Textaufgaben: Ionisation

Das Strahlungsteilchen trifft auf die Hülle des Argon-Atoms und überträgt so viel Energie, dass ein Elektron seinen Platz verlässt und davonfliegt. Dem Atom fehlt nun eine negative Ladung, die positiven Ladungen des Kerns werden nicht mehr ausgeglichen: Das Atom ist ein positiv geladenes Ion. Der Kern selbst bleibt unverändert.

Die Strahlung tritt durch das dünne Fenster ins Rohr und ionisiert ein Argon-Atom: Ion und freies Elektron entstehen. Die Hochspannung zwischen Draht und Gehäuse beschleunigt das Elektron zum positiven Draht so stark, dass es unterwegs weitere Atome ionisiert – jedes neue Elektron wird wieder beschleunigt, es entsteht eine Elektronenlawine. Am Draht kommt dadurch ein messbarer Stromimpuls an; der Zähler springt um eins weiter und der Lautsprecher macht ihn als Knacken hörbar. Die positiven Ionen wandern zum Gehäuse, und das Rohr ist für den nächsten Impuls bereit.

Ein Präparat strahlt gleichmäßig in alle Richtungen. Das Zählrohr fängt mit seinem kleinen Fenster nur den Teil der Strahlung auf, der zufällig in seine Richtung fliegt – und auch davon wird nicht jedes Teilchen im Gas ionisieren. Gezählt werden außerdem nur Impulse, nicht Zerfälle. Antwortsatz: Die gemessene Impulsrate ist daher stets nur ein Bruchteil der tatsächlichen Zahl der Zerfälle, die Aktivität des Präparats ist größer als die Anzeige.

\(E = 4{,}8\;\text{MeV} = 4\,800\,000\;\text{eV}\). Anzahl der Ionenpaare: \(N = \dfrac{E}{W} = \dfrac{4\,800\,000\;\text{eV}}{34\;\text{eV}} \approx 141\,000\).

Antwortsatz: Ein einziges Alphateilchen erzeugt rund 141 000 Ionenpaare, bevor es stehen bleibt.

\(s = 3{,}5\;\text{cm} = 35\;\text{mm}\), also \(\dfrac{141\,000}{35\;\text{mm}} \approx 4\,000\) Ionenpaare pro Millimeter.

Das Betateilchen verteilt dieselben rund 141 000 Ionenpaare auf \(3\;\text{m} = 3\,000\;\text{mm}\): etwa \(47\) pro Millimeter. Antwortsatz: Das Alphateilchen ionisiert auf jedem Millimeter fast hundertmal so dicht wie das Betateilchen.

Jede Ionisation kostet das Teilchen Energie. Das Alphateilchen ist groß und zweifach positiv geladen; es trifft fast jedes Atom auf seinem Weg und gibt seine Energie deshalb in wenigen Zentimetern vollständig ab – großes Ionisationsvermögen, kleine Reichweite. Das Betateilchen ist ein leichtes, nur einfach geladenes Elektron; es ionisiert viel seltener, verliert seine Energie langsamer und kommt daher meterweit – kleines Ionisationsvermögen, große Reichweite. Antwortsatz: Ionisationsvermögen und Reichweite verhalten sich bei gleicher Energie genau umgekehrt zueinander.

Papier: 812 → 808 Impulse pro Minute, praktisch keine Änderung – es ist keine Alphastrahlung dabei (sie wäre vom Papier gestoppt worden). Aluminium: 808 → 310, ein starker Rückgang – das Präparat sendet Betastrahlung aus. Blei: 310 → 95, aber deutlich mehr als die Nullrate von 20 – es bleibt Strahlung übrig, die selbst 5 cm Blei durchdringt: Gammastrahlung. Antwortsatz: Das Präparat ist ein Beta- und Gammastrahler.

Nullrate abziehen: ohne Absorber \(812 - 20 = 792\) Impulse pro Minute stammen vom Präparat. Hinter dem Aluminium bleiben \(310 - 20 = 290\) – das ist der Gammaanteil. Der Betaanteil ist die Differenz \(792 - 290 = 502\).

\(\dfrac{502}{792} \approx 0{,}63\) und \(\dfrac{290}{792} \approx 0{,}37\). Antwortsatz: Rund 63 % der Impulse gehen auf Betastrahlung zurück, rund 37 % auf Gammastrahlung.

Hinter dem Blei werden 95 Impulse pro Minute gezählt, davon sind nur 20 Nullrate. Es kommen also noch \(75\) Impulse pro Minute vom Präparat an – etwa ein Viertel der 290 Gamma-Impulse. Die Aussage ist daher falsch: Gammastrahlung besteht aus reiner Energie ohne Ladung, ionisiert selten und lässt sich deshalb nur schwächen, nie vollständig abschirmen. Dickeres Blei würde den Rest weiter verringern, aber nicht auf null bringen. Antwortsatz: 5 cm Blei halten die Betastrahlung vollständig, von der Gammastrahlung aber nur etwa drei Viertel zurück.

Ein Alphateilchen dringt im Gewebe nur etwa 0,05 mm tief ein, die abgestorbene Hornschicht ist mit 0,1 mm aber doppelt so dick. Das Teilchen gibt seine gesamte Ionisationswirkung also in Zellen ab, die ohnehin tot sind; die lebenden Zellen darunter erreicht es nicht. Antwortsatz: Von außen bleibt Alphastrahlung in der Hornhaut stecken und ist deshalb nahezu harmlos.

Physikalische Ebene: Das Alphateilchen trifft in einer Lungenzelle ein Atom und schlägt ein Elektron aus der Hülle – das Atom wird zum positiven Ion. Findet es schnell wieder ein Elektron, bleibt der Vorgang folgenlos.

Chemische Ebene: Das ionisierte Atom sitzt in einem Molekül, zum Beispiel in der DNS. Das Molekül wird beschädigt; oft kann die Zelle es reparieren, sonst entstehen schädliche Stoffe, DNS-Schäden und Chromosomenbrüche.

Biologische Ebene: Bleibt der Schaden bestehen, kann die Zelle absterben oder entarten. Geschädigte Zellen werden meist ersetzt oder ausgeschieden; gelingt das nicht, drohen Früh- oder Spätschäden wie Lungenkrebs. Ob es dazu kommt, hängt von der Dosis und vom Zufall ab.

Der Mieter hat in einem Punkt recht: Wegen ihrer kleinen Reichweite lässt sich Alphastrahlung leicht abschirmen, und von außen richtet sie kaum Schaden an. Er übersieht aber, dass Radon ein Gas ist, das eingeatmet wird. Zerfällt es in der Lunge, gibt es die gesamte Ionisationswirkung – etwa 140 000 Ionenpaare pro Teilchen – direkt in lebenden Zellen ab, ohne schützende Hornschicht davor. Gerade das große Ionisationsvermögen, das Alphastrahlung außen harmlos macht, macht sie innen besonders gefährlich. Antwortsatz: Die Aussage gilt nur für äußere Bestrahlung; bei Radon im Keller ist die innere Bestrahlung entscheidend, deshalb ist Lüften bzw. Abdichten sinnvoll.

Sichtbares Licht: höchstens \(3{,}3\;\text{eV} < 12\;\text{eV}\) – keine Ionisation möglich. Röntgenquant: \(50\,000\;\text{eV} \gg 12\;\text{eV}\) – ionisiert. Gammaquant: \(1{,}3\;\text{MeV} = 1\,300\,000\;\text{eV} \gg 12\;\text{eV}\) – ionisiert. Antwortsatz: Nur Röntgen- und Gammaquanten tragen genug Energie, um ein Luftmolekül zu ionisieren; sichtbares Licht ist keine ionisierende Strahlung.

\(1{,}3\;\text{MeV} = 1\,300\,000\;\text{eV}\); \(\dfrac{1\,300\,000\;\text{eV}}{2{,}4\;\text{eV}} \approx 540\,000\). Rund 540 000 grüne Lichtquanten enthalten zusammen so viel Energie wie ein einziges Gammaquant.

Trotzdem ionisieren sie nicht: Bei der Ionisation wird die Energie in einem einzigen Stoß von einem Quant auf ein Elektron übertragen. Die Quanten können ihre Energie nicht „ansparen“ – ein Lichtquant, dem die 12 eV fehlen, regt das Molekül höchstens kurz an oder erwärmt es, und die Energie ist danach für eine Ionisation verloren. Antwortsatz: Entscheidend ist die Energie pro Quant, nicht die Summe über viele Quanten.

Richtig ist, dass die Lampe insgesamt viel mehr Energie abgibt – 100 J pro Sekunde, das schwache Präparat nur einen winzigen Bruchteil davon. Über die Gefährlichkeit entscheidet aber nicht die Gesamtenergie, sondern ob die Strahlung ionisieren kann: Nur dann werden Moleküle in Zellen beschädigt, DNS-Brüche und Spätschäden möglich. Die Lichtquanten der Lampe bleiben unter 12 eV und erwärmen den Körper lediglich; jedes einzelne Gammaquant des Präparats dagegen erzeugt Tausende Ionenpaare im Gewebe. Antwortsatz: Die Behauptung ist falsch – die Lampe ist ungefährlich, weil ihre Quanten nicht ionisieren, das Gammapräparat ist trotz viel geringerer Energieabgabe das Risiko.