Fünf Sachaufgaben von der Sonnencreme bis zur Strahlentherapie — mit Operatoren, gestuften Hinweisen und vollständigem Erwartungshorizont.
In allen fünf Aufgaben steckt dieselbe Leitfrage: Was entscheidet darüber, was eine Strahlung anrichtet? Achte deshalb jedes Mal auf zwei Dinge — auf die Energie eines einzelnen Quants, denn sie allein entscheidet über Ionisierung und Eindringtiefe, und auf den Entstehungsort, denn er entscheidet über den Namen und darüber, ob sich die Strahlung abschalten lässt. Die Hinweise helfen weiter, wenn du nicht weiterkommst; der Erwartungshorizont zeigt anschließend, wie eine vollständige Antwort aussieht.
Die Sonne sendet neben sichtbarem Licht auch UV-Strahlung aus. Ein UV-Quant trägt etwa 4 eV, ein Quant des sichtbaren Lichts etwa 2 eV. Um ein Atom zu ionisieren, werden ungefähr 10 eV benötigt — für eine Zelle der Oberhaut reichen aber schon deutlich kleinere Energien, um Schäden anzurichten.
UV-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung. Links von ihr liegt das sichtbare Licht, rechts die Röntgenstrahlung.
Die Lampe sendet sichtbares Licht mit etwa 2 eV je Quant aus. Diese Energie reicht nicht aus, um Hautzellen zu schädigen. Die Sonne sendet zusätzlich UV-Quanten mit etwa 4 eV — doppelt so viel Energie pro Quant. Eine hellere Lampe ändert daran nichts: Sie liefert mehr Quanten, aber kein Quant wird dadurch energiereicher.
Die UV-Strahlung wird bereits in den äußeren Hautschichten vollständig aufgehalten. Ihre gesamte Energie wird also genau dort abgegeben, wo die Hautzellen liegen. Die Folgen sind Sonnenbrand und — bei häufiger Wiederholung — Hautkrebs. Antwortsatz: Geringe Eindringtiefe bedeutet nicht harmlos, sondern nur, dass der Schaden dicht unter der Oberfläche entsteht.
Eine Röntgenröhre wird mit einer Beschleunigungsspannung von U = 80 kV betrieben (Material M1). Die aus der glühenden Kathode austretenden Elektronen durchlaufen diese Spannung vollständig und werden in der Anode abgebremst.
Die Elektronen werden von der Spannung U beschleunigt und in der Anode abrupt abgebremst. Dabei entsteht die Röntgenstrahlung.
U = 80 kV = 80 000 V. Nach der Definition des Elektronenvolts nimmt das Elektron damit 80 000 eV = 80 keV auf.
Die Energie eines Röntgenquants stammt vollständig aus der Bewegungsenergie des abgebremsten Elektrons. Ein Elektron bringt aber höchstens 80 keV mit. Selbst wenn es seine gesamte Energie in einem einzigen Quant abgibt, sind das also 80 keV — mehr ist nicht möglich. Antwortsatz: 100 keV könnten nur bei einer höheren Spannung entstehen.
Die Strahlung entsteht hier in der Anode, also durch abgebremste Elektronen außerhalb des Atomkerns. Als γ-Strahlung bezeichnet man nur Strahlung, die im Atomkern entsteht, wenn ein angeregter Kern in den Grundzustand übergeht. Der Name richtet sich also nach dem Entstehungsort, nicht nach der Energie — ein einzelnes Quant von 80 keV könnte man den beiden Arten nicht ansehen.
Am Flughafen durchleuchtet ein Gerät die Koffer mit Röntgenstrahlung. Auf dem Monitor erscheinen dichte Gegenstände wie Metall dunkel, Kleidung dagegen fast durchsichtig. Ein Reisender fragt, ob sein Koffer danach „strahlt“.
Metall schwächt die Röntgenstrahlung stark ab, weil es sehr dicht ist. Hinter dem Metall kommt deshalb kaum noch Strahlung am Detektor an — es entsteht ein Schatten. Kleidung ist viel weniger dicht, lässt fast die gesamte Strahlung durch und bleibt darum nahezu unsichtbar.
Es ist genau derselbe Effekt: Knochen sind dichter als Muskeln und Fett und schwächen die Röntgenstrahlung stärker ab. Hinter dem Knochen kommt weniger Strahlung an, und dieser Schatten wird als Bild aufgezeichnet. In beiden Fällen entsteht das Bild also nicht durch die Strahlung selbst, sondern durch Unterschiede in der Abschwächung.
Radioaktivität bedeutet, dass sich Atomkerne umwandeln und dabei selbst Strahlung aussenden. Die Röntgenstrahlung wirkt jedoch in der Atomhülle: Sie kann dort höchstens Elektronen herausschlagen, verändert aber die Kerne nicht. Sobald das Gerät abgeschaltet ist, endet die Strahlung sofort. Antwortsatz: Der Koffer ist nach der Kontrolle nicht radioaktiv — er hat lediglich Strahlung durchgelassen, so wie ein Fenster Licht durchlässt.
In einer Klinik wird ein tief im Körper liegender Tumor mit der γ-Strahlung eines Cobalt-60-Präparats bestrahlt. Die Quanten dieser Strahlung tragen etwa 1,3 MeV. Das Präparat wird zwischen den Behandlungen in einem dicken Bleibehälter aufbewahrt; das Personal verlässt während der Bestrahlung den Raum.
UV-Strahlung wird bereits in der Oberhaut vollständig aufgehalten — sie erreicht einen tief liegenden Tumor gar nicht. γ-Strahlung ist mit rund 1,3 MeV je Quant weit energiereicher, wird auf dem Weg viel seltener aufgehalten und dringt deshalb tief in das Gewebe ein. Nur sie kann die Energie überhaupt am Zielort abgeben.
Die Röntgenstrahlung entsteht in einer Röhre, solange Strom fließt. Schaltet man das Gerät aus, hört die Strahlung sofort auf. Die γ-Strahlung stammt dagegen aus zerfallenden Cobalt-60-Kernen. Dieser Zerfall läuft von selbst weiter und lässt sich weder anhalten noch beschleunigen. Man kann die Strahlung daher nur abschirmen (Blei) oder ihr ausweichen (Abstand, Raum verlassen).
Die Aussage ist nicht haltbar. Zwar durchquert ein Teil der Quanten den Körper ohne Wechselwirkung, aber γ-Strahlung ist ionisierend: Jedes Quant, das doch wechselwirkt, schlägt Elektronen aus Atomen heraus und kann Zellen und DNA schädigen — und zwar auf dem gesamten Weg durch den Körper, also auch im gesunden Gewebe vor und hinter dem Tumor. Bei Röntgenstrahlung bleibt der Schaden auf ein kleineres Tiefengebiet begrenzt. Antwortsatz: Gerade weil γ-Strahlung so tief eindringt, ist sie in der Anwendung nicht schonender, sondern erfordert besonders sorgfältigen Strahlenschutz.
In einem Forum diskutieren drei Nutzerinnen und Nutzer über Strahlung. Jede der drei Aussagen enthält einen physikalischen Denkfehler.
Ein WLAN-Router arbeitet im Mikrowellenbereich; ein Quant trägt dort höchstens etwa 0,001 eV. Zum Ionisieren werden rund 10 eV benötigt — also etwa das Zehntausendfache. Mikrowellenstrahlung ist damit nicht ionisierend, und zwar unabhängig davon, wie lange oder wie stark der Router sendet. Antwortsatz: Der Unterschied zu Röntgenstrahlung ist kein gradueller, sondern ein grundsätzlicher.
Der Fehler liegt in der Verwechslung von Anzahl und Energie. Eine hellere Lampe oder eine längere Betriebsdauer liefert mehr UV-Quanten pro Sekunde — jedes einzelne behält aber seine Energie von etwa 3 bis 100 eV. Röntgenenergie beginnt erst bei etwa 100 eV und entsteht nur, wenn Elektronen zuvor entsprechend stark beschleunigt wurden. Quanten lassen sich nicht „aufaddieren“.
Aussage C ist so nicht haltbar. Physikalisch sind γ- und Röntgenstrahlung dieselbe Art von Strahlung: energiereiche elektromagnetische Strahlung. Ihre Energiebereiche überschneiden sich sogar, sodass man einem einzelnen Quant nicht ansehen könnte, zu welcher der beiden es gehört. Verschieden sind nur der Entstehungsort und die typische Energie.
Korrekte Fassung: „γ- und Röntgenstrahlung sind dieselbe Art elektromagnetischer Strahlung. Sie werden nach ihrem Entstehungsort unterschieden: γ-Strahlung entsteht im Atomkern, Röntgenstrahlung in der Atomhülle beziehungsweise durch abgebremste Elektronen.“