So manch einer witzelt, dass Funker ja radio-aktiv seien. Zum Glück sind wir das nicht. Aber was ist Radioaktivität? Das Wort „Radio“ ist mit „Radius“ verwandt. Es beschreibt Strahlenbündel, die von einem Punkt ausgehen. Ein radioaktiver Stoff sendet also eine Form von Strahlung aus. Diese ungenaue Definition beschreibt die Ungewissheit, die man zu Beginn der Forschung in dem Bereich hatte. Man gruppierte Arten von Strahlen nach ihren messbaren Eigenschaften.
Alpha-Strahlung besteht aus recht schweren Teilchen, die eine doppelt positive Elementarladung haben. Man hat das später genauer als zwei Protonen und zwei Neutronen, also einen Helium-4-Kern, identifiziert. Betastrahlung besteht aus einfach negativ geladenen, recht leichten Teilchen. Diese wurden als Elektronen identifiziert. Gammateilchen können nicht eingefangen werden, haben keine Ladung und sie wechselwirken kaum mit Materie. Sie wurden als hochenergetische Photonen identifiziert. Neben vielen anderen Strahlungsarten ist noch besonders die Neutronenstrahlung wichtig. Wie der Name sagt, besteht sie aus Neutronen. Eine Besonderheit der Neutronen ist, dass sie selbst einen radioaktiven Zerfall haben. Sobald sie sich frei von einem Atomkern bewegen, zerfallen sie mit einer Halbwertszeit von rund 10 Minuten in ein Proton und ein Elektron, wobei auch wieder Gammastrahlung frei wird.
Bei Alpha-, Beta-, und Neutronenstrahlung kann man noch anhand von Masse und Ladung recht einfach nachvollziehen, wie eine solche radioaktive Zerfallsgleichung aussieht. Das ähnelt einer chemischen Reaktionsgleichung. Betrachtet man die Gleichung auch bezüglich der frei werdenden Energien genauer, kann man auch verstehen, warum dabei immer auch Gammastrahlung frei wird. Photonen haben weder Ruhemasse noch Ladung und können so die Gleichung rein energetisch ausgleichen. Schaut man noch genauer hin, stellt man fest, dass auch mit den Photonen noch nicht alles ausgeglichen ist. Daher wurde schon in den 1930er Jahren vermutet, dass es noch eine Art von Strahlung geben müsste. Heute nennen wir diese Art von Strahlung Neutrinos.
Warum ist dieser Ausgleich so bedeutend? Ein wichtiges Prinzip in der Physik sind die Erhaltungssätze. Nichts wird aus dem Nichts erzeugt oder verschwindet ins Nichts. Alles ist ausgeglichen. Wenn also bei einer Reaktion gleich welcher Art ein Aspekt nicht ausgeglichen ist, kann man daraus schließen, dass die Reaktionsgleichung nicht vollständig ist. Die Quantenphysik beschreibt diese Aspekte mit Quantenzahlen.
Bei den Neutrinos sind Nachweis und Messung auf gigantische Messanordnungen angewiesen. Das kommt für Amateure praktisch nicht infrage. Für den Hausgebrauch gibt es Geräte, die zumindest ionisierende Strahlung recht einfach nachweisen können, das sind Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Viele Geräte dieser Art dienen im Wesentlichen dazu, die Gefährlichkeit, also ihre Stärke, nachzuweisen. Für den Personenschutz ist das im Allgemeinen hinreichend.
Möchte man aber wissen, was diese Strahlung erzeugt, muss man anders vorgehen. Ein sogenanntes Spektrometer erkennt nicht nur die Intensität der Strahlung, sondern auch die Energie der einzelnen Photonen. Man kann auch sagen: Das Gerät kann die Farbe der Photonen messen. Dafür misst es aber auch nur die Photonen, also die Gammastrahlung. Da aber wie zuvor erwähnt beim radioaktiven Zerfall von Stoffen immer Gammastrahlung freigesetzt wird, ist das für diesen Zweck kein Problem. Da Photonen, wie ebenfalls schon gesagt, kaum mit Materie wechselwirken, verändern sie sich durch eine Abschirmung kaum. Anders gesagt: Sie behalten ihre Farbe bei. Die „Farbe“ ist sehr charakteristisch für jeden radioaktiven Strahler. Mit einem Spektrometer kann man also ermitteln, was die Strahlung erzeugt, auch wenn sich der Stoff hinter einer Abschirmung befindet. Man muss dann nur länger warten, bis sich das gemessene Signal statistisch hinreichend vom Rauschen abgesetzt hat.
Die hier so bezeichnete „Farbe“ ist die Wellenlänge der Photonen. Der Begriff dient der Veranschaulichung, dass sich die der Wellenlänge äquivalente Energie der Photonen nicht ändert. Die Wellenlängen, um die es hier aber geht, sind um ein Vielfaches höher als die der Farben des sichtbaren Lichts. Eine Übersicht dazu steht im Artikel Frequenzbereiche.
Um besser zu verstehen, was es mit der Messbarkeit einer Strahlung auf sich hat, muss man sich die Eigenschaften der Teilchen genauer ansehen. Elektronen, He4-Kerne und Neutronen haben eine bestimmte Masse und Ladung. Die können sie nicht ändern. Und dazu haben sie als Strahlung eine Geschwindigkeit, die sie ändern können. Eine Abschirmung kann sie entweder komplett einfangen, sodass sie weniger werden. Oder sie werden abgebremst, bis sie nicht mehr von normalen ruhenden Teilchen unterschieden werden können, also keine Strahlung mehr sind. Als eindeutig messbare Unterscheidungen bleiben also nur Alpha, Beta oder Neutronen, was zu wenig ist, um den strahlenden Stoff zu identifizieren.
Photonen haben als Geschwindigkeit immer die Lichtgeschwindigkeit. Eine Abschirmung kann sie nur ganz einfangen, wobei ihre Energie in der Abschirmung frei wird. Oder sie werden direkt durchgelassen. Die Wirkung der Abschirmung beruht also auf der Reduzierung ihrer Anzahl. Ihre Frequenz bleibt gleich, und so bleibt eine Gammastrahlung auch durch eine Abschirmung hindurch charakteristisch wie ein Fingerabdruck für den strahlenden Stoff, die anderen Strahlungsarten aber nicht.
Arten von Abschirmung
Geladene Teilchen sind leicht abzuschirmen, weil sie durch ihre Ladung stark mit Materie wechselwirken. Bei den Alpha-Teilchen kommen noch ihre hohe Masse und ihre Größe hinzu. Sie lassen sich schon durch dünne Schichten abschirmen. Für Betastrahlung sollte die Abschirmung metallisch sein, um einen guten Effekt zu erreichen. Sie sind für den Menschen dennoch gefährlich, wenn der strahlende Stoff inkorporiert wird, also eingeatmet oder gegessen.
Neutronen lassen sich nach dem Billard-Prinzip gut mit Stoffen abschirmen, die reich an Wasserstoff sind. Der Wasserstoffkern besteht aus einem einzelnen Proton. Protonen und Neutronen sind etwa gleich schwer. Nach dem Prinzip des elastischen Stoßes verliert das Neutron mit jedem Stoß einen großen Teil seiner Energie. Technisch wird dazu Wasser genutzt, oder auch Wachs oder Kunststoff, wenn ein fester Aggregatzustand erwünscht ist. Diese Energie wird dann aber im jeweiligen Stoff frei. Das bedeutet, Neutronenstrahlung ist besonders für Lebewesen gefährlich, weil hier der Wasserstoff wichtige Aufgaben im Stoffwechsel hat, die durch die Energiezufuhr gestört werden.
Gammastrahlung lässt sich hauptsächlich durch die Dichte von Materie abschirmen. Daher kommen Materialien mit einem hohen spezifischen Gewicht wie Blei infrage.
Zusammengefasst kann man sagen, dass die Abschirmung auf die Art der Strahlung angepasst sein muss. Eine perfekte Universalabschirmung gibt es nicht.