Kleines Lexikon der Strahlenmessung

Unidades para la medición de radiación

El Roentgen (R) es la medida de la carga eléctrica producida por las radiaciones X (ionización) o gamma depositada en aire seco en condiciones estándar. Definida como la carga eléctrica depositada por 1 gramo de radio-226 medido a una yarda de distancia en una hora, se sustituyó por la unidad X (C/kg) incluida en el sistema internacional de unidades, pero sin un nombre definido todavía, con lo que sigue siendo más popular para esta magnitud la unidad antigua.

El rad (acrónimo de radiation absorbed dose) es una unidad de dosis absorbida en términos de energía depositada en la materia. El rad se definió como una dosis absorbida de 100 ergios de energía por gramo de materia.

La unidad más reciente de la dosis absorbida, usada en el sistema internacional de unidades es el gray, que se define como 1 julio de energía depositada por kilogramo de materia. La equivalencia entre ambas unidades es de 1 Gy = 100 rad.

Para determinar el riesgo de la radiación se mide la "eficacia biológica relativa" de la radiación, obteniendo un factor de corrección (Q antes, RBE ahora) que multiplicando a la dosis absorbida da como resultado una medida directa de la dosis efectiva biológica. Esta dosis efectiva biológica, o dosis efectiva simplemente, se mide en rem (acrónimo de roentgen equivalent man), el cual es igual a la "dosis de radiación" absorbida (medida en rads) multiplicada por un "factor de calidad" que valora la eficacia de cada tipo particular de radiación.

En el sistema internacional de unidades la "eficacia biológica relativa" de la radiación se mide en sieverts (Sv), que es igual a 100 rems.

Para las partículas alfa la "eficacia biológica relativa" puede llegar a valer 20, de modo que un rad sería equivalente a 20 rems. Lo mismo es aplicable a la radiación de neutrones. En cambio para las partículas beta, los rayos x y los gamma, la "eficacia biológica relativa" se valora como 1 por lo que en dichos tipos de radiación el rad y el rem serían equivalentes.

Quelle
Alpha-, Beta- und Gammastrahlen
Je größer der Atomkern eines chemischen Elements ist, desto instabiler ist er. Ab einer bestimmten Größe zerfallen Substanzen deshalb. Sie werden als radioaktiv bezeichnet. Die Zerfallsprozesse können unterschiedlicher Natur sein. Die Strahlung, die zerfallende Elemente aussenden, wird in drei Arten unterschieden: Während Alpha- und Betastrahlung aus Partikeln bestehen, handelt es sich bei Gammastrahlung um elektromagnetische Wellen, ähnlich der Röntgenstrahlung. Allerdings ist ihre Wellenlänge viel kleiner und die Strahlen sind somit extrem energiereich. Alphastrahlung besteht aus positiv geladenen Helium-Kernen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen aufgebaut sind. Betastrahlen bestehen aus Elektronen. Sie entstehen, wenn sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt, das vom Atomkern abgestrahlt wird.

Beckerel: Einheit der Aktivität (A)

Eine Substanz ist dann radioaktiv, wenn sie zerfällt und dabei Strahlung aussendet. Um anzugeben, wie stark eine radioaktive Substanz strahlt, benutzt man den Begriff der Aktivität (A). Sie wird in Becquerel (Bq) gemessen und gibt die Strahlungsmenge an, die eine Substanz innerhalb einer bestimmten Zeit durch Zerfall erzeugt. Per Definition entspricht ein Becquerel einem Zerfall pro Sekunde. Je schneller eine Probe zerfällt, desto intensiver strahlt sie also.

Gray: Einheit der Energiedosis (D)

Weiß man, wie stark eine radioaktive Substanz strahlt, sagt das noch nichts darüber aus, wie sich die Strahlung auf den Körper auswirkt. Dafür ist es wichtig zu bestimmen, wie viel Energie von einer bestimmten Masseneinheit des Körpers absorbiert wird. Angegeben wird die absorbierte Energiedosis (D) in der Einheit Gray (Gy), wobei ein Gray der Energiemenge von 1 Joule/kg entspricht.

Sievert: Einheit der Äquivalentdosis (H)

Um die biologische Wirksamkeit der radioaktiven Strahlung auf den Körper anzugeben, benutzt man anstelle der Energiedosis den Begriff der Äquivalentdosis (H).  Sie berücksichtigt die Tatsache, dass verschiedene Arten von Strahlen ganz unterschiedliche Wirkungen auf den Körper haben. So ionisiert Alphastrahlung bei weitem mehr Moleküle als etwa Betastrahlen - und richtet deshalb eine größere Zerstörung im Körper an. Daher wird jede Strahlungsart mit Hilfe einer physikalischen Größe gewichtet, dem sogenannten Strahlenwichtungsfaktor. Gemessen wird die Äquivalentdosis in Sievert (Sv). Sie ergibt sich aus der Multiplikation der Energiedosis mit dem Strahlenwichtungsfaktor. 1 Sievert (Sv) sind 1000 Millisievert (mSv). 1 Millisievert sind 1000 Mikrosievert (µSv).

Äquivalentdosis pro Zeiteinheit: Einheit der Strahlenbelastung

Um die Auswirkungen von radioaktiver Strahlung auf den Körper genauer einschätzen zu können, ist es wichtig zu wissen, wie lange eine bestimmte Dosis auf den Körper einwirkt. Daher wird die Strahlenbelastung meist in Sievert pro Zeiteinheit gemessen. Also etwa Millisievert pro Jahr oder Mikrosievert pro Stunde. Die durchschnittliche natürliche Strahlenbelastung liegt in Deutschland bei 2,1 Millisievert pro Jahr, also 0,24 Mikrosievert pro Stunde. Im Schnitt kommen zwei Millisievert pro Jahr durch künstliche Quellen von Radioaktivität hinzu. Den Löwenanteil dazu steuert die Medizin bei

Aktivität zu Äquivalentdosis: Dosiskonversionsfactor

Die Strahlenbelastung von Böden oder in Lebensmitteln etwa wird in Becquerel pro Quadratmeter oder Becquerel pro Kilogramm angegeben. Doch was bedeutet dieser Wert für die Auswirkungen auf den Körper? Um eine Beziehung zwischen Aktivität und Äquivalentdosis herstellen zu können, gibt es den sogenannten Dosiskonversionsfaktor. Er hängt unter anderem von der Art der Strahlung und der radioaktiven Substanz ab, sowie von der Art, wie die Strahlung in den Körper gelangt (Inhalieren, Aufnahme durch die Nahrung). So entspricht die Aufnahme von 80.000 Becquerel Cäsium 137 mit der Nahrung einer Strahlenbelastung von etwa einem Millisievert. Der Verzehr von 200 Gramm Pilzen mit 4000 Becquerel Cäsium 137 pro Kilogramm hat beispielsweise eine Belastung von 0,01 Millisievert zur Folge. Das lässt sich mit der Belastung durch Höhenstrahlung bei einem Flug von Frankfurt nach Gran Canaria vergleichen.

EU-Grenzwerte für Lebensmittel 

Nach der Tschernobyl-Katastrophe hatte die EU Grenzwerte für den Import von Lebensmitteln aus jenen Ländern geregelt, die durch das Atom-Unglück kontaminiert wurden. Zusätzlich hat die EU am 26. März 2011 weitere Grenzwerte für Importe aus Japan festgelegt. Sie sind aber höher als die von Tschernobyl. So dürfen Nahrungsmittel aus der EU für Säuglinge, die mit Cäsium 134 oder 137 belastet sind, einen Grenzwert von 370 Becquerel pro Kilogramm nicht übersteigen. Für Produkte aus Japan liegt dieser Wert bei 400 Becquerel pro Kilogramm. Für gewöhnliche Nahrungsmittel liegt der Grenzwert bei 600 Becquerel pro Kilogramm - bei Importen aus Japan aber bei 1250 Becquerel pro Kilogramm.

Die Schrödingers Katze

Inhaltsverzeichnis

• 1 Hintergrund
• 2 Das Gedankenexperiment
  • 2.1 Veranschaulichung
• 3 Andere Erklärungen
• 4 Zitate
• 5 Weblinks
• 6 Einzelnachweise

Hintergrund Die Quantenmechanik beschreibt ein physikalisches System mittels der Wellenfunktion. Diese Wellenfunktion beschreibt den Zustand des Systems. Bei einer quantenmechanischen Messung nimmt das System einen der Eigenzustände des Messoperators an, im Allgemeinen kann sich der Zustand bei der Messung also ändern. Erst im Augenblick der Messung entscheidet sich, welchen der Eigenzustände das System annimmt. Den Zustand vor der Messung kann man als Überlagerung (Superposition) aller Eigenzustände auffassen.

Angeregt durch die kurz zuvor erschienene Arbeit von Albert Einstein, Boris Podolski und Nathan Rosen (EPR) zu den Grundlagen der Quantenmechanik (Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon), prägte Schrödinger in seiner Abhandlung in den „Naturwissenschaften“ (1935) den Begriff der Verschränkung. Das Beispiel der Katze sollte zeigen, wie eine mikroskopische quantenmechanische Superposition auf ein makroskopisches Objekt prinzipiell übertragen werden kann, indem die Zustände der beiden Objekte miteinander verschränkt werden. Obgleich Schrödinger an diesem absurd wirkenden Beispiel eigentlich die Unvollständigkeit der Quantenmechanik demonstrieren wollte, führte die durch EPR und Schrödinger angestoßene Arbeit schließlich zu den Bellschen Ungleichungen. Diese weisen nach, dass potenzielle alternative Interpretationen der Quantenmechanik, die eher im Sinne von Einstein, Podolski, Rosen und Schrödinger gewesen wären, nicht mit den experimentellen Konsequenzen der Quantenmechanik vereinbar sind.

Das Gedankenexperiment

Versuchsanordnung. Die Übertragung der Quantenmechanischen Wellenfunktion führt bis zum Öffnen des Kastens zu einer gleichermaßen toten wie lebendigen Katze.

Das Gedankenexperiment besagt: In einem geschlossenen Raum befindet sich ein instabiler Atomkern, der innerhalb einer bestimmten Zeitspanne mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zerfällt. Der Zerfall des Atomkerns werde von einem Geigerzähler detektiert. Im Falle einer Detektierung werde Giftgas freigesetzt, was eine im Raum befindliche Katze tötet.

Gemäß der Quantenmechanik befindet sich der Atomkern nach Ablauf der Zeitspanne im Zustand der Überlagerung (noch nicht zerfallen und zerfallen). Demnach sollte sich, wenn die Quantenphysik auch auf makroskopische Systeme anwendbar wäre, auch die Katze im Zustand der Überlagerung, also lebendig und tot, befinden. Diese Schlussfolgerung erscheint zunächst paradox und wird in der „Kopenhagener Deutung“ wie folgt interpretiert: Beim Öffnen des Raumes und Beobachtung (Messung) springt der Atomkern, der sich zuvor im Zustand der Überlagerung befand, in einen der möglichen Zustände. Grund dafür ist, dass die Wellenfunktion, die den Überlagerungszustand des Teilchens bestimmt hat, im Moment der Beobachtung kollabiert. Erst bei der Messung durch einen äußeren Beobachter entscheidet sich also, ob die Katze tot oder lebendig ist. Vor der Messung kann über den Zustand der Katze nicht mehr als eine Wahrscheinlichkeitsaussage getroffen werden. Vertreter der Ensembletheorie würden sich auf eine Gesamtheit von Systemen beziehen (also mehrere Kästen mit Katzen): Nach einem bestimmten Zeitintervall sind dann die Hälfte aller Katzen tot und die andere Hälfte lebendig. Hier greift das empirische Gesetz der großen Zahlen, d. h. je öfter man dieses Experiment durchführt, desto sicherer ist es, dass die relative Häufigkeit sich der theoretischen Wahrscheinlichkeit annähert.

Veranschaulichung

Die Aufspaltung der Wirklichkeit in die beiden unterschiedlichen Szenarien wird zunächst durch ein einzelnes radioaktives Teilchen ausgelöst. Seine überlagerten Zustände beeinflussen dann nach und nach die Atome des Giftes und die der gesamten Katze. Ein beispielsweise am Ohr der Katze befindliches Atom ändert durch diese Beeinflussung die Form seiner Wellenfunktion zu einem Doppelpeak in der Wahrscheinlichkeitsdichte mit jeweils halber Amplitude (siehe Abbildung). Aufspaltungen wie diese können im Doppelspaltexperiment an einzelnen Teilchen experimentell nachgewiesen werden. Hier bilden alle Atome der Katze eine Verschränkung zu einer Überlagerung einer lebenden und tot da liegenden Katze mit je halber Wahrscheinlichkeitsamplitude (hier durch zwei halbtransparente Katzen veranschaulicht). Beim Nachschauen, ob die Katze noch lebt, kommt es schließlich durch die Wechselwirkung mit der Außenwelt zu einer Ortsmessung, die die Wellenfunktion der Atome zwingt, wiederum scharfe Ortseigenfunktionen anzunehmen (Kollaps der Wellenfunktion).

Anmerkung: In Schrödingers Versuchsaufbau würden genaugenommen nicht nur zwei überlagerte Zustände entstehen, sondern aufgrund der kontinuierlichen Zerfallswahrscheinlichkeit viele, früher oder später gestorbene Katzen, was sich jedoch durch spezielle Vorkehrungen unterdrücken ließe.