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Radioaktivität ist der spontane Zerfall instabiler Atomkerne unter Aussendung ionisierender Strahlung (Alpha, Beta, Gamma und weitere). Wichtige Messgrößen sind Aktivität (Becquerel), Energiedosis (Gray) und Äquivalentdosis (Sievert). Schutzmaßnahmen umfassen Abstand, kurze Expositionszeit und Abschirmung.
Unter Radioaktivität versteht man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich ohne äußere Einwirkung umzuwandeln und dabei Energie in Form von Teilchen oder Wellen abzugeben. Diese instabilen Isotope werden als Radionuklide bezeichnet. Das Ziel dieser Umwandlung ist das Erreichen eines energetisch stabileren Zustands. Tatsächlich besitzen etwa 90 % aller bekannten Isotope instabile Kerne und sind somit radioaktiv.
Die Stabilität eines Kerns wird durch das Gleichgewicht zwischen der starken Kernkraft (die Protonen und Neutronen zusammenhält) und der elektrostatischen Abstoßung der positiv geladenen Protonen bestimmt. Überwiegt die Abstoßung oder ist das Verhältnis von Neutronen zu Protonen ungünstig, kommt es zum Zerfall.
Die Alphastrahlung (α) besteht aus zweifach positiv geladenen Heliumkernen (⁴₂He), also zwei Protonen und zwei Neutronen. Aufgrund ihrer hohen Masse und Ladung haben Alphateilchen eine geringe Eindringtiefe und können bereits durch ein Blatt Papier oder die oberste Hautschicht gestoppt werden. Gelangen Alphastrahler jedoch in den Körper (Inkorporation), entfalten sie eine hohe biologische Wirksamkeit und können erhebliche Schäden verursachen.
Bei der Betastrahlung (β) unterscheiden wir zwei Arten. Beim β⁻-Zerfall wandelt sich ein Neutron im Kern in ein Proton und ein Elektron um; das Elektron wird ausgestrahlt. Beim β⁺-Zerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron und ein Positron (das Antiteilchen des Elektrons) um. Trifft ein Positron auf ein Elektron, können sich beide vernichten (Annihilation), wobei Gammastrahlung freigesetzt wird. Betastrahlung hat eine mittlere Reichweite und kann durch einige Millimeter Aluminium abgeschirmt werden.
Die Gammastrahlung (γ) ist im Gegensatz zu Alpha und Beta keine Teilchenstrahlung, sondern hochenergetische elektromagnetische Strahlung (Photonen). Sie tritt oft als Begleiterscheinung nach einem Alpha- oder Betazerfall auf, wenn der Kern noch in einem angeregten Zustand ist. Da sie masselos und ungeladen ist, besitzt sie eine sehr hohe Durchdringungskraft und erfordert dicke Blei- oder Betonschichten zur Abschirmung. Ihre biologische Wirksamkeit ist jedoch vergleichsweise geringer als die von Alpha- und Betastrahlung.
Neben Alpha-, Beta- und Gammastrahlung existieren weitere ionisierende Strahlungsarten. Röntgenstrahlung entsteht in der Atomhülle und ist physikalisch der Gammastrahlung ähnlich, zählt aber definitionsgemäß nicht zur radioaktiven Strahlung, da sie nicht aus dem Kern stammt. Kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung aus dem Weltall, vorwiegend bestehend aus Protonen, Elektronen und vollständig ionisierten Atomen; auf die Erdatmosphäre treffen etwa 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Durch das Magnetfeld der Erde und die Atmosphäre gelangt nur ein kleiner Teil bis zur Oberfläche. Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen; je nach ihrer Geschwindigkeit variieren Eindringtiefe und biologische Wirkung.
Alle genannten Strahlungsarten zählen zur ionisierenden Strahlung, da sie genug Energie besitzen, um Elektronen aus Atomhüllen herauszuschlagen. Beim Durchgang durch Materie kommt es zur Ionisation: Atome oder Moleküle werden zu Ionen; die Strahlung verliert dabei Energie (Absorption). Es können auch Mehrfachionisationen oder Sekundärstrahlungen auftreten. Dieser Effekt wird in der Nebelkammer zur Detektion genutzt. Auf biochemischer Ebene entstehen durch die Ionisation Radikale, hochreaktive Molekülfragmente, die sich an andere Moleküle anlagern und dort Fehlfunktionen oder Schäden verursachen können. Besonders gefährdet ist die DNA.
Die Stärke einer radioaktiven Quelle wird als Aktivität bezeichnet. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq), wobei 1 Bq genau einem Kernzerfall pro Sekunde entspricht. Diese Größe gibt jedoch keine Auskunft über die biologische Wirkung der Strahlung, sondern rein über die Anzahl der Zerfallsereignisse.
Die Energiedosis beschreibt, wie viel Strahlungsenergie pro Kilogramm Körpermasse aufgenommen wird. Ihre Einheit ist Gray (Gy); 1 Gy = 1 J/kg.
Die Äquivalentdosis trägt darüber hinaus der biologischen Wirksamkeit der verschiedenen Strahlungsarten Rechnung. Sie wird in Sievert (Sv) angegeben (1 Sv = 1 J/kg, jedoch gewichtet). Beruflich strahlenexponierte Personen dürfen laut Gesetz maximal 20 mSv pro Jahr aufnehmen. Die natürliche Strahlenbelastung durch Umwelt und kosmische Strahlung liegt bei etwa 1–3 mSv pro Jahr.
Medizinische Anwendungen wie Röntgen oder Computertomographie (CT) erhöhen die Belastung zusätzlich. Die Magnetresonanztomographie (MRT) arbeitet hingegen mit starken Magnetfeldern und nutzt keine ionisierende Strahlung. Auch während Flügen in großer Höhe steigt die Exposition durch kosmische Strahlung. Erste nachweisbare Effekte treten bei einer einmaligen Bestrahlung von etwa 250 mSv auf.
Ionisierende Strahlung kann Makromoleküle wie DNA und Proteine direkt oder über Radikale schädigen. Dies kann zu unkontrolliertem Zellwachstum (Krebs), Zelltod oder der Weitergabe von Erbgutschäden führen. Besonders strahlenempfindlich sind Organe mit hoher Zellteilungsrate, z.B. Knochenmark und Darm.
Die drei wichtigsten Schutzmaßnahmen sind: Abstand – die Intensität nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab (Verdopplung des Abstands = Viertel der Intensität). Aufenthaltsdauer – Halbierung der Zeit bedeutet Halbierung der erhaltenen Dosis. Abschirmung – geeignete Materialien wie Blei gegen Gammastrahlung, Aluminium gegen Betastrahlung; Alphastrahlung wird bereits durch Papier oder die Hornhaut abgeschirmt.
