Physik Realschule Bayern › Materie › Jahrgangsstufe 10
Strahlenwirkung, Dosis und Strahlenschutz
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 10 · Bayern · Teilbereich Materie
Im Lernbereich Atom- und Kernphysik der 10. Jahrgangsstufe bewerten Lernende die Wirkung radioaktiver Strahlung mit Energiedosis und Äquivalentdosis und kennen die Regeln des Strahlenschutzes. Sie wägen Nutzen und Risiken der Radioaktivität ab. Dosisgrößen und Strahlenschutz runden den Prüfungsteil Materie ab.
Wie Strahlung auf den Körper wirkt
Radioaktive Strahlung kann Atome und Moleküle im Körper verändern (ionisieren). Trifft das empfindliche Zellen, kann es Zellen schädigen oder Krebs auslösen. Wie schädlich die Strahlung ist, hängt davon ab, wie viel Energie sie im Gewebe abgibt und um welche Strahlungsart es sich handelt. Dafür gibt es zwei Dosisgrößen.
Energiedosis
Die Energiedosis \(D\) gibt an, wie viel Strahlungsenergie \(E\) pro Masse \(m\) des bestrahlten Körpers aufgenommen wird:
\( D=\dfrac{E}{m} \)
Die Einheit ist das Gray: \(1\,\mathrm{Gy}=1\,\mathrm{\frac{J}{kg}}\). Die Energiedosis allein sagt aber noch nicht, wie gefährlich die Strahlung für den Menschen ist, denn verschiedene Strahlungsarten wirken unterschiedlich stark.
Beispiel 1: Energiedosis berechnen
Ein Gewebestück von \(80\,\mathrm{g}\) nimmt eine Strahlungsenergie von \(4\,\mathrm{mJ}=0{,}004\,\mathrm{J}\) auf. Wie groß ist die Energiedosis?
Gegeben: \(E=0{,}004\,\mathrm{J}\), \(m=80\,\mathrm{g}=0{,}08\,\mathrm{kg}\)
Gesucht: Energiedosis \(D\)
Formel: \(D=\frac{E}{m}\)
\( D=\dfrac{0{,}004\,\mathrm{J}}{0{,}08\,\mathrm{kg}}=0{,}05\,\mathrm{\tfrac{J}{kg}}=0{,}05\,\mathrm{Gy} \)
Antwort: Die Energiedosis beträgt \(0{,}05\,\mathrm{Gy}\). Für das Gray muss die Masse in Kilogramm eingesetzt werden.
Äquivalentdosis
Um die tatsächliche Gefahr für den Menschen zu beschreiben, multipliziert man die Energiedosis mit einem Bewertungsfaktor \(q\), der die Wirkung der Strahlungsart berücksichtigt. So erhält man die Äquivalentdosis \(H\):
\( H=q\cdot D \)
Die Einheit ist das Sievert \((\mathrm{Sv})\). Der Faktor \(q\) ist für \(\beta\)- und \(\gamma\)-Strahlung etwa \(1\), für die stark ionisierende \(\alpha\)-Strahlung aber rund \(20\). Gleiche Energiedosis richtet durch \(\alpha\)-Strahlung also viel größeren Schaden an.
Beispiel 2: Äquivalentdosis bei Alpha-Strahlung
Die Energiedosis aus Beispiel 1 (\(0{,}05\,\mathrm{Gy}\)) stammt einmal von \(\gamma\)-Strahlung (\(q=1\)) und einmal von \(\alpha\)-Strahlung (\(q=20\)). Wie groß ist jeweils die Äquivalentdosis?
Gegeben: \(D=0{,}05\,\mathrm{Gy}\); \(q_\gamma=1\), \(q_\alpha=20\)
Gesucht: \(H_\gamma\), \(H_\alpha\)
Formel: \(H=q\cdot D\)
\( H_\gamma=1\cdot 0{,}05\,\mathrm{Gy}=0{,}05\,\mathrm{Sv}\qquad H_\alpha=20\cdot 0{,}05\,\mathrm{Gy}=1{,}0\,\mathrm{Sv} \)
Antwort: Bei \(\gamma\)-Strahlung sind es \(0{,}05\,\mathrm{Sv}\), bei \(\alpha\)-Strahlung \(1{,}0\,\mathrm{Sv}\), also zwanzigmal so viel. Obwohl dieselbe Energie aufgenommen wurde, ist die \(\alpha\)-Strahlung viel gefährlicher.
Die fünf A des Strahlenschutzes
Um sich vor Strahlung zu schützen, gibt es fünf Grundregeln, die man sich als die „fünf A“ merken kann:
Beispiel 3: Strahlenschutz im Alltag und Beruf
Ordne die Schutzmaßnahmen den fünf Grundregeln zu: (a) Der Arzt verlässt beim Röntgen den Raum. (b) Hinter einer Bleiwand arbeiten. (c) Mit einer Zange statt mit der Hand hantieren.
| Maßnahme | Grundregel |
| Raum verlassen | Abstand + Aufenthaltsdauer |
| Bleiwand | Abschirmung |
| Zange benutzen | Abstand vergrößern |
| Schutzmaske tragen | Aufnahme vermeiden |
Antwort: Alle Maßnahmen lassen sich den fünf A zuordnen. Wichtig zu wissen: Ein wenig Strahlung ist immer vorhanden (natürliche Hintergrundstrahlung aus Boden, Weltall und Nahrung). Gefährlich wird erst eine hohe Dosis. Deshalb hält man im Beruf (Medizin, Kraftwerk) die Dosis durch die fünf A so klein wie möglich.
Beispiel 4: Nutzen der Radioaktivität
Radioaktivität ist nicht nur gefährlich, sie wird auch genutzt. Nenne Beispiele.
| Bereich | Anwendung |
| Medizin | Krebsbestrahlung, Diagnostik (z. B. Szintigrafie) |
| Technik | Messen von Dicken, Füllständen, Materialprüfung |
| Datierung | Altersbestimmung mit \(^{14}\mathrm{C}\) |
| Energie | Kernkraftwerke |
Antwort: Richtig dosiert und abgeschirmt ist Radioaktivität ein wertvolles Werkzeug, etwa um Tumore zu bestrahlen, Funde zu datieren oder Materialfehler zu finden. Entscheidend ist immer der verantwortungsvolle Umgang mit dem Strahlenschutz.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Gray und Sievert verwechselt: Gray misst die aufgenommene Energie pro Masse, Sievert die biologische Wirkung (mit Bewertungsfaktor).
- Bewertungsfaktor vergessen: Für die Gefahr zählt die Äquivalentdosis \(H=q\cdot D\), nicht die Energiedosis allein.
- Masse in Gramm: Für Gray die Masse in Kilogramm einsetzen.
- Alle Strahlung gleich gefährlich: \(\alpha\)-Strahlung hat bei gleicher Energiedosis einen etwa \(20\)-mal größeren Bewertungsfaktor.
- Strahlung ist immer tödlich: Natürliche Hintergrundstrahlung begleitet uns ständig; auf die Dosis kommt es an, und gezielt genutzt rettet Strahlung sogar Leben.
Üben: Aufgaben zu Dosis und Strahlenschutz
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zur Energie- und Äquivalentdosis und zu den Regeln des Strahlenschutzes, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema: Massendefekt, Kernspaltung und Kernfusion
Nächstes Thema (Energieversorgung): Kraftwerke und Energieflussdiagramme
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