Teilchenstrahlung geht immer vom Kern und nie von der Atomhülle aus. Der Teilchenstrahlung liegt insofern der Zerfall eines instabilen Kerns zugrunde oder ist – bei schweren Ionen – das Resultat einer Ionisation mit anschließender Beschleunigung des Ions.
Welle, Teilchen, Strahlung – es sind unterschiedliche Aspekte, die bedeutsam sind.
Ionisierende Strahlung kann elektromagnetischer Natur sein oder Teilchenstrahlung entsprechen. Das Wissen um die Eigenschaften der jeweiligen Strahlung ist hilfreich für das Verständnis der Wechselwirkung mit Materie.
Elektromagnetische Strahlung ist frei von Materie. Das Spektrum reicht von hochenergetischer Röntgenstrahlung bis zur langwelligen Strahlung des Erdmagnetfeldes.
Teilchenstrahlung ist beschleunigte Masse, die üblicherweise aus einem zerfallenden Atomkern stammt, aber einem Schwerion entsprechen kann.
Röntgenstrahlung wird künstlich in der Röntgenröhre erzeugt. Die Röntgenröhre ist ein vakumiertes Gebilde aus Glas und Metall, in dem sich die Kathode (-) und die Anode (+) befinden.
Indem an der Kathode Strom angelegt wird, also Elektronen durch die Kathode fließen, werden an der Kathode Elektronen freigesetzt. Der Röhrenstrom wird in Milliampere (mA) angegeben.
Indem Spannung an die Anode angelegt und so eine Ladungsdifferenz zur Kathode hergestellt wird, werden die Elektronen von der Anode angezogen und beschleunigt. Je größer die Spannung und somit das Ladungsgefälle zur Kathode, um so stärker ist die Anziehungskraft der Anode – um so schneller sind die Elektronen, die auf die Anode treffen und um so größer ist ihre kinetische Energie. Die Röhrenspannung wird in Kilovolt (kV) angegeben.
Mit dem Auftreffen auf die Anode treten die Elektronen mit dem Anodenmaterial in Wechselwirkung und erzeugen Photonen, also Röntgenstrahlung.
Je mehr Elektronen auf die Anode treffen, um so mehr Photonen entstehen. Mit mA wird also die Quantität der Röntgenstrahlung bestimmt.
Je schneller die Elektronen sind, die auf die Anode treffen, um so energiereicher (härter) ist die entstehende Röntgenstrahlung. Mit kV wird also die Qualität der Röntgenstrahlung vorgegeben.
Elektromagnetische Strahlung – materielose Energie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.
Photonenstrahlung besteht aus Photonen bzw. Quanten und somit aus Energieportionen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit von ihrer Quelle aus in Wellen ausbreitet.
Gammastrahlung sind natürlich vorkommende Photonen, die beim Gammazerfall eines Isotops entstehen – bspw. des Kobalt. Röntgenphotonen werden hingegen künstlich in der Röntgenröhre erzeugt – auf Knopfdruck.
Für das Verständnis der Wirkungsweise der Röntgenstrahlung im praktischen Einsatz muss man wissen, auf welche Weise die Röntgenstrahlung mit Materie, also auch mit dem Körper in Wechselwirkung tritt.
Dafür aber ist es notwendig, sich die Röntgenstrahlung noch einmal genau anzuschauen. Denn Röntgenstrahlung ist nicht gleich Röntgenstrahlung.
Der Röntgenstrahl, wie er in der Medizin verwendet wird, besteht nicht aus Photonen gleicher Wellenlänge, sondern aus Photonen ganz unterschiedlicher Energie. Mit der Röhrenspannung (kV) wird insofern nicht bestimmt, welche Energie alle erzeugten Photonen haben, sondern welche Maximalenergie (Grenzenergie) die Photonen aufweisen. Ursächlich ist der Entstehungprozess der Röntgenstrahlung – weshalb sie auch Bremsstrahlung genannt wird.
Beim Kernzerfall freigesetzte Elektronen – wirkungsvoll bspw. bei der Radiojodtherapie.
Beim Betaminuszerfall zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein negativ geladenes Elektron sowie ein Antineutrino.
Beim Betapluszerfall zerfällt ein Proton in ein Neutron, ein positiv geladenes Elektron, welches auch Positron genannt wird, und in ein Neutrino.
Das Betateilchen führt bei der Kollision mit anderer Materie zu Stoßprozessen. Es kommt zur Kollision mit Hüllenelektronen, wodurch diese herausgestoßen werden. So ist die ionisierende Wirkung der Betastrahlung zu erklären.
Von Niels Bohr 1913 beschrieben ist das Bohrsche Atommodell zwar in vielerlei Hinsicht überholt. Es kann aber immer noch vieles verständlich machen.
Im Bohrschen Schalenmodell wird beim Atom zunächst zwischen dem Atomkern und der Atomhülle unterschieden. Beide beinhalten atomare Bauteile.
Der Kern eines Atoms setzt sich aus Protonen – den positiv geladenen Kernteilchen – und Neutronen – den nicht geladenen Kernteilchen – zusammen. Aus dieser Zusammensetzung resultiert die positive Ladung des Kerns.
Um den Kern herum sind Schalen angeordnet. In ihnen befinden sich die negativ geladenen Elektronen.
Bestandteile des Atoms können beschleunigt werden und als solche auf andere Materie treffen und Energie übertragen. Es handelt sich dann um Teilchenstrahlung.
Quanten sind keine Teilchen, sondern elektromagnetische Strahlung und als solche Energieportionen, die sich von ihrer Quelle ausgehend gleichmäßig im Raum verteilen können.
Alphastrahlung ensteht beim Zerfall von Nukliden, bei denen ein Alphateilchen herausgeschleudert wird. Es handelt sich dabei um zwei Protonen und zwei Neutronen – einen Heliumkern. Da dem Helium die Elektronen fehlen ist das Alphateilchen gleich zweifach positiv geladen.
Die große Masse, das damit einhergehende Gewicht und die Ladung sind Charakteristika, die die Wirkung des Alphateilchens erklären: eine geringe Eindringtiefe mit allerdings konzentrierter Energieabgabe.
Polonium ist ein Nuklid, das vom Körper aufgenommen zeigt, welche verheerende Wirkung ein Alphstrahler hat. Inkorporiert ist er tödlich, während er extrakorporal nahezu keine Wirkung zeigt, da Alphateilchen kaum die toten Hautzellen durchdringen können.
Bereits durch ein Blatt Papier aufzuhalten und doch hoch gefährlich.
Gedankenstützen können helfen, wichtige Dinge zu behalten. Die 3 A´s des Strahlenschutzes sind solche Erinnerungshilfen
Sie sind zugleich wirkungsvolle und praxisnahe Ansätze zur Dosisreduktion:
Letztlich kann noch ein 4. A aufgenommen werden: Die Abstinenz. Auch der Verzicht des Einsatzes ionisierender Strahlen stellt eine Form des Strahlenschutzes dar: den Absoluten.
Als Strahlenschutzgrundsätze werden die grundlegenden Prinzipien des Strahlenschutzes bezeichnet.
Die internationale Atomenergiebehörde (IAEA) nennt zehn Grundsätze, die Fundamental Safety Principles. Im deutschen Strahlenschutzrecht werden drei genannt:
Die Rechtfertigung betrifft nicht nur die Nutzen-Risiko-Abwägung und Indikationsstellung bei der Strahlenanwendung am Patienten, sondern auch die Rechtfertigung bei der Exposition von Anwendern und unbeteiligten Dritten. Der Rechtfertigungsgrundsatz impliziert, dass jede Exposition begründet und im Hinblick auf Nutzen und Risiko angemessen sein muss.
Die Dosisbegrenzung beinhaltet zugleich die Dosimetrie, weil eine Dosisbegrenzung nur mit Wissen um die Expositionsgrößen möglich ist. Dosisbegrenzung und Dosimetrie betreffen die berufliche Strahlenexposition. Die Dosisbegrenzung beginnt mit dem baulichen Strahlenschutz, also mit der Einschränkung der Strahlenausbreitung. Optimaler Strahlenschutz für beruflich strahlenexponierte Personen ist jedoch nur möglich, wenn im Durchleuchtungsbetrieb die Dosisminimierung bei der Exposition des Patienten beginnt – weil sich die Streustrahlung nur auf das Unumgängliche reduzieren lässt, wenn zuvor die Nutzstrahlung minimiert wird. Gelingt dies, dann dürften auch die gesetzlich definierten Dosisgrenzwerte eingehalten werden.
Unabhängig von der unmittelbaren und mittelbaren Reduzierung der Exposition des Anwenders, sollte die Exposition von Patienten auch dann reduziert werden, wenn kein Dritter davon profitiert – durch die Vermeidung unnötiger Untersuchungen, durch den Einsatz empfindlicher Detektoren, durch die Nutzung von Patientenschutzmitteln u.v.m..
Optimaler Strahlenschutz bedarf nicht mehr, als der Umsetzung der drei Strahlenschutzgrundsätze. Allerdings beinhaltet jeder Strahlenschutzgrundsatz Unteraspekte: Die Rechtfertigung beinhaltet die Qualifikation derer, die die Nutzen-Risiko-Abwägung vornehmen. Die Dosisbegrenzung beinhaltet die Dosimetrie und die Vorgabe von Grenzwerten. Und die Aufforderung zur Vermeidung von unnötigen Expositionen sowie der Dosisminimierung beinhaltet die Qualitätssicherung, weil eine minimale Dosis nur mit einem qualitätsgesicherten System zu erreichen ist, das die eingesetzten Strahlen auch zu visualisieren bzw. in der Therapie entsprechend gebündelt und begrenzt zu applizieren versteht.