Radiochemie
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Isotope, Radionuklide, radioaktiver Zerfall und Strahlungsarten
Isotope sind Varianten eines Elements mit identischer Protonenzahl und somit gleicher Kernladungszahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Diese Varianten führen zu verschiedenen Massenzahlen, die sich aus der Summe von Protonen und Neutronen zusammensetzen.
Isotope verstehen
Beginnen wir mit Brom als Beispiel: Das häufigste Isotop von Brom hat die Massenzahl 79. Weil Brom in jeder seiner Varianten 35 Protonen beinhaltet, ergibt die Differenz aus der Massenzahl und der Protonenzahl die Neutronenzahl. Bei Brom-79 sind das folglich 79 - 35 = 44 Neutronen.
Radionuklide und radioaktiver Zerfall
Radionuklide sind instabile Isotope, die spontan zerfallen, um stabile Formen anzunehmen. Der radioaktive Zerfall kann durch Aussendung verschiedener Partikel und Strahlung erfolgen, was zu einer Veränderung von Massenzahl und Kernladungszahl des ursprünglichen Nuklids führt.
Alpha-Zerfall
Beim Alpha-Zerfall verringert sich die Massenzahl um vier und die Kernladungszahl um zwei, da ein Heliumkern emittiert wird. Hier reicht bereits ein Stück Pappe, um diese Art der Strahlung aufzuhalten.
Beta-Minus-Zerfall
Beta-Minus-Zerfall tritt auf, wenn ein Neutron in ein Proton umgewandelt wird. Hierbei erhöht sich die Kernladungszahl um eins, während die Massenzahl unverändert bleibt. Das emittierte Teilchen ist ein Elektron, auch als Beta-Partikel bekannt.
Beta-Plus-Zerfall
Beim Beta-Plus-Zerfall verwandelt sich ein Proton in ein Neutron, wodurch die Kernladungszahl um eins sinkt. Es wird ein Positron ausgesandt, das Gegenstück zum Elektron.
Gamma-Strahlung
Gamma-Strahlung ist energiereiche elektromagnetische Strahlung, die ohne Veränderung der Massen- oder Kernladungszahl emittiert wird, oft in Folge anderer Zerfallsarten.
Strahlungsarten und deren Interaktion mit Materie
Es ist wichtig zu wissen, dass verschiedene Strahlungsarten unterschiedliche Energie aufweisen und daher auch unterschiedlich stark die Materie durchdringen können:
- Alpha-Strahlung: Wird bereits von dünner schwarzer Pappe blockiert.
- Beta-Strahlung: Kann dünne Materialien durchdringen, wird aber durch dichtere Abschirmungen wie Bleche gestoppt.
- Gamma-Strahlung: Hochdurchdringend und erfordert schwere Materialien wie Blei zur Abschirmung.
Beispiele für Zerfallsvorgänge
Alpha-Zerfall bei Uran-238
\[^{238}_{92}U \rightarrow ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He\] Uran-238 verliert durch Alpha-Zerfall vier Masseneinheiten und zwei Protonen, wird zu Thorium-234.
Beta-Minus-Zerfall von Tritium (Wasserstoff-3)
\[^{3}_{1}H \rightarrow ^{3}_{2}He + e^{-} + \bar{\nu}_e\] Tritium wird durch Beta-Minus-Zerfall zu Helium-3. Dabei bleibt die Massenzahl gleich, aber die Kernladungszahl steigt um eins.
Beta-Plus-Zerfall von Kohlenstoff-11
\[^{11}_{6}C \rightarrow ^{11}_{5}B + e^{+} + \nu_e\] Kohlenstoff-11 wandelt sich durch Beta-Plus-Zerfall in Bor-11 um. Hierbei verringert sich die Kernladungszahl um eins.
Das IMPP fragt besonders gerne nach der Identifizierung von neuen Elementen oder Isotopen, die nach einem radioaktiven Zerfall entstehen. Kenntnisse über den Umgang mit Massen- und Kernladungszahlen sind daher unerlässlich.
Bedeutung für Radiotherapie
Beginnen wir mit der Radiotherapie: Diese ist eine Krebsbehandlung, bei der gezielt Radionuklide eingesetzt werden, um Krebszellen zu zerstören. Die Strahlung beschädigt die DNA der Krebszellen, sodass diese nicht mehr wachsen können und absterben.
Auswahl der Radionuklide
Bei der Auswahl von Radionukliden für die Therapie ist das Verhältnis von Beta-Strahlern wie Tritium (^3H) zur Gamma-Strahlung entscheidend. Beta-Strahler sind insofern nützlich, als dass sie ihre Energie über eine kurze Distanz abgeben und somit in der Lage sind, Zellen präzise zu zerstören, ohne umliegendes Gewebe zu schädigen.
Wirkung auf biologisches Gewebe
Die Wirkung auf das Gewebe hängt von der Art der Strahlung ab. So wird Alpha-Strahlung aufgrund ihrer geringen Eindringtiefe meist für die Behandlung von Tumoren in unmittelbarer Nähe des Zerfallsorts eingesetzt.
Wichtig ist die Kenntnis über die unterschiedlichen Eindringtiefen und Strahlungsarten, da zum Beispiel α-Strahlung, eine eher geringe Eindringtiefe hat, während β– und γ-Strahlung eine größere haben. Das IMPP fragt hier gern nach den geeigneten Strahlungstypen für bestimmte Behandlungen.
Bedeutung für Radiodiagnostik
Radiodiagnostische Verfahren
Die Radiodiagnostik umfasst verschiedene bildgebende Verfahren wie PET und SPECT, bei denen Radionuklide wie Technetium-99m genutzt werden. Diese Hilfsmittel erlauben es, körpereigene Prozesse zu verfolgen und Diagnostiken zu präzisieren.
Halbwertszeiten und Strahlungsdetektion
Die Halbwertszeiten der eingesetzten Nuklide sind entscheidend für die Planung und Interpretation diagnostischer Methoden. Sie sollten so gewählt werden, dass sie einerseits genug Zeit für die Durchführung der Untersuchung bieten und andererseits nicht zu lange im Körper verbleiben.
Das Konzept der Halbwertszeit ist zentral für die Radiodiagnostik. Es bestimmt, wie schnell ein Radionuklid zerfällt und wie lange es detektierbar ist.
Bedeutung für Bioanalytik
Radiokarbon-Datierung in der Bioanalytik
Die Radiokarbon-Datierung ist nur eines der Beispiele, wie radioaktive Isotope uns helfen, das Alter organischer Materialien zu bestimmen. Dabei wird die Halbwertszeit des Kohlenstoff-14-Isotops genutzt, um aus der noch vorhandenen Menge des Isotops das Alter des Materials abzuleiten.
Ausscheidung
Die Ausscheidungswege der Nuklide sind für die Sicherheit und Wirksamkeit dieser Verfahren von großer Bedeutung. Viele Nuklide werden über die Nieren und die Harnwege ausgeschieden, andere über die Leber und den Darm. Einige Nuklide können auch über die Lunge oder sogar die Haut ausgeschieden werden.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Mechanismus des Alpha-Zerfalls Grafik: Inductiveload, Alpha Decay, marked as public domain, more details on Wikimedia Commons↩︎
Credits Mechanismus des Beta-Minus-Zerfalls Grafik: Inductiveload, Beta-minus Decay, marked as public domain, more details on Wikimedia Commons↩︎
Credits Mechanismus des Beta-Plus-Zerfalls Grafik: Master-m1000, Beta-plus Decay, marked as public domain, more details on Wikimedia Commons↩︎
Credits Mechanismus der Gamma-Strahlung Grafik: Inductiveload, changes by Habitator terrae, Gamma radiation (alternative), CC BY-SA 4.0↩︎
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