Das Zerfallsgesetz

Abstract

Inhalt Abschnitt I: Physikalische Grundlagen 1 Strahlungsarten und Strahlungsfelder 17 1.1 Die atomare Energieeinheit eV 18 1.2 Korpuskeln 19 1.2.1 Relativistische Massenzunahme von Korpuskeln 22 1.2.2 Der klassische Grenzfall* 26 1.3 Photonen 27 1.3.1 Das klassische Wellenbild 28 1.3.2 Elektromagnetische Wellenpakete (Photonen) 32 1.4 Dualismus Teilchen-Welle* 35 1.5 Beschreibung von Strahlungsfeldern* 39 1.5.1 Der stochastische Charakter von Strahlungsfeldern* 41 1.5.2 Nichtstochastische Strahlungsfeldgrößen* 43 1.5.3 Der Wirkungsquerschnitt* 45 Aufgaben 50 2 Atombau 51 2.1 Historische Atommodelle* 51 2.2 Die Atomhülle 55 2.2.1 Aufbau der Atomhülle 55 2.2.2 Anregung und Ionisation von Atomhüllen 64 2.2.3 Hüllenstrahlung 65 2.2.3.1 Charakteristische Photonenstrahlung 67 2.2.3.2 Augerelektronen 69 2.2.3.3 Fluoreszenz- und Augerelektronenausbeuten 70 2.3 Der Atomkern 73 2.3.1 Atomkernmodelle 76 2.3.2 Bindungsenergie und Massendefekt von Atomkernen 80 2.3.3 Anregung von Atomkernen und Separation von Nukleonen 83 8 Inhaltsverzeichnis 2.4 Wichtige Begriffe der Atom- und Kernphysik 85 Aufgaben 89 3 Radioaktivität 90 3.1 Radioaktive Umwandlungsarten 90 3.1.1 Der Alphazerfall 96 3.1.2 Die -Umwandlungen 101 3.1.2.1 Die --Umwandlung 106 3.1.2.2 Die -Umwandlung 108 3.1.2.3 Der Elektroneneinfang (EC) 111 3.1.3 Die Gammaumwandlung 112 3.1.4 Die Innere Konversion (IC) 116 3.1.5 Spontane Kernspaltung, Neutronenquellen, Protonenzerfall 118 3.2 Das Zeitgesetz für den radioaktiven Zerfall 123 3.2.1 Aktivitätsdefinitionen 123 3.2.2 Formulierung des Zerfallsgesetzes 126 3.2.3 Aktivitätsanalyse und radioaktives Gleichgewicht* 133 3.3 Natürliche Radioaktivität 143 3.3.1 Die kosmogenen Radionuklide 143 3.3.2 Die primordialen Radionuklide 147 3.4 Künstliche Radioaktivität 154 Aufgaben 157 4 Wechselwirkung ionisierender Photonenstrahlung 158 4.1 Der Photoeffekt 160 4.2 Der Comptoneffekt 165 4.2.1 Überblick über die Theorie des Comptoneffekts* 166 4.2.1.1 Berechnung der Energie des gestreuten Photons* 166 4.2.1.2 Winkelverteilungen der Comptonphotonen* 169 4.2.1.3 Energie- und Winkelverteilungen der Comptonelektronen* 176 4.3 Die Paarbildung durch Photonen im Coulombfeld 182 4.4 Die klassische Streuung 185 Inhaltsverzeichnis 9 4.5 Kernphotoreaktionen 186 4.6 Der Schwächungskoeffizient für Photonenstrahlung 190 4.7 Schwächungskoeffizient bei Stoffgemischen und Verbindungen* 196 4.8 Der Energieumwandlungskoeffizient für Photonenstrahlung 196 4.9 Der Energieabsorptionskoeffizient für Photonenstrahlung 202 Aufgaben 206 5 Schwächung von Strahlenbündeln ungeladener Teilchen 207 5.1 Exponentielle Schwächung 207 5.2 Schwächung schmaler heterogener Strahlenbündel ungeladener Teilchen* 214 5.3 Aufhärtung und Homogenität heterogener Photonenstrahlung* 215 5.4 Schwächung ausgedehnter, divergenter Strahlenbündel in dicken Absorbern* 220 Aufgaben 227 6 Wechselwirkung von Neutronenstrahlung mit Materie 228 6.1 Elastische Neutronenstreuung 233 6.1.1 Labor- und Schwerpunktsystem* 233 6.1.2 Neutronenrestenergie* 234 6.1.3 Energieübertrag durch Neutronen 236 6.1.4 Vielfachstreuung von Neutronen 236 6.1.5 Moderation und Lethargie von Neutronen* 236 6.1.6 Neutronenwechselwirkungen mit menschlichem Gewebe 239 6.2 Inelastische Neutronenstreuung 240 6.3 Neutroneneinfangreaktionen 240 6.3.1 Einfang langsamer Neutronen 240 6.3.2 Einfang schneller Neutronen 244 6.4 Neutroneninduzierte Kernspaltung und Spallation 245 Aufgaben 247 7 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie 248 7.1 Das Bremsvermögen für geladene Teilchen 254 7.1.1 Das Stoßbremsvermögen 254 10 Inhaltsverzeichnis 7.1.2 Das Strahlungsbremsvermögen 263 7.1.3 Richtungsverteilung der Bremsstrahlungsphotonen für Elektronenstrahlung 267 7.1.4 Verhältnis von Stoß- und Strahlungsbremsvermögen für Elektronen 268 7.2 Energiespektren von Elektronen in Materie 271 7.3 Das Streuvermögen für Elektronen 274 7.3.1 Transmission und Rückstreuung von Elektronen 277 7.4 Reichweiten geladener Teilchen 280 7.4.1 Reichweiten schwerer geladener Teilchen 280 7.4.2 Bahnlänge und Reichweiten monoenergetischer Elektronen 284 7.4.3 Reichweiten und Transmission von -Strahlung 288 7.5 Wechselwirkungen negativer Pi-Mesonen 291 Aufgaben 292 8 Ionisierung und Energieübertragung 293 8.1 Ionisierungsvermögen und Ionisierungsdichte 293 8.2 Der Lineare Energietransfer (LET) 298 8.3 Stochastische Messgrößen für die Mikrodosimetrie* 300 Aufgaben 304 9 Strahlenschutzbegriffe und Dosisgrößen 305 9.1 Allgemeine Strahlenschutzbegriffe 305 9.2 Physikalische Dosisgrößen 308 9.3 Die Dosisgrößen im Strahlenschutz 310 9.3.1 Die Äquivalentdosis 313 9.3.2 Die Ortsdosisgrößen 315 9.3.3 Die Personendosisgrößen 318 9.3.4 Die Organdosen 319 9.3.5 Die Effektive Dosis 322 9.3.6 Probleme mit den aktuellen Strahlenschutzdosisgrößen 325 9.4 Die bisherigen Dosisgrößen im Strahlenschutz* 326 9.4.1 Die bisherigen Dosismessgrößen* 326 Inhaltsverzeichnis 11 9.4.2 Die bisherige Größe Äquivalentdosis* 327 9.4.3 Die bisherige Größe Effektive Äquivalentdosis* 329 Aufgaben 330 10 Dosisleistungskonstanten, Hautdosisfaktoren und Inkorporationsfaktoren 331 10.1 Dosisleistungskonstanten für Photonenstrahlungen 331 10.1.1 Kermaleistungskonstanten für Gammastrahler 331 10.1.2 Strahlenschutz-Dosisleistungskonstanten für Gammastrahler 338 10.1.3 Dosisleistungskonstanten für Bremsstrahlungen 340 10.1.4 Dosisleistungskonstanten für Röntgenstrahler 342 10.1.5 Umrechnung der Ortsdosen in Körperdosen für Photonen 343 10.2 Dosisleistungskonstanten für reine Betastrahler 346 10.2.1 Dosisleistungskonstanten für Betapunktstrahler 346 10.2.2 Dosisleistungen für Beta-Linien- und Beta-Flächenstrahler 350 10.2.3 Dosisleistungen in betakontaminierten Luftvolumina 352 10.2.4 Umrechnung der Ortsdosen in Körperdosen für Betastrahler* 354 10.3 Dosisfaktoren bei Hautkontaminationen 357 10.4 Dosisfaktoren bei Radionuklidinkorporation 363 Aufgaben 365 Abschnitt II: Biologische und epidemiologische Grundlagen 11 Grundlagen zur Strahlenbiologie der Zelle 366 11.1 Aufbau menschlicher Zellen 367 11.2 Die strahlenbiologische Wirkungskette in Zellen 381 11.3 DNS-Schäden und ihre Reparatur 387 11.4 Dosiseffekt-Beziehungen 397 11.4.1 Beschreibung von Dosiswirkungskurven* 399 11.4.2 Mathematische Beschreibung von Überlebenskurven* 401 11.5 Parameter der Strahlenwirkung 408 11.5.1 Der Sauerstoffeffekt 409 12 Inhaltsverzeichnis 11.5.2 Chemische Modifikatoren der Strahlenwirkung 411 11.5.3 Abhängigkeit der Strahlenwirkungen von der Zellzyklusphase 414 11.5.4 Abhängigkeit der Strahlenwirkung vom zeitlichen Bestrahlungsmuster 416 11.5.5 Einflüsse des morphologischen Zelldifferenzierungsgrades 420 11.5.6 Volumeneffekte der Strahlenwirkung 421 11.5.7 Temperaturabhängigkeit der Strahlenwirkung 422 11.6 Die Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) 425 11.6.1 Die Dosisabhängigkeit der RBW* 426 11.6.2 Abhängigkeit der RBW vom Linearen Energietransfer LET* 430 11.6.3 RBW und Wichtungsfaktoren Q und wT im Strahlenschutz* 431 Aufgaben 434 12 Strahlenwirkung und Strahlenrisiko 435 12.1 Deterministische Strahlenwirkungen 436 12.2 Stochastische Strahlenwirkungen 449 12.2.1 Dosis-Wahrscheinlichkeitskurven für stochastische Schäden 450 12.2.2 Abschätzungen des stochastischen Strahlenrisikos 452 12.2.2.1 Abschätzung des Krebsrisikos 453 12.2.2.2 Heriditäres Schadensrisiko 459 12.3 Risiken pränataler Strahlenexposition 460 12.4 Altersabhängigkeit des stochastischen Strahlenrisikos 462 Aufgaben 466 13 Strahlenschutzphantome 467 14 Strahlenexposition des Menschen mit ionisierender Strahlung 475 14.1 Natürliche Strahlenexposition 476 14.1.1 Externe terrestrische Strahlenexposition 476 14.1.2 Externe kosmische Strahlenexposition 482 14.1.3 Interne Strahlenexposition durch natürliche Radionuklide 488 Inhaltsverzeichnis 13 14.1.3.1 Interne Strahlenexposition durch kosmogene Radionuklide 489 14.1.3.2 Interne Strahlenexposition durch primordiale Radionuklide 490 14.2 Zivilisatorisch bedingte Strahlenexposition 501 14.2.1 Medizinische Strahlenexpositionen 502 14.2.2 Kernwaffentests 511 14.2.3 Kernenergie 514 14.2.4 Energie- und Wärmeerzeugung durch fossile Brennstoffe 516 14.2.5 Weitere zivilisatorische Strahlungsquellen 517 14.2.6 Baumaterialien* 518 14.2.7 Berufliche Strahlenexposition 521 14.3 Zusammenfassung natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition 522 Aufgaben 525 Abschnitt III: Praktischer Strahlenschutz 15 Strahlenschutzrecht 526 15.1 Das System des Strahlenschutzrechts 526 15.2 Strahlenschutzverantwortliche und Beauftragte, Anwender 529 15.3 Fachkunde im Strahlenschutz 532 15.4 Strahlenschutzbereiche 533 15.5 Grenzwerte 535 Aufgaben 542 16 Praktischer Strahlenschutz 543 16.1 Allgemeine Regeln zur Verringerung der Strahlenexposition 543 16.2 Abschirmung direkt ionisierender Strahlungen 547 16.3 Abschirmungen von Neutronenstrahlung 550 16.4 Auslegung von Gamma-Abschirmungen und Schutzwänden 550 16.5 Abschirmungen für Röntgenstrahlung 555 16.5.1 Bleigleichwerte von Strahlenschutzschürzen im Röntgen 561 16.5.2 Umgang mit Bleischürzen in der radiologischen Praxis 566 16.6 Abschirmungen in der Nuklearmedizin 569 14 Inhaltsverzeichnis Aufgaben 573 17 Strahlenexpositionen in der medizinischen Radiologie 574 17.1 Strahlenexpositionen in der Projektionsradiografie 575 17.1.1 Körperdosisabschätzungen für Patienten 575 17.1.2 Expositionen des Personals in der Projektionsradiografie 583 17.1.2.1 Exposition im Nutzstrahl von Projektionsradiografieanlagen 583 17.1.2.2 Strahlenexposition des Personals im Streustrahlungsfeld von Anlagen zur Projektionsradiografie 586 17.2 Strahlenexpositionen in der Computertomografie 589 17.2.1 Expositionen von Patienten bei CT-Untersuchungen 589 17.2.1.1 CTDI und Dosislängenprodukt bei CT-Untersuchungen* 590 17.2.1.2 Abschätzung der Patientendosis bei CT-Untersuchungen 594 17.2.2 Strahlenexposition des Personals bei der Computertomografie 605 17.3 Strahlenexpositionen in der Nuklearmedizin 607 17.3.1 Strahlenexpositionen von Patienten 607 17.3.2 Strahlenexpositionen des nuklearmedizinische