:: wikimiki.org ::

Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung

Kategorie:Ionisierende Strahlung Elektromagnetische Wellen- oder Teilchenstrahlung wird als ionisierende Strahlung bezeichnet, wenn sie in der Lage ist, Atome oder Moleküle zu ionisieren, d.h. aus diesen Elektronen zu entfernen. Die zurückbleibenden Ionen sind meist sehr reaktiv, so dass sie, falls sie in lebendem Gewebe entstehen, großen Schaden anrichten können. Abhängig von der Strahlungsdosis sind daher verschiedene Stufen des Strahlenschutzes anzuwenden. Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist immer besondere Sorgfalt geboten. Die Gefährlichkeit ionisierender Strahlung ist stark von der Art der Strahlung und der Strahlendosis, und diese wiederum stark vom Abstand zur Strahlungsquelle abhängig. Die Intensität radioaktiver Strahlung kann durch ihre technischen Anwendungen in der Energieerzeugung, in Atomwaffen, in der Forschung und der Medizin sehr stark gesteigert werden. Intensive ionisierende Strahlung erfordert strikte und sorgfältige Maßnahmen des Strahlenschutzes, deren Nichteinhaltung häufig lebenslange Erkrankung oder auch den Tod zur Folge hat. Über einer bestimmten Strahlungsdosis führt ionisierende Strahlung zu Verbrennungen, akuter Strahlenkrankheit und zum Tod. Bei geringerer Intensität kann sie z.B. Mutationen und Krebs verursachen. Ionisierende Strahlung tritt in sehr geringer Dosis als natürliche Hintergrundstrahlung auf. Diese besteht unter anderem aus der kosmischen Strahlung und der Strahlung radioaktiver Stoffe, die natürlich in der Erdkruste auftreten. Die derzeit messbare Hintergrundstrahlung liegt global über der natürlichen Hintergrundstrahlung, da durch technische Anwendungen, aber vor allem durch Atomwaffeneinsatz und Atomwaffenversuche Radionuklide weltweit in der Atmosphäre, an Land und im Wasser verteilt wurden. Das radioaktive Edelgas Radon, das vor allem aus Beton und Granit austreten kann, aber auch natürlich in der Erde vorkommt, und deshalb in Kellern häufig in höherer Konzentration zu finden ist, führt unter Umständen zu einer messbaren oder gar gefährlichen Strahlendosis. Durch Lüften kann aber die Konzentration ausreichend gesenkt werden. Aufgrund der Ausdünnung der Ozonschicht in der Stratosphäre trifft ein größerer Anteil der ultravioletten Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche und erfordert sorgfältigeren Sonnenschutz. Beispiele für ionisierende Strahlung sind:
- kosmische Strahlung, Partikel und Sekundärpartikel (nach Kollision mit der Atmosphäre), die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen
- Ionenstrahlung, Atomkerne, die sich schnell bewegen
- radioaktive Alphastrahlung, sich schnell bewegende Kerne des Edelgases Helium
- Betastrahlung, schnelle Elektronen und Positronen
- Gammastrahlung, elektromagnetische Wellen (Photonen) mit einer Photonenenergie von etwa einem Megaelektronenvolt MeV
- Röntgenstrahlung, elektromagnetische Wellen (Photonen) mit einer Photonenenergie von mehreren oder vielen Kiloelektronenvolt keV
- Ultraviolettes Licht, elektromagnetische Wellen (Photonen) mit einer Photonenenergie von über etwa 3,1 eV

Vorgänge beim Durchgang durch Materie

Strahlenarten
- delta-Elektronen: die bei der Ionisierung abgelösten Elektronen verfügen zumeist nicht über genug Energie, um selbst wieder ionisieren zu können; Kategorie:Kernphysik Kategorie:Teilchenphysik KAtegorie:Strahlenschutz ja:放射線

Kategorie:Ionisierende Strahlung

Kategorie:Physik

Teilchenstrahlung

Nach dem Welle-Teilchen-Dualismus kann Strahlung Teilchen- oder Wellencharakter haben. Von einem Teilchenstrahl oder auch veraltet von Korpuskularstrahlung wird gesprochen, wenn Strahlung während der Beobachtung Teilchencharakter hat, d. h. man kann beobachten, dass der Strahl aus einzeln messbaren Teilchen besteht. Licht z.B. kann als Teilchenstrahl (Fotoelektrischer Effekt) oder als Welle (Doppelspaltexperiment) beobachtet werden. Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Atomphysik Kategorie:Teilchenphysik

Ionisation

Ionisation ist der Vorgang, bei dem von einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen durch inelastische Elektronenstöße (E > 15 eV) entfernt werden. Dabei entsteht ein Ion. Der Umkehrvorgang, bei dem ein Elektron von einem Atom oder Molekül eingefangen wird, wird als Rekombination bezeichnet.

Mechanismen der Ionisation

Zur Ionisierung können verschiedene Prozesse führen: Zum einen kann der Einfall ionisierender Strahlung der Materie Elektronen entreißen und sie so ionisieren. Ionisation kann aber auch als Feldionisation in einem elektrischen Feld auftreten. Hoch angeregte Atome können auch durch Autoionisation selbstständig in einen ionisierten Zustand übergehen.
Bei Kollisionen von "schnellen" Elektronen, also solchen mit hoher kinetischer Energie mit einem Atom oder Molekül kann es ebenfalls zur Ionisation kommen (Elektronenstoßionisation).
Dieser Prozess findet in Gasentladungslampen und Thyratrons statt, wobei die geladenen Stoßpartner ihre Energie aus dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden beziehen.

Ionisationsenergien

Allen Ionisationsprozessen liegt zugrunde, dass zur Trennung des Elektrons vom Atomkern Energie aufgebracht werden muss (Ionisationsenergie). Im vorangegangenen Abschnitt wurden mögliche Quellen für diese Energie genannt. Ionisationsenergien liegen typischerweise in der Größenordnung mehrerer Elektronenvolt (Beispiel Argon im Grundzustand: 15,7 eV). Ionisationsenergien sind abhängig vom zu ionisierenden Material und dessen aktuellem Anregungszustand. So wird es zunehmend schwieriger, bereits ionisierte Atome oder Moleküle weiter zu ionisieren.

Plasma

Ein Stoff, insbesondere ein Gas, mit einem signifikanten Anteil ionisierter Teilchen nennt man ein Plasma. Nahezu die gesamte sichtbare Materie im Universum ist mehr oder weniger stark ionisiert.

Weblinks

- [http://www-amdis.iaea.org/GENIE/ Datenbank für Ionisationsenergien] Kategorie:Atomphysik

Atom

en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen.]] Das Atom (von griechisch άτομος, átomos - unteilbar, [unteilbare] Person) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben Plasma, aus dem die Sterne bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

Aufbau

Dunklen Materie Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10^-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10^-14 m). Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Der Atomkern besteht aus den sogenannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop ₁¹H – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius. Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10^-24 und 10^-22 g. Siehe auch: Mol, Periodensystem Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an. Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre. In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kern)e mit untereinander gleicher Zahl an Protonen bzw. Neutronen bezeichnet man als Nuklide. Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus. Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell ::Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden ::Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente ::Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons ::Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch nicht überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität ::Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie ::Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten ::Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkörperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begründung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der Brownschen Bewegung ::In der dritten Arbeit des „annus mirabilis“ erklärte der Physiker Albert Einstein die Brownsche Bewegung mit Hilfe der Atomhypothese. Damit wurde zum ersten Mal ein beobachtbares physikalisches Phänomen direkt aus Boltzmanns Theorie hergeleitet.
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente ::Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell ::Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs. Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell ::Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron ::Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie ::Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m
- c². 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Materie aus dem Nichts ::Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron (vgl. Paarbildung).
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung ::Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte, konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne ::Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen.
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor ::Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben, als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis ::Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg, eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen ::Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe ::Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1951 - Erwin Müler – das Feldionenmikroskop ::Müller gelingt mit der Konstruktion eines Feldionenmikroskopes erstmals die direkte Abbildung von Atomen auf einer Wolfram-Spitze.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe ::Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer ::Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks ::Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
- 1978 - Der Fusionreaktor ::Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat ::In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson ::Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie ::Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

Zitate

- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 255)

Literatur

- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch

- Atomabsorption
- Atombombe
- Atomkraft
- Atomwaffe
- Atomgewicht
- Elementarteilchen
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Kernmodell
- Kernreaktionen
- Liste von Mineralen
- Molekül
- Nebelkammer
- Quantenmechanik
- Quantenphysik
- Strahlenschutz
- Superatome
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchendetektor
- Teilchenquelle
- Wechselwirkung

Weblinks

Animationen

- Animationen der Atome aller Elemente: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html
- Animation eines Heliumatoms: http://www.purchon.com/chemistry/helium.htm

Sonstiges

- [http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id878.htm "Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome"] von Peter Rösch (P.M.)
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die verschiedenen Atommodelle] Kategorie:Atomphysik ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Molekül

Ein Molekül (älter auch: Molekel) ist ein Teilchen, das aus mindestens zwei zusammenhängenden Atomen besteht, welche durch kovalente Bindungen verbunden sind. Moleküle stellen die kleinsten Teilchen dar, die die Eigenschaften des zugrundeliegenden Stoffes haben. Es gibt Moleküle, die aus einem einzigen Element aufgebaut sind (O₂, N₂, P₄ u.v.m), die meisten Moleküle sind aber Verbindungen aus Nichtmetallen mit einem (oder mehr) weiteren Nichtmetallen oder Halbmetallen. Einen etwas größeren Verbund von gleichartigen Atomen nennt man Cluster.

Bindungsart in Molekülen

In Molekülen halten die verbundenen Atome über gemeinsame Elektronenpaare zusammen. Man nennt solche Bindungen auch Atombindung, Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung. Wenn auch die einzelnen Atome keine vollen Elementarladungen haben, also nicht als Ionen vorliegen, kann es durch unsymmetrisch verteilte Bindungselektronenpaare zu Teilladungen kommen. Man unterteilt deshalb die Atombindungen in:
- kovalente Bindung / unpolare Atombindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist 0. Diese Art der Bindung kommt genau genommen nur bei Elementmolekülen, d.h. bei Molekülen, die nur aus einer Atomart zusammen gesetzt sind, vor. Man fasst im weiteren Sinne allerdings auch Bindungen zwischen Atomen (z.B. zwischen C und H) als kovalente Bindungen auf, deren Differenz der Elektronegativität größer 0 und kleiner 0,4 ist.
- polare Bindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist größer 0,4 und kleiner 1,8.

Zwischenmolekulare Kräfte (sortiert nach abnehmender Stärke)

Zwischen den Molekülen können verschiedene Kräfte wirken, die sich zum Beispiel auf die Siede- und Schmelztemperatur und die Löslichkeitseigenschaften auswirken können.
- Wasserstoffbrückenbindung
- Dipol-Dipol-Kräfte
- van-der-Waals-Kräfte

Darstellung

Der Aufbau eines Moleküls kann auf verschiedene Arten beschrieben werden. Die Summenformel eignet sich für einfache Moleküle, insbesondere anorganische Moleküle, z.B. H₂O für Wasser oder NH₃ für Ammoniak. Sie enthält die Atomsymbole der im Molekül enthaltenen Elementsorten, deren Anzahl über einen Index (die tiefgestellte Zahl) angegeben ist. Die Wirkung von Intermolekularen Kräften ist auch bei kleineren Molekülen von der räumlichen Struktur der Moleküle abhängig. Zur Beschreibung dieser Struktur dient die VSEPR-Theorie. Bei komplexeren Molekülen, wie sie vor allem in der organischen Chemie vorkommen, liefert eine Summenformel oft keine ausreichende Beschreibung, da es verschiedene Moleküle mit der gleichen Summenformel (Isomere) geben kann. Deshalb wird dazu die Strukturformel verwendet, die den Aufbau graphisch darstellt. In einigen Fällen, spiegelbildlich gebauten Molekülen, den Enantiomeren, gibt auch die Strukturformel nicht ausreichend Aufschluss über die nach außen wirksame Struktur. Hier werden Fischer- und Haworth-Projektion verwendet. Bei hochkomplexen Molekülen wie Proteinen oder polymeren Kohlenhydraten spielt die räumliche Darstellung eine noch größere Rolle. Man versucht, räumliche Darstellungen über Farbgebung zu erreichen (Bsp.: Hämoglobin). Man spricht dann - je nach Ebene - von der Primärstruktur (bei Proteinen durch die Abfolge der Aminosäuren definiert), der Sekundärstruktur (Auffaltung zu einer Helix oder einem Faltblatt), der Tertiärstruktur (Auffaltung der Sekundärstruktur zu Kugeln oder Fasern ) und der Quartärstruktur. (siehe hierzu: Protein)

Siehe auch:

- Chemische Bindung
- Atombindung
- Ionenbindung
- Molekularphysik
- Molekülbaukasten
- Ölfleckversuch Kategorie:Chemie Kategorie:Genetik Kategorie:Atomphysik als:Molekül ja:分子 ko:분자 simple:Molecule th:โมเลกุล Kategorie:Chemie

Ionisation

Mechanismen der Ionisation

Ionisationsenergien

Plasma

Ein Stoff, insbesondere ein Gas, mit einem signifikanten Anteil ionisierter Teilchen nennt man ein Plasma. Nahezu die gesamte sichtbare Materie im Universum ist mehr oder weniger stark ionisiert.

Weblinks

- [http://www-amdis.iaea.org/GENIE/ Datenbank für Ionisationsenergien] Kategorie:Atomphysik

Strahlendosis

Strahlendosis ist ein Begriff aus dem Gebiet der medizinischen Strahlentherapie beziehungsweise des Strahlenschutzes, das heißt dem Schutz vor den Folgen ionisierender Strahlung. Man unterscheidet verschiedene Dosigrößen, z. B. Ionendosis (C/kg, alte Einheit Röntgen) oder - Gegenstand dieses Beitrags - Energiedosis (J/kg) und die für verschiedene Strahlenarten unterschiedlich radiologisch bewertete Energiedosis, z. B. Äquivalentdosis oder Effektive Dosis . Nach heutigen Empfehlungen ist die Energiedosis (D), die an ein bestimmtes Massenelement übertragene Energie (Energiedosis gemessen in Gy (Gray); 1Gy = 1J/kg) die Basisgröße und wird insbesondere in der medizinischen Strahlentherapie verwendet. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher biologischer Wirksamkeit werden (in der Strahlentherapie) Bewertungsfaktoren RBW-Faktoren) angewendet. Im Strahlenschutz hat man zur Berücksichtigung des für verschiedene Strahlenarten und für verschiedene Gewebearten unterschiedlichen Strahlenrisikos radiologisch bewertete Dosisgrößen definiert: 1) Zur Festlegung von Grenzwerten dient die Körperdosis in Form der Organdosis und derEffektiven Dosis, 2) Als Strahlenschutzmessgröße dient die Äquivalentdosis in Form der Umgebungsäquivalentdosis oder der Personendosis. Die gemeinsame Einheit aller radiologisch bewerteter Größen ist Sv (Sievert), wobei in vielen Fällen des praktischen Strahlenschutzes (bei Röntgen-, Gamma- Elektronenstrahlung) gilt 1 Gy = 1 Sv. Hintergrund: Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung (Röntgen 1895) und der Radioaktivität (Becquerel 1896) beobachtete man Wirkungen der ionisierenden Strahlung beim Menschen. Versuche, diese zur Therapie zu nutzen, ergaben nach zunächst wechselnden Erfolgen erst dann, als es gelang, die ionisierende Strahlung in definierter Stärke zu applizieren, reproduzierbare therapeutische Resultate. Dies kannte man bereits aus der medikamentösen Pharmakologie. Die Strahlendosis entsprach diesem pharmakologischen Konzept. Gemessen wurde aus praktischen Gründen die Ionenladung, die ionisierende Strahlung in Materie, typischerweise in Luft, erzeugt. Die Ionendosis, die pro Masse gebildete elektrische Ladung, ist eine rein physiklalisch messbare Größe. Da jeder Ionisierungsprozeß mit einem bestimmten Energieaufwand verknüpft ist, ist die Ionendosis proportional zu einer Energiedosis. Diese durch die ionisierende Strahlung in einem Massenelement deponierten Energie führt zum größten Teil zu einer Erwärmung des Körpers. Die Temperaturerhöhung ist messbar und in neuerer Zeit wird versucht, die Einheit der Energiedosis, 1 Gy = 1 J/kg durch kalorimetrische Messungen (Erwärmung von Wasser) darzustellen. Allerdings ist die Temperaturerhöhung sehr gering: Eine für den Menschen tödliche Dosis (~50 Gy) erzeugt in Wasser nur eine Temperaturerhöhung von ~0,01 K. Die besondere Wirkung der Strahlung wird durch die Ionisierung und die dadurch gebildeten freien Radikalen hervorgerufen. Da die Energiedosis eine geeignete Größe zur Abschätzung der direkten Wirkungen im Menschen ist (dterministische Strahlenschäden) ist sie bei großer Strahlendosis und damit insbesondere in der medizinischen Therapie die geeignete Dosisgröße. Man beachte, dass die Energiedosis von der chemischen Zusammensetzung des Massenelementes abhängt. Aus diesem Grunde wählt man als Bezugsmaterial z. B. eine gewebeähnliche elementare Zusammensetzung oder Wasser. Die für ein bestimmtes Bezugsmaterial ermittelte Energiedosis kann mit Hilfe von Korrektionsfaktoren in die Energiedosis für ein anderes Material umgerechnet werden. Für Messungen verwendet man die Äquivalentdosis (H), :

D = \frac

K = Strahlenkonstante des betreffenden Nuklids, a = Aktivität desselben
- Die Dosis steigt proportional zur Zeit (t) und sinkt quadratisch mit dem Abstand (r)
- Die Dosisleistung (auch "Dosisrate" genannt) gibt die Erhöhung der Dosis je Zeiteinheit an: Dosisleistung = Dosis/Zeit (in mSv/h)
Bewertung der Strahlenbelastung von außen
Grundsätzlich ist zu betonen, dass eine untere Strahlenbelastung, die zu keiner (auch keiner langfristigen) Wirkung führt, nicht bekannt ist. Erfahrungswerte leiten sich ab aus
- den Folgen der Atombomben-Explosionen von Hiroshima und Nagasaki, die bei Äquivalentdosen zwischen zwei und zehn Sievert einen linearen Zusammenhang mit der Krebshäufigkeit erkennen ließ
- den Folgen der Atomversuche der USA in Nevada in den 1960er Jahren
- den Erfahrungen mit der Auswirkung so genannter "natürlicher" Strahlenbelastungen (kosmische Strahlung, Gesteinsstrahlung)
- den Erfahrungen mit der Strahlentherapie. Abgesehen von langfristigen (stochastischen) Wirkungen, die sich langfristig in einem Anstieg der Krebsrate äußern, führen starke Dosen unmittelbar zur so genannten Strahlenkrankheit. Die nachfolgende Tabelle führt die Wirkungen der Strahlenkrankheit auf, weiter unten wird das Krebsrisiko behandelt.
Dosiswerte (in Sv) und ihre Folgen
siehe auch Strahlenkrankheit Genaugenommen werden hier nur so genannte Ganzkörperdosen betrachtet, das heißt, die Einwirkung erfolgt auf den ganzen Körper. Die Teilkörperdosen kann man so generell nicht angeben, da es von dem betroffenen Körperteil abhängig ist.
Strahlenbelastung und Strahlenschutz
(Dosisangaben in Millisievert) Definitionen: ; bsp : beruflich strahlenexponierte Person ; nbs : nichtberuflich strahlenexponierte Person
- Die kosmische Strahlung variiert mit der geographischen Breite
Krebsrisiko
Für stochastische (nicht streng determinierte, zufallsbehaftete) Strahlenschäden gilt:
- es gibt keinen unteren Schwellenwert, andererseits führen auch sehr hohe Dosen nicht sicher zu Schädigungen (Analogie: das Rauchen)
- je höher die Dosis desto größer das Risiko, und zwar : - für das Auftreten tödlicher Krebserkrankungen: 5% je Sievert : - für das Auftreten schwerer Erbschäden: 1% je Sievert Durchschnittliches Krebsrisiko in Deutschland: 27% (Männer), 23,5% (Frauen) Siehe auch Strahlenkrankheit
Alte Einheiten
Die Strahlendosis wird in verschiedenen Einheiten angegeben, wobei im allgemeinen gilt: 100 rad = 100 rem = 1 Gy = 1 Sv rad und rem sind alte Bezeichnungen und durch Gy (Gray) und Sv (Sievert) ersetzt.
Andere Lebewesen und Viren
Diese unterscheiden sich stark in ihrer Empfindlichkeit gegenüber ionisierenden Strahlen, wie aus folgenden LD₅₀-Werten (hier: in Gy, da Bewertungsfaktoren nicht anwendbar) abzulesen ist:
- Ratte: 6 Gy
- Staphylococcus: 35 Gy
- Escherichia coli (Darmbakterium): 50 Gy
- Herpesviren: 2500 Gy
- Micrococcus radiodurans: 18000 Gy
Weblinks

- [http://linus.rad.rwth-aachen.de/lernprogramm/stra.htm Dosisbegriffe und Strahlenschutz]
- [http://www.strahlentherapie.uni-bonn.de/strahlen_info.htm Wissenswertes zum Strahlenschutz mit ionisierender Strahlung]
- [http://www.energie-fakten.de/hiroshima-nagasaki.html Biologische Wirkungen ionisierender Strahlung und die Befunde von Hiroshima und Nagasaki] Kategorie:Kernenergie Kategorie:Kernphysik Kategorie:Strahlenschutz Kategorie:Strahlentherapie

Intensität

Neben der umgangssprachlichen Bedeutung des Wortes bezeichnet die Intensität:
- in der Physik die Energie pro Zeit und Fläche. Siehe Intensität (Physik)
- in der Soziologie eine Eigenschaft sozialer Konflikte. Siehe Intensität (Soziologie) ja:放射強度

Strahlenkrankheit

Die Strahlenkrankheit tritt nach akuter Bestrahlung des menschlichen Organismus durch harte Strahlung wie Röntgen- oder Gammastrahlung auf. In der Vergangenheit wurde sie häufig nach Strahlungsunfällen oder der Explosion einer Atombombe festgestellt. Die Strahlendosis bzw. Äquivalentdosis entscheidet über die Überlebenschancen. Sie wird in Gray (Gy) bzw. Sievert (Sv) angegeben. Die Äquivalentdosis, der ein Mensch durchschnittlich im Jahr durch Umwelteinflüsse sowie durch medizinische Untersuchungen ausgesetzt ist, beträgt etwa 2,5 mSv. Generell gilt für die Symptome der Strahlenkrankheit, dass je höher die Dosis:
- desto schwerwiegender sind die Auswirkungen,
- desto schneller treten die Syptome auf,
- desto länger die Erholungsphase,
- desto länger die Krankheit,
- desto geringer werden die Überlebenschancen.

Symptome

Anmerkung: Die Symptome unterscheiden sich in verschiedenen Public Domain-Dokumenten, da sie nicht experimentell am Menschen "erprobt" sind. Die unten angegebenen Werte beziehen sich auf die Ganzkörperdosis verursacht durch Röntgen- oder Gammastrahlen. Sie wurden aufgrund der Folgen von Atombombenabwürfen und anderen Ereignissen statistisch ermittelt. Für örtliche Verletzungen und Inkorporation (medizinisch) gelten andere Werte und andere Symptome.

0,05 bis 0,2 Sv

Wahrscheinliche angenommene Spätfolgen: Krebs, Erbgutveränderung
0,2 bis 0,5 Sv
keine Symptome; nur klinisch feststellbare Reduzierung der roten Blutkörperchen
0,5 bis 1 Sv
leichter Strahlenkater mit Kopfschmerzen und erhöhtem Infektionsrisiko. Temporäre Sterilität beim Mann ist möglich.
1 bis 2 Sv; leichte Strahlenkrankheit
10% Todesfälle nach 30 Tagen (Letale Dosis 10/30). Die typischen Symptome sind leichte bis mittlere Übelkeit (50% wahrscheinlich bei 2 Sv), mit gelegentlichem Erbrechen, beginnend innerhalb von 3-6 Stunden nach der Bestrahlung, und einige Stunden bis zu einem Tag andauernd. Dem folgt eine Erholungsphase, in der die Symptome abklingen. Leichte Symptome kehren nach 10-14 Tagen zurück. Diese Symptome dauern etwa 4 Wochen an und bestehen aus Appetitlosigkeit (50% wahrscheinlich bei 1,5 Sv), Unwohlsein und Ermüdung (50% wahrscheinlich bei 2 Sv). Die Genesung von anderen Verletzungen ist beeinträchtigt und es besteht ein erhöhtes Infektionsrisiko. Temporäre Unfruchtbarkeit beim Mann ist die Regel.
2 bis 3 Sv; schwere Strahlenkrankheit
35% Todesfälle nach 30 Tagen (LD 35/30). Erkrankungen nehmen stark zu und eine signifikante Sterblichkeit setzt ein. Übelkeit ist die Regel (100% bei 3 Sv), das Auftreten von Erbrechen erreicht 50% bei 2,8 Sv. Das Auftreten der Anfangssymptome beginnt innerhalb von 1-6 Stunden und dauert 1-2 Tage. Danach setzt eine 7-14 tägige Erholungsphase ein. Wenn diese vorüber ist, treten folgende Symptome auf: Haarausfall am ganzen Körper (50% wahrscheinlich bei 3 Sv), Unwohlsein und Ermüdung. Der Verlust von weißen Blutkörperchen ist massiv und das Infektionsrisiko steigt rapide an. Bei Frauen beginnt das Auftreten permanenter Sterilität. Die Genesung dauert einen bis mehrere Monate.
3 bis 4 Sv; schwere Strahlenkrankheit
50% Todesfälle nach 30 Tagen (LD 50/30) Nach der Erholungsphase treten zusätzlich folgende Symptome auf: Durchfall (50% wahrscheinlich bei 3,5 Sv), und unkontrollierte Blutungen im Mund, unter der Haut und den Nieren (50% wahrscheinlich bei 4 Sv).
4 bis 6 Sv; akute Strahlenkrankheit
60% Todesfälle nach 30 Tagen (LD 60/30). Die Sterblichkeit erhöht sich schrittweise von ca. 50% bei 4,5 Sv bis zu 90% bei 6 Sv (solange keine massivste medizinische Intensivversorgung zur Anwendung kommt). Das Auftreten der Anfangssymptome beginnt innerhalb einer halben bis 2 Stunden und dauert bis zu 2 Tagen. Danach setzt eine 7-14 tägige Erholungsphase ein. Wenn diese vorüber ist, treten im Allgemeinen und verstärkt die gleichen Symptome wie bei 3 bis 4 Sv auf. Bei Frauen ist das Auftreten permanenter Unfruchtbarkeit die Regel. Die Genesung dauert mehrere Monate bis zu einem Jahr. Wenn der Tod in der Regel 2-12 Wochen nach der Bestrahlung eintritt, so sind die Todesursachen Infektionen und Blutungen.
6 bis 10 Sv; akute Strahlenkrankheit
100% Todesfälle nach 14 Tagen (LD 100/14). Die Überlebenschance kommt auf den Einsatz medizinischer Intensivversorgung an. Das Knochenmark ist nahezu oder vollständig zerstört und Knochenmarkstransplantationen sind erforderlich. Das Magen- und Darmgewebe ist schwer geschädigt. Das Auftreten der Anfangssymptome beginnt innerhalb von 15 bis 30 Minuten und dauert bis zu 2 Tage. Danach setzt eine 5-10 tägige Erholungsphase ein. Die Endphase endet mit dem Eintritt des Todes durch Infektionen und innere Blutungen. Falls eine Genesung eintritt dauert sie mehrere Jahre und wird wahrscheinlich nie vollständig erfolgen.
10 bis 20 Sv; akute Strahlenkrankheit
100% Todesfälle nach 7 Tagen (LD 100/7). Diese hohe Dosis führt zu spontanen Symptomen innerhalb von 5 bis 30 Minuten. Nach der sofortigen Übelkeit durch die direkte Aktivierung der Chemorezeptoren im Gehirn und einer starken Schwäche folgt eine mehrtägige Phase des Wohlbefindens, die als Walking-Ghost-Phase bezeichnet wird. Danach erfolgt die Sterbephase mit raschem Zelltod im Magen-Darmtrakt, welcher zu massivem Durchfall, Darmblutungen und Wasserverlust, sowie der Störung des Elektrolythaushalts führt. Der Tod tritt mit Fieberdelirien und Koma durch Kreislaufversagen ein. Eine Therapie besteht nur noch aus dem Stillen der Schmerzen.
20 bis 50 Sv; akute Strahlenkrankheit
100% Todesfälle nach 3 Tagen (LD 100/3). ansonsten wie bei "10 bis 20 Sv"
über 50 Sv
Sofortige Desorientierung und Koma innerhalb von Sekunden oder Minuten. Der Tod tritt in wenigen Stunden durch völliges Versagen des Nervensystems ein.
über 80 Sv
Die US-Streitkräfte rechnen bei einer Dosis von 80 Sv schneller Neutronenstrahlung mit einem sofortigen Eintritt des Todes.
Therapie
Zunächst erfolgt eine Dekontamination (Entfernung der radioaktiven Substanzen) im Patienten. Danach werden die hämatologischen Schäden (Schäden im Blut) behoben. Dies geschieht durch Bluttransfusionen oder Knochenmarkstransplantationen. Oftmals wird durch Vitaminpräparate auch versucht die Blutregeneration anzuregen. Weiterhin muss ein Ausgleichen des Flüssigkeits- u. Elektrolytverlustes stattfinden. Wichtig ist auch das Beheben von Hautschäden, da der Körper nach der Bestrahlung besonders infektionsanfällig ist. Aus diesem Grund findet oft eine Begleittherapie mit Antibiotika statt. Kategorie:Strahlenschutz Kategorie:Krankheit ja:被曝

Krebs (Medizin)

Unter Krebs versteht man das unkontrollierte Wachstum von Körperzellen, die dabei gesundes Gewebe verdrängen oder zerstören. Jedes Organ des menschlichen Körpers kann von Krebs befallen werden. Krebs ist nach den Herz-Kreislauf-Erkrankungen die zweithäufigste Todesursache in Deutschland. Dennoch ist nicht jeder Krebsverlauf tödlich, falls rechtzeitig eine Therapie begonnen wird, oder der Krebs erst in hohem Lebensalter auftritt und langsam wächst. Die derzeitige Heilungsrate bei allen Krebserkrankungen beträgt durchschnittlich 30 bis 40 Prozent. Als geheilt wird in der Onkologie ein Patient bezeichnet, der mindestens fünf Jahre lang ohne Rückfall (Rezidiv) überlebt. Diese Definition von geheilt ist problematisch, weil viele der Rückfälle erst nach fünf Jahren erfolgen. Es fließen mithin viele Patienten in die Krebs-Erfolgsstatistik ein, die später an Krebs sterben (Vgl. Krebsatlas). Man sollte stets im Gedächtnis behalten, dass Krebs nicht gleich Krebs ist - und "Krebs" bedeutet auch nicht zwangsläufig "Todesurteil". Es sind rund hundert Krebserkrankungen bekannt, die sich in Überlebenschance, Behandlungsmöglichkeiten und der Bildung von Metastasen teilweise stark unterscheiden. Die meisten Krebserkrankungen nehmen an Häufigkeit im Alter deutlich zu, so dass man Krebs auch als eine degenerative Alterserkrankung des Zellwachstums ansehen kann. Neben dem Alter sind das Rauchen, andere karzinogene Noxen, familiäre Disposition (Veranlagung) und Virusinfektionen die Hauptursachen für Krebserkrankungen. Durch Krebsvorbeugung und Früherkennung kann das Krebsrisiko unter bestimmten Umständen (abhängig vom Diagnosezeitpunkt, der Krebsart und einem dafür optimalen Alter des Patienten) deutlich verringert werden.

Namensgeschichte

Der Name Krebs wurde Galenus zufolge durch die Ähnlichkeit der geschwollenen Venen eines äußeren Tumors mit Krebsbeinen inspiriert (siehe Krankheit als Metapher). Zuvor verwendete Aristoteles den Begriff "Krebs" vermutlich als erster, als er damit oberflächlich feststellbare, in benachbarte Organe infiltrierende und einwachsende Geschwulste beschrieb (z.B. fortgeschrittener Hautkrebs oder Brustkrebs). In der Bibel wird Krebs auch erwähnt: Paulus warnt vor ketzerischen Widersachern, deren Worte "um sich fressen wie der Krebs" (2. Timotheusbrief, 2:17).

Krebsentstehung

Bei Krebszellen ist diese gegenseitige Abstimmung und Beeinflussung im Zellverband außer Kraft gesetzt. Krebszellen teilen sich unkontrolliert immer weiter, obwohl keine Notwendigkeit mehr dazu besteht. Die Bremssignale des Gesamtsystems an die Tumorzellen werden nicht mehr erkannt und befolgt, da sie den genetischen Code für den Informationsempfang verloren oder abgeschaltet haben. Das Immunsystem des Gesamtorganismus versucht die unkontrolliert wachsenden Zellen zu attackieren. Da sie in vieler Hinsicht aber noch normalen Körperzellen ähneln, fallen die Abwehrmechanismen zu schwach aus, um den sinnlosen Wachstumsprozess zu stoppen. Aus einem örtlich begrenzten Tumor entsteht ein Tumor, der Gewebsgrenzen durchdringen kann, in andere Organe einwuchert und sich selbst mittels Angiogenese sogar neue Blutgefäße bildet.

Mehrstufenmodell

Einige heutige Ansichten über Krebs gehen von einem Mehrstufenmodell der Krebsentstehung aus. Das ältere so genannte Dreistufenmodell gliedert sich dabei in die Phasen der Initiation, Promotion und der Progression. Nach einer Jahre bzw. Jahrzehnte dauernden Latenzphase zwischen dem initialen DNA-Schaden, also der Transformation einer einzelnen Zelle, kommt es erst zum nachweisbaren Tumor. Problematisch am Mehrstufenmodell ist, dass die Begrifflichkeiten Initiation, Promotion und Progression lediglich beschreiben und nicht die Ursache erklären. Zudem sind etwa Promotion und Progression in der Praxis leider nicht scharf von einander abgrenzbar. Bis zu zehn verschiedene Mutationen müssen erfolgt sein. Einige dieser notwendigen Mutationen können vererbt werden, was erklärt, dass auch sehr kleine Kinder an Krebs erkranken können und dass Krebs in so genannten "Krebsfamilien" gehäuft auftreten kann. Ein typisches Beispiel dafür ist das vererbbare Xeroderma pigmentosum. Bei nahen Verwandten von Patientinnen mit Brustkrebs ist die Wahrscheinlichkeit, Brustkrebs zu bekommen doppelt so hoch wie in der übrigen Bevölkerung. In den dazwischenliegenden Schritten der Tumorentstehung (Promotion und Progression) spielen nichtgenotoxische Prozesse eine große Rolle, was Beobachter dazu verleiten könnte, diese Einflüsse als eigentliche "Krebserreger" einzustufen. Die eigentliche Malignität (bei malignen Tumoren) der entarteten Zelle wird in der Phase der Progression erreicht. In jüngerer Zeit wird statt des klassischen Dreistufenmodells von einem komplexen Mehrstufenmodell gesprochen (das nur zum Teil verstanden ist) und die Begriffe Promotion und Progression werden zunehmend vom Begriff der Co-Carcinogenese ersetzt. Bemerkenswert ist Henrietta Lacks, die 1951 an einem bösartigen Gebärmutterhalskrebs starb. Vor ihrem Tod wurden ihr Gewebsproben entnommen und die so genannte HeLa-Zelllinie entstand. Die Tumorzellen leben also seit mehr als fünfzig Jahren unter Laborbedingungen.[http://www.jhu.edu/~jhumag/0400web/01.html]

Historische Annahmen

1902 schrieb John Beard, dass Krebszellen trophoblastischen Embryonalzellen glichen. Zu Beginn einer Schwangerschaft sorgten diese Zellen dafür, dass sich der Embryo in der Gebärmutter einnisten könne. Das Wachstum sei aggressiv und chaotisch. Die Zellen teilten sich schnell und gewännen ihre Energie aus der Zuckergärung. Sie unterdrückten das Immunsystem der Mutter und produzierten humanes Choriongonadotropin hCG, das mittlerweile als Tumormarker anerkannt ist. Die Wucherung stoppt erst, wenn der Embryo ab 7. Woche Pankreasenzyme erzeugt. Ohne diese Enzyme entstünde der bösartigste Tumor, das Chorioncarcinom. Dass Krebstumoren Energie aus der Zuckergärung gewännen (d.h. der Tumor würde anaerob leben), ist die Basis für viele überholte Behandlungsmethoden. Im Jahr 1908 entdeckten Ellermann und Bang ein Virus, das Leukämie in Hühnern verursachte. Peyton Rous war es dann, der 1911 aus einem Muskeltumor mit der sehr hohen Filterfeinheit von 120 Nanometern einen Extrakt herausfilterte, mit dem er wieder Krebs erzeugen konnte. Er vermutete in diesem Extrakt ein Virus. 1966 erhielt Rous für diese Entdeckung des Rous Sarkom-Virus RSV den Nobelpreis.

Theorien zu Krebsauslösern

Krebserregend seien, entsprechend der oben beschriebenen Theorie vor allem Einflüsse, die das Erbgut verändern. Besonders empfindlich dafür ist die Zelle während der Zellteilung; daher sind Zellen, die sich schnell teilen, besonders anfällig. Auch Einflüsse, die das Immunsystem daran hindern, entartete Zellen zu erkennen und zu beseitigen, gelten als krebsfördernd. Besonders gefährlich sind demnach:
- ionisierende Strahlung wie ultraviolettes Licht, Röntgen- oder Gammastrahlung
- mutagene Chemikalien. Die wichtigsten sind größere Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe, Benzol, Chrom(VI)-Verbindungen.

Einordnung der Krebsarten

Krebstumore unterscheiden sich von gutartigen (benignen) Tumoren durch drei Kennzeichen: Sie wachsen
- infiltrierend: die Tumorzellen überschreiten Gewebegrenzen und wachsen in benachbartes Gewebe ein
- destruierend: sie zerstören dabei umliegendes Gewebe
- metastasierend: sie siedeln via Blut- und Lymphgefäßen oder sie bilden durch Abtropfung Tochtergeschwulste - so genannte Metastasen.

Klassierung

Daneben werden noch semimaligne Tumore und Präkanzerosen unterschieden. Semimaligne Tumoren erfüllen nur zwei der genannten Kriterien, Präkanzerosen sind entartetes Gewebe, welches sich mit hoher Wahrscheinlichkeit zu malignen Tumoren entdifferenziert, aber noch nicht infiltrierend und metastasierend gewachsen ist. Der häufigste semimaligne Tumor ist das Basaliom, ein Tumor der Basallzellschicht vor allem der sonnenexponierten Haut, der infiltrierend und destruierend wächst, allerdings nicht metastasiert. Unbehandelt kann der Tumor das gesamte Gesicht einschließlich der Gesichtsknochen zerstören. Die weitaus häufigste Präkanzerose ist die zervikale intraepitheliale Neoplasie, eine Wucherung des Gebärmutterhalses, deren Zellen zellbiologisch Zeichen der Malignität aufweisen, allerdings vom Gewebe her noch nicht infiltriert, destruiert oder metastasiert haben. Zur Vorsorge wird Frauen der jährliche Gebärmutterabstrich nach Papanicolaou, auch PAP-Abstrich genannt, empfohlen, da Präkanzerosen sich deutlich besser behandeln lassen.

Gewebeherkunft

Krebstumoren werden nach dem Typ des entarteten Gewebes klassifiziert. Den weitaus größten Teil aller Krebserkrankungen machen Karzinome aus, also Tumore, die von Epithel ausgehen. Diese werden nochmals differenziert in Plattenepithel- oder squamöse Karzinome, die sich von verhornter und unverhornter (Schleim-)Haut ableiten, und Adenokarzinome, welche sich vom Drüsenepithel ableiten und je nach Ursprung und Aufbau weiter differenziert werden. Eine weitere große Gruppe sind die hämatologischen Krebsformen des Blutes und der blutbildenden Organe, die sich in Leukämien und Lymphome, auch "Lymphdrüsenkrebs" genannt, unterteilen lassen . Daneben gibt es seltenere bösartige Tumoren, wie die vom Stütz- und Bindegewebe ausgehenden Sarkome, neuroendokrine Tumoren wie das Karzinoid oder von embryonalem Gewebe ausgehende Teratome (vor allem der Keimdrüsen).

Statistik

In Deutschland erkranken etwa 395.000 Menschen jährlich an Krebs, davon rund 195.000 Frauen und 200.000 Männer. Die meisten Fälle treten im Alter von über 60 Jahren auf. Die unter 60-jährigen machen mit etwa 107.000 Fällen nur rund ein Viertel der Krebs-Neuerkrankungen aus. Jedes Jahr erkranken in Deutschland rund 1.750 Kinder unter 15 Jahren an Krebs. Am häufigsten werden in dieser Altersgruppe Leukämien, Tumore des Gehirns und des Rückenmarks sowie Lymphknotenkrebs diagnostiziert. Im Durchschnitt werden derzeit etwa 30 % aller Krebspatienten von ihrer Krankheit geheilt. Von allen Krebsheilungen werden ca. 90 % ausschließlich durch die lokal auf die Tumorregion gerichtete, sogenannte lokoregionäre Behandlung, also durch Operation und Strahlentherapie (»Stahl und Strahl«) erreicht. Sehr selten gibt es auch Spontanremissionen. Als Spontanremission bezeichnet man ein komplettes oder teilweises Verschwinden eines bösartigen Tumors in Abwesenheit aller Behandlungen oder mit Behandlungen, für die bisher kein Wirksamkeitsnachweis geführt werden konnte. Allerdings liegt die Wahrscheinlichkeit solcher Spontanremissionen unter der Wahrscheinlichkeit einer Fehldiagnose.

Vergleich der diagnostizierten und der tödlichen Krebserkrankungen

Zahlen mit Stand: 2000 (Quelle: [http://www.rki.de/cln_006/nn_226928/DE/Content/GBE/DachdokKrebs/KrebsDownloads/kid2004__,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/kid2004_ Broschüre »Krebs in Deutschland« der Arbeitsgemeinschaft Bevölkerungsbezogener Krebsregister in Deutschland])

Krebshäufungen bei bestimmten Berufen

Behandlungsmöglichkeiten

- Operation: operative Entfernung des Tumors und benachbarter Lymphknoten.
- Strahlentherapie
- mit radioaktiven Stoffen
- durch radioaktives Iod (Schilddrüse nimmt aktiv Iod auf)
- mit Röntgenstrahlen
- mit Protonentherapie (Bestrahlung mit Protonen, die den Tumor umgebendes Gewebe schont)
- mit Mikrowellen (Aufheizung des betroffenen Gewebes)
- Medikamentenbehandlung
- mit Zytostatika (»Chemotherapie«); die Krebszellen werden an der Vermehrung gehindert bzw. gestoppt
- Hormontherapie, z. B. Testosteronentzug beim Prostatakarzinom
- Hemmung des Blutgefäßwachstums (Krebsgewebe lockt Blutgefäße an, in Richtung des Krebsgewebes zu wachsen, um es zu versorgen.)
- Immuntherapie (Steigerung der Immunantwort auf die Tumorzellen) [http://www.kimt.de/ Immunologische Krebs-Therapie ]
- Palliative Behandlung bzw. Förderung der Lebensqualität
- Gabe von Schmerzmitteln
- Besserung des Allgemeinbefindens durch Schmerzbehandlung
- Ausreichende Ernährung
- Hemmung des Knochenabbaues
- Steigerung der Blutbildung im Knochenmark
- Symptomatische Behandlungen z. B. Aufdehnung von Stenosen durch Bougierung oder Einlage von Stents
- Physiotherapie (speziell Atemtherapie bei Lungenkrebs)
- Alternative Behandlungsmethoden, unter anderem die Mistel-Therapie oder B17-Therapie. Beide sind umstritten. Tatsache ist aber, dass viele erfolgreiche Zytostatika (wie Vincristin) ursprünglich in Pflanzen gefunden wurden. Diese Zytostatika sind aber hochrein und hochkonzentriert und deshalb nicht mit "Kräutertee" oder ähnlichem zu vergleichen. Die unbefriedigende Heilungsrate bei bestimmten Tumorerkrankungen und die Nebenwirkungen der etablierten Behandlungmethoden lösen oft Ängste und Verzweiflung bei den Betroffenen und deren Angehörigen aus. Dies führt unter Umständen zur Hinwendung zu unkonventionellen Behandlungsarten, denen in vielen Fällen der Nachweis der Wirksamkeit fehlt, und deren Grundlagen meist einer naturwissenschaftlichen Überprüfung nicht standhalten. Einige von ihnen werden als »Wunderheilung« abgelehnt, andere hingegen als ergänzende Therapieverfahren auch von der Schulmedizin akzeptiert. Auch wenn - leider häufig - eine vollständige Heilung nicht erreicht werden kann, ist in Betracht zu ziehen, dass bei einem 75jährigen Krebspatienten eine Lebenszeitverlängerung von 1 oder 2 Jahren schon als ein sehr gutes Resultat zu betrachten ist (ältere Krebspatienten sterben oft an etwas anderem als am Krebs selber), während bei einer 45jährigen Brustkrebspatientin erst eine 10jährige Rückfallfreiheit als "sehr gut" bewertet wird - denn sie hat einen großen Teil ihres Lebens noch vor sich.

Grenzen der Behandlungsmethoden

Die derzeitige Heilungsrate bei Krebs liegt bei ca. 30 – 40 Prozent, wenn man alle verschiedenen Krebserkrankungen zusammenfasst. Solange eine Krebskrankheit örtlich begrenzt bleibt, sind die Heilungschancen besser, als wenn der Tumor sich bereits in mehreren Organen des Körpers ausgebreitet hat (z.B. Lungenkrebs metastasiert sehr schnell, während Prostatakrebs dies seltener tut). Die Schwierigkeit vieler Krebserkrankungen liegt allerdings darin, dass sie sehr spät erkannt werden - ein Tumor kann schon ab einem Volumen von unter 1 ml Metastasen produzieren, aber z.B. Brustkrebs kann mittels Selbstabtastung durch einen Laien erst ab dieser Größe erkannt werden. Ein Problem stellt mitunter die anatomische Zugänglichkeit der Tumoren für eine operative Entfernung dar, beispielsweise an der Speiseröhre. Auch sind die Symptome nicht immer leicht zu erkennen oder treten erst in fortgeschrittenem Stadium auf, weshalb Bauchspeicheldrüsenkrebs oftmals sehr spät erkannt wird. Krebskranke haben äußerst unterschiedliche Überlebenschancen - siehe die Aufstellung oben. Faktoren, die dazu beitragen sind
- findet Früherkennung statt? :- der Tumor muss bis auf eine gewisse Größe anwachsen, bis er vom Laien erkannt wird (etwa Brustkrebs)
- verschleppt der Patient die Erkrankung und geht erst spät zum Arzt? :- etwa bei untypischen Symptomen, wie etwa chronischer Husten bei Rauchern
- metastasiert der Tumor schnell? :- die Gefährlichkeit etwa des Lungenkrebses ist in der Tat die schnelle Metastasenbildung
- spricht der Tumor auf die Chemotherapie an? :- je nach Ursprungsgewebe des Tumors sind gewisse Wirkstoffklassen völlig oder fast unwirksam
- kann der Tumor überhaupt operiert werden? :- Eingriffe wie Entfernung eines Lungenbeutels kann die Überlebensquote der Patienten drastisch senken, also versucht man solche Operationen zu vermeiden

Krebsvorbeugung

Es sind nicht alle Faktoren bekannt, die die Krebsentstehung fördern oder hemmen. Um das Risiko einer Krebserkrankung zu vermindern, sollte ein Aussetzen des Körpers mit kanzerogenen Stoffen vermieden werden.

Früherkennung

Bei den meisten Krebserkrankungen ist die Früherkennung wichtig. Nur selten, wie beispielsweise beim Lungenkrebs, ist die Früherkennung bislang ineffektiv. Die Früherkennung ist primär Aufgabe jedes Menschen und nicht bloß des Arztes. Unbehandelt wächst der maligne Tumor solange, bis das Organ bzw. der Körper zerstört ist. Da die Gefahr einer Krebserkrankung für eine Bevölkerung schwankt und u. a. von neu aufkommenden Umweltgiften abhängt oder von der Eliminierung solcher Gifte durch Umweltschutzgesetze, sowie durch das Ernährungsverhalten und der Bereitschaft, sich vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen, aber auch durch das Sexualverhalten (Durchseuchung einer Bevölkerung mit möglicherweise krebserregenden Viren), muss für jede Generation und jedes Land immer aufs Neue das individuelle Krebsrisiko bestimmt werden. Je eher ein Krebs erkannt wird, desto besser die Heilungsaussichten. Es ließen sich mehr Krebskrankheiten heilen, wenn sie früher erkannt würden. Aber nicht jede Früherkennung bietet nur Vorteile (siehe auch Screening). Man tauscht ein Risiko gegen ein Bündel anderer Risiken, wie falsch-positive Befunde. Für Männer sind regelmäßige Untersuchungen des Arztes auf Blut im Stuhl und das Abtasten der Prostata wichtig, für Frauen ein Abstrich vom Gebärmutterhals (systematische Früherkennungsuntersuchung auf Gebärmutterhalskrebs) und Mammographie-Vorsorgeuntersuchungen (über 50 Jahren), wobei der in absoluten Zahlen geringe Nutzen der Mammographie mit dem Arzt besprochen sein sollte. Viele Krebserkrankungen werden vom Patienten selbst aufgrund von Veränderungen erkannt. Ein Arztbesuch ist empfehlenswert bei:
- ungewöhnlichen Schwellungen; Wunden, die nicht abheilen; Veränderung der Form, Größe oder Farbe eines Hautmal oder abnorme Blutungen
- chronischer Husten oder anhaltende Heiserkeit, eine Veränderung beim Stuhlgang oder beim Urinieren, oder einen unerklärlichen Gewichtsverlust
- Veränderungen beim regelmäßigen Abtasten der Brüste feststellen. Jede dieser Selbstuntersuchungen sind mit einem recht großen Fehlerrisiko behaftet. Knötchen in der Brust können gut harmlos sein, und andererseits können Laien bösartige Brusttumoren erst ertasten, wenn sie schon 1 ml Volumen haben - und mit großer Wahrscheinlichkeit schon metastasiert haben.

Anlaufstellen

- [http://www.krebsgesellschaft.de/ Deutsche Krebsgesellschaft e.V.]
- Der kostenlose und neutrale [http://www.krebsinformation.de/ Krebsinformationsdienst KID] des DKFZ in Heidelberg
- [http://www.krebshilfe.de/ Deutsche Krebshilfe e.V.]
- [http://www.krebsliga.ch/ Krebsliga Schweiz]
- [http://www.krebs-kompass.de/ Krebs-Kompass]

Literatur

Wissenschaftliche Literatur

- Krebs in Deutschland, Häufigkeiten und Trends, 4.Auflage 2004, herausgebeben von der Arbeitsgemeinschaft Bevölkerungsbezogener Krebsregister in Deutschland, Saarbrücken ( = Krebsatlas)
- Onkologie für Pflegeberufe, hrsg. v. Agnes Glaus, Walter F. Jungi u. Hans-Jörg Senn, Thieme flexible Taschenbücher, ISBN 3-13-620305-4. Sehr breite und vertiefte Übersicht über Krebserkrankungen; zum großen Teil auch für Laien verständlich.
- Checkliste Onkologie, Reihe begr. v. Felix Largiader, Alexander Sturm u.Otto Wicki; Von Hans-Jörg Senn, Peter Drings, Agnes Glaus, ISBN 3-13-685505-1
- The China Study, T. Colin Campbell PhD, ISBN 1-93-210038-5. Wissenschaftliche Studien zum Zusammenhang zwischen Ernährung und Krankheiten, besonders auch Krebs werden hier "populärwissenschaftlich" vorgestellt. Der Autor hat selbst einige Studien zu diesem Thema geleitet (z.B. die vermutlich größte Studie auf diesem Sektor, nämlich eben die China Study) und zeigt Zusammenhänge auf, welche in der Öffentlichkeit kaum bekannt sind. (englisch)

Sachbücher ohne wissenschaftlichen Anspruch

- Stamatiadis-Smidt, Zur Hausen (Hrsg): Thema Krebs. Fragen und Antworten DKFZ KID. Springer, Berlin. 440 Seiten. Neuauflage 1998 von Stamatiadis-Smidt, Sellschopp (1993). ISBN 3-540-64353-2 .
- Gisela Friebel: Gesundheit fast zum Nulltarif ISBN 3929960060
- Robert A. Weinberg: Krieg der Zellen ISBN 3426266423
- Sibylle Herbert: Überleben Glücksache ISBN 3502140022
- Pascale Gmür: Da ist der Krebs und rundherum mein Leben. Frauen reden über Krebs Zürich: Beobachter-Verlag. ISBN 3-85569-230-0

Siehe auch

- Deutsches Krebsforschungszentrum in Heidelberg - das führende dt. Zentrum mit angeschlossenem Klinikverbund
- Früherkennung von Krankheiten
- Krankheit
- Krebsregister
- Onkologie
- Screening
- Screening/Robodoc
- TNM-Klassifikation

Weblinks

- [http://www.medinfo.de/index.asp?r=570&thema=Krebs www.medinfo.de] - Infoleitsystem Medinfo – die besten Links zu Krebsthemen
- [http://www.krebs-webweiser.de www.krebs-webweiser.de] - Umfangreiche Linkliste, nach Themen geordnet
- [http://www.medsana.ch/artikel.php?id=818&box=1 www.medsana.ch] - Umfassende Erklärungen zum Thema Krebs und den einzelnen Krebsarten
- [http://www.inkanet.de www.inkanet.de] - Informationsnetz für Krebspatienten und deren Angehörige (Inka)
- [http://www.krebs-kompass.de www.krebs-kompass.de] - Mehrfach ausgezeichnete Selbsthilfeseite, Chat und Forum (Krebs-Kompass)
- [http://www.hvbg.de/d/bia/fac/kmr/ www.hvbg.de] - Liste der krebserzeugenden, erbgutverändernden oder fortpflanzungsgefährdenden Stoffe (KMR-Liste)
- [http://www.grid.org www.grid.org] - Cancer Research Project der Universität Oxford mit Hilfe von privaten Haushalten
- [http://www.nutritionj.com/content/3/1/19 www.nutritionj.com] - Nutrition and cancer: A review of the evidence for an anti-cancer diet (Originalarbeit in englischer Sprache) ! ja:悪性腫瘍 ko:암 ms:Penyakit Barah simple:Cancer th:มะเร็ง

Kosmische Strahlung

Die Kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung aus dem Weltall. Sie wurde bereits 1912 von Victor F. Hess postuliert, um die bei einem Ballonflug gemessene höhere elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre mit zunehmender Höhe zu erklären. Früher wurde sie Höhenstrahlung genannt.

Zusammensetzung

Die Kosmische Strahlung besteht zu 97 % aus einer Nukleonenkomponente und zu 3 % aus einer Elektronenkomponente. In der Nukleonenkomponente überwiegen Protonen und Alpha-Teilchen, sie enthält aber auch alle anderen schwereren Atomkerne, welche auch in der solaren Materie vorkommen. Die Häufigkeit der verschiedenen Atomkerne entspricht, mit einigen Ausnahmen, in etwa der solaren Elementhäufigkeit. Ausnahmen sind zum Beispiel Li, Be und B, die in der Kosmischen Strahlung, als Folge von Spallationsreaktionen beim Durchqueren galaktischer Materie, häufiger sind als in solarer Materie. Die Elektronenkomponente besteht aus Elektronen und Positronen im Verhältnis von 10 zu 1. Der Teilchenfluss in Abhängigkeit von ihrer Energie stellt ein Potenzspektrum in Form von E^-γ dar, wobei Teilchen höherer Energie wesentlich seltener auftreten als Teilchen geringerer Energie. Bei 10 ¹⁹ Elektronenvolt müsste eigentlich aufgrund von Wechselwirkungen mit der kosmischen Hintergrundstrahlung der so genannte GZK-Cutoff auftreten, zu dem jedoch widersprüchliche Messdaten vorliegen.

Einteilung und Ursprung

Die Kosmische Strahlung wird auch je nach ihrem Ursprung in solare und galaktische kosmische Strahlung eingeteilt. Bei Sonneneruptionen werden Teilchen bis in den GeV-Bereich erzeugt (engl. "solar energetic particles", SEP). Der genaue Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung, in der Teilchenenergien bis zu 10²⁰ eV nachgewiesen wurden, ist bisher unbekannt. Kandidaten hierfür sind unter anderem Schockfronten von Supernovaexplosionen oder kosmische Jets von schwarzen Löchern oder Pulsaren. Für Teilchenenergien kleiner 10¹⁸ eV wird ein Ursprung innerhalb der Milchstraße angenommen, während für größere Energien auch andere Galaxien oder Quasare in Betracht kommen.

Geschichte der Erforschung

1912 entdeckte Victor Franz Hess die Kosmische Strahlung mithilfe von Ballonflügen in der Erdatmosphäre. Er veröffentlichte die Entdeckung in der Physikalischen Zeitschrift 13 (1912), 1084. Bereits 1949 postulierte Enrico Fermi einen möglichen Beschleunigungsmechanismus, der eine statistische Beschleunigung an magnetisiertem Plasma („Magnetwolken“) bzw. ebenen Schockfronten beinhaltet. Eine Schockfront kann zum Beispiel durch ein sich im Vergleich zur Umgebung sehr schnell propagierendes Gas gegeben sein. Schockfronten treten vor allem nach Supernovaexplosionen in der abgestoßenen Hülle der Supernova auf. Bei dieser statistischen Beschleunigung wird über längere Zeit mittels „Stößen“ die Energie des Gases auf das Teilchen übertragen. Dabei entsteht ein Potenzspektrum, jedoch mit einem von den Messdaten abweichenden Spektralindex γ. Scott E. Forbush wies 1946 nach, das bei Sonneneruptionen Teilchen bis in den GeV-Bereich erzeugt werden. Walther Bothe und Werner Kolhörster machten sich daran, endlich den Nachweis dafür zu erbringen, dass die Kosmische Strahlung eine hochenergetische Gammastrahlung sei. Für ihre Experimente verwendeten sie eine Messanordnung, die im wesentlichen aus zwei Geiger-Müller-Zählrohren bestand, zwischen die man verschieden dicke Absorber in Form von Eisen- oder Bleiplatten bringen konnte. Sie gingen davon aus, dass ein Gammaquant nur dann mit einem Geiger-Müller-Zählrohr nachgewiesen werden kann, wenn es zuvor ein Elektron aus einem neutralen Atom schlägt. Dieses Elektron würde dann vom Zählrohr nachgewiesen. Die sekundären Elektronen wollten Bothe und Kolhörster untersuchen, und dazu verwendeten sie die Zählrohre. Tatsächlich entdeckten sie sehr bald Koinzidenzen, das bedeutet Ereignisse, die in beiden Zählrohren zu gleichen Zeit stattfanden. Das wies darauf hin, dass ein Elektron, das von einem Gammaquant aus einem Atom geschlagen wurde, im raschen Flug beide Zählrohre durchquert haben musste. Als nächstes wollten sie die Energie dieser vermeintlichen Elektronen bestimmen, indem sie immer dicker werdende Absorber in Form von Metallplatten zwischen die beiden Zählrohre einbrachten, bis keine Koinzidenzen mehr eintreten würden. Hier hielt die Natur eine Überraschung für die Physiker bereit. Bothe und Kolhörster stellten zu ihrem maßlosen Erstaunen fest, dass 75 % der Koinzidenzen nicht einmal durch einen vier Zentimeter dicken Goldbarren zu verhindern waren. Tatsächlich waren die Teilchen, durch welche die Geiger-Müller Zählrohre ausgelöst wurden, gerade so durchdringend, wie die Kosmische Strahlung selbst. Die beiden deutschen Forschen konnten nicht umhin, die Folgerung zu ziehen, dass die Kosmische Strahlung selbst entgegen der allgemeinen Annahme keine Gammastrahlung war, sondern zumindest zu einem Teil aus geladenen Teilchen sehr hoher Durchdringungskraft bestand. Sie konnten zeigen, dass die sekundäre Strahlung, die von der primären Kosmischen Strahlung in der Wechselwirkung mit unserer Atmosphäre erzeugt wurde, aus elektrisch geladenen Teilchen bestand.

Wechselwirkung mit Materie und speziell der Erdatmosphäre

Kosmische Strahlung löst beim Durchdringen von Materie Spallationsreaktionen aus. Durch Messung der Häufigkeiten der Spallationsprodukte in Meteoriten kann so zum Beispiel deren Aufenthaltsdauer im Weltall bestimmt werden (Bestrahlungsalter). Auch konnte so festgestellt werden, dass sich die mittlere Intensität der galaktischen Kosmischen Strahlung seit mindestens 100 Millionen Jahren höchstens um einen Faktor zwei geändert hat. Beim Eintreten in die Erdatmosphäre werden aufgrund von Wechselwirkungen so genannte Teilchenschauer ausgelöst, bei denen vor allem Myonen entstehen, welche auch bis zur Erdoberfläche gelangen können. Bei den ersten Wechselwirkungen entstehen meist Pionen, welche augenblicklich weiter zerfallen. :

\pi^0 \rightarrow \gamma + \gamma

\pi^+ \rightarrow \mu^+ + \nu_\mu

\pi^- \rightarrow \mu^- + \bar _\mu

Die beim Zerfall der Pionen entstehenden Myonen können ihrerseits weiter zerfallen, wobei Elektronen und Neutrinos entstehen. :

\mu^+ \rightarrow e^+ + \nu_e + \bar _\mu

\mu^- \rightarrow e^- + \nu_\mu + \bar _e

Ein Schauer besitzt somit eine weiche elektromagnetische (Elektronen und Gamma-Teilchen), eine harte myonische sowie eine hadronische Komponente, die einzeln nachgewiesen werden können und zum Nachweis von Partikeln der kosmischen Strahlung genutzt werden. Ausgehend davon unterscheidet man auch zwischen primärer und sekundärer kosmischer Strahlung, wobei primäre Strahlung die in den Quellen beschleunigte bezeichnet, während die sekundäre Strahlung erst in Wechselwirkungen der primären kosmischen Partikel entsteht.

Wirkung auf den Menschen

Beim Menschen kann die KS auf lange Zeit gesehen Krebs verursachen. Die Erde wird durch die dichte Atmosphäre und das Magnetfeld vor der Strahlung geschützt. Im All kann man sich gegen die Strahlung durch massereiche Materie schützen und so Krebs verhindern. Die KS kann auch Mutationen hervorrufen. Ein Projekt das sich i.a. auf die Erforschung der Wirkung auf den Menschen konzentrierte, waren die Manhigh-Ballonflüge der USA. Einige Wissenschaftler vertreten sogar die Meinung, dass der Mensch wegen der KS nie weitergehende interplanetare - geschweige denn interstellare - Reisen unternehmen können wird.

Intensität und Nachweis

Zum Nachweis der kosmischen Strahlung werden unterschiedliche Ansätze verfolgt. Während der Fluss der Teilchen bei niedrigen Energien noch groß genug ist, um mit Ballon- und Satellitendetektoren direkte Beobachtungen durchführen zu können, sind bei höheren Energien grossflächige Detektorarrays zum Nachweis der ausgedehnten Luftschauer nötig ([http://www-ik.fzk.de/KASCADE_home.html KASCADE-Grande], [http://www.auger.org AUGER]). Um die höchsten Energien detektieren zu können, versucht man, das Fluoreszenzlicht (Fluoreszenz) von Stickstoffmolekülen welches ein Teilchenschauer verursacht, zu beobachten. Mithilfe dieser Methode wurde 1991 vom [http://www.cosmic-ray.org/ Flye's-Eye-Teleskop] in Utah (USA) die höchste bisher gemessene Teilchen-Energie beobachtet. Sie lag bei 3,2
- 10 ²⁰ eV. Das jüngste Vorhaben zur Detektierung und Analyse der Teilchenschauer stellt das aus vier Spiegelteleskopen bestehende [http://www.raumfahrer.net/astronomie/beobachtung/hess.shtml H.E.S.S.-Projekt] in Namibia dar, bei dem 2005 acht neue Quellen im Kosmos entdeckt wurden. Abgesehen von der langfristigen Konstanz gibt es kurzfristige periodische und nichtperiodische Schwankungen der Intensität der Kosmischen Strahlung. So schwankt die Intensität in Abhängigkeit vom elfjährigen Sonnenfleckenzyklus; je mehr Sonnenflecken vorhanden sind,desto geringer die Intensität der GCR. Daneben gibt es noch eine 27-tägige Schwankung, die mit der Sonnenrotation verknüpft ist. Von erdgebundenen Detektoren werden auch schwache ganz- und halbtägige Schwankungen beobachtet. Sonnen-Flares oder sonstige Sonnenaktivitäten können auch plötzliche vorübergehende Intensitätsabfälle hervorrufen, welche nach ihrem Entdecker Scott E. Forbush als Forbush-Ereignisse bezeichnet werden. Seltener wird auch ein plötzlicher Anstieg der Intensität beobachtet.

Bedeutung in der Wissenschaftsgeschichte

Da man in Kosmischer Strahlung keinerlei Spuren von Antimaterie nachweisen konnte, wird dies als entscheidendes Indiz angesehen, dass in unserem Universum keine natürliche Antimaterie vorkommt und es somit beim Urknall zu einer Asymmetrie von Materie und Antimaterie gekommen ist.

Literatur

- A. Unsöld, B. Baschek, Der neue Kosmos, Springer-Verlag, ISBN 3-540-42177-7
- C. Grupen, Astroteilchenphysik, Springer-Verlag, ISBN 3-540-41542-4
- Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. Physik in unserer Zeit 33(3), S. 114 - 120 (2002), ISSN 0031-9252
- Werner Hofmann: Die energiereichste Strahlung im Universum. Physik in unserer Zeit 33(2), S. 60 - 67 (2002), ISSN 0031-9252

Videos

- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=030525.rm Was ist kosmische Strahlung?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

Weblinks

- [http://www.astroteilchenphysik.de Astroteilchenphysik in Deutschland]
- [http://astroparticle.uchicago.edu/sciam1.jpg Spektrum der kosmischen Strahlung] Kategorie:Ionisierende Strahlung Kategorie:Astrophysikalischer Prozess ja:宇宙線

Radionuklide

Als Radionuklide oder radioaktive Nuklide bezeichnet man instabile Atome, die zum radioaktiven Zerfall neigen.

Definitionen und Sprachgebrauch

Ein Atomkern ist durch die Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z und die Massenzahl (Nukleonenzahl) A gekennzeichnet : Nukleonen = Protonen (Z) plus Neutronen (N): A = Z + N Ein Atomkern X wird daher wie folgt gekennzeichnet: : ^A _Z X, z.B.: : ⁶⁰ ₂₇ Co, vereinfacht : ⁶⁰Co oder Co-60 (d.h. die Kernladungszahl kann fortgelassen werden, da sie durch das Symbol gegeben ist).
- Atomarten, die sich hinsichtlich ihrer Kernladungszahl Z (nicht aber hinsichtlich ihrer Massezahl A) gleichen, und damit ein- und demselben Element zugehören, heißen Isotope. So haben P-31, P-32, P-33, die Isotope des Phosphors, unterschiedliche Massen.
- Es hat sich eingebürgert, eine radioaktive Atomart generell als Radionuklid zu bezeichnen; der Begriff Radioisotop wird nur dann verwendet, wenn neben der Radioaktivität die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Element von Bedeutung ist. Für den Fall der Phosphorisotope handelt es sich bei P-32 und P-33 jeweils um ein Radionuklid, das heißt, ein Atom, für das sowohl A als auch Z festliegen. Siehe Nuklid.

Zerfallsereignisse

Beim spontanen Zerfall eines Radionuklids entsteht Alpha-, Beta- und/oder Gammastrahlung. Die Geschwindigkeit dieses Zerfalls steht als Halbwertszeit (T1/2) fest: nach einer Halbwertszeit ist genau die Hälfte aller anfangs vorhandenen Atome noch nicht zerfallen, nach zwei Halbwertszeiten nur noch ein Viertel usw. Alle anderen Nuklide werden als stabil bezeichnet. Man unterscheidet natürliche Radionuklide von künstlichen Radionukliden.
Grundsätzlich sind alle Radionuklide auch künstlich erzeugbar. Deshalb ist das Vorkommen mancher natürlicher Radionuklide seit Beginn des kerntechnischen Zeitalters erhöht. Bespiele sind C 14 und Tritium.

Natürliche Radionuklide

Natürliche Radionuklide kommen in der Biosphäre oder in der Erde vor. Sie stammen z.T., insbesondere die schweren mineralischen Radionuklide wie Uran 235, aus dem Reservoir der bei der stellaren Nukleosynthese gebildeten Nuklide. Da sich die Anteile der bei der Nukleosynthese gebildeten Nuklide modellieren lässt, und die Radionuklide unter diesen gemäss ihrer Halbwertszeiten zerfallen, lässt sich aus ihren Heute gemessenen Anteilen auf ein Alter der die Erde bildenden Materie schliessen. Ein anderer Teil der natürlichen R.-N. wird kontinuierlich durch die Wechselwirkung hochenergetischer kosmischer Strahlung (Höhenstrahlung) mit der Atmosphäre gebildet. Das radioaktive Kohlenstoffisotop C 14 (Halbwertszeit ca. 5730 Jahre) ist der bekannteste Vertreter dieser Gattung. Siehe Radiokarbonmethode. Der Rest der natürliche R.-N. wird von den wiederum radioaktiven Zerfallsprodukten der ersten Gattung gebildet.

Beispiele

- C 14
- Kalium 40
- Radium 226, 228
- Radon 220, 222
- Thorium 232, 230
- Uran 235, 238
- Tritium
- Beryllium 7

Künstliche Radionuklide

Unter künstlichen Radionukliden versteht man solche, die durch Kernreaktionen (Neutronenbestrahlung) oder im Kernreaktor entstehen.

Beispiele

- Tritium
- Technetium
- Plutonium 239

Einige in der Medizin angewandte Radionuklide und ihre Halbwertszeiten

- Technetium-99m (T1/2=6 h)
- Cobalt60
- Phosphor32
- Jod131 (T1/2=8 d)
- Sauerstoff-15 (T1/2=2 min),
- Kohlenstoff-11 (T1/2=20 min),
- Fluor-18 (T1/2=110 min),
- Iod-123 (T1/2=13 h)
- Iod-124 (T1/2=4 d).

Gefahrenklassen

Die deutsche Strahlenschutzverordnung teilt Radionuklide je nach Gefährdungspotential in vier Klassen ein. Kategorie:Kernphysik ja:放射性同位体

Atmosphäre

Die Atmosphäre (v. griechisch ατμός, atmós „Luft, Druck, Dampf“ und σφαίρα, sfära „Kugel“) ist die gasförmige Hülle um einen Himmelskörper. Sie besteht meist aus einem Gemisch verschiedener Gase, die vom Schwerefeld des Himmelskörpers festgehalten werden können. Die Atmosphäre ist an der Oberfläche am dichtesten und geht in großen Höhen fließend in den interplanetaren Raum über.

Entstehung

Bei der Ausbildung einer Atmosphäre spielen mehrere Faktoren eine Rolle, wozu in erster Linie die Größe des Himmelskörpers zählt. Das Schwerefeld muss dabei gewährleisten, dass die in der Regel aus Ausgasungen hervorgehenden Gasteilchen an den Himmelskörper gebunden bleiben und sich nicht in den Weltraum verflüchtigen können. Entsprechend der kinetische Gastheorie bewegen sich die Gasteilchen ungeordnet und dabei umso schneller, je höher die Temperatur des Gases ist und je leichter sie sind. Reicht die Anziehungskraft nicht aus, um den Verlust ausreichend schneller Teilchen langfristig derart zu begrenzen, dass es zu einer positiven Teilchenbilanz kommt, also mehr Gasteilchen durch Ausgasungen hinzukommen, als durch die Überwindung der Gravitation verloren gehen, so kann sich auch keine Atmosphäre ausbilden. Dabei spielen neben der Größe auch die Oberflächentemperatur des Himmelskörpers eine Rolle, die nicht zu groß sein darf. Auch die Art der zur Verfügung stehenden Gasteilchen ist wichtig, da zum Beispiel eine Atmosphäre aus Wasserstoff oder Helium viel schwerer an den Planeten zu binden ist als eine aus Sauerstoff oder Stickstoff. Dies liegt daran das leichte Gasteilchen bei gleicher Temperatur wesentlich schneller sind als schwere Gasteilchen. Atmosphären die Elementen wie Wasserstoff in größerem Umfang enthalten finden sich daher vor allem bei den sehr massereichen Gasriesen, die über eine ausreichende Gravitation verfügen. Letztlich ist nur eine kleine Minderheit der Himmelskörper in der Lage, eine Atmosphäre zu bilden und langfristig an sich zu binden. So besitzt zum Beispiel der Mond als der nächste Nachbar der Erde keine Atmosphäre.

Aufbau und Gradienten

Mond]

Druckverlauf

Der Druckverlauf einer Atmosphäre, im Fall der Erdatmosphäre des Luftdrucks, ist in den unteren Bereichen durch die hydrostatische Gleichung bestimmt, die bei im Vergleich zum Planetenradius dünnen Atmosphären wie folgt geschrieben werden: :

= - g \rho (h)

Die Einflussgrößen sind der Druck p, die Höhe h, die Schwerebeschleunigung g und die Dichte ρ. Im Falle konstanter Temperatur reduziert sich die Gleichung zur barometrischen Höhenformel. Im äußeren Bereich ist diese Beschreibung jedoch nicht mehr gültig, da sich die Bestandteile aufgrund der geringen Dichte auf Keplerbahnen oder den Magnetfeldlinien bewegen und sich gegenseitig kaum noch beeinflussen.

Untergliederungen

In der Regel ist eine Atmosphäre keine homogene Gashülle, sondern aufgrund zahlreicher innerer und äußerer Einflüsse in mehrere mehr oder weniger klar gegeneinander abgegrenzte Schichten einzuteilen, die vor allem durch die Temperaturabhängigkeit chemischer Prozesse in der Atmosphäre und die Strahlungsdurchlässigkeit abhängig von der Höhe entstehen. Im wesentlichen kann man folgende Schichten nach dem Temperaturverlauf unterscheiden:
- An der Planetenoberfläche beginnt in der Regel die Troposphäre, in der Konvektionsströmungen vorherrschen. Sie wird begrenzt durch die Tropopause.
- Darüber liegt die Stratosphäre, in der die Strahlung beim Energietransport dominiert. Sie wird begrenzt durch die Stratopause.
- In der Mesosphäre wird, vor allem durch Kohlenstoffdioxid, Energie abgestrahlt, so dass in dieser Schicht eine starke Abkühlung erfolgt. Sie wird begrenzt durch die Mesopause.
- In der Thermosphäre dissoziieren und ionisieren die meisten Moleküle, wodurch die Temperatur deutlich ansteigt.
- Die äußerste Schicht ist die Exosphäre, aus der die vorwiegend atomaren beziehungsweise ionisierten Bestandteile aus dem Schwerefeld des Planeten entweichen können. Sie wird bei Vorhandensein eines Magnetfeldes durch die Magnetopause begrenzt. Diese Gliederung gibt nur eine grobe Einteilung wieder, und nicht jede Schicht ist bei allen Atmosphären nachweisbar. So besitzt die Venus zum Beispiel keine Stratosphäre, kleinere Planeten und Monde besitzen nur eine Exosphäre, z. B. der Merkur. Für Entstehung und Ausprägung der Dämmerungsfarben ist der vertikale Aufbau der Atmosphäre maßgeblich. Es ist auch möglich die Atmosphäre nicht nach dem Temperaturverlauf, sondern nach anderen Gesichtspunkten zu gliedern, wie:
- dem radio-physikalischen Zustand der Atmosphäre (Ionosphäre, Magnetosphäre)
- nach physiko-chemischen Prozessen (Ozonosphäre bzw. Ozonschicht, Chemosphäre)
- der Lebenszone (Biosphäre)
- der Durchmischung (Homosphäre, Homopause, Heterosphäre)
- dem aerodynamischen Zustand (Prandtl-Schicht, Ekman-Schicht, beide als Peplosphäre, Freie Atmosphäre)

Vorkommen von Atmosphären

Vergleicht man die Himmelskörper unseres Sonnensystems miteinander, so zeigt sich der Einfluss der bei der Ausbildung einer Atmosphäre relevanten Faktoren. Unter den Planeten ist die Erde in der Lage, schwere Elemente wie Argon (Ar) in der Atmosphäre zu halten, leichte Elemente/Moleküle wie Wasserstoff (H₂) oder Helium (He) verlor sie jedoch im Laufe ihrer Entwicklung. Diese leichten Bestandteile zeigen sich dafür umso deutlicher bei den äußeren Planeten, den so genannten Gasriesen wie Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Auch Planeten anderer Sternsysteme – die Exoplaneten – konnten mit spektrografischen Methoden Atmosphären nachgewiesen werden. Neben den Planeten haben auch einige größere Monde wie Titan, Ganymed, Io und Europa eine Atmosphäre. Der Mond der Erde hingegen zeigt keine Atmosphäre. Er ist hierfür mit knapp 1,2 % der Erdmasse zu klein und zeigt zudem auf seiner sonnengewandten Seite Temperaturen von über 100 °C.

Sonstiges

Eine häufige