Radioaktivität, Strahlung und Strahlungsdetektion

Nuklide, Isotope, Isobare und Isotone

Massenzahl A = N + Z, wobei N = A - Z die Neutronenzahl und Z die Protonenzahl ist. Drei Typen von Nukliden:

• Isotope: gleiche Anzahl Protonen (gleiche Z), unterschiedliche Neutronenzahl.
• Isobare: gleiche Massenzahl A, unterschiedliche Verteilung von Z und N.
• Isotone: gleiche Neutronenzahl N, unterschiedliche Protonenzahl Z.

Masse-Energie-Äquivalenz und Kernmasse

Äquivalenz zwischen Masse und Energie: E = m c². Die Kernmasse weicht im Allgemeinen von der Summe der Einteilchenmassen (M_n + M_p + m_e) ab, da die Bindungsenergie berücksichtigt werden muss.

Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Strahlung ist die Übertragung von Energie durch ein elektrisches und ein magnetisches Feld in Form von Wellen. Die Energie eines Photons ist proportional zur Frequenz der Welle; je länger die Wellenlänge, desto geringer die Energie und desto niedriger die Frequenz.

Photonen und Energie

Die Energie eines Photons ist proportional zu seiner Frequenz. Längere Wellenlängen bedeuten weniger Energie und geringere Frequenz.

Kerne und Radioaktivität

In Atomkernen bleibt die Protonenzahl (Z) konstant; die Neutronenzahl (N) kann sich ändern. Instabile Kerne neigen dazu, ihre Zusammensetzung durch spontane Emission zu ändern — dies ist Radioaktivität. Atome, die sich so verhalten, nennt man Radionuklide. Die Geschwindigkeit, mit der sie zerfallen, ist ein Kennzeichen jedes Radionuklids und wird durch die Zerfallskonstante beschrieben.

Arten der Strahlung

Man unterscheidet:

• Direkt ionisierende Strahlung: geladene Teilchen (z. B. Elektronen, Protonen), die unmittelbar Ionisation im Medium verursachen.
• Indirekt ionisierende Strahlung: neutrale Teilchen (z. B. Photonen), die Ionisation über die Erzeugung sekundärer geladener Teilchen bewirken.

Stoßprozesse

Elastische Zusammenstöße: Das treffende Teilchen überträgt einen Teil seiner kinetischen Energie auf ein Atomteilchen, ohne innere Zustände zu ändern. Inelastische Zusammenstöße: Es kommt zu Ionisation oder Anregung des Atoms.

Wichtige Wechselwirkungsprozesse

Photoelektrischer Effekt

Beim photoelektrischen Effekt überträgt das Photon seine gesamte Energie auf ein gebundenes Elektron im Atom. Das Elektron wird herausgelöst, wenn die Photonenergie größer ist als die Bindungsenergie des Elektrons.

Compton-Effekt

Beim Compton-Effekt streut ein Photon an einem (quasi) freien Elektron und gibt einen Teil seiner Energie ab; das Photon verlässt die Wechselwirkung mit verringerter Energie unter einem geänderten Ausbreitungswinkel.

Paarbildung

Bei ausreichend hoher Photonenergie kann in der Nähe eines Atomkerns ein Elektron-Positron-Paar entstehen. Dafür muss die Photonenergie größer sein als die doppelte Ruhmasse des Elektrons, d. h. > 1,022 MeV.

Detektion und Messung von Strahlung

Detektoren und Messgeräte zur Strahlungserfassung:

• Partikelzähler
• Spektrometer: messen Energie und Spektrum der Strahlung.
• Ionisationskammer: meist ebene oder zylindrische Elektroden; geeignet für Dosis- und Strommessungen, geringe Effizienz für sehr geringe Gammastrahlung.
• Proportionalzählrohr: arbeitet in einem Bereich, in dem die erzeugten Ionisationen proportional zur einfallenden Strahlungsenergie sind; die erzeugte Ladung wird zu den Elektroden transportiert.
• Geiger-Müller-Zähler: bei ausreichender Feldstärke löst ein einzelnes ionisierendes Ereignis eine Lawine von Elektronen aus; gut für Zählraten, liefert keine Energiespektren und hat eine Totzeit.
• Szintillationsdetektoren: eine lumineszente Substanz erzeugt Lichtblitze, die von Photomultipliern verstärkt werden; Eigenschaften der Kristalle beeinflussen die Konversionsrate und Transparenz im relevanten Spektralbereich.

Eigenschaften von Detektormaterialien

Die Umwandlungsrate (Lichtausbeute) sollte hoch sein; das Material sollte im relevanten Wellenlängenbereich transparent sein. Aktivatoren in Kristallen können die Leistung verbessern.

Reichweiten und Dosimetrie

Reichweite (z. B. espesor) bezeichnet die maximale Reichweite geladener Teilchen in einem Material.

Personendosimeter

Zur individuellen Überwachung verwendet man Personendosimeter.

Arbeitdosimeter

Einige Dosimeter sind einsatzbereit, liefern aber keine direkte persönliche Sofortablesung.

Thermolumineszenz-Dosimeter

Thermolumineszente Dosimeter (TLD): Bei Bestrahlung speichern die Materialien Energie und geben diese bei Erwärmung als Licht wieder ab, das mit einem Photomultiplier gemessen wird. TLDs können wiederverwendbar sein, nach dem Auslesen müssen sie gelöscht bzw. annealiert werden.

Fotografische Dosimeter

Fotografische Dosimeter zeichnen die aufgenommene Strahlung durch Schwärzung eines Films auf.

Betriebliche und momentane Messungen

Es gibt messende Geräte für momentane Ablesungen, die konfigurierbar sind und unmittelbare Informationen über Strahlungsstärken liefern.

Monitore und Fensterkonfiguration

Monitore zur Flächenüberwachung unterscheiden in der Regel zwischen offenen Fenstern (zur Erfassung von Beta- und Gamma-Strahlung) und geschlossenen Fenstern, die speziell für reine Gamma-Messungen ausgelegt sind.