreise stellen Ionisationsprozesse dar.

Bei jeder Ionisation entsteht normalerweise ein positives Atom-Ion und ein Elektron. Wenn dieses Elektron wieder genug Energie hat, um selbst ionisieren zu können (so dass man es z.B. in einer Nebelkammer als Spur sehen würde), so nennt man es Delta-Elektron. Hochenergetische Elektronen können bei der Abbremsung Bremsphotonen erzeugen.

Gammaquanten ionisieren nicht laufend auf ihrem Weg wie Alpha- oder Betateilchen (siehe Teilchenstrahlung). Die Wechselwirkung eines Gammaquants mit Materie erfolgt durch einen von drei Prozessen: Photoeffekt, Compton-Effekt oder Paarbildung. Im Bild ist als Beispiel nur der Compton-Effekt gezeigt, und zwar zwei hintereinander stattfindende Comptonstreuungen. Bei jeder dieser Streuungen gibt das Quant Energie an ein angestoßenes Elektron ab und fliegt mit verringerter Energie in anderer Richtung weiter.

Jede Ionisation durch geladene Teilchen oder durch Photonen, wie in der Abbildung dargestellt, ist im logischen Sinne eine Stoßionisation, wenngleich diese Bezeichnung traditionell nur bei einfallenden schnellen Elektronen verwendet wird. Nur Neutronen üben keine direkten Stöße auf Elektronen aus.

Quellen ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlung kann von verschiedenen natürlichen oder künstlichen Quellen ausgesandt (emittiert) werden.

• Kosmische Strahlung: hauptsächlich schnelle geladene Teilchen
• Radioaktive Stoffe: Alphastrahlung, Betastrahlung, Gammastrahlung, Neutronen
• Kernreaktionen in Kernreaktor- und Beschleuniger-Anlagen: hauptsächlich Photonen und Neutronen (geladene Teilchen durchdringen Gehäuse oder Wandungen meist nicht)
• Röntgengeräte: Photonen
• Bildröhren (Monitore, Fernsehempfänger): geringfügige Röntgenstrahlung

Biologische und chemische Anwendungen ionisierender Strahlung

In der Biologie wird hauptsächlich die Mutationen fördernde und sterilisierende Wirkung genutzt. In der Pflanzenzüchtung werden zum Beispiel durch „strahlungsinduzierte Mutationen“ Mutanten erzeugt, durch die neue und verbesserte Arten hervorgebracht werden können. Ein sehr erfolgreiches Einsatzfeld ist die „Sterile-Insekten-Technik“, kurz SIT. Dabei werden männliche Schadinsekten sterilisiert und dann im Zielgebiet freigelassen. Das Ausbleiben von Nachkommen führt zur Verringerung der Population. Vorteil hierbei ist auch, dass keine schädlichen Chemikalien eingesetzt werden müssen und andere Insekten unbetroffen bleiben. Weiterhin eignet sich Strahlung auch zur Sterilisation von Geräten, Implantaten oder Lebensmitteln. Hierbei werden Mikroorganismen, ähnlich wie bei der Hitzesterilisation, neutralisiert. Hierfür gelten jedoch strenge Auflagen. Das Wachstum eines Keimlings kann durch schwache Strahlung verbessert werden, wohingegen zu starke Strahlung wachstumshemmend wirkt.

Niedere Lebewesen wie Bakterien können sehr viel stärkere Strahlungsdosen als Menschen ertragen. Rekordhalter ist Deinococcus radiodurans, der sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben kann.

In der chemischen und Materialtechnik ist die Vernetzung von Polymeren ohne Wärmeentwicklung möglich, wobei auch große Komponenten vernetzt werden können. Interessant ist auch die Farbänderung von Edelsteinen, Gläsern und pigmentierten Kunststoffen durch Radioaktivität.

Gesundheitliche Wirkungen

Die zurückbleibenden Ionen sind meist sehr reaktiv (siehe auch Chemische Reaktion), so dass sie, falls sie in lebendem Gewebe entstehen, großen Schaden u.a. durch nachfolgende Zersetzungsprozesse anrichten können. Diese können allerdings etwa bei der Krebsbekämpfung auch erwünscht sein (siehe Strahlentherapie). Grundsätzlich können jedoch alle ionisierenden Strahlen für Lebewesen gesundheitsschädlich sein (siehe Strahlenschaden), deshalb ist u.a. in Deutschland der Strahlenschutz gesetzlich geregelt.

Die Kurzzeitfolge einer zu hohen Strahlendosis wird Strahlenkrankheit genannt. Sie äußert sich durch ein geschwächtes Immunsystem und Verbrennungen. Auf molekularer Ebene ist unter anderem die schädigende Wirkung von durch Radiolyse entstehenden Radikalen beteiligt. Die Strahlenkrankheit tritt etwa ab einer kurzfristigen Belastung von 0,25 Sv auf. 4 Sv als Kurzzeitbestrahlung ist in der Regel tödlich. Langzeitfolgen von Strahlenbelastungen können Mutationen am Erbgut und Krebs sein (siehe auch Strahlenrisiko).

Ionisierende Strahlung tritt in sehr geringer Dosis als natürliche Hintergrundstrahlung auf. Diese besteht unter anderem aus der kosmischen Strahlung und der Strahlung radioaktiver Stoffe, die natürlich in der Erdkruste auftreten. Die derzeit messbare Hintergrundstrahlung liegt global über der natürlichen Hintergrundstrahlung, da durch technische Anwendungen, aber vor allem durch Atomwaffeneinsatz und Atomwaffenversuche Radionuklide weltweit in der Atmosphäre, an Land und im Wasser verteilt wurden.

Das radioaktive Edelgas Radon, welches vor allem aus Beton und Granit austreten kann, aber auch natürlich in der Erde vorkommt, und deshalb in schlecht isolierten Kellern häufig in höherer Konzentration zu finden ist, führt unter Umständen zu einer messbaren oder gar gefährlichen Strahlendosis. Durch Lüften kann aber die Konzentration ausreichend gesenkt werden. Aufgrund der Ausdünnung der Ozonschicht in der Stratosphäre trifft ein größerer Anteil der ultravioletten Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche und erfordert sorgfältigeren Sonnenschutz.

Größen und Maßeinheiten

Gray Gy

(SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab. Es gibt an, wie viel Energie von einem Kilogramm der bestrahlten Materie aufgenommen wird. 1 Gray = 1 J / kg = 100 Rad; 1 Rad = 0,01 Gray

Rad : radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy)

Rem

roentgen-equivalent man; alte Einheit der Personendosis, abgelöst durch Sievert (Sv)

Röntgen

alte Einheit der Ionendosis

Sievert Sv

Einheit der Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung Rem (roentgen-equivalent-man) ab. Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem biologischen Qualitätsfaktor. Sie ist also biologisch bewertet, so dass gleichgroße Äquivalenzdosen unabhängig von der Strahlenart in ihrer Wirkung vergleichbar sind. Für $\backslash beta$- und $\backslash gamma$-Strahlung ist der Qualitätsfaktor 1, das heißt 1 Sv = 1 Gy. Für $\backslash alpha$-Strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt.

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