TextaufgabenBiologische Wirkung

Physikalische Ebene: Die Strahlung trifft ein Atom und schlägt ihm ein Elektron aus der Hülle — das Atom wird ionisiert.

Chemische Ebene: Die Strahlung wirkt auf ein Molekül; fehlt einem seiner Atome ein Elektron, passt es nicht mehr in die chemische Bindung, das Molekül wird beschädigt.

Biologische Ebene: Betroffen sind ganze Zellen — Körperzellen oder Keimzellen —, die geschädigt werden und absterben können.

Das Teilchen schlägt einem Atom im Unterarm ein Elektron heraus; das Atom ist ionisiert. Es findet kein anderes Elektron und bleibt ionisiert.

Da das Atom Teil eines Moleküls ist, passt es nun nicht mehr in seine Bindung: Das Molekül wird beschädigt. Die Reparaturmechanismen des Körpers greifen nicht; es entstehen schädliche Stoffe, DNS-Schäden und Chromosomenbrüche.

Die betroffene Zelle wird geschädigt und nicht ersetzt. Erst wenn viele Zellen gleichzeitig ausfallen, bemerkt die Patientin eine Folge — als Frühschaden kurz danach oder als Spätschaden nach Jahren.

Ein Treffer muss drei Ausgänge ohne Folgen hintereinander verfehlen, damit ein Schaden entsteht.

Auf jeder Ebene ist der grüne Ausgang der häufigere: Im Körper sind sehr viele Elektronen unterwegs, sodass ein ionisiertes Atom meist sofort wieder neutral wird; beschädigte Moleküle werden durch Reparaturmechanismen wiederhergestellt; geschädigte Zellen werden ersetzt oder ausgeschieden, weil der Körper ohnehin ständig Zellen austauscht.

Deshalb endet die überwiegende Mehrheit aller Treffer schon auf der ersten oder zweiten Ebene, und die natürliche Strahlung bleibt in aller Regel folgenlos.

α-Strahlung hat im Gewebe eine Reichweite von etwa 0,04 mm. Die oberste Hautschicht ist mit 0,05 mm bis 0,1 mm dicker als diese Reichweite.

Ein α-Teilchen aus der Kellerluft gibt seine Energie daher vollständig in dieser Schicht ab und erreicht die darunterliegenden lebenden Zellen nicht. Von außen ist α-Strahlung deshalb die harmloseste der drei Strahlungsarten.

Beim Einatmen gelangen Radon und seine Zerfallsprodukte in die Lunge: Die Quelle wird in den Körper aufgenommen — das nennt man Inkorporation.

Damit entfällt die abschirmende Hautschicht. Zerfällt ein Kern im Lungengewebe, wird die gesamte Energie des α-Teilchens innerhalb weniger hundertstel Millimeter abgegeben, also unmittelbar in lebenden Zellen. Auf dieser kurzen Strecke entstehen sehr viele Ionisationen dicht nebeneinander.

Aus der harmlosesten Strahlungsart von außen wird damit die gefährlichste im Inneren.

Die Aussage ist nur zur Hälfte richtig. Der physikalische Kern stimmt: α-Strahlung wird tatsächlich von einem Blatt Papier und ebenso von der Haut vollständig aufgehalten.

Der Schluss ist jedoch falsch, weil der Hausbesitzer nur an eine Quelle außerhalb des Körpers denkt. Radon ist ein Gas und wird eingeatmet; die Quelle liegt dann im Gewebe, wo keine Abschirmung mehr wirkt.

Fazit: Der Keller ist nicht ungefährlich. Die entscheidende Frage ist nicht, wie weit die Strahlung kommt, sondern wo die Quelle liegt. Sinnvolle Maßnahme ist regelmäßiges Lüften, nicht eine Abschirmung.

Energie in eV: \(E = 5{,}3\ \text{MeV} = 5{,}3 \cdot 10^{6}\ \text{eV}\)

Anzahl der Ionisationen: \(N = \dfrac{5{,}3 \cdot 10^{6}\ \text{eV}}{34\ \text{eV}} \approx 1{,}6 \cdot 10^{5}\)

Ein einziges α-Teilchen ionisiert also etwa 156 000 Atome.

Anzahl der Zellen: \(\dfrac{0{,}04\ \text{mm}}{0{,}02\ \text{mm}} = 2\)

Ionisationen je Zelle: \(\dfrac{1{,}6 \cdot 10^{5}}{2} = 8 \cdot 10^{4}\)

Das Teilchen durchquert etwa zwei Zellen und verursacht in jeder davon rund 80 000 Ionisationen.

Die gesamte Energie des α-Teilchens wird in nur zwei Zellen abgegeben. Dort werden zehntausende Atome ionisiert und entsprechend viele Moleküle beschädigt — auf der chemischen Ebene also sehr viele Schäden gleichzeitig, darunter mit hoher Wahrscheinlichkeit auch DNS-Schäden und Chromosomenbrüche.

Die Reparaturmechanismen können einzelne Schäden gut ausgleichen, aber nicht tausende in derselben Zelle. Der grüne Ausgang der chemischen Ebene wird damit sehr unwahrscheinlich, und der Treffer erreicht die biologische Ebene.

Ein γ-Strahler mit gleicher Gesamtenergie verteilt dieselbe Energie auf sehr viele Zellen im ganzen Körper. Jede einzelne Zelle erhält dann nur wenige Ionisationen, die sie in der Regel repariert. Entscheidend ist also nicht allein die Energie, sondern wie dicht sie abgegeben wird.

\(P(\text{Schaden}) = 0{,}25 \cdot 0{,}25 \cdot 0{,}25 = 0{,}25^{3} = 0{,}015625\)

Das entspricht etwa 1,6 %. Von 1000 Treffern führen also rund 16 zu einem Schaden, 984 werden vom Körper aufgefangen.

\(P(\text{Schaden}) = 0{,}5^{3} = 0{,}125 = 12{,}5\,\%\)

Vergleich: \(\dfrac{0{,}125}{0{,}015625} = 8\)

Die Verdopplung der Wahrscheinlichkeit je Ebene führt zur achtfachen Schadenswahrscheinlichkeit, weil der Faktor dreimal eingeht: \(2^{3}=8\). Die Gefahr wächst also deutlich schneller als die Dosis.

An jedem Knoten des Baumdiagramms stehen zwei Äste offen. Welchen Ast ein bestimmter Treffer nimmt, ist nicht vorherbestimmt und lässt sich nicht berechnen — genau wie beim Zerfall eines einzelnen Atomkerns.

Berechenbar ist nur die Wahrscheinlichkeit: Bei sehr vielen Treffern führen etwa 1,6 % zu einem Schaden. „Stochastisch“ heißt also nicht „man weiß nichts“, sondern: Aussagen sind nur über die Häufigkeit möglich, nicht über den Einzelfall.

Präparat A (α, Pulver): Von außen ist die Gefahr sehr gering, weil α-Strahlung schon von der Haut abgeschirmt wird. Da der Stoff jedoch als Pulver vorliegt und aufwirbeln kann, ist eine Inkorporation durch Einatmen oder Verschlucken möglich. Dann liegt die Quelle im Gewebe und gibt ihre gesamte Energie dort ab — das ist der gefährliche Fall.

Präparat B (γ, verschlossene Kapsel): Der Stoff kann nicht in den Körper gelangen, eine Inkorporation ist ausgeschlossen. γ-Strahlung durchdringt jedoch die Kapsel und den Körper und wirkt aus jeder Entfernung — die Gefahr besteht ausschließlich von außen.

Vorschlag 1 (nur Bleischürze): Für Präparat B sinnvoll, denn gegen γ-Strahlung von außen hilft nur Abschirmung. Für Präparat A dagegen nahezu wirkungslos: Die α-Strahlung wird ohnehin von der Haut aufgehalten, und gegen eingeatmetes Pulver schützt eine Schürze überhaupt nicht.

Vorschlag 2 (nur Atemschutz und Handschuhe): Für Präparat A genau richtig, weil er den einzigen gefährlichen Weg — die Inkorporation — verschließt. Für Präparat B wirkungslos, denn γ-Strahlung durchdringt Maske und Handschuhe ungehindert.

Eigener Vorschlag: Die Ausrüstung muss zum jeweiligen Präparat passen. Beim Umgang mit A: Atemschutz, Handschuhe und Arbeit unter einem Abzug, damit kein Staub eingeatmet wird. Beim Umgang mit B: Bleiabschirmung, möglichst großer Abstand und kurze Aufenthaltsdauer. Beides zugleich ist nur nötig, wenn beide Präparate gleichzeitig offen gehandhabt werden.

Der Vorschlag greift zu kurz. Er behandelt alle Präparate gleich, obwohl sich die Gefahr grundsätzlich unterscheidet.

Für den γ-Strahler in der Kapsel ist die Bleilagerung tatsächlich die richtige und ausreichende Maßnahme, weil die Gefahr nur von außen kommt.

Für den α-Strahler in Pulverform bleibt die Hauptgefahr dagegen bestehen: Sie entsteht nicht bei der Lagerung, sondern beim Arbeiten mit dem offenen Pulver. Blei um den Behälter verhindert kein Einatmen. Genau dann liegt die Quelle im Körper, und dort nützt keine Abschirmung mehr.

Meine Position: Die Lagerung hinter Blei ist ein sinnvoller Baustein, ersetzt aber keine Schutzmaßnahme gegen Inkorporation. Sie muss um Atemschutz, Handschuhe und einen Abzug für den Umgang mit offenen Stoffen ergänzt werden. Die entscheidende Frage bleibt immer: Kann die Quelle in den Körper gelangen?