Umwelt  

 

Strahlenmessstelle Berlin

Dosisbegriffe und Einheiten im Bereich Radioaktivität


Taschenrechner
Foto: T. Laße
In den Formeln wird zur Darstellung sehr großer oder sehr kleiner Zahlen die wissenschaftliche oder halblogarithmische Schreibweise benutzt. In ihr folgt einer "gewöhnlichen" Zahl ein E und eine zweite Zahl. Diese zweite Zahl gibt an, um wie viele Stellen das Dezimalkomma der ersten Zahl nach rechts, beziehungsweise bei negativer zweiter Zahl nach links, zu verschieben ist.

So ist
1000 = 1,0 E3 / 100 = 1,0 E2 / 10 = 1,0 E1 / 1 = 1,0 E0 /
0,1 = 1,0 E-1 / 0,01 = 1,0 E-2 ; usw.

Die Zahl der radioaktiven Zerfälle in einem Gramm Radium pro Sekunde ist 3,7 E10 = 37.000.000.000

Ein Neutron wiegt 1,675 E -24 Gramm = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 675 g und so fort.

Bei Taschenrechner-Eingaben wird das "E" meist mit der "EEX"- ("Enter Exponent"-) Taste hergestellt.

Eine Alternative zu so unhandlichen Zahlen, dass diese Schreibweise erforderlich ist, ist die Verwendung von Vorsatzzeichen an der Einheit: 1.200 Gramm = 1,2 E3 g = 1,2 kg; das "kilo", "k" steht wie "E3" für "mal Tausend. Eine Liste der in der Bundesrepublik amtlich zugelassenen Vorsätze steht hier und danach ist die Zahl der radioaktiven Zerfälle in Radium 37 Gigabecquerel pro Gramm = 37 GBq/g und ein Neutron wiegt 1,675 Yoktogramm =1,675 yg.

 

Menge eines radioaktiven Stoffes


Die Masse eines radioaktiven Stoffes (in Gramm oder Kilogramm) ist in vielen Fällen keine sinnvolle Größe, weil oft bereits unwägbare Spuren deutlich nachweisbare und wirksame Strahlung abgeben. Die Masse ist aber über das Zerfallsgesetz mit der Zahl der Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit fest gekoppelt. Diese Zahl der Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit, die Aktivität, kann daher als Maß für die vorliegende Menge dienen:

Aktivität
Maßeinheit: Becquerel, Bq [1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde]
Veraltete Maßeinheit: Curie, Ci [1 Ci = Aktivität von einem Gramm Radium]
Zusammenhang: 1 Ci = 37.000.000.000 Bq = 3,7 E10 Bq

Der Zusammenhang zwischen Masse und Aktivität ist
Masse (in Gramm) = Aktivität (in Becquerel) mal Halbwertszeit (in Tagen) mal Massenzahl des Nuklids mal 2,069719 E-19.

Die Aktivität allein sagt nichts aus über die Wirkung der ausgesandten Strahlung, weil verschiedene Nuklide bei gleicher Aktivität unterschiedliche biologische Wirkung entfalten.

Die Zahl der mit einem Messgerät gemessenen Ereignisse pro Zeiteinheit wird übrigens in "Ereignissen pro Sekunde", 1/s, ausgedrückt und nicht in Becquerel. Ein Aktivitätswert wäre das ja nur dann, wenn das Messgerät alle im radioaktiven Stoff stattfindenden Zerfälle registrieren würde. Tatsächlich registriert ein Messgerät nur den vom radioaktiven Stoff in Richtung Messgerät fliegenden Anteil der Strahlung (der Rest trifft das Gerät nicht) und davon auch nur, was nicht unterwegs vor Erreichen des strahlenempfindlichen Bauteils stecken bleibt ("absorbiert wird").

Wenn man sich auf bestimmte Messbedingungen festlegt (Abmessungen und Abstand der Probe, Art der Strahlung), kann man allerdings Aktivitäts-Messgeräte mit radioaktiven Substanzen bekannter Aktivität kalibrieren.


"Menge" an einer Strahlung, Dosis


Menge der durch Bestrahlung einer Substanzmenge zugeführten Energie. Die Substanzmenge wird dabei durch ihre Masse (in Kilogramm) ausgedrückt, die Energie in der gesetzlichen Einheit Wattsekunde oder Joule. (Für die von der Elektroenergierechnung bekanntere Energieeinheit Kilowattstunde, kWh, gilt 1 kWh = 3.600 kWs = 3.600 kJ oder 3.600.000 J).

Energiedosis
Maßeinheit: Gray, Gy [1 Gy = 1 Joule pro Kilogramm]
Veraltete Maßeinheit: Rad, rd. 1 Rad = 100 Erg pro Gramm
(wobei 1 Erg = 0,1 Mikrojoule ein veraltetes Energiemaß ist)
Zusammenhang: 1 rd = 0,01 Gy

Die Energiedosis hängt von der Art der bestrahlten Materie und von der Strahlungsart ab, weil unterschiedliche Arten von Strahlung mit Materie unterschiedlich stark wechselwirken. (Das sieht man gut am Mikrowellenherd: Die Strahlung bringt Wasser zum Kochen und lässt den Teller kalt, das heißt, die gleiche Mikrowellenstrahlung deponiert in 1 kg Porzellan eine viel geringere Energiemenge als in 1 kg Wasser.)

Äquivalentdosis
Nach § 3 Abs. 2 Nummer 9 Buchstabe a der Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) das Produkt aus der Energiedosis und einem Qualitätsfaktor. Die Äquivalentdosis bezieht sich auf genormtes Weichteilgewebe (siehe am angegebenen Ort und in Anlage VI Teil A vorletzter Satz der StrlSchV). Die Qualitätsfaktoren werden nach der Definition der Äquivalentdosis von einer internationalen Kommission festgelegt, sie werden in Anlage VI Teil C der StrlSchV "Strahlungswichtungsfaktoren" genannt (die beiden Begriffe sind also austauschbar, aber es kann kein juristischer Ärger entstehen, wenn bei einer Überarbeitung die neue Kommissionsfestlegung nicht zeitgleich mit einer Änderung der StrlSchV in Kraft tritt.) Sie sollen dafür sorgen, dass unterschiedliche Strahlungsarten bei gleichartiger biologischer Wirkung zum gleichen Zahlenwert für die Dosis kommen. Der Wichtungsfaktor für Röntgenstrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung ist 1. Hier ist also von Vornherein die Äquivalentdosis gleich der Energiedosis. Strahlung aus Strömen massiver Teilchen wie Neutronen oder alpha-Teilchen erhält Faktoren über 1, weil die biologische Wirkung dieser "Geschosse" höher ist. Eine Energiedosis von einem Gray an Alphastrahlung hat zum Beispiel etwa die zwanzigfache Wirkung auf Gewebe als von einem Gray an Röntgenstrahlung; entsprechend wird der Wichtungsfaktor für Alphastrahlung auf 20 festgesetzt. Da die Gefahr besteht, dass Werte der Äquivalentdosis und der Energiedosis verwechselt oder unkritisch gemischt verwendet werden, erhält die Äquivalentdosis eine eigene Einheit, das Sievert.

Maßeinheit: Sievert, Sv [1 Sv = 1 "effektives" Joule pro Kilogramm =1 Gy mal Wichtungsfaktor]
Veraltete Maßeinheit: Rem, rem [1 Rem = 100 "effektive" Erg pro Gramm
(wobei 1 Erg = 0,1 Mikrojoule ein veraltetes Energiemaß ist)]
Zusammenhang: 1 rem = 0,01 Sv
(Wichtungsfaktoren sind einheitenlos, aber genau genommen haben sie damit die Einheit "Sv/Gy".)

Die Äquivalentdosis ist damit ein Maß, dass nur berechenbar, aber nicht ummittelbar messbar ist - außer, man verwendet Messgeräte, die sich in der Registrierung der Strahlung verhalten wie menschliches Gewebe oder die auf eine bestimmte Strahlenart kalibriert worden sind. Es ist aber nicht möglich, die gesamte auf eine Person treffende Strahlung zu registrieren. Die Messgeräte müssten ja dann z.B. die Person vollständig einhüllen...

Für die praktische Dosisbestimmung muss das Konzept also noch erweitert werden: Gesucht ist die Äquivalentdosis, gemessen wird die Personendosis.

Personendosis
Bei der Strahlenschutzüberwachung erhalten die überwachten Personen Dosimeter, das sind kleine Objekte mit einer strahlenempfindlichen Dosimetersonde (einem Film, der durch auftreffende Strahlung geschwärzt wird, oder ein Kristall, bei dem Strahlung registrierbare Störstellen ins Kristallgitter schießt). Sie werden nach § 41 der Strahlenschutzverordnung an einer der Strahlung ausgesetzten Stelle des Körpers getragen. Wenn das Auswertungsergebnis aus ihnen ein Maß für die empfangene Äquivalentdosis der gesamten Person sein soll (die Personen tragen "Ganzkörperdosimeter"), heißt es Personendosis (§ 3 Abs. 2 Nummer 9 Buchstabe g und Anlage VI Teil A der Strahlenschutzverordnung), speziell "Ganzkörper-Personendosis".

Wenn das Auswertungsergebnis ein Maß für eine Äquivalentdosis eines bestimmten Körpergebiets oder Körperorgans sein soll (die Personen tragen "Teilkörperdosimeter") dann wurde eine Organdosis oder Teilkörper-Personendosis ermittelt, das ist damit die Äquivalentdosis eines bestimmten Körperorgans.

Der Zusammenhang zwischen den Organdosen und einer auf den ganzen Körper bezogenen Dosis wird rechnerisch durch die Berücksichtigung der Anteile der diversen Organe am ganzen Körper hergestellt. Diese Anteilsfaktoren (die in der Summe natürlich 1 oder 100 % ergeben) sind die Gewebewichtungsfaktoren nach Anlage VI Teil C Nummer 2 der Strahlenschutzverordnung.
Eine so unter Berücksichtigung der Organdosen und der Gewebewichtungsfaktoren errechnete Dosis für den ganzen Körper heißt effektive Dosis nach § 3 Abs. 2 Nummer 9 Buchstabe b der Strahlenschutzverordnung.
In dieser Kette von Begriffen wurde bisher nicht berücksichtigt, dass eine Person nicht nur durch Bestrahlung von außen, sondern auch durch die Bestrahlung von innen nach Aufnahme radioaktiver Stoffe belastet werden kann. Die Dosimeter messen aber bauartbedingt die von außen kommende Strahlung.
Wenn eine Aufnahme radioaktiver Stoffe nicht möglich ist (weil nicht mit offenen radioaktiven Stoffen gearbeitet wurde, gilt das bisher Gesagte uneingeschränkt. Sonst ist zu berücksichtigen, dass auch bei einmaliger Aufnahme der radioaktiven Substanzen in den Körper eine bis zur Ausscheidung aus dem Körper (oder bis zum restlosen Zerfall) dauernde, eventuell lange Zeit der Einwirkung vorliegt.

Folgedosis
Die in einer bestimmten Zeit nach der Aufnahme radioaktiver Stoffe (eine Woche oder ein Monat oder ein Jahr oder die voraussichtlich verbleibende Lebenszeit) aus diesen Stoffen empfangene Dosis heißt Folgedosis. Sie wird bei der Ermittlung der Organdosis und damit bei der Ermittlung der effektiven Dosis und der Körperdosis berücksichtigt.