Nun weißt Du einiges über die Urbausteine der Natur und die vier fundamentalen Kräfte, die in der Natur wirken. Diese Erkenntnisse kann man nun zu dem anfangs gestellten Problem der natürlichen und künstlichen Strahlung, die uns umgibt, heranziehen.



Wodurch entstehen die verschiedenen Strahlungsarten?

 

Alle Strahlungsarten haben gemeinsam, das sie eine Quelle besitzen, von der aus sie sich in Form einer Welle in alle Richtungen ausbreiten. Dabei gibt es elektromagnetische Strahlung, wozu z.B. Licht, aber auch Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung gehört, aber auch Teilchenstrahlung, z.B. die radioaktive Alpha- und Beta-Strahlungen oder auch Teile der Höhenstrahlung. Was die Quellen der einzelnen Strahlungarten sind und wie sie im einzelnen entstehen, wird nun im Folgenden geklärt werden.


Wie entsteht radioaktive Strahlung?

 

Radioaktive Strahlung hat einige Eigenschaften, die vorab erklärt werden sollten.
Die Reichweite von Strahlung sagt aus, wie weit sie in Luft maximal fliegen kann, bevor sie mit Luftmolekülen reagiert und damit vernichtet wird.
Das Durchdringungsvermögen macht eine Aussage darüber, wie weit die jeweilige Strahlung in Materie eindringen kann, bevor sie all ihre Energie verloren hat. Diese Eigenschaft kann z.B. für die biologische Strahlenwirkung von großer Bedeutung sein. In Abhängigkeit von dem Durchdringungsvermögen entscheidet sich, ob die Strahlung oberflächliche oder tiefliegende Schäden in lebenden Zellen anrichten kann.
Radioaktive Strahlung entsteht auf recht unterschiedliche Weisen. Daher werden nun die drei Arten im Einzelnen erläutert werden:

Alpha-Strahlung: Für die Entstehung der Alpha-Strahlung ist der radioaktive
Alpha-Zerfall verantwortlich. Es gibt manche Stoffe bzw. Atomarten, die eine natürliche Radioaktivität besitzen. Dies bedeutet, daß sich ein Atomkern dieses Stoffes, z.B. Radium, ohne äußere Einflüsse plötzlich in den Atomkern eines anderen Elementes, das Radium z.B. in Radon, umwandelt. Man hat also einen sogenannten Mutterkern und einen Tochterkern. Bei dieser Umwandlung verliert der Mutterkern zwei Neutronen und zwei Protonen. Diese vier Teilchen, die zusammen einen Heliumkern bilden, werden als Alpha-Teilchen ausgestoßen. Da die Anzahl der Protonen im Atomkern vorgibt, um welches Element es sich handelt, wandelt sich der Mutterkern des einen Elementes beim Alpha-Zerfall in den Tochterkern, der einem anderen Element angehört.
Die Alpha-Strahlung besteht also aus zwei Protonen und zwei Neutronen, ist daher recht schwer und hat nur eine sehr kurze Reichweite. In Luft kann sie nur 4-6cm weit fliegen, und sie kann schon durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden, was auf ein sehr schwaches Durchdringungsvermögen schließen läßt. Da diese Teilchen jedoch sehr viel Energie mit sich führen, können sie, wenn sie zum Beispiel auf einen Menschen treffen, nicht tief in diesen eindringen, aber dafür auf der Oberfläche sehr große Zellschäden anrichten.
Beta-Strahlung: Bei der Beta-Strahlung werden ebenfalls auf natürlichem Wege

ohne äußere Anregung Atomkerne in neue Atomkerne umgewandelt. Dies geschieht durch den sogenannten Beta-Zerfall. Es gibt also auch Mutter- und Tochterkerne. Bei der Beta-Strahlung findet eine Umwandlung im Innern des Mutterkerns statt. Es wird ein vorhandenes Neutron in ein Proton und ein Elektron umgewandelt. Aus Energieerhaltungsgründen entsteht auch immer ein Neutrino. Das Elektron und das Neutrino verlassen den Atomkern, während das Proton im Atomkern zurückbleibt. Damit erhöht sich die Protonenzahl im Kern, und es entsteht ein neuer Atomkern.
Man kann den Beta-Zerfall auch über die Teilchenphysik erklären: ein Neutron wird über den schwachen Zerfall in ein Proton und ein W- umgewandelt. Das W- wiederum zerfällt in ein Elektron und ein Anit-Elektronneutrino.

(u,d,d) ---> (u,u,d) + W-

W- ---> e- +

Um noch mal näheres über den Beta-Zerfall zu erfahren, kannst Du noch mal auf der Seite schwache Wechselwirkung nachschauen.
Das ausgesendete Elektron bildet die Beta-Strahlung. Sie hat eine Reichweite von mehreren Metern und hat ein recht großes Durchdringungsvermögen. So kann sie z.B. im Gegensatz zur Alpha-Strahlung ein Blatt Papier mühelos durchdringen, und wird erst durch eine eine 3mm dicke Aluminiumschicht abgebremst. Dieses relativ große Durchdringungsvermögen führt dazu, daß die Beta-Strahlung recht tief in Gewebe eindringen kann und auf seinem Weg durch dieses die ganze Zeit Energie an das umliegende Gewebe abgeben kann. Diese Energie kann zu biologischen Veränderungen führen, die als Strahlenschäden bemerkbar werden.
Gamma-Strahlung: Bei der Gamma-Strahlung handelt es sich ebenfalls um eine
natürliche Strahlung.Hierbei verändern sich jedoch die Atomkerne nicht, sondern sie strahlen nur Energie ab. Diese Energie verläßt die Atomkerne in Form von Photonen. Diese bilden dann die Gamma-Strahlung.
Die Gamma-Strahlung hat praktisch eine endlose Reichweite, sie verliert nur auf ihrem Weg durch die Luft immer mehr Energie. Sie hat ein sehr großes Durchdringungsvermögen und läßt sich noch nicht einmal durch Aluminium- oder Bleiplatten abschirmen. Die mit recht hoher Energie ausgestattete Gamma-Strahlung kann sehr tief in lebendes Gewebe eindringen und sehr tief Strahlenschäden verursachen.

 

Über radioaktive Strahlung kann man allgemein sagen:
  Sie verliert auf ihrem Weg durch Materie Bewegungsenergie. Dabei verliert die Alpha-Strahlung besonders schnell ihre Energie, die Gamma-Strahlung besonders langsam. Diese Bewegungsenergie wird an die umgebende Materie abgegeben. In menschlichem Gewebe kann diese Energie zu Gewebeveränderungen führen, die die radioaktive Strahlung in großen Mengen für den Menschen so schädlich macht.
Je größer der Abstand zu einer radioaktiven Strahlungsquelle wird, um so schwächer wird die Strahlung. Dabei verläuft die Abschwächung mit dem Radius zum Quardrat.
Die Art der radioaktiven Strahlung hängt von dem radioaktiven Präparat ab, von dem sie kommt.
Radioaktive Strahlung wird umso stärker geschwächt, je dicker die Schicht ist, die sie durchdringen muß.
Radioaktive Strahlung kommt in der Natur vor, ist also ständig um uns herum. Sie kommt aus Hauswänden, aus der Erde und aus der Höhenstrahlung. Der Mensch ist also dazu ausgelegt, eine gewisse Dosis an radioaktiver Strahlung unbeschadet zu vertragen.

Um mehr über die Arten von biologischen Strahlenschäden zu erfahren, die radioaktive Strahlung anrichten kann, kannst Du auf die Seite Strahlenschäden gehen.

 


Woraus besteht Röntgenstrahlung? Wie entsteht sie?

 

Röntgenstrahlung besteht genauso wie die radioaktive Gamma-Strahlung aus Photonen. Sie entsteht jedoch anders als die Gamma-Strahlung. Sie entsteht, wenn beschleunigte elektrisch geladene Teilchen, z.B. Elektronen, auf Materie treffen und plötzlich abgebremst werden. Dabei wird eine sehr große Menge an Energie frei, die unter anderem in Form von Photonen, also Röntgenstrahlung auftritt. Diese Röntgenstrahlung hat eine sehr kleine Wellenlänge und daher ein sehr großes Durchdringungsvermögen. Je kürzer die Wellenlänge ist, um so größer ist das Durchdringungsvermögen. Sie wird daher in der Medizin eingesetzt, um Röntgenaufnahmen zu erstellen.

Hier nun ein Link, mit dem man auf den "PHYSIK 2000" -Seiten näheres zur Röntgenstrahlung erfahren kann, wenn man dies möchte: http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/index.html

Im folgenden Schema kann man verschiedene elektromagnetische Strahlungen nach ihren typischen Wellenlängen aufgelistet ablesen:

 

 


Woher kommt die Höhenstrahlung? Wie entsteht sie?

 

Die Höhenstrahlung besteht zu einem sehr hohen Prozentsatz aus Protonen, die ihren Ursprung irgendwo im Universum haben. Weiter fliegen ununterbrochen Neutrinos aus dem All auf die Erde und durchqueren sie fast alle ungehindert. Die Neutrinos entstehen z.B. in der Sonne durch Kernumwandlungen, d.h. wenn zwei Wasserstoffatomkernen zu einem Heliumatomkern.
Treffen die Protonen aus dem All auf die Atmosphäre der Erde, so wird eine Kettenreaktion in Gang gesetzt. Es finden eine Unmenge an Reaktionen statt, von denen hier nun einige erwähnt werden.

 

 

 

 

 

 

 

Es findet z.B. ein starker Zerfall eines Protons statt. Dabei wird das Proton in ein Neutron und ein Pion umgewandelt:

Das Pion seinerseits zerfällt über die schwache Wechselwirkung in ein Myon und Neutrino, das Antipion in ein Antimyon und ein Neutrino:

Das neutrale Pion zerfällt etwas anderes als seine geladenen Vertreter. Es entsteht ebenfalls aus den Protonen aus dem All, zerfällt aber schon in der oberen Atmosphäre erst in zwei Photonen, die teilweise in Positron-Elektron-Paare zerfallen. Hierbei handelt es sich um einen elektromagnetischen Zerfall. Damit sind die neutralen Pionen verantwortlich für die Entstehung hochenergetischer Schauer aus Photonen, Positronen und Elektronen, die dann die Erde erreichen:

Myonen zerfallen ebenfalls über die schwache Wechselwirkung in zwei Neutrinos und ein Elektron oder Positron:

Alle Teilchen, die ihren Ursprung im Proton haben, werden Sekundärteilchen genannt, während die aus dem All eintreffenden Protonen und Neutrinos Pimärteilchen genannt werden.
Die gesamte Höhenstrahlung besteht also aus Teilchenstrahlung. Die Erdoberfläche erreichen meist nur die Myonen und die verschiedenen Neutrinos. Während die Neutrinos, die in sehr großen Mengen vorkommen, jedoch nur selten zerfallen oder mit Materie reagieren und daher kaum nachweisbar sind, kann man die eintreffenden Myonen besser nachweisen, da sie leichter mit Materie reagieren.

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