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Ionisierende Strahlung –Einblicke in die Radioökologie

VL „Grundlagen der Biophysik“, SS 07

D. Wachner derk.wachner@uni-rostock.de

Basis: E. Schreiber

Was ist ionisierende Strahlung?

Ursachen ionisierender Strahlung?

Warum Interesse für ionisierende Strahlung?

Ionisierende Strahlung

• Aufsprengen von Bindungen =Zerstörung von Molekülen ca. 10 eV

• Ionisierungsenergie des Wassers: 12,56 eV

• Elektromagnetische Strahlung:UV-C � Röntgen-Strahlung � γ-Strahlung

• Korpuskulare Strahlung:beschleunigt: α, β+, β-, n, p+, Nuklide

IonisierendeStrahlung

Korpuskularstrahlung EM-Wellen ab ca. 10 eV

Ionis.-energie H2O: 12,56 eV

Elementarteilchen Ionen

beschleunigte

UV-C: 4.42 bis 12,56 eVRöntgenstrahlung > 30eVγ-Strahlung > 1 MeV

Strahlungsbestandteile

Das elektromagnetische Spektrum:

Wellenlänge – Frequenz - Temperatur – Energie

1,24 eV 1,24 MeV1,24 µeV1,24 peV

14400 K14,4 K

Gitterschwingungen

In metallischen Leitern: Anregung von Leitungselektronen

InnereElektronen

IonisierendeStrahlung

direkt ionisierend

indirekt ionisierend

geladene Teilchen neutrale Teilchen

EM-Strahlung

Wie wird ionisiert?

2

Radioaktivität

Spontaner Zerfall instabiler Atomkerne � Energie-Freisetzung

� αααα-Strahlung: doppelt positiv geladene Heliumkerne

24He2+

Kern

β -Teilchen

� ββββ-Strahlung: Emission eines hochenergetischenElektrons (β-, e-) oder eines Positrons (β+),zusätzlich entstehen beim β--Zerfall einAntineutrino bzw. beim β+-Zerfall ein Neutrino.

γ -Quant

Kern

� γγγγ-Strahlung: energiereiche (extrem kurzwellige) elektromagnetische Strahlung (MeV) infolgevorangegangener Kernumwandlungen.

� Nuklide

Beispiele

• αααα-Zerfall (Ekin,αααα spezifisch, diskret)

Ordnungszahl – 2, Massenzahl – 4

• ββββ−−−−-Zerfalln � p + β− ( + γ), Ordnungszahl + 1, Massenzahl ±0

• ββββ++++-Umwandlungnur bei künstlichen (leichten) radioaktiven Nukliden

• γγγγ-Strahlungtritt bei allen Kernumwandlungen auf kein Kernumsatz � Übergang von KernenergieniveausKernenergieniveaus(Ordnungs- und Massenzahl bleiben gleich)

Quelle

αααα

γγγγ

ββββ−−−−

elektrisches Feld E

− +− +− +− +

Quelle

αααα

γγγγ

ββββ−−−−

Magnetfeld B

.PoRn,RnRa;ThU:z.B. ααα +→+→+→ 21884

22286

22286

22688

23490

23892

.BiPb;SP:z.B. −− +→+→ ββ 20983

20982

3216

3215

++→ β0188

189 F

Ursachen ionisierender Strahlung

natürliche und künstlicheStrahlenexposition

Kosmosradioaktiver Nuklidzerfall

technischer Ursprung

Quelle: Wikipedia

Evolution!Ursache/Anpassung

Quelle: E.Schreiber

Wichtige Fragen & Antworten

• Was ist Radioakivität?– Spontaner Zerfall instabiler Atomkerne

• Was sind Isotope eines Elements?– Atome gleicher Ordnungszahlen (gleicher chemischer

Eigenschaften) aber verschiedener Massezahlen, d.h. Anzahl der Neutronen

• Was ist radioaktiver Zerfall? – Änderung der Ordnungszahl unter Strahlenemission

– Übergang in Elemente mit stabilem Kernzustand

• Welche Gesetzmäßigkeiten liegen dem radioaktiven Zerfall zugrunde?

Gesetzmäßigkeit des radioaktivenZerfalls

• spontan � Wahrscheinlichkeitsaussagen bei großer Teilchenzahl

• unabhängig von physikalischen und chemischen Einwirkungen

• λ=(ln 2)/τ0: materialspezif. Zerfalls-konstante

Ndt

dN λ=−

Aktivität a ([a]=1Bq=1s-1)

Zerfall - Halbwertszeit

• Der spontane Zerfall erlaubt nur statistische (mittlere) Aussagen zu Ereignissen.

• Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte der vorhandenen Nuklide eines Isotops zerfallen sind.

1,0

0,25

0,5

0,1250

0 1 TH 2 TH 3 TH

N(t)/N0 bzw. A(t)/A0

Halbwertszeit

= N0 e-λ*t,

= ½,= λ TH,

= ln 2 / λ,

N(t) N(TH)/N0

-ln ½

TH

λ - Zerfallskonstante

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Begriffe aus der Kernphysik

• Nuklid:Atomkern mit einer festen Ordnungszahl Z und einer festen Massenzahl A

• Isobare:Atomkerne mit der gleichen Massenzahl A (z.B. 53Ni, 53Co, 53Fe, 53Mn, 53Cr)

• Isotone:Atomkerne mit der gleichen Anzahl an Neutronen (z.B. 6He, 7Li, 8Be, 9B, 10C)

• Isotop:Nuklid mit seiner Atomhülle (feste Ordnungszahl)

9C ß + 126,5ms 10C ß + 19,3s 11C ß + 20,28m 12 C stabil / 13 C stabil / 14C ß - 5730a 15 C ß - 2,45s

130 ß + 18,58ms 140 ß + 70,59s 150 ß + 2,03m 160 stabil / 170 stabil / 180 stabil /

Sauerstoff – OZ 8 Kohlenstoff – OZ 6

1,0

0,25

0,5

0,1250

0 1 TH 2 TH 3 TH

N(t)/N0 bzw. A(t)/A0

Halbwertszeit

Isotope

9C ß + 126,5ms 10C ß + 19,3s 11C ß + 20,28m 12C stabil / 13 C stabil / 14C ß - 5730a 15C ß - 2,45s

Kohlenstoff – OZ 6 • Verschiedene Isotope eines Elements– Die Kernladungszahl, d.h. die Zahl der Hüllelektronen und die chemischen Eigenschaftenchemischen Eigenschaften sind gleich.

• Nuklid: Isotop ohne Elektronenhülle• Ca. 1600 Nuklide bekannt!• Natürlich radioaktive Elemente bei

Ordnungszahlen größer als 82, aber auch bei einigen leichteren Isotopen (z.B. 14C)

• Unterschiedliche Nuklide können mehr oder weniger stabil sein:

• Die Coulombkräfte im Kern werden durch die Kernkräfte kompensiert. Bei „zu wenig“ Neutronen für ein Gleichgewicht zerfällt ein Proton zu einem Neutron, bei „zu vielen“ Neutronen wandelt sich eines zu einem Proton. Je instabiler derKern, desto kürzer die Halbwertszeit dieses spontanen Prozesses.

• In der Natur kommen viele verschiedene Isotopeviele verschiedene Isotope ein und desselben Elementes gleichzeitig vor. Das Verhältnis wird von der Entstehung und der Stabilität bestimmt und spiegelt sich in der relativen Atommasse im PSErelativen Atommasse im PSE wieder.

Fragen Röntgenstrahlung

• Wie entsteht Röntgenstrahlung?

• Aus welchen Anteilen setzt sich Röntgenstrahlung zusammen?

Röntgenstrahlung

Wärme (99%)

Röntgen-strahlung

energiereicheElektronen

Metall

Elektron mit W1

Röntgenstrahlung

Atomkern

Elektronenhülle

Elektron mit W2(W2 < W1)

WRö = h ⋅ f

Bremsstrahlung Diskrete Strahlung (Anodenmaterial)

Üblich:K-SchaleN-SchaleL-Schale

Charakte-ristischeStrahlung

Wolfram

Quantenenergie W Q (keV)

rela

tive

Spe

ktra

ldic

hte

0 40 80 120

0

0,4

0,8

0,2

0,6

1,0

6020 100

1mm Al

2mm Al

Wirkt Strahlung auf Materie / biologische Systeme?

4

Wechselwirkung mit Materie - Korpuskularstrahlung

� αααα-Strahlung:2

4He2+ � schwer � gerade, kurzgroße elektrische Wechselwirkung

Energie ~ 1MeV (Luft Wion = 34,7eV � 105 Ionen)

� ββββ--Strahlung:e-

� leicht � gekrümmt, kurzgroße elektrische Wechselwirkung

Energie verteilt auf e- und Antineutrino

� ββββ++++-Strahlung:verstrahlt sofort mit e- zu Energie (E = m c2) � γ-Quant 1,02 MeV

� Neutronen-Strahlung:aus künstlichem Kernzerfall: 1

1n0

keine elektrische WW � dringt in den Kern ein � Radionuklide

WW mit Materie – Röntgen(X)-/γγγγ-Strahlung� Photoeffekt

– Ionisation durch Photoelektronen (E = h f), proportional ~Z4

(11H, 8

16O, 2040Ca � 1 : 4096 : 160000)

� Compton-Effekt– inelastische Streuung an Elektronen (~Z)

� Paarbildungγ-Quant mit E > 1,022 MeVnur an Materie

~Z2

� Kernreaktionen sehr hohe Reichweite

Ist die Einwirkung der Strahlung messbar und berechenbar?

Schwächungsgesetz – Reichweite Photonenstrahlung

• Intensität J:

J = J0 * exp(-µ*d)

µ - materialspezifischer Absorptions-koeffizient [m-1] (µ ~ λ3, Z3)� Halbwertsschichtdicke dH

1,0

0,5

0

0 Dicke (z.B. mm)1 2 3 4 5

J (relativ)

J0

µµµµ1 > µµµµ2222 > µµµµ3333

Halbwertsdicken dH

Konsequenzen für biologische Systeme?

Dosimetrie

� Aktivität (Becquerel)

= Kernzerfälle/Zeiteinheit : [A] = 1 Bq = 1 Zerfall/s

� Energiedosis (Gray) = absorbierte Strahlungsenergie/durchstrahlte Masse

[DE] = 1 Gy = 1 J/kg = 1 Ws/kg (alt: Rad, 1 Gy = 100 rd)

� Exposition/Ionendosis (Röntgen) 1 R = 2,58 10-4 C/kg

in Wasser und Gewebe: 1 R = 0,93 ... 0,98 rd

� Energiedosisleistung = Dosis/Zeit : [D = dDE/dt] = 1 Gy/s

.

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Relative Wirksamkeit der Strahlenarten

� Äquivalenzdosis (Sievert) = Qualitätsfaktor q * Energiedosis D

[H] = 1 Sv = 1 J/kg = 1 Ws/kg auch Organdosis genannt

für Röntgen: 1 Sv = 1 Gy

� Biologische HalbwertzeitAnlagerung von Radionukliden in Organen und Geweben � Zeit, nach der die Hälfte eines Radionuklids ausgeschieden ist� mit physikal. Halbwertszeit gewichtet folgt die effektive Halbwertszeit

� Effektive Äquivalenzdosis (Sv)Summe der Gewebewichtungs-faktoren mal Strahlendosis-Anteil� Meßgröße für Strahlenrisiko bzgl. Krebs

Strahlenart qβ-, β+ 1Röntgen- und γ-Strahlen 1thermische Neutronen 3schnelle Neutronen 10Protonen, Deuteronen 10α-Teilchen 20schwere Ionen 20

Organ - Gewebe 10-2aT/Sv wT=aT/AGonaden 0,4 0,25weibliche Brust 0,25 0,15rotes Knochenmark 0,2 0,12Lunge 0,2 0,12Schilddrüse 0,05 0,03Knochenoberfläche 0,05 0,03restliche Organe 0,5 0,3

Strahlenwirkung auf biologische Systeme

Ereigniskette von biologischen Strahlenschäden

Ereignis Zeitrahmen

1. Ursprüngliche WechselwirkungIndirekt ionisierende Strahlung (Röntgen-, Γ-Strahlung, Neutronen)Direkt ionisierende Strahlung (Elektronen, Protonen, α-Teilchen)

10-24 - 10-14 s 10-16 - 10-14 s

2. Physikalisch-chemisches Stadium Energieablagerung in Form von Ionisierungen von Atomen (in Molekülen) entlang der Teilchenbahn

10-12 - 10-8 s

3. Chemische Schäden Freie Radikale und "angeregte" Moleküle (bis sie sich wieder im thermischen Gleichgewicht befinden)

10-7 s - Stunden

4. Schädigung an Biomolekülen Proteine, Nukleinsäuren (DNA, m-RNA, etc), Lipide, etc. 10-3 s - Stunden

5. Früh auftretende biologische Effekte Zelltod, Absterben von Organismen aufgrund akuter Strahlenschäden Stunden - Wochen

6. Spät auftretende biologische Effekte Krebs, Genetische Effekte in der Keimbahn Jahre - Jahrzehnte

Radiolyse des Wassers – indirekte Wirkung

H2O*: angeregtes WassermolekülH•, OH•: RadikaleH2O

+, H2O-: ionisierte Wassermoleküle

H2O2: Wasserstoffperoxid

H2O* ���� H• + OH•

H2O* + H2O ���� H2O+ + H2O

-

H2O+ ���� H+ + OH•

H2O-

���� H• + OH-

OH• + OH• ���� H2O2

Direkte und indirekte Strahlenwirkung auf DNS

p +

e -

p +

e -

O

H

H

OH

1 nm

2 nm

Indirekte Wirkung

Strahlung

Strahlung

Sekundärelektron reagiert mit Wassermolekül und erzeugt OH-Radikal

Sekundärelektron reagiert mit DNS

Direkte Wirkung

e

Strahlenbedingte Chromosomenveränderungen

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Strahlungsbiologische Schäden bei Mammalia

Biologische

„Organisationsebene“

Wichtige Strahleneffekte

Molekular Schädigung von Makromolekülen z.B. DNA, RNA, Enzyme, Schädigung molekularer Stoffwechselkreise

Subzellulär Schädigung von Membranen, Zellkernen, Chromosomen, Mitochondrien etc.

Zellulär Zellteilungsstörungen, Zelltod, Zelltransformation

Gewebe und Organe Zerstörung des zentralen Nervensystems und des Verdauungstraktes, Entstehung von Geschwulsten (Krebs)

Organismen (ganze Tiere und Pflanzen), Populationen

Tod und Verkürzung des Lebensalters, Eintrag von Mutationen

Letaldosis LD3050

Strahlenempfindlichkeitsregel (Bergonie und Tribondeau, 1906): Zellen sind umsoempfindlicher, je höher ihre Proliferationsrate und je geringer ihr Differenzierungsgrad.

Spezies LD 50/30 Zellarten D37

Mensch 4-5 Gy Oocyten 0,05 Gy

Maus 4-6,5 Gy Knochenmarkszellen 0,7 Gy

Ratte 6-9 Gy Epithelzellen Dünndarm 2 Gy

Geflügel 10 Gy E. coli 10 Gy

Schildkröte 15 Gy Hefe 300 Gy

Schnecke 80-200 Gy Viren 1000 Gy

Früh- und Spätschäden durch Strahlung Deterministische Wirkung

Gewebe- und Organschäden

Tritt rasch auf (Tage bisWochen)Schwere des Schadens nimmtmit der Dosis zu

Dosis hat Schwellenwert (nurgrosse Dosen wirksam)

Limitierung der Dosisverhindert den Schaden

FrühschädenStochastische Wirkung

Bildung von Krebs

Entwickelt sich nach Latenzzeit(Jahre bis Jahrzehnte)

Eintrittswahrscheinlichkeit nimmtmit der Dosis zu

Kaum Schwellenwert bekannt(auch kleine Dosen wirksam)

Limitierung der Dosis machtSchaden unwahrscheinlicher

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Strahlen-Spätwirkungen ���� Krebs-Risiko

Krebsart Latenzzeit in Jahren Anzahl der Todesfälle

in 30 Jahren pro

SievertLeukämie 10-15 0.002

Knochenkrebs x 0.0005

Lungenkrebs x 0.002

Schilddrüsenkrebs

20.3 0.0005

Brustkrebs 22.6 0.0025

Risikofaktoren einiger Krebsarten (Kiefer, Koelzer 1986, 112)

Krebs-Risiko durch Strahlung - statistisch

Erst ab ca. 280 mSv ist ein durch Strahlung verursachter Schadensfall statistisch signifikant zu erkennen.

Strahlensymptone nach kurzer Ganzkörperbestrahlung

effektive

Dosis/SvStrahlenwirkungen

bis 0,5Keine unmittelbar nachteiligen Wirkungen feststellbar, aber

Schwächung des Immunsystems, Langzeitwirkungen

0,5 bis 1Veränderungen des Blutbilds, Hautrötungen, vereinzelt Übelkeit,

Erbrechen, sehr selten Todesfälle

1 bis 2Veränderungen des Knochenmarkes, Erbrechen, Übelkeit, schlechtes

Allgemeinbefinden, etwa 20% Sterblichkeit

ab 4

‚Schlechtes Allgemeinbefinden, schwere Störungen der Blutbildung,

Infektionsbereitschaft stark erhöht, 50%-ige Sterblichkeit

ab 6 Gastrointestinale Symptome, Überlebensrate nur noch sehr gering

über 7 nahezu 100 %-ge Sterblichkeit

über 10 Zusätzlich Schädigung des ZNS, Lähmungen

über 100 Schneller Tod durch Ausfall des ZNS (Sekundentod)

Wie groß ist die allgemeine Strahlenexposition?

Natürliche und künstliche Strahlenexposition D2001 Röntgenuntersuchungen D1997

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Wozu braucht man Radioökologie?

Mittlere externe Strahlenexposition in der Bundesrepublik

Deutschland im Freien

2001

Radioökologie - Expositionspfade

Biologische Wirksamkeit:

Anlagerung von Radionukliden in

Organen

Bei Inkorporation auch αααα- und ββββ-Strahlung schädlich

• Neben den stabilen Isotopen 12C (98,88%) und 13C (1,12%) existiert auf der Erde eine geringe Gleichgewichtsmenge 14C

• Halbwertszeit 14C: 5568 Jahre

• Entstehung durch Höhenstrahlungin der Hochatmosphäre

• Wird durch Pflanzen assimiliert und dadurch über die Nahrung von allen Wesen zu Lebzeiten im konstanten Verhältnis eingebaut.

• Nach Tod Abbau: Abnahme 14C-Aktivität – Vergleich 12C

Beispiel: Altersbestimmung mit Radiokarbonmethode

14N + n � 14C + p

Beispiel: Altersbestimmung mit Radiokarbonmethode

0 10000 20000 30000 40000

Zeit nach Absterben des Organismus (Jahre)

A0

A0/2

A0/4

Abnahme 14C-Aktivität – Vergleich 12C

Der

"Ötzi"

aus

dem

Tirol

• Erlaubt Altersbestimmung von einigen hundert bis fünfzigtausend Jahren bei biologischen Objekten

• Genauso: Tritium-MethodeSchweres Wasserstoffisotop 3H wird analog 14C gebildet und ist in geringer Menge im Wasser als T2O enthalten.Halbwertszeit: 12,3 Jahre � Altersbestimmung bis zu einigen zehn Jahren

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Wiederholungsfragen

• Warum interessiert uns ionisierende Strahlung?

• Welche Arten ionisierender Strahlung gibt es?

• Was ist Radioakivität?

• Wie wirkt Strahlung auf Materie?

• Wie sind Energiedosis und Äquivalenzdosis definiert?

• Was bedeutet ?

• Was ist Radioökologie?

• Wie und wozu wird die “Radiokarbonmethode” genutzt?

3050LD