Strahlen und Gesundheit

Nutzen und Risiken

Jürgen Kiefer

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2012
• ISBN drucken: 9783527410996
• eBook-ISBN: 9783527648429
• Auflage: 1
• Thema: Physical Sciences
• Thema: Physics

Strahlen und Gesundheit beschreibt in allgemein verständlicher Form sowohl die diagnostischen und therapeutischen Möglichkeiten der Strahlenanwendung als
auch die Gefahren für die menschliche Gesundheit. Dabei werden die Erkenntnisse von medizinischer Technik, Strahlenbiologie und -medizin und Strahlenepidemiologie
berücksichtigt, ohne sich zu sehr in wissenschaftlichen Details zu verlieren. In einem eher wissenschaftlich orientierten zweiten Teil werden die Grundlagen ausführlicher erläutert und Verweise auf die aktuelle Literatur gegeben. Die Behandlung erstreckt sich nicht nur auf ionisierende Strahlungen wie Röntgen- und Gammastrahlen, sondern auch auf das Ultraviolett und die Anwendungen in der Mobilkommunikation. Ein spezielles Kapitel widmet sich der Strahlung in der Umwelt.

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Die Welt der Strahlen und Wellen

1.1 Einführung

Das Wort „Strahlen“ birgt für viele Menschen – je nach Gemütslage – etwas Leuchtendes, oft aber auch Unheimlich-Mystisches. Im Alltag verbindet man damit Gedanken an die strahlenden Augen der Kinder oder von Liebenden, man denkt an das strahlende C-Dur gegen Ende von Mozarts „Zauberflöte“, wo es heißt „Die Strahlen der Sonne vertreiben die Nacht.“ Bei manchen wird allerdings auch die Erinnerung an den Physikunterricht wach, was nicht in jedem Fall mit positiven Gefühlen besetzt ist. Dieser Rückgriff lässt sich allerdings nicht vermeiden, denn „Strahlung“ ist eine physikalische Erscheinung, will man sie und ihre Wirkungen verstehen, muss man auf die Grundlagen zurückgreifen, und die sind nun mal (leider wird mancher seufzen) physikalischer Natur. Es mag dabei trösten, dass auch der Physiker hier oft seine Probleme hat, wie die Geschichte dieser Wissenschaft zeigt. Auf der anderen Seite ist die Entwicklung der modernen Physik auf das Engste mit der Erforschung der Strahlen verbunden, ohne sie gäbe es weder Relativitäts- noch Quantentheorie, zu schweigen von den vielfältigen technischen Entwicklungen

Am Anfang sollte man sich darüber einigen, wovon man spricht, wenn man sich mit Strahlen beschäftigt. Gängige Physikbücher sind hier bemerkenswert zurückhaltend, sie verzichten meist auf eine Definition und setzten voraus, dass der Leser schon weiß, wovon die Rede ist. Die Erfahrung zeigt allerdings, dass selbst Physikstudenten sich schwer tun, „Strahlen“ zu definieren. Früher schaute man im Konversationslexikon nach, heute befragt man das Internet und die universelle Wissensbörse WIKIPEDIA. Dort findet man in der deutschen Ausgabe (6. Juni 2010): „Der Begriff Strahlung bezeichnet die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen.“ Danach wäre also jedes Paddelboot eine Strahlenquelle, denn unzweifelhaft gehen von ihm Wellen aus. So geht es also nicht. Die englische Version ist schon etwas genauer (ebenfalls 6. Juni 2010): „Radiation describes any process in which energy travels through a medium or through space.“ („Strahlung beschreibt einen Prozess, bei dem Energie sich durch ein Medium oder den Raum bewegt.“) Strahlung ist also Energietransport, die Übertragung ist nicht notwendigerweise an ein Medium gebunden, sie geschieht auch durch den leeren Raum. Wäre es nicht so, gäbe es kein Leben auf der Erde, denn zwischen der Sonne und uns herrscht auf dem größten Teil der Strecke Vakuum. Nach dieser engeren Definition gehören elektromagnetische Wellen zu den Strahlen, nicht aber der Schall, der bekanntlich Luft (oder manchmal auch andere Träger) zu seiner Ausbreitung benötigt.

In der Medizin hat man weniger Skrupel: Die Sonographie, Diagnostik mit Hilfe von Ultraschall, gehört zum selbstverständlichen Handwerkszeug des Radiologen. Aus diesem Grunde werden wir uns hier auch mit dieser Anwendung beschäftigen, also etwas von der „reinen Lehre“ abweichen, ohne allerdings die Unterschiede zu verwischen.

Für eine genauere Auseinandersetzung mit dem Thema Energie reichen qualitative Überlegungen nicht aus. Gerade im Hinblick auf mögliche Wirkungen muss man genau hinschauen, d. h. die Energie quantitativ erfassen, und dazu benötigt man Maßeinheiten, Dimensionen. Grundsätzlich ist man frei in ihrer Wahl, doch ist es praktischer, sich auf ein allgemein übliches System zu einigen. International eingeführt und in Deutschland auch verbindlich sind die SI-Einheiten (SI steht für Système International d’Unités), die von dem Bureau International des Poids et Mesures (abgekürzt: BIPM) koordiniert und überwacht werden, das seinen Sitz in der Nähe von Paris hat. Die SI-Einheit für die Energie ist das „Joule“ (J), die früher übliche und beliebte „Kalorie“ ist nicht mehr zulässig (s. Glossar). In der Atomund Strahlenphysik ist die Verwendung des Joule auch möglich, jedoch unpraktisch, da man eine Menge Zehnerpotenzen dauernd mitführen müsste. Aus diesem Grunde hat man für dieses spezielle Gebiet eine besondere Einheit kreiert, das „Elektronvolt“ (eV). Seine Definition geht auf ein wichtiges physikalische Gesetz zurück, das nach seinem Entdecker, dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736–1806), dem Begründer der Elektrostatik, benannt ist (Coulombsches Gesetz). Es besagt, dass sich ungleichnamige elektrische Ladungen anziehen, gleichnamige abstoßen, und dass die Kräfte mit dem Quadrat der Entfernung abnehmen. Es ist wie im menschlichen Leben „Gegensätze ziehen sich an…“. Der praktisch wichtigste Ladungsträger ist das Elektron, das negativ geladen ist. In einem elektrischen Feld wird es zum positiven Pol beschleunigt und gewinnt dadurch Bewegungsenergie. Wenn die Beschleunigungsspannung gerade 1 Volt beträgt, so beträgt die Energie des Elektrons gerade 1 Elektronvolt (eV) (Abb. 1.1).

Einige Beziehungen zwischen Energieeinheiten sind im Glossar zusammengestellt.

Abb. 1.1 Zum Verständnis der Energieeinheit „Elektronvolt“. Wenn ein Elektron durch ein elektrisches Feld von 1 V beschleunigt wird, gewinnt es die Energie von 1 eV.

Kehren wir zum Ausgangspunkt zurück: Strahlen im eigentlichen Sinne treten in zwei Erscheinungsformen auf, als elektromagnetische Wellen und als Teilchenstrahlen. Letztere sind typische Erscheinungen der Radioaktivität, mit der wir uns weiter unten beschäftigen werden. Zunächst aber geht es um die Wellenstrahlung.

1.2 Elektromagnetische Wellenstrahlung

Unsere Welt ist voll von elektromagnetischen Wellen, sie sind also keineswegs nur Erzeugnisse moderner Technik, obwohl diese einiges dem Spektrum hinzugefügt hat. Die ohne Zweifel wichtigste Spielart ist das (sichtbare) Licht, die einzige Strahlung, für die wir ein spezielles Sinnesorgan besitzen. Über seine Natur haben die Physiker lange gerätselt und auch oft handfest gestritten. Seit der Mitte des 17. Jahrhunderts weiß man, dass es sich dabei um ein Wellenphänomen handelt. Sehr viel später erkannte man, dass es noch andere Strahlungen gibt, die, obwohl unsichtbar, ähnlichen Gesetzen folgen. Erst im 19. Jahrhundert gelang es, sie als elektromagnetische Felder zu identifizieren. Elektrisches und magnetisches Feld sind untrennbar verbunden, beide schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zueinander.

Charakteristische Größen sind Wellenlänge (meist mit dem griechischen λ abgekürzt) und Frequenz (kurz v), worunter man die Zahl der Schwingungen pro Zeiteinheit versteht. Beide stehen in einem einfachen Zusammenhang:

λ = c/v

Hierbei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit, welche im Vakuum (und näherungsweise auch in der Luft) 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt. Als Einheiten benutzt man für die Wellenlänge das Meter (m) bzw. Vielfache oder Bruchteile davon, für die Frequenz die Zahl der Durchgänge pro Sekunde mit dem speziellen Namen „Hertz“, abgekürzt Hz, benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1847–1894), der die Natur des Lichtes als elektromagnetische Wellenstrahlung experimentell bestätigte. Sein Neffe war übrigens Gustav Hertz (1887–1975), der entscheidende Beiträge zum Verständnis des Atoms lieferte.

Abb. 1.2 Elektromagn etische Wellen. (s. auch Farbtafel S. XVII.) [1]

Die Natur des Lichtes hat die Physiker über Jahrhunderte beschäftigt. Isaac Newton (1643–1727) vertrat noch die Auffassung, dass es sich um Teilchen handelte, was jedoch der experimentellen Evidenz widersprach. So schien die Wellentheorie die einzige Erklärungsmöglichkeit bis Max Planck (1858–1947) auf Grund theoretischer Überlegungen im Jahre 1900 zu dem Schluss kam, dass die Energieübertragung in einzelnen Beträgen (Quanten) erfolgen müsste, was 1915 durch Albert Einstein (1879–1955) experimentell bestätigt wurde. Damit befinden wir uns in dem Dilemma eines unauflösbaren Widerspruchs – es kann eigentlich nicht sein, dass eine Erscheinung sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter hat. Wellen sind räumlich ausgedehnt (man denke an den ins Wasser geworfenen Stein), Teilchen kompakt und lokalisierbar. Das ist offenbar eine Frage für Philosophen, die sich dieser Thematik auch ausführlich angenommen haben. Für unsere Betrachtung möge eine praktische Einstellung genügen: Elektromagnetische Strahlen haben sowohl Wellen- als auch Quantencharakter, je nach der experimentellen Anordnung tritt einmal die eine oder die andere Eigenschaft in Erscheinung. Eigentlich zeigen sie also fast menschliche Facetten…

Die Planckschen Überlegungen führten zu folgender berühmten Beziehung, in der festgestellt wird, dass Quantenenergie E und Frequenz v zueinander proportional sind:

E = h v

Der verbindende Faktor h heißt „Plancksches Wirkungsquantum“ (sein Wert beträgt im internationalen Einheitensystem 6,63 × 10^–34 J s). Will man elektromagnetische Wellen näher beschreiben, so kann man also auf Wellenlänge, Frequenz oder Quantenenergie zurückgreifen.

Abbildung 1.3 gibt eine Übersicht über die verschiedenen Strahlenarten und ihre Energien. Man sieht, dass ein sehr großer Energiebereich, nämlich ca. 15 Zehnerpotenzen, abgedeckt wird. In Tabelle 1.1 sind außerdem die Beziehungen zwischen Wellenlängen, Frequenzen und Quantenenergien im Einzelnen zusammengestellt, wobei auch noch feinere Unterteilungen mit aufgeführt sind, auf die noch einzugehen ist.

In Tabelle 1.1 sind in den Spalten jeweils die oberen und unteren Grenzen des jeweiligen Bereichs angegeben. Eine wichtige grundsätzliche Klassifizierung ist gerade im Zusammenhang mit der in diesem Buch diskutierten Problematik anzusprechen: Es gibt ionisierende und nicht ionisierende Strahlung. Unter Ionisierung (oder auch Ionisation) versteht man die Loslösung eines Elektrons aus dem Atom- oder Molekülverband. Da die Elektronen durch Kräfte gebunden sind, bedarf es zu ihrer Abtrennung einer gewissen Energie (in der Größenordnung von 100 eV). Sie kann nur von ionisierenden Strahlen aufgebracht werden. Alle Folgeerscheinungen, die auf einer initialen Ionisation beruhen, wie auch z. B. Gesundheitsschäden, können daher von nicht ionisierenden Strahlen nicht hervorgerufen werden. Dabei spielt die Intensität, d. h. die Zahl der auftreffenden Quanten, keine Rolle. Man kann sich das in einem simplen Bild verdeutlichen: Bekanntlich lassen sich Fensterscheiben durch Gewehrschüsse („ionisierend“) durchlöchern, nicht aber durch Wattekugeln („nicht ionisierend“). Auch wenn man mit vielen Wattebäuschchen in schneller Folge die Scheibe bewirft, sie wird standhalten.

Abb. 1.3 Quantenenergien verschiedener elektromagnetischer Wellenstrahlungen.

Der physikalischen Ehrlichkeit halber ist hier eine einschränkende Bemerkung angezeigt: Das Gesagte gilt nicht für Strahlenquellen sehr hoher Intensität, wie z. B. Hochleistungslaser. Bei ihnen treten so genannte nichtlineare Effekte auf, wodurch sekundäre Strahlen mit hoher Frequenz (und somit auch hoher Quantenenergie) entstehen. Auf diesem Wege können also unter sehr besonderen Bedingungen auch durch nicht ionisierende Strahlen Ionisationen bewirkt werden.

Tabelle 1.1 Frequenzen, Wellenlängen und Photonenenergien elektromagnetischer Wellen.

Es gibt zwei Arten ionisierender Strahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Beide unterscheiden sich nicht grundsätzlich in ihrer physikalischen Natur (und daher auch nicht in ihren Wirkungen), sondern nur in Bezug auf den Entstehungsprozess. Röntgenstrahlen treten überall auf, wo beschleunigte Elektronen auf Materie treffen (z. B. in Röntgenröhren), Gammastrahlen bilden immer eine Begleiterscheinung des radioaktiven Zerfalls. Entgegen verbreiteter populärer Vermutungen sind Gammastrahlen weder immer energiereicher als Röntgenstrahlen noch etwa gefährlicher, sie entstehen nur anders.

Box 1.1: Erzeugung von Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen entstehen, wenn beschleunigte Elektronen in Metallen abgebremst werden, z. B. in Röntgenröhren, aber nicht nur dort. Das Prinzip ist im Bild dargestellt. In der Röntgenröhre werden Elektronen durch Erhitzung der als Heizdraht ausgebildeten Kathode freigesetzt. Durch die zwischen Kathode und Anode anliegende Hochspannung werden sie beschleunigt, wobei durch das im Inneren aufrechterhaltene Vakuum dafür gesorgt wird, dass sie sich frei bewegen können. Bei dem Auftreffen auf die Anode entstehen Röntgenstrahlen, allerdings wird auch Wärme frei (nur ungefähr 5% der aufgewendeten Energie wird zu Röntgenstrahlung umgesetzt). Die Röhrenummantelung schirmt die Röntgenstrahlung weitgehend ab, nur an der Austrittstelle ist ein durchlässiges Fenster aus Beryllium eingesetzt.

Genau genommen muss noch eine andere Strahlenart erwähnt werden, die in das bisherige Schema nicht passt und die später in diesem Kapitel angesprochen wird, die Vernichtungsstrahlung. Fälschlicherweise wird sie häufig, selbst in manchen Physikbüchern, als Gammastrahlung bezeichnet.

Abbildung 1.3 und Tabelle 1.1 illustrieren die beachtliche Vielfalt elektromagnetischer Wellenstrahlen. Sehr hohe Energien treten im Weltraum auf, die allerdings keine praktische Bedeutung haben, jedoch von besonderem wissenschaftlichem Interesse sind. Ihre Intensität ist sehr gering, für die Strahlengefährdung bei der Raumfahrt spielen sie keine Rolle, diese geht von geladenen Teilchen, vor allem Protonen und Alphateilchen aus.

An die ionisierende Strahlung schließt sich nach unten in der Energieskala der ultraviolette Teil (UV) des Spektrums an. Aus praktischen Gründen, die vor allem mit der medizinischen Wirkung in Zusammenhang stehen, hat man eine genauere Einteilung in verschiedene Unterbereiche nach Wellenlängen vorgenommen:

„Schumann“- oder Vakuum-UV	100–200 nm^1),
UV-C	200–280 nm,
UV-B	280–315 nm,
UV-A	315–380 nm.

Hauptquelle ultravioletter Strahlung auf der Erde ist die Sonne (Abb. 1.4). Betrachtet man nur die Strahlungseigenschaften, so unterscheidet sich unser Gestirn im Prinzip nicht von den klassischen Glühlampen mit der Heizwendel (die in Zukunft verboten sein werden): Sie ist ein Temperaturstrahler, allerdings deutlich wärmer als nahezu alles, was wir aus unserer Umgebung kennen. Ihre Temperatur beträgt annähernd 6000 Grad. Sie sendet Strahlen über einen weiten Wellenlängenbereich aus, vom kurzwelligen Ultraviolett bis hin zum fernen Infrarot. Nicht alles gelangt auf die Erde, die Atmosphäre und darin enthaltene Gase schirmen große Teile ab, wie man in Abb. 1.4 sieht.

Von besonderer Bedeutung ist in Bezug auf UV das Ozon, dreiatomiger Sauerstoff (O₃), das in den oberen Schichten der Stratosphäre photochemisch unter Einwirkung der Sonnenstrahlung gebildet wird. Es filtert kurzwelliges UV-C, teilweise auch UV-B, aus dem solaren Spektrum aus, so dass hiervon nur geringe Mengen die Erdoberfläche erreichen. Dies ist für das Leben auf unserem Planeten von erheblicher Bedeutung, da kurzwelliges UV biologische Vorgänge nachhaltig schädigen kann, wie später noch erläutert wird. Durch den Einfluss bestimmter Spurengase in der Atmosphäre (z. B. Fluorchlorkohlenwasserstoffe FCKW) kann das Ozon photochemisch abgebaut werden, was dann zu dem viel diskutierten „Ozonloch“ führt. Durch die rigorose Beschränkung der Verwendung dieser Chemikalien konnte die Ausdehnung des Ozonlochs eingeschränkt werden, das bedeutet allerdings nicht, dass vollständige Entwarnung gegeben werden kann. Dies Ganze hat übrigens nichts mit der derzeit akuten CO₂-Problematik zu tun, dabei spielt die Infrarotstrahlung die entscheidende Rolle (siehe weiter unten).

Abb. 1.4 Strahlenspektrum der Sonne: Man sieht, dass im UV und im IR große Bereiche durch die Absorption von Ozon (O3), Sauerstoff (O₂), Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre abgeschwächt werden. (s. auch Farbtafel S. XVII.) [2]

Ultraviolette Strahlen können technisch z. B. mit Gasentladungslampen erzeugt werden. Man findet sie in Sterilisierungseinrichtungen, aber auch in Solarien. Außerdem treten sie auch beim Elektroschweißen auf.

An das UV schließt sich der Bereich des sichtbaren Lichts an, was eigentlich ein Pleonasmus ist, da „Licht“ per definitionem sichtbar ist. Leider hat sich häufig eine etwas schlampige Ausdrucksweise eingeschlichen, wenn man z. B. auch von „ultraviolettem“ oder „infrarotem Licht“ spricht. Eigentlich meint man damit die „optische Strahlung“ zu der neben dem Sichtbaren auch das UV und das Infrarot gehören. Licht im engeren Sinne bildet nur einen sehr kleinen Teil des gesamten Spektrums elektromagnetischer Wellen. Es umfasst den Wellenlängenbereich von 380–800 nm und fällt recht genau mit dem Maximum der Sonnenemission zusammen, was interessante Rückschlüsse auf die Evolution des Auges zulässt.

Infrarotstrahlung (IR) besitzt eine geringere Energie als UV oder sichtbare Strahlung und überstreicht den Wellenlä...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Series page
• Title page
• Author
• Copyright page
• Dedication
• Danksagungen
• Vorwort
• Farbtafel
• 1: Die Welt der Strahlen und Wellen
• 2: Ein Blick in die Biologie
• 3: Wenn Strahlung auf den Körper trifft…
• 4: Der Blick in das Innere: Strahlendiagnostik
• 5: Strahlenrisiken
• 6: Die gar nicht immer liebe Sonne…
• 7: Handys, Mikrowellenherde und Strommasten
• 8: Heilen mit und durch Strahlen
• 9: Strahlen und Lebensmittel
• 10: Strahlen in unserer Umwelt
• 11: Erzeugung und Wechselwirkungen von Strahlung – etwas detaillierter
• 12: Strahlenwirkungen in der Zelle – etwas näher betrachtet
• 13: Strahlendosen und ihre Messung
• 14: Die Epidemiologie und ihre Fallstricke
• 15: Das System des Strahlenschutzes
• 16: Strahlenzwischenfälle
• Literatur
• Epilog
• Glossar
• Index