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Ionisation

Strahlung schlägt Elektronen aus den Hüllen anderer Atome heraus. Dieser eine Vorgang erklärt zugleich, wie man Strahlung misst und warum sie gefährlich ist.

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Erklärung — Ionisation

Radioaktive Strahlung kann man weder sehen noch hören noch fühlen. Trotzdem weiß jeder zwei Dinge über sie:

Beobachtung 1 · Man kann sie messenEin Geigerzähler knackt, sobald man ihn an ein radioaktives Präparat hält. Was misst er da eigentlich – es gibt doch nichts zu sehen?
Beobachtung 2 · Sie kann schadenZu viel Strahlung macht krank. Wie kann etwas Unsichtbares, das einfach durch uns hindurchfliegt, eine Zelle verletzen?

Beide Fragen haben dieselbe Antwort.

  • Spur:Strahlung hinterlässt in jeder Materie eine Spur.
  • Name:Diese Spur heißt Ionisation.
  • Doppelrolle:Sie macht Strahlung messbar — und gefährlich.

Ein Elektron wird aus der Hülle geschlagen

Ionisation in drei Sätzen
Atom → positives Ion + freies Elektron
Treffer

Ein Teilchen (α, β oder γ) trifft mit hoher Energie ein Atom.

Wirkung

Es schlägt ein Elektron aus der Hülle. Der Kern bleibt unverändert.

Ergebnis

Zurück bleiben ein positives Ion und ein freies Elektron.

Vorher: Ein Strahlungsteilchen fliegt auf ein Atom zu. Nachher: Ein Elektron ist herausgeschlagen, das Atom ist ein positives Ion. VORHER + Strahlungs-teilchen neutrales Atom NACHHER + freies e⁻ fliegt weiter positives Ion (Kern unverändert)
Ionisation in einem Satz
Atom + Energie → Ion+ + e−
Ionisierungsenergie

Die Energie, die zum Herausschlagen nötig ist.

Einheit

Joule (J) — in der Kernphysik bequemer: Elektronenvolt (eV).

  • Ionisierend:α, β, γ und Röntgenstrahlung schaffen das.
  • Nicht ionisierend:Sichtbarem Licht fehlt dazu die Energie.

Derselbe Vorgang – zwei Folgen

Nachweis · im Zählrohr
1Strahlung ionisiert Argon-Atome im Rohr
2Hochspannung beschleunigt die Elektronen: Elektronenlawine
3Stromimpuls – Zähler +1, es knackt

Das Zählrohr misst nicht die Strahlung selbst, sondern die Ionen, die sie erzeugt.

Schaden · in der Zelle
1physikalisch: Atom wird ionisiert
2chemisch: Molekül beschädigt, DNS-Brüche
3biologisch: Zelle stirbt oder entartet

Meist repariert die Zelle den Schaden. Ob nicht, hängt von der Dosis und vom Zufall ab (stochastisch).

Ionisationsvermögen und Reichweite

Strahlungwas fliegtIonisationsvermögenReichweite in LuftAbschirmung
αHeliumkern (2 p, 2 n), 2+sehr groß ●●●1 bis 10 cmBlatt Papier
βElektron, 1−mittel ●●○1 bis 50 mdickes Buch, dünnes Blei
γreine Energie, ungeladengering ●○○100 m bis kmnie vollständig
Die Grundregel
Ionisationsvermögen: α > β > γ   ⇔   Reichweite: α < β < γ
Energie kostet

Jede Ionisation verbraucht Energie des Teilchens.

α dicht

Groß, zweifach geladen — nach wenigen Zentimetern leer.

γ dünn

Ohne Ladung, trifft selten ein Atom — und kommt deshalb weit.

Warnung · Alphastrahler im KörperVon außen bleibt α schon in der Haut stecken – fast harmlos. Eingeatmet oder verschluckt gibt ein Alphastrahler seine gesamte Wirkung direkt im Gewebe ab – dann ist er besonders gefährlich.

Ein Teilchen durchquert 12 cm Materie. Jedes Atom, dem ein Elektron herausgeschlagen wird, färbt sich orange — es ist jetzt ein positives Ion. Der Zähler zeigt Ionisationen pro Zentimeter und Eindringtiefe.

Ionisations-Spur

Die Schicht ist 12 cm dick.

Materieschicht aus Atomen, durch die ein Strahlungsteilchen fliegt und Ionen erzeugt Materieschicht (12 cm) α
Ionisationen gesamt0
pro Zentimeter0
Eindringtiefe0 cm

Im Vergleich der drei Spuren zeigt sich: Das Alphateilchen hinterlässt eine kurze, fast lückenlose Spur aus Ionen und ist nach wenigen Zentimetern gestoppt. Das Betateilchen kommt weiter, ionisiert aber deutlich seltener. Das Gammaquant durchquert die ganze Schicht und trifft dabei nur ein paar Atome — genau deshalb lässt es sich so schwer abschirmen.

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Hinweise

Hinweis

Der Kern bleibt unberührt

Herausgeschlagen wird ein Elektron aus der Hülle. Ein bestrahlter Gegenstand wird dadurch nicht selbst radioaktiv.

Hinweis

Reichweite ≠ Schaden

α kommt am wenigsten weit, ionisiert dort aber am stärksten. Reichweite und Ionisationsvermögen laufen gegenläufig.

Hinweis

Impulse, nicht Zerfälle

Das Zählrohr fängt nur einen Teil der Strahlung auf. Die echte Aktivität ist immer größer als die Impulsrate.

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