Die Strahlung radioaktiver Stoffe besteht aus einzelnen Teilchen (beispielsweise Alpha-Teilchen). Diese Teilchen, die von einem Atom(kern) emittiert werden, sind in der Regel sehr energiereich und übertragen daher Energie auf andere Stoffe (wenn dieses zusammentreffen). Wird nun Energie übertragen, kann das “getroffene” Atom bzw. Molekül ionisiert werden (dazu muss eine bestimmte Energiemenge übertragen werden). Da der Mensch über kein Sinnesorgan für diese Teilchen bzw. radioaktive Strahlung verfügt, müssen zum Nachweis radioaktiver Strahlung technische Messgeräte verwendet werden. Für den Nachweis radioaktiver Stoffe bzw. deren Teilchen verwendet man eine Nebelkammer oder ein Zählrohr. In diesem Kapitel soll der Aufbau und die Funktionsweise eines Zählrohrs vorgestellt werden.
Wie eingangs erwähnt, besteht radioaktive Strahlung aus Teilchen, die mit Hilfe eines Messgerätes nachgewiesen werden können. In der Regel verwendet man heute ein Geiger-Müller-Zählrohr, das aus einem Zählgerät und einem Lautsprecher besteht. Die Funktionsweise eines Zählrohrs bzw. eines Geiger-Müller-Zählrohrs ist folgende
Ein Zählrohr enthält einen dünnen zylinderförmigen Metallmantel, in dem sich ein Draht befindet. Wie bei allen modernen Sensoren, basiert das Prinzip eines Zählrohrs auch auf der Erzeugung und Messung eines Spannungsimpulses (d.h. es wird kurzzeitig “Spannung” erzeugt, die gemessen wird). Damit der Draht (während der Messung) nicht durch den Metallmantel beeinflusst wird, wird der Draht gegenüber dem Metallmantel bzw. dem Gehäuse isoliert.
Damit nun ein Spannungsimpuls erzeugt und gemessen werden kann, ist der Draht mit einer Spannungsquelle verbunden. Ohne nun genauer auf den Aufbau des Stromkreises einzugehen (siehe dazu die Kapitel im Bereich Elektronik), wird der Draht mit dem positiven Pol der Spannungsquelle und der Metallmantel mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden.
Das Zählrohr ist gefüllt mit einem Edelgas, dieses dient zur Erzeugung von Elektronen, die einen Spannungsimpuls erzeugen. Gelangt nun radioaktive Strahlung durch das sogenannte Glimmerfenster in das Innere des Zählrohrs, trifft die “Strahlung” auf die Gasteilchen und ionisiert diese. Durch die Ionisierung der Gasteilchen entstehen Elektronen, die anschließend nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang sei die Bedeutung der Ionisation der Gasteilchen erwähnt. Durch die Ionisation der Gasteilchen entstehen geladene Teilchen. Dadurch wird das Gas im Zählrohr elektrisch leitend und führt (in Kombination) mit den Elektronen zu einem Stromfluss mit einer bestimmten Stärke. Durch diesen Stromfluss ändert sich auch der Widerstand (und gemäß dem Ohmschen Gesetz auch die Spannung). Jede Spannungsänderung führt anschließend zu einem Knacksen im Lautsprecher, was wir am Geiger-Müller-Zählrohr wahrnehmen können.
Leider ist die “reale” Funktionsweise eines Zählrohrs bzw. Geiger-Müller-Zählrohr doch etwas komplizierter. Denn die “radioaktive Strahlung”, die durch das “Fenster” in den Innenraum des Zählrohrs gelangt, würde nur wenige Elektronen (durch Ionisation der Gasteilchen) freisetzen. Daher muss die bisher erwähnte Funktionsweise etwas abgewandelt werden.
Damit mehr Elektronen “detektiert” werden können, verwendet man ebenfalls ein bekanntes Prinzip aus der Elektrotechnik. Der Draht, befindet sich am positiv geladenen Pol der Spannungsquelle. Erhöht man die Spannung (auf mehrere hundert Volt), so wirkt ein stärkeres elektrisches Feld erzeugt. Die Elektronen, die durch die Ionisation der Gasteilchen erzeugt wurden, werden nun stärker von dem positiv geladenen Draht angezogen. Durch diese “Beschleunigung” steigt die Energie der Elektronen. Dadurch haben die Elektronen (zu einem bestimmten Teil) genug Energie,um aus weiteren Atomen (beispielsweise dem Edelgas) Elektronen herauszustoßen. Dadurch kommt es zu einer Kettenreaktion. Diese Kettenreaktion hat zwei Folgen, zum einen Erhöht sich die Zahl der Elektronen, die den Stromfluss darstellen, zum anderen steigt die Zahl der ionisierenden bzw. ionisierten Teilchen.
Wie bereits erwähnt, führt die Ionisation der Gasteilchen zu geladenen Teilchen, die innerhalb des Zählrohrs nun einen Stromfluss ermöglichen. In dem Stromkreis zwischen Draht, Metallmantel und Spannungsquelle wird noch ein Widerstand eingebaut. Fließt nun ein Strom (durch die Ionisation der Gasteilchen), tritt nun auch gemäß dem Ohmschen Gesetz an dem Widerstand eine Teilspannung auf. Gemäß den Kirchhoffschen Regeln sinkt dadurch die Teilspannung am Zählrohr. Diese beträgt (nur) noch U(Zählrohr) = U (Spannungsquelle) – I · R (Teilspannung am Widerstand)
Nun sind Zählrohre so gebaut, dass die Spannung soweit absinkt, dass diese nicht mehr ausreicht, um wie oben beschrieben, Elektronen zu beschleunigen bzw. einen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Dadurch bricht die Kettenreaktion ab. Dadurch wird das Gas nicht mehr ionisiert und steht für das nächste radioaktive Teilchen bereit, dass durch das Glimmerfenster in den Innenraum des Zählrohrs tritt und eine erneute Ionisation auslöst. Dadurch erzeugt jedes einzelne Teilchen einer radioaktiven Strahlung eine Spannungsänderung am Widerstand, die gemessen wird. Jeder dieser Spannungsänderungen (auch als Spannungsimpuls bezeichnet) erzeugt ein Knacksen im Lautsprecher.
Ein Zählrohr kann aber nicht nur qualitativ verwendet werden (radioaktive Strahlung vorhanden), sondern auch quantitativ. So wird der Quotient aus Zahl der Knackse durch den Zeitintervall (=vergangene Zeit) als die sogenannte Zählrate bezeichnet. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass ein radioaktiver Stoff radioaktive Strahlung nicht gleichmäßig emittiert (= statistischer Effekt)
Radioaktivität ist der Prozess, bei dem instabile Atomkerne Energie freisetzen, indem sie ionisierende Strahlung aussenden. Dieser Prozess wird auch als radioaktiver Zerfall bezeichnet.
Es gibt drei Arten von radioaktiver Strahlung: Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung.
Alpha-Strahlung besteht aus Alpha-Partikeln, die zwei Protonen und zwei Neutronen enthalten. Beta-Strahlung besteht aus hochenergetischen Elektronen. Gamma-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung, ähnlich wie Röntgenstrahlen, aber von noch höherer Energie.
Ein Geiger-Müller-Zähler ist ein Gerät, das verwendet wird, um radioaktive Strahlung zu detektieren und zu messen.
Ein Geiger-Müller-Zähler hat eine Metallröhre, die mit einem Gas gefüllt ist. Wenn radioaktive Strahlung in die Röhre gelangt, ionisiert sie das Gas und verursacht einen elektrischen Strom. Dieser Strom wird gemessen und als Zählung der radioaktiven Strahlung angezeigt.
Die Halbwertszeit ist die Zeit, die es dauert, bis die Hälfte der Atome in einer Probe von radioaktivem Material zerfallen sind.
Radioaktive Strahlung wird in vielen Bereichen wie der Medizin, der Archäologie, der Industrie und der Forschung eingesetzt. Beispiele sind die Krebstherapie, die Altersbestimmung von Fossilien und die Erzeugung von elektrischer Energie in Kernkraftwerken.
Zu den Gefahren radioaktiver Strahlung gehört die potenzielle Schädigung lebender Zellen und die DNA, was zu Krebs und genetischen Schäden führen kann. Eine hohe Dosis von radioaktiver Strahlung kann sofort tödlich sein.
Ionisierende Strahlung hat genügend Energie, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen und sie zu ionisieren, was gesundheitsschädlich sein kann. Nichtionisierende Strahlung hat nicht genügend Energie, um diese Ionisierung durchzuführen, ist aber dennoch unter bestimmten Bedingungen gefährlich.
Der Schutz vor radioaktiver Strahlung kann durch Zeit, Abstand und Abschirmung erreicht werden. Zeit meint die Verkürzung der Expositionszeit, Abstand bedeutet, sich so weit wie möglich von der Strahlungsquelle zu entfernen, und Abschirmung bezieht sich auf die Verwendung von Strahlenschutzausrüstungen.