Ionisierende Strahlung – Einblicke in die Radioökologie
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Ionisierende Strahlung – Einblicke in die Radioökologie Was ist ionisierende Strahlung? Ursachen ionisierender Strahlung? VL „Grundlagen der Biophysik“, SS 07 D. Wachner Warum Interesse für ionisierende Strahlung? [email protected] Basis: E. Schreiber Ionisierende Strahlung Strahlungsbestandteile • Aufsprengen von Bindungen = Zerstörung von Molekülen ca. 10 eV • Ionisierungsenergie des Wassers: 12,56 eV Ionisierende Strahlung • Elektromagnetische Strahlung: UV-C Röntgen-Strahlung γ-Strahlung Korpuskularstrahlung EM-Wellen ab ca. 10 eV Ionis.-energie H2O: 12,56 eV beschleunigte • Korpuskulare Strahlung: beschleunigt: α, β+, β-, n, p+, Nuklide Ionen Elementarteilchen UV-C: 4.42 bis 12,56 eV Röntgenstrahlung > 30eV γ-Strahlung > 1 MeV Das elektromagnetische Spektrum: Wellenlänge – Frequenz - Temperatur – Energie Wie wird ionisiert? Ionisierende Strahlung direkt ionisierend 14,4 K 1,24 peV 1,24 µeV indirekt ionisierend 14400 K 1,24 eV Gitterschwingungen In metallischen Leitern: Anregung von Leitungselektronen 1,24 MeV Innere Elektronen geladene Teilchen neutrale Teilchen EM-Strahlung 1 Radioaktivität Beispiele − + elektrisches Feld E Spontaner Zerfall instabiler Atomkerne Energie-Freisetzung • α-Zerfall (Ekin,αα spezifisch, diskret) γ Ordnungszahl – 2, Massenzahl – 4 α-Strahlung: doppelt positiv geladene Heliumkerne 2+ 4 2 He z.B. : β− α 238 234 226 222 92 U → 90 Th +α ; 88 Ra → 86 Rn +α , 222 218 86 Rn → 84 Po +α . • β−-Zerfall n p + β− ( + γ), Ordnungszahl + 1, Massenzahl ±0 Quelle β-Strahlung: Emission eines hochenergetischen Elektrons (β-, e-) oder eines Positrons (β+), zusätzlich entstehen beim β--Zerfall ein Antineutrino bzw. beim β+-Zerfall ein Neutrino. z.B. : Kern γ β -Teilchen 209 209 − 82 Pb → 83 Bi + β . • β+-Umwandlung nur bei künstlichen (leichten) radioaktiven Nukliden 18 18 + 9 F → 8 0+ β Magnetfeld B γ-Strahlung: energiereiche (extrem kurzwellige) elektromagnetische Strahlung (MeV) infolge vorangegangener Kernumwandlungen. α Kern γ-Quant • γ-Strahlung − β− tritt bei allen Kernumwandlungen auf kein Kernumsatz Übergang von Kernenergieniveaus (Ordnungs- und Massenzahl bleiben gleich) Quelle Nuklide Ursachen ionisierender Strahlung Wichtige Fragen & Antworten technischer Ursprung Kosmos 32 32 − 15 P → 16 S + β ; • Was ist Radioakivität? radioaktiver Nuklidzerfall – Spontaner Zerfall instabiler Atomkerne • Was sind Isotope eines Elements? Quelle: E.Schreiber – Atome gleicher Ordnungszahlen (gleicher chemischer Eigenschaften) aber verschiedener Massezahlen, d.h. Anzahl der Neutronen Quelle: Wikipedia • Was ist radioaktiver Zerfall? natürliche und künstliche Strahlenexposition – Änderung der Ordnungszahl unter Strahlenemission – Übergang in Elemente mit stabilem Kernzustand • Welche Gesetzmäßigkeiten liegen dem radioaktiven Zerfall zugrunde? Evolution! Ursache/Anpassung Gesetzmäßigkeit des radioaktiven Zerfalls • spontan Wahrscheinlichkeitsaussagen bei großer Teilchenzahl • unabhängig von physikalischen und chemischen Einwirkungen • λ=(ln 2)/τ0: materialspezif. Zerfallskonstante dN − =λN dt Aktivität a ([a]=1Bq=1s-1) Zerfall - Halbwertszeit N(t)/N0 bzw. A(t)/A0 1,0 0,5 0,25 0,125 0 0 1 TH 2 TH 3 TH 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. N(t) = N0 e-λ*t, N(TH)/N0 = ½, -ln ½ = λ TH, TH = ln 2 / λ, λ - Zerfallskonstante 2 Begriffe aus der Kernphysik Isotope • 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) 1,0 130 ß+ 140 ß+ ß+ stabil stabil stabil 150 160 170 180 9C 18,58ms 70,59s 2,03m / / / 10C 11C 12 C 13 C 14C 15 C ß+ ß+ ß+ stabil stabil ßß- 126,5ms 19,3s 20,28m / / 5730a 2,45s 9C 10C 11C 12C 13 C 14C 15C ß+ ß+ ß+ stabil stabil ßß- 126,5ms 19,3s 20,28m / / 5730a 2,45s • Verschiedene Isotope eines Elements– Die Kernladungszahl, d.h. die Zahl der Hüllelektronen und die chemischen 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) N(t)/N0 bzw. A(t)/A 0 Kohlenstoff – OZ 6 Sauerstoff – OZ 8 Kohlenstoff – OZ 6 Halbwertszeit 0,5 0,25 0,125 0 0 1 TH 2 TH 3 TH • 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 der Kern, desto kürzer die Halbwertszeit dieses spontanen Prozesses. • In der Natur kommen viele 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 PSE wieder. Fragen Röntgenstrahlung • Wie entsteht Röntgenstrahlung? • Aus welchen Anteilen setzt sich Röntgenstrahlung zusammen? Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung Metall 1,0 relative Spektraldichte energiereiche Elektronen Wolfram 0,8 1mm Al 0,6 0,4 2mm Al 0,2 0 0 Wärme (99%) Bremsstrahlung Atomkern Elektronenhülle 80 W Q 100 (keV) 120 Diskrete Strahlung (Anodenmaterial) Röntgenstrahlung Elektron mit W1 20 40 60 Quantenenergie WRö = h ⋅ f Elektron mit W2 (W2 < W1) Wirkt Strahlung auf Materie / biologische Systeme? Üblich: K-Schale N-Schale L-Schale Charakteristische Strahlung 3 Wechselwirkung mit Materie - Korpuskularstrahlung α-Strahlung: Photoeffekt 4He2+ schwer gerade, kurz große elektrische Wechselwirkung Energie ~ 1MeV (Luft Wion = 34,7eV 105 Ionen) 2 WW mit Materie – Röntgen(X)-/γγ-Strahlung β--Strahlung: – Ionisation durch Photoelektronen (E = h f), proportional ~Z4 (11H, 816O, 2040Ca 1 : 4096 : 160000) e- leicht gekrümmt, kurz große elektrische Wechselwirkung Energie verteilt auf e- und Antineutrino β+-Strahlung: verstrahlt sofort mit e- zu Energie (E = m c2) γ-Quant 1,02 MeV Neutronen-Strahlung: 1 n0 aus künstlichem Kernzerfall: 1 keine elektrische WW dringt in den Kern ein Radionuklide Compton-Effekt – inelastische Streuung an Elektronen (~Z) Paarbildung γ-Quant mit E > 1,022 MeV nur an Materie ~Z2 Kernreaktionen sehr hohe Reichweite Schwächungsgesetz – Reichweite Photonenstrahlung • Intensität J: J = J0 * exp(-µ*d) µ - materialspezifischer Absorptionskoeffizient [m-1] (µ ~ λ3, Z3) Halbwertsschichtdicke dH Ist die Einwirkung der Strahlung messbar und berechenbar? J (relativ) 1,0 J0 µ1 > µ 2 > µ3 0,5 0 0 1 2 3 4 5 Dicke (z.B. mm) Halbwertsdicken dH Dosimetrie Aktivität (Becquerel) = Kernzerfälle/Zeiteinheit : [A] = 1 Bq = 1 Zerfall/s Energiedosis (Gray) Konsequenzen für biologische Systeme? = 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 4 Strahlenwirkung auf biologische Systeme Relative Wirksamkeit der Strahlenarten Strahlenart β-, β+ Röntgen- und γ-Strahlen thermische Neutronen schnelle Neutronen Protonen, Deuteronen α-Teilchen schwere Ionen 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 Halbwertzeit q 1 1 3 10 10 20 20 Anlagerung 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 Gewebewichtungsfaktoren mal Strahlendosis-Anteil Meßgröße für Strahlenrisiko bzgl. Krebs 10-2aT/Sv 0,4 0,25 0,2 0,2 0,05 0,05 0,5 Organ - Gewebe Gonaden weibliche Brust rotes Knochenmark Lunge Schilddrüse Knochenoberfläche restliche Organe wT=aT/A 0,25 0,15 0,12 0,12 0,03 0,03 0,3 Ereigniskette von biologischen Strahlenschäden Ereignis Radiolyse des Wassers – indirekte Wirkung Zeitrahmen 1. Ursprüngliche Wechselwirkung Indirekt 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 10-12 - 10-8 s Energieablagerung in Form von Ionisierungen von Atomen (in Molekülen) entlang der Teilchenbahn 3. Chemische Schäden 10-7 s - Stunden Freie Radikale und "angeregte" Moleküle (bis sie sich wieder im thermischen Gleichgewicht befinden) H2O* H• O+ + OH• + H2 O- H2 O+ H+ + OH• H2 O- H• + OH- H2 O2 H2O* + H2 OH• + H2 O OH• 4. Schädigung an Biomolekülen 10-3 s - Stunden Proteine, Nukleinsäuren (DNA, m-RNA, etc), Lipide, etc. 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 Direkte und indirekte Strahlenwirkung auf DNS H2O*: H•, OH•: H2O+, H2O-: H2O2: angeregtes Wassermolekül Radikale ionisierte Wassermoleküle Wasserstoffperoxid Strahlenbedingte Chromosomenveränderungen Indirekte Wirkung H O OH H Strahlung ep+ Sekundärelektron reagiert mit Wassermolekül und erzeugt OH-Radikal e Direkte Wirkung Strahlung ep+ Sekundärelektron reagiert mit DNS 1 nm 2 nm 5 Letaldosis LD3050 Strahlungsbiologische Schäden bei Mammalia Biologische „Organisationsebene“ Wichtige Strahleneffekte Spezies LD 50/30 Zellarten D37 Molekular Schädigung von Makromolekülen z.B. DNA, RNA, Enzyme, Schädigung molekularer Stoffwechselkreise Mensch 4-5 Gy Oocyten 0,05 Gy Maus 4-6,5 Gy Knochenmarkszellen 0,7 Gy Subzellulär Schädigung von Membranen, Zellkernen, Chromosomen, Mitochondrien etc. Ratte 6-9 Gy Epithelzellen Dünndarm 2 Gy 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 Früh- und Spätschäden durch Strahlung Geflügel 10 Gy E. coli 10 Gy Schildkröte 15 Gy Hefe 300 Gy Schnecke 80-200 Gy Viren 1000 Gy Strahlenempfindlichkeitsregel (Bergonie und Tribondeau, 1906): Zellen sind umso empfindlicher, je höher ihre Proliferationsrate und je geringer ihr Differenzierungsgrad. Deterministische Wirkung Gewebe- und Organschäden Tritt rasch auf (Tage bis Wochen) Schwere des Schadens nimmt mit der Dosis zu Dosis hat Schwellenwert (nur grosse Dosen wirksam) Limitierung der Dosis verhindert den Schaden Frühschäden Stochastische Wirkung Bildung von Krebs Entwickelt sich nach Latenzzeit (Jahre bis Jahrzehnte) Eintrittswahrscheinlichkeit nimmt mit der Dosis zu Kaum Schwellenwert bekannt (auch kleine Dosen wirksam) Limitierung der Dosis macht Schaden unwahrscheinlicher 6 Strahlen-Spätwirkungen Krebs-Risiko Krebsart Latenzzeit in Jahren Leukämie 10-15 Anzahl der Todesfälle in 30 Jahren pro Sievert 0.002 Knochenkrebs x 0.0005 Lungenkrebs x 0.002 Schilddrüsenkre bs Brustkrebs 20.3 0.0005 22.6 0.0025 Krebs-Risiko durch Strahlung - statistisch Erst ab ca. 280 mSv ist ein durch Strahlung verursachter Schadensfall statistisch signifikant zu erkennen. Risikofaktoren einiger Krebsarten (Kiefer, Koelzer 1986, 112) Strahlensymptone nach kurzer Ganzkörperbestrahlung effektive Dosis/Sv Strahlenwirkungen bis 0,5 Keine unmittelbar nachteiligen Wirkungen feststellbar, aber Schwächung des Immunsystems, Langzeitwirkungen 0,5 bis 1 Veränderungen des Blutbilds, Hautrötungen, vereinzelt Übelkeit, Erbrechen, sehr selten Todesfälle 1 bis 2 Veränderungen 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) Natürliche und künstliche Strahlenexposition D2001 Wie groß ist die allgemeine Strahlenexposition? Röntgenuntersuchungen D1997 7 Mittlere externe Strahlenexposition in der Bundesrepublik Deutschland im Freien Wozu braucht man Radioökologie? 2001 Radioökologie - Expositionspfade Biologische Wirksamkeit: Anlagerung von Radionukliden in Organen Bei Inkorporation auch α- und β-Strahlung schädlich Beispiel: Altersbestimmung mit Radiokarbonmethode Beispiel: Altersbestimmung mit Radiokarbonmethode Abnahme 14C-Aktivität – Vergleich 12C A 0 • 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 Höhenstrahlung in der Hochatmosphäre 14N +n 14C A /2 0 A /4 0 0 +p • 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 10000 20000 30000 Zeit nach Absterben des Organismus (Jahre) 40000 • Erlaubt Altersbestimmung von einigen hundert bis fünfzigtausend Jahren bei biologischen Objekten • Genauso: Tritium-Methode Schweres 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 Der "Ötzi" aus dem Tirol 8 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 LD30 50 ? Was ist Radioökologie? Wie und wozu wird die “Radiokarbonmethode” genutzt? 9
