Der Begriff "Strahlung" (oder oft auch "Strahlen") umfasst generell die physikalischen Vorgänge, bei denen Energie von einem Entstehungsort (Strahlenquelle) zu einem anderen Ort (Wirkungsort) transportiert wird. Strahlung ist transportierte Energie. Grundsätzlich kann Strahlung nach verschiedenen Merkmalen in Kategorien eingeteilt werden: Es kann beispielsweise für Strahlenschutzzwecke zwischen ionisierender und nicht-ionisierender Strahlung unterschieden werden oder je nach Strahlenart zwischen elektromagnetischer Strahlung und Teilchenstrahlung.

 Verschiedene Strahlungsquellen [1]

Elektromagnetische Strahlung

Bei elektromagnetischer Strahlung handelt es sich um Photonen, also masselose und elektrisch neutrale kleine "Energieportionen" oder "Energiepakete". Die im Strahlenschutz gebräuchliche Einheit für die Energie ist das "Elektronenvolt" (eV). Beispielsweise besteht das sichtbare Licht aus Photonen mit Energien zwischen 1,5 eV (Rot) bis 3 eV (Violett). Die Photonen, die im Strahlenschutz für ionisierende Strahlung eine Rolle spielen, können dagegen Energien im Bereich von ca. 10 keV bis 100 keV (Röntgendiagnostik) haben und bis in den Bereich von einigen 10 MeV (Strahlentherapie) gehen.

Photonen können in einer Vielzahl von Prozessen entstehen, beispielsweise als Folge von Elektronenübergängen in der Atomhülle oder durch Wechselwirkungen von Teilchen im elektromagnetischen Feld von Atomkernen. Beim Eindringen in Materie können Photonen auf unterschiedliche Art mit Atomen wechselwirken. Es können bei genügend hoher Energie Elektronen aus der Atomhülle herausgeschlagen werden (siehe Bohr'sches Atommodell). Die Atome werden dadurch ionisiert und man spricht deshalb von ionisierender Strahlung. Elektromagnetische Strahlung, deren Photonen zu wenig Energie haben, um Atome zu ionisieren, wird nicht-ionisierende Strahlung genannt.

Ionisierende Strahlung

Gamma-Strahlung ist eine Form von elektromagnetischer Strahlung (Photonenstrahlung) mit hoher Energie. Sie entsteht beim "Radioaktiven Zerfall", also beim Zerfall eines radioaktiven Atomkerns (Radionuklid). Es handelt sich hierbei um eine von mehreren Arten von Kernstrahlung. Durch einen Gamma-Zerfall verändert sich nur die Energie des Atomkerns, während Masse- und Ladungszahl erhalten bleiben.

Die bekannteste Photonen-Strahlung im Bereich hoher Energien ist die Röntgenstrahlung (mehr dazu in Grundlagen Radiologie), die zum Untersuchen des menschlichen Körpers verwendet wird. Aber auch in der Strahlentherapie kommt Röntgenstrahlung zum Einsatz. Röntgenstrahlung ist keine Kernstrahlung, ensteht also nicht durch radioaktiven Zerfall. Sie entsteht durch Energieübertragungsprozesse in Atomen, die nicht radioaktiv sind.

Nicht-ionisierende Strahlung

Nicht-ionisierende Strahlung ist elektromagnetische Strahlung (Photonenstrahlung), deren Energie nicht ausreicht, um Atome zu ionisieren. Das bedeutet, dass die Energie der einzelnen Photonen unterhalb der Bindungsenergien von Elektronen (wenige eV) liegt. Die Strahlungsquellen sind z.B. die natürliche Strahlung der Sonne (Infrarot, Licht sowie Ultraviolett) und des Magnetfeldes der Erde, aber auch künstliche elektromagnetische Felder (EMF) um Stromleitungen, Radio- und Fernsehwellen, Mikrowellen, das Mobilfunknetzt oder WLAN.

Auch für nicht-ionisierende Strahlung existieren umfangreiche Strahlenschutzmaßnahmen. Ein prominentes Beispiel ist das Verbot für Minderjährige zur Nutzung von Solarien.

Teilchenstrahlung

Der Begriff Teilchenstrahlung, auch Partikel- oder Korpuskelstrahlung genannt, umfasst alle Energieträger, die eine Masse besitzen.  Dazu gehören Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen und Neutronen, aber auch ganze Atomkerne wie Alpha-Teilchen und Kohlenstoff-Ionen. Wenn sie genügend Energie besitzt kann Teilchenstrahlung, genau wie elektromagnetische Strahlung, auch Atome ionisieren.

Alpha- und Beta-Strahlung sind Arten der Teilchenstrahlung, die beim Zerfall von radioaktiven Atomkernen entstehen. Wie auch bei der Gamma-Strahlung handelt es sich bei Alpha- und Beta-Strahlung um Kernstrahlung. Sie werden aufgrund ihrer kinetischen Energien den ionisierenden Strahlungen zugeordnet. Alpha-Teilchen sind "nackte" Heliumkerne, also Heliumatome ohne Hüllenelektronen. Sie setzen sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen zusammen und tragen damit die Ladung +2. Unter Aussendung eines Alpha-Teilchens vermindert ein Atomkern seine Massenzahl A um 4 und die Kernladungszahl Z um 2.

Der Energieträger der Beta-Strahlung sind hingegen entweder Elektronen ('Beta-Minus-Strahlung') oder Positronen ('Beta-Plus-Strahlung'). Sie entstehen bei der Umwandlung eines Radionuklids - im Fall der häufiger auftretenden Beta-Minus-Strahlung durch Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Da das Elektron beim Beta-Zerfall dem Kern entweicht, wird die Kernladungszahl Z durch das entstandene Proton um 1 erhöht, während die Massenzahl A, die Summe der Neutronen und Protonen, konstant bleibt.

Neutronenstrahlung ist Teilchenstrahlung, die hauptsächlich durch Kernspaltung direkt im Atomkern entsteht. Ihr Energieträger, freie Neutronen, sind elektrisch neutral und wechselwirken nur direkt mit Atomkernen, nicht jedoch mit den geladenen Hüllenelektronen. Beispielsweise können Neutronen sich einem Kern anlagern und diesen dadurch destabilisieren, was einen nuklearen Kernspaltungsprozess mit Energieabgabe zur Folge hat. Diesen Prozess macht man sich z.B. in Atomkraftwerken zunutze. Neutronenstrahlung gehört nicht zu den direkt ionisierenden Strahlungen, verursacht aber trotzdem große Strahlenschäden im Menschen, da sie besonders gut mit Wasser wechselwirken (mehr dazu hier).

Ionisationsdichte, LET

Die Strahlungsträger, d.h. die Photonen oder die Teilchen, wechselwirken mit den Atomen der Materie, die durchstrahlt wird. Bei diesen Prozessen können Elektronen der Atomhülle herausgeschlagen werden (Ionisation). Die herausgeschlagenen Elektronen (Sekundärelektronen) tragen einen Großteil der eingebrachten primären Engergie, die sie dann ihrerseits wieder im durchstrahlten Material abgeben. Wie häufig eine Energieabgabe entweder des primären Teilchens oder des Sekundärelektrons entlang seiner Bahn geschieht, hängt von der Strahlungsart, der Energie und der Atomsorte ab. Die physikalische Größe, die beschreibt, wie häufig solche Wechselwirkungen entlang einer Bahnspur vorkommen, wird Linearer Energietransfer (LET) genannt. Der LET ist ein Maß für die Ionisationsdichte und gibt an, wieviel der Energie pro Wegstrecke des Teilchens abgegeben wird. Je höher der LET ist, desto mehr Energieübertrag gibt es auf sehr kleinem Raum.

Typische LET für Elektronen (auch durch Röntgenstrahlung erzeugte Elektronen) sind ca. 1 keV/µm (locker ionisierende Strahlung) und ca. 100 keV/µm für Alpha-Strahlung (dicht ionisierende Strahlung)

[1] eigene Darstellung