Strahlenschutz am Arbeitsplatz II: Ionisierende Strahlun ... / 2.3 Charakteristische Eigenschaften von Radionukliden und der von ihnen ausgesandten Strahlung

2.3.1 Halbwertzeit

Die Umwandlung des einzelnen radioaktiven Atomkerns erfolgt spontan zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt. Für eine große Anzahl von Atomkernen des gleichen Radionuklids, z. B. Cäsium-137 (physikalische Schreibweise ¹³⁷Cs) gibt es jedoch eine genau festliegende und bestimmbare Zeit, nach der die Hälfte aller Atomkerne die Umwandlung vollzogen hat. Diese für das Radionuklid charakteristische Zeit nennt man die Halbwertzeit (HWZ), bei ¹³⁷Cs z. B. 30 Jahre.

Halbwertszeiten gibt es von Bruchteilen von Sekunden bis viele Jahrmillionen. Das Thorium-Isotop Th-232 z. B. hat eine HWZ von 1,4 × 10¹⁰ Jahren, U-238 von 4,5 x–10⁹ Jahren und K-40 von 1,28 × 10⁹ Jahren. In der Thorium-Zerfallsreihe kommt ein Zwischenprodukt vor, das Polonium-Isotop Po-212 (Thorium C'), das eine HWZ von nur 3 × 10^-7 Sekunden (0,3 μs) hat.

In jeder Halbwertszeit halbiert sich die Anzahl der radioaktiven Kerne; man spricht von einer e-Funktion. Nach 10 HWZ ist noch rund 0,1 % der ursprünglichen Radioaktivität vorhanden (Tab. 7). Die Halbwertszeit ist eine feste, für jede Radionuklidart charakteristische Zeit – und sie ist durch nichts beeinflussbar, weder durch Hitze noch durch Druck oder sonst etwas. Es sei denn, man dringt bis zum Kern selbst vor und zerstört ihn gewaltsam, indem man ihn mit anderen Kernteilchen beschießt.

Die Abnahme der Radioaktivität mit der Zeit lässt sich anhand der Halbwertzeit (HWZ) leicht ausrechnen. Nennen wir die Ausgangsaktivität A0 und die nach der Zeit t noch vorhandene Aktivität At, dann gilt die Beziehung

At =	A0
	2t/HWZ

Beispiel:		t = 3 · HWZ		A3 =	A0	=	A0	= 0,125 A0
					23		8

Und hier das Ganze – der Einfachheit halber – in Form einer Tabelle (Tab. 2).

Zeit als Vielfaches der HWZ	At als Bruchteil von A0
0,1	0,933
0,2	0,871
0,3	0,812
0,4	0,758
0,5	0,707
0,6	0,660
0,7	0,616
0,8	0,574
0,9	0,555
1	0,500
2	0,250
3	0,125
4	0,0625
5	0,03125
6	0,015625
7	0,0078125
8	0,0039062
9	0,001953
10	0,000977

Tab. 2: Wie die Aktivität immer weniger wird

2.3.2 Strahlungsart und -energie

Welches Radionuklid man vor sich hat, erkennt man aus Art und Energie der bei der Kernumwandlung ausgesandten Kernstrahlung, die für das jeweilige Radionuklid ebenfalls charakteristisch ist.

Bei der Strahlung aus dem Kern finden wir 3 Strahlenarten, die von dem neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford in der Reihenfolge ihrer Entdeckung nach dem griechischen Alphabet Alpha-, Beta- und Gammastrahlen genannt wurden. Sie unterscheiden sich sowohl hinsichtlich ihrer physikalischen Natur als auch ihrer Durchdringungsfähigkeit von Materie (Tab. 3).

Strahlenart und -energie	Physikalische Natur	Energie-­Spektrum	Reichweite in Luft
Röntgenstrahlen bis einige 100 keV	Wellen (Quanten)	kontinuierliche und charakteristische Linien	bis einige 10 m (exponentielle Schwächung)
Gammastrahlen bis einige MeV	Wellen (Quanten)	Linien	bis einige 100 m (exponentielle Schwächung)
Beta-Strahlen bis einige MeV	Teilchen (Elektronen)	kontinuierlich	bis einige m max. Reichweite
Alpha-Strahlen 4–8 MeV	Teilchen (Heliumkerne)	Linie, aber durch Schwächung "verschmiert"	3–6 cm max. Reichweite

Tab. 3: Strahlenarten und ihre Eigenschaften

2.3.3 Reichweite und Schwächung

Alpha- und Betastrahlen sind Teilchen. Sie haben – im Gegensatz zur Gammastrahlung – eine endliche, definierte Reichweite (Tab. 4 und 5).

Radionuklid	Halbwertszeit Jahre	Energie MeV	Reichweite in Luft cm
Po-210	0,38	5,3	3,9
Ra-222	0,01	5,48	4,2
Ra-226	1620	4,6; 4,8	3,0; 3,1
Th-232	1,4·1010	4,0	2,5
U-233	1,6·105	4,8	3,3
U-235	7,1·108	4,4	2,9
U-238	4,5·109	4,2	2,7
Pu-239	2,4·104	5,1	3,6
Am-241	458	5,48	4,2

Tab. 4: Wie weit bringen es Alpha-Teilchen? Der Zusammenhang zwischen Energie und Reichweite

Maximalenergie E der β-Teilchen (MeV)	Reichweite R der β-Teilchen
	Luft (cm)	Gewebe oder Wasser (mm)	Aluminium (mm)	Stahl (mm)	Blei (mm)
0,1	10,1	0,158	0,05	0,02	0,013
0,2	31,3	0,491	0,155	0,06	0,037
0,3	56,7	0,889	0,281	0,10	0,067
0,4	85,7	1,35	0,426	0,15	0,10
0,5	119	1,87	0,593	0,21	0,14
0,6	157	2,46	0,778	0,26	0,18
0,7	186	2,92	0,926	0,32	0,22
0,8	231	3,63	1,15	0,40	0,27
0,9	261	4,10	1,30	0,45	0,31
1,0	306	4,80	1,52	0,53	0,36
1,25	406	6,32	2,02	0,69	0,48
1,50	494	7,80	2,47	0,86	0,59
1,75	610	9,50	3,01	1,0	0,71
2,0	710	11,1	3,51	1,2	0,84
2,5	910	14,3	4,52	1,6	1,1
3,0	1100	17,4	5,50	1,9	1,4

Tab. 5: Wie weit bringen es Beta-Teilchen? Der Zusammenhang zwischen Energie und Reichweite

Gammastrahlen sind ebenso wie Röntgenstrahlen Wellen oder Energie-Quanten und vergleichbar mit dem sichtbaren Licht, aber mit einer um 5 Größenordnungen höheren Energie. Anders als Teilchenstrahlung werden sie beim Durchgang durch Materie exponentiell geschwächt, gleiche Schichtdicken schwächen immer um den gleichen Prozentsatz. Man definiert die Durchdringungsfähigkeit deshalb in Halbwertschichten (Schwächung um 50 %) oder Zehntelwertschichten (Schwächung um 90 %) (Tab. 6).

Quantenenergie MeV	Halbwertschichten (cm)
	Wasser	Beton	Eisen	Blei	Luft
0,1	21,0	4,7	0,8	0,1	3700
0,2	27,0	7,6	1,6	0,2
0,5	28,0	12,4	2,6	0,5	6600
0,8	28,1	12,7	3,1	1,0
1,0	28,4	12,8	3,4	1,3
1,25	29,4	13,1	3,6	1,6