Äquivalentdosis

Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung. In der Äquivalentdosis ist einerseits die übertragene Energiemenge (auch Energiedosis) berücksichtigt, als auch die relative biologische Wirksamkeit der Art der Strahlung.

Wenn ein Objekt Strahlung ausgesetzt wird, dann überträgt die Strahlung Energie auf dieses Objekt. Das führt dazu, dass das Objekt sich erwärmt und dass einige seiner Atome ionisiert werden. Die übertragene Energiedosis wird als $D$ bezeichnet. Man kann sie zum Beispiel mit einem Wasserkalorimeter messen. Dabei wird beobachtet, wie sehr sich die Temperatur von Wasser durch die Strahlung ändert.

Ist das bestrahlte Objekt lebendes Gewebe, kann die Strahlung auch zu Veränderungen und Schäden in den Zellen führen. Das können zum Beispiel Brüche in der DNA sein, die die Zelle nur schwer korrigieren kann. Wie schwerwiegend die Schäden bei gleicher Energiedosis sind, hängt natürlich davon ab, welche Körperteile bestrahlt werden, aber auch von der Art der Strahlung. Um die Strahlungsart zu berücksichtigen, wird der Strahlungsgewichtungsfaktor $q$ eingeführt.

Die Äquivalentdosis ist die Energiedosis gewichtet mit dem Wichtungsfaktor,

Dadurch kann die Äquivalentdosis dazu dienen, das Risiko von Strahlungsschäden einzuschätzen. Die Äquivalentdosis wird in Sievert (S) angegeben.

Strahlungswichtungsfaktor q

Dieser Faktor berücksichtigt die relative biologische Wirkung der verschiedenen Arten von Strahlung. Das ist wichtig, denn für Zellen ist radioaktive Strahlung wie ein andauerndes Bombardement mit winzigen Geschossen. Dabei kann ein schweres $\alpha$-Teilchen, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, beim Auftreffen viel mehr Schäden verursachen als zum Beispiel ein einzelnes Neutron. Entsprechend ist Alpha-Strahlung, die aus $\alpha$-Teilchen besteht, bei gleicher Energiedosis viel zerstörerischer für eine Zelle als Beta-Strahlung aus Neutronen.

Für Beta- und Gamma-Strahlung beträgt der Strahlungsgewichtungsfaktor $1$, für Alpha-Strahlung hingegen $20$. So wird berücksichtigt, dass Alpha-Strahlung zu deutlich mehr biologischen Schäden führt.

Vergleich einiger Beispiele

Natürlich gibt es Fälle, in denen Menschen sich direkt und absichtlich radioaktiver Strahlung aussetzen. So ist das Röntgen des Kiefers beim Zahnarzt mit einer Äquivalentdosis von ca. $5\,\mu\mathrm{S}$ verbunden[1], eine Röntgenaufnahme der Brust können schon $14\,\mu\mathrm{S}$ sein [1]. Ein Arbeiter in einem Kernkraftwerk sieht sich jährlich ca. $180\,\mu\mathrm{S}$ ausgesetzt (Daten von 2010) [1].

Dazu kommt Strahlung aus natürlichen Quellen. Das ist einerseits kosmische Strahlung, die aus dem Weltall zur Erde gelangt. Bei einem einzelnen Flug über den Atlantik nimmt der Körper eine Äquivalentdosis von $80\,\mu\mathrm{S}$ auf[1]. Die kosmische Strahlung erreicht allerdings auch die Erdoberfläche und trägt zur natürlichen Strahlenbelastung bei, abhängig von der Höhe.

Die natürliche Strahlenbelastung, der jeder Mensch ausgesetzt ist, entsteht neben der kosmischen Strahlung auch durch terrestrische Strahlung. Die stammt von winzigen Mengen radioaktiver Elemente im Boden und Gestein. Gestein und andere Rohstoffe können auch als Baumaterial verwendet werden, sodass terrestrische Strahlung auch von Gebäuden ausgeht. Je nach Wohnort sind Menschen in Deutschland einer natürlichen Strahlenbelastung zwischen $1\,\mathrm{mS}$ und $10\,\mathrm{mS}$ jährlich ausgesetzt, im Durchschnitt sind es $2{,}1\,\mathrm{mS}$ pro Jahr [2]. Auch Lebensmittel enthalten natürliche radioaktive Isotope und tragen zur Belastung bei [3].

Große Strahlendosen sind sehr gefährlich. Ab einer Äquivalentdosis von ca. $1\,\mathrm{S}$ treten akute Strahlenschäden auf und eine Dosis von $5\,\mathrm{S}$ kann innerhalb von einem Monat zum Tod führen [1]. Die Energiemenge, die dabei übertragen wird, ist trotz allem extrem gering. Eine tödliche Strahlendosis von $10\,\mathrm{S}$ erwärmt den Körper nur um ca. 0,0024°C und führt dem Körper weniger Energie zu als eine Tasse Tee[4].

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