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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

Elektromagnetische Welle

Elektromagnetische Wellen sind die uns im Alltag neben Wasserwellen und Schallwellen am häufigsten begegnenden Arten von Wellen. Zu ihnen gehören unter anderem das sichtbare Licht und alle Arten in der Elektrotechnik auftretenden Rundfunkwellen. Im Gegensatz zu Schallwellen, handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen, wie bei Wasserwellen, um Transversalwellen, d.h. Ausbreitungsrichtung und Schwingungsrichtung stehen senkrecht zueinander, was am Phänomen der Polarisation bemerkbar wird. Physikalisch betrachtet handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen um sich ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Hierbei stehen elektrisches und magnetisches Feld senkrecht aufeinander und haben ein festes Größenverhältnis (in SI-Einheiten ist dieses gerade durch die Lichtgeschwindigkeit c gegeben). Insbesondere verschwinden elektrisches und magnetisches Feld an denselben Orten zur selben Zeit, so dass die häufig gelesene Darstellung, dass sich elektrische und magnetische Energie zyklisch ineinander umwandeln, nicht ganz korrekt ist. Sie stimmt allerdings z.B. für das Nahfeld eines elektromagnetische Wellen erzeugenden elektrischen Dipols oder Schwingkreises. Die Entstehung elektromagnetischer Wellen erklärt sich aus den Maxwellgleichungen: Die zeitliche Änderung des elektrischen Feldes ist stets mit einer räumlichen Änderung des magnetischen Feldes verknüpft. Ebenso ist wiederum die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes mit einer räumlichen Änderung des elektrischen Feldes verknüpft. Für periodisch (insbesonders sinusförmig) wechselnde Felder ergeben diese Effekte zusammen eine fortschreitende Welle. Das Besondere an der elektromagnetischen Welle ist, dass kein Medium vorhanden sein muss; eine solche Welle kann sich also im absolut leeren Raum fortpflanzen. Im Gegenzug dazu stehen die Materiewellen, wie z. B. der Schall, die ein Medium zur Übertragung brauchen. Im Vakuum breitet sich eine elektromagnetische Welle mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit

c_0 = 299.\,792.\,458\;\mathrm

aus. Dieser Wert ist exakt, da die Einheit Meter durch die Lichtgeschwindigkeit c definiert ist, und gilt unabhängig von der Frequenz der Welle. In einem Medium (also in Materie) verringert sich die Geschwindigkeit abhängig von der Permittivität und der Permeabilität des Stoffes. Zudem wird sie abhängig von der Frequenz der Welle (Dispersion), sowie (je nach Medium) abhängig von ihrer Polarisation und ihrer Ausbreitungsrichtung. Eine direkte Krafteinwirkung (z.B. Richtungsänderung) auf eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle kann nur durch das Ausbreitungsmedium (Begrenzungen wie Spiegel eingeschlossen) oder die Gravitationskraft erfolgen. Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge sortiert (eine Liste von Frequenzen und Beispiele elektromagnetischer Wellen gibt es im dortigen Artikel). Das am besten bekannte und am meisten studierte Beispiel einer elektromagnetischen Welle ist das sichtbare Licht. Beim Licht bestimmt die Frequenz beziehungsweise die Wellenlänge die Farbe des Lichtes. Monochromatisches Licht, also Licht nur einer einzigen Wellenlänge, hat stets eine Spektralfarbe. Spektralfarbe Bei elektromagnetischen Wellen äußerst geringer Intensität oder bei den kurzwelligen Erscheinungsformen der elektromagnetischen Wellen (beispielsweise Gammastrahlung) genügt das oben beschriebene Wellenmodell nicht mehr, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben, vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten des elektromagnetischen Feldes, in den Vordergrund. Der Wellencharakter (etwa Interferenz) tritt dagegen zurück. Im Rahmen dieser Teilchenvorstellung des Lichtes wird jeder Frequenz

\nu

die Energie eines einzelnen Photons

h\cdot\nu

zugeordnet. Beide Aspekte elektromagnetischer Strahlen werden theoretisch im Rahmen der Quantenelektrodynamik erörtert. Einige neuere Theorien, zum Beispiel die Loop-Quantengravitation, sagen eine geringe Frequenzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum voraus.

Mathematische Beschreibung

Die Existenz elektromagnetischer Wellen folgt aus den Maxwellgleichungen. Sie wurden 1865 von James Clerk Maxwell theoretisch postuliert, bevor Heinrich Rudolf Hertz sie 1888 experimentell nachweisen konnte. An dieser Stelle sollen zunächst elektromagnetische Wellen im Vakuum betrachtet werden, also Wellen im ladungsfreien Raum unter Ausschluss von dielektrischen, dia- und paramagnetischen Effekten (

\vec D = \varepsilon_0 \vec E

und

\vec B = \mu_0 \vec H

, siehe Materialgleichungen der Elektrodynamik). Stromdichte j und Ladungsdichte ρ sind Null. Man geht zunächst von der dritten maxwellschen Gleichung aus (mit j=0): :

(1) \  \operatorname \vec E = -

und wendet auf beide Seiten den Rotationsoperator an. Zum einen erhält man dadurch :

\operatorname \  \operatorname \vec E = - \operatorname \left(  \right)

= - \mu_0  \left( \operatorname \vec H \right),

und setzt die vierte maxwellsche Gleichung ein, :

= - \mu_0  \left(  \right)

(2) \  = - \mu_0 \varepsilon_0

Zum anderen gilt ganz allgemein die vektoranalytische Beziehung :

\operatorname \  \operatorname \vec A = \operatorname \  \operatorname \vec A - \Delta \vec A

mit dem Laplace-Operator Δ :

\Delta = \partial^2 / \partial x^2 + \partial^2 / \partial y^2 + \partial^2 / \partial z^2

. Wendet man diese Beziehung auf (1) an, und bedenkt man, dass der ladungsfreie Raum betrachet wird, in dem nach der ersten maxwellschen Gleichung die Divergenz von D Null ist, so ergibt sich :

\operatorname \ \operatorname\vec E = \operatorname \ \operatorname \vec E - \Delta \vec E

= \operatorname \  0 - \Delta \vec E

(3) \  = - \Delta \vec E

. Setzt man nun (2) und (3) zusammen ergibt sich folgende Wellengleichung :

(4)  \  \Delta \vec E = \mu_0 \varepsilon_0

. Fast alle Wellen lassen sich durch Gleichungen der Form :

(5) \   = v^2 f

beschreiben, wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist die Lichtgeschwindigkeit c. Für sie gilt daher : $c^2 =$ . Damit erhält man also aus (4) die Gleichung : $= c^2 \Delta \vec E,$ die für jede Komponente eine Wellengleichung der Form (5) darstellt. Ihre Lösungen sind Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten. Breitet sich die Welle in linearen Materialien mit dem Dielektrizitätskonstante ε und der Permeabilität μ aus, so ist die Lichtgeschwindigkeit c etwas niedriger, nämlich : $c=,$ wobei im aber allgemeinen die Materialkonstanten nicht linear sind, sondern selbst z.B. von der Feldstärke oder der Frequenz abhängen. Während das Licht sich in der Luft immer noch fast mit Vakuumlichtgeschwindigkeit c ausbreitet (die Materialkonstanten sind in guter Näherung 1), gilt das für Wasser schon nicht mehr, was u.a. den Tscherenkow-Effekt ermöglicht. Weiterhin ist auch eine mathematische Beschreibung mit Hilfe von Potenzialen moeglich, denn wegen : $(1) \quad \nabla \cdot \left(\nabla \times \vec A \right) = 0$ und : $(2) \quad \nabla \cdot \vec B = 0$ kann der Feldvektor der magnetischen Flussdichte auch als Rotation eines Vektorfeldes A aufgefasst werden. A wird deshalb das Vektorpotenzial von B genannt und es gilt: : $(3) \quad \vec B = \nabla \times \vec A$ Diese Beziehung kann nun weiter verwendet werden. Die Rotation des elektrischen Feldes ist bestimmt durch : $(4) \quad \nabla \times \vec E = -$ Setzt man nun die eben gewonnene Beziehung aus (3) in (4) ein, so erhaelt man : $(5) \quad \nabla \times \vec E = - \nabla \times \vec A$ und daraus folgt : $(6) \quad \nabla \times \left \lbrack \vec E + \right \rbrack = 0$ Nun verschwindet aber die Rotation eines jeden Gradienten, so dass der innere Ausdruck von (6) als Gradient einer skalaren Funktion aufgefasst werden kann: : $(7) \quad - \nabla \phi = \vec E +$ : $(8) \quad \vec E = - \nabla \phi -$ Dies kann nun wieder in den ursprünglichen Maxwell-Gleichungen verwendet werden. Mit : $(9)\quad \nabla \cdot \vec E =$ : $(10) \quad \nabla \times \vec B = \mu \kappa \vec E + \mu \epsilon$ und (8) und der Beziehung : $\quad \nabla \times \nabla \times \vec A = \nabla (\nabla \cdot \vec A) - \nabla^2 \vec A$ erhaelt man : $(11) \quad \nabla^2 \phi + \nabla \cdot \vec A = -$ : $(12) \quad \nabla^2 \vec A - \mu \epsilon - \mu \kappa - \nabla \left \lbrack \nabla \cdot \vec A + \mu \epsilon + \mu \kappa \phi \right \rbrack = 0$ Um diese Gleichungen (11) und (12) voneinander zu entkoppeln, wird verlangt, dass der Term unter dem Gradienten in (12) verschwindet (siehe Eichtransformation), also : $(13) \quad \nabla \cdot \vec A + \mu \epsilon + \mu \kappa \phi = 0$ Ist die Bedingung aus (13) erfüllt, so ergibt sich aus (12) automatisch die Wellengleichung für das Vektorpotenzial A mit : $(14) \quad \nabla^2 \vec A - \mu \epsilon - \mu \kappa = 0$ und aus (11) und (13) die Wellengleichung der skalaren Potenzialfunktion mit : $(15) \quad \nabla^2 \phi - \mu \epsilon - \mu \kappa = -$ Im quellfreien Vakuum folgt : $(16) \quad \nabla^2 \vec A - \mu_0 \epsilon_0 = 0$ : $(17) \quad \nabla^2 \phi - \mu_0 \epsilon_0 = 0$ Diese Beschreibung elektromagnetischer Phänomene kann durch Eichtransformation an verschiedene Probleme angepasst werden um diese zu vereinfachen. In der Quantenmechanik wird dem Vektorpotenzial des magnetischen Feldes oft eine fundamentalere Rolle als der Feldgroesse selbst zugeschrieben. Das Vektorpotenzial ist naemlich selbst dann vorhanden, wenn das magnetische Feld verschwindet. Dieses Phaenomen ist unter dem Namen Aharonov-Bohm-Effekt bekannt. Experimentell kann das Vektorpotenzial durch Interferenz von Elektronenstrahlen nachgewiesen werden, die an einem abgeschirmnten Magnetfeld vorbeilaufen. Die Elektronen werden durch das Magnetfeld also nicht beeinflusst. Dennoch werden die Interferenzmuster durch den Zustand des Feldes veraendert. Als Ursache wird das Vektorpotenzial angenommen, das auch bei nicht vorhandenem B-Feld existieren kann. Diese Ansicht ist jedoch umstritten.
Siehe auch

- Welle (Physik)
- Licht
- Radar
Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m05_elma_wellen.htm Versuche und Aufgaben]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Umrechnung: Frequenz in Wellenlänge und zurück - Elektromagnetische Wellen und Schallwellen]
- [http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung20040827/ Forscher machen erstmals Lichtwellen sichtbar] Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Spektroskopie ja:電磁波 ko:전자기파

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

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

Elektron

Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen ohne räumliche Ausdehnung. Ihr Symbol ist e^-. Sie bilden die Elektronenhülle der Atome (und Ionen). Ihre freie Beweglichkeit in Metallen ist die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit von metallischen Leitern. Elektronen gehören zu den Leptonen, einer Unterklasse der Fermionen. Deswegen besitzen sie einen Spin von 0,5. Ihre Antiteilchen sind die Positronen, Symbol e⁺, mit denen sie bis auf ihre elektrische Ladung in allen Eigenschaften übereinstimmen. Der experimentelle Nachweis von Elektronen gelang erstmals im Jahre 1897 durch den Briten Joseph John Thomson. Gelegentlich wird das negative Elektron auch als Negatron bezeichnet und der Begriff Elektron als Oberbegriff für Negatron und Positron. Der Name kommt vom griechischen Wort elektron (ηλεκτρον) und bedeutet Bernstein, denn an ihm wurde die Elektrizität erstmals beobachtet. Reibt man Bernstein beispielsweise mit einem Katzenfell, so lädt es sich elektrisch auf. Die Bezeichnung Elektron für die Ladungseinheit führte George Johnstone Stoney ein (Philosophical Magazine 40 (1895), 372). Ein Elektron ist ein „Mikroobjekt“, d. h., dass es, ähnlich wie Licht, Wellen- und Teilchencharakter hat. Daraus folgt, dass es der Heisenbergschen Unschärferelation unterliegt. In einem Atom wird das Elektron meist als stehende Materiewelle betrachtet. Elektronen können in polaren Lösungsmitteln wie Wasser oder Wasser in Lösung gehen. Diese Spezies wird als Solvatisiertes Elektron bezeichnet. Bei Lösung von Alkalimetallen in Ammoniak ist sie für die starke Blaufärbung verantwortlich. Diese Größen werden durch das magnetische Moment des Elektronenspins miteinander verknüpft:

\vec=-g_\frac\vec

. Dabei ist

\vec

das magnetische Moment des Elektronenspins,

m_

die Ruhemasse des Elektrons,

e

seine Ladung und

\vec

der Spin.

g_

heißt Landé- oder g-Faktor. Fasst man den Term vor

\vec s

zusammen, so erhält man das Verhältnis aus magnetischem Moment zum Spin, bezeichnet als gyromagnetisches Verhältnis des Elektrons. Für das Elektron ist nach der Dirac-Theorie (relativistische Quantenmechanik) der theoretische Wert von

g_

exakt gleich zwei. Effekte der Quantenelektrodynamik bewirken jedoch eine (geringfügige) Abweichung des Wertes für

g_

von zwei. Elektronen bilden mit Protonen und Neutronen die Atome. Während die beiden letztgenannten Teilchen den Kern bilden, befinden sich die Elektronen in der Atomhülle. Elektronen sind sehr viel leichter als Protonen und Neutronen, etwa um den Faktor 1800. In der Kathodenstrahlröhre bzw. Braunschen Röhre treten Elektronen aus einer beheizten Glühkathode aus und werden im Vakuum durch ein elektrisches Feld in Feldrichtung (in Richtung der positiven Anode) beschleunigt. Durch Magnetfelder werden die Elektronen senkrecht zur Feldrichtung abgelenkt. Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des Fernsehers und des Computermonitors sowie ihre Nutzung in technologischen Anwendungen (Elektronenkanone) ermöglicht. Die Masse eines ruhenden Elektrons ist immer konstant. Bei bewegten Elektronen (und ein Elektron ist unter normalen Bedingungen immer in Bewegung) muss die Massenzunahme der Relativitätstheorie berücksichtigt werden. An Elektronen kann diese Massenzunahme gut beobachtet werden, da sie sich leicht aufgrund ihrer Ladung auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen lassen. Die Masse kann dann durch Ablenkung in einem Magnetfeld bestimmt werden. Nach den theoretischen Darstellungen der Quantenelektrodynamik wird das Elektron als Punktteilchen, ohne endliche Ausdehnung angenommen. In guter Übereinstimmung damit ergaben Elektron-Elektron Streuexperimente an Teilchenbeschleunigern eine maximale Elektronengröße von 10^-19 m. Von der Größe zu unterscheiden ist der Wirkungsquerschnitt. Bei der Streuung von Röntgenstrahlen an Elektronen erhält man einen Wirkungsquerschnitt der einem effektiven Elektronenradius von etwa 3·10^-15 m entspräche. Dieselbe Größenordnung ergäbe sich bei einer klassischen (nicht quantentheoretischen) Beschreibung des Elektrons unter den Annahmen: #Elektronen sind kugelförmig, sie bilden einen Kugelkondensator #Die Ladung ist an der Oberfläche verteilt #Die potentielle Energie der Ladung entspricht der Ruheenergie

m_ c^2

Weblinks

- Tabellenwerte vom NIST: http://physics.nist.gov/constants Siehe auch: Myon, Tauon, Elektronenstoß, Positron Kategorie:Bernstein Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Elektrotechnik ja:電子 ko:전자 simple:Electron th:อิเล็กตรอน

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

Mutation

Eine Mutation (lat. mutare verändern) ist eine Veränderung des Erbgutes eines Organismus durch Veränderung der Abfolge der Nucleotidbausteine oder durch Veränderung der Chromosomenzahl, die nicht auf Rekombination oder Segregation beruht. Dieser Begriff wird daher nur für einen Teilbereich aller möglichen Chromosomenaberrationen verwendet. Durch eine Mutation wird die in der DNA gespeicherte Information verändert und dadurch können einzelne Merkmale (der Phänotyp) verändert werden.

Arten der Mutation

Unterscheidung nach Erblichkeit

- ; Keimbahnmutationen : sind Mutationen, die an die Nachkommen über die Keimbahn weitergegebenen werden; sie betreffen Eizellen oder Spermien und werden durch Zellteilung an alle anderen Zellen weitergegeben. Diese Mutationen sind im Rahmen der Evolutionstheorie sehr wichtig, da sie von einer Generation zur nächsten übertragbar sind.
- ; somatische Mutationen : sind Mutationen, die alle anderen Körperzellen aber nicht die Keimzellen betreffen können. Sie haben daher auch nur Auswirkungen auf die Zellen des Organismus, in dem sie stattfinden, d.h. somatische Mutationen werden nicht vererbt. Wenn diese somatischen Mutationen nur vereinzelt auftreten, haben sie keine oder nur geringe Folgen. Wird ihr Auftreten jedoch durch Mutagene wie z.B. energiereiche Strahlung oder Umweltgifte verstärkt, haben sie ein großes Gefahrenpotential. So können sich dadurch u.a. normale Körperzellen in ungebremst wuchernde Krebszellen umwandeln. Auch bei dem Alterungsprozess eines jeden Organismus spielen somatische Mutationen eine entscheidende Rolle. Sie haben daher in der praktischen Medizin eine zunehmende Bedeutung.

Unterscheidung nach Ursache

- ; Spontanmutationen : sind Mutationen ohne erkennbare Ursache.
- ; induzierte Mutationen : sind durch Mutagene (mutationsauslösende Stoffe oder Strahlungen) erzeugte Mutationen.

Unterscheidung nach erfolgter Veränderung

- ; 1. die Genmutation : eine erbliche Änderung, die nur das einzelne Gen betrifft. durch Substitution, Deletion oder Insertion von Nucleotiden.
- ; 2. die Chromosomenmutation : ebenfalls eine erbliche Änderung, die einzelne Chromosomen in ihrer Struktur betrifft.
- ; 3. die Genommutation oder numerische Chromosomenaberration: eine nicht-erbliche Änderung, bei der ganze Chromosomen oder gar Chromosomensätze vermehrt werden oder ganze Chromsomen verloren gehen. Mit der Entdeckung des alternativen Splicings kommt ein weiterer Mutationstyp hinzu: die veränderte Regulation des Splicings, die letztlich auch im Erbgut, aber meist an anderer Stelle, verankert ist.

Unterscheidung nach Folgen für den Organismus

- ; letale Mutationen :sind Mutationen, die nach ihrem Auftreten einen Organismus unabhängig von seiner jeweiligen Lebensphase in jedem Falle töten.
- ; konditional-letale Mutationen :sind Mutationen, deren Veränderung des Genprodukts einen Organismus nur bei bestimmten Wachstumsbedingungen tötet.
- ; loss of function Mutationen :Hierbei wird ein Gen durch eine Mutation funktionslos. Ist der Funktionsverlust vollständig, spricht man auch von Nullallel oder einem amorphen Allel. Bleibt ein Teil der Wildtypfunktion erhalten, dann bezeichnet man es auch auch als hypomorphes Allel. :loss of function Mutationen sind immer rezessiv, da ein anderes Allel den Funktionsverlust eines Gens auffangen kann.
- ; gain of function Mutationen : Hierbei gewinnt ein Gen an Aktivität und wird dann auch als hypermorph bezeichnet. Entsteht durch die Mutation ein komplett neuer Phänotyp, dann bezeichnet man das Alle auch als neomorph. :Eine gain of funktion Mutation erzeugt immer einen dominanten Phänotyp.
- ; stille, neutrale Mutationen :sind Mutationen, die keinerlei Folgen für den Organismus haben.

Folgen

keine Folgen - bei stillen, neutralen Mutationen

Die meisten Mutationen führen dazu, dass eine Veränderung in einem DNA-Abschnitt keine Konsequenzen nach sich zieht, wenn die Stelle, die verändert wurde, nicht für eine genetisch relevante Information benutzt wird. Aber auch wenn die veränderte Stelle benutzt wird, kann es sein, dass der Informationsgehalt des Gens sich nicht verändert hat, da eine Reihe von Aminosäuren identisch kodiert sind (siehe: genetischer Code). Daher werden diese Mutationen stille Mutationen oder neutrale Mutationen genannt. Solche Arten von Mutationen führen dazu, dass innerhalb einer Gruppe von Organismen funktional gleiche Gene unterschiedliche genetische „Buchstaben“ innerhalb ihrer Nukleotid-Sequenz besitzen. Diese Unterschiede, die Polymorphismen heißen, lassen sich ausnutzen, um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Individuen abzuleiten, oder auch, um eine durchschnittliche Mutationsrate abzuschätzen. Zusätzlich kommt noch zum Tragen, dass nicht nur beim diploiden Chromosomensatz oft mehrere Gene die gleichen genetischen Eigenschaften codieren, sodass sich eine Mutation aus diesem Grunde nicht sofort nachteilhaft bemerkbar machen muss.

negative Folgen

Besonders größere Veränderungen im Erbgut führen oft zu nachteilhaften Veränderungen im Stoffwechsel oder auch zu Fehlbildungen und anderen Besonderheiten. Es gibt verschieden Erbkrankheiten, die entweder vererbt sind oder durch Mutation neu auftreten können. Beispiele dafür sind:
- die Sichelzellenanämie, eine Blutkrankheit, bei der sich die äußere Form der roten Blutkörperchen ändert, was u. a. verringerte Sauerstoffaufnahme zur Folge hat,
- die Phenylketonurie, wobei der Abbau der Aminosäure Phenylalanin gestört ist, wodurch Schädigungen des kindlichen Gehirns hervorgerufen werden können,
- der Albinismus und
- die Mukoviszidose oder zystische Fibrose, die häufigste genetisch bedingte Krankheit Nordeuropas. Bei ihr ist das CFTR-Gen, das die Konsistenz der Drüsensekrete steuert, defekt. Wenn das Sekret zu zäh ist, kann es (je nach Drüse) die Atemwege oder die Ausführungsgänge der Drüsen verstopfen.
- Außerdem Formen von Minderwuchs, bei denen die Arme und Beine ungewöhnlich kurz sind, während der Körper ansonsten wie üblich gebaut ist,
- die Rot-Grün-Blindheit und
- die Bluterkrankheit, bei der die Blutgerinnung praktisch nicht einsetzt.

positive Folgen

Der Entwicklungslehre Darwins zufolge ist die Mutation mit für die Artenvielfalt auf der Erde verantwortlich. Mutationen sind so (aber nicht nur) ein natürliches Phänomen und ermöglichen erst die Entwicklung der Arten (siehe: Evolutionslehre). Obwohl die Mutation die Dynamik der Evolution ausmacht, ist nur in den selteneren Fällen mit einer Veränderung im Genom ein Vorteil für das Individuum zu erwarten. Durch Austausch der Basenpaare werden Proteine verändert oder einfach nur anders reguliert, was eine Änderung im Körperbau, oder in Körperfunktionen und oder im Verhalten des Organismus bewirken kann, die ihm Vorteile gegenüber seinen unveränderten Artgenossen bietet. Wenn diese Mutation an die Nachkommen vererbt wird, hat sie eine erste Voraussetzung erfüllt, dass sie sich einst „durchsetzen“ kann. Der Mensch macht sich zudem den genomverändernden Effekt ionisierende Strahlen zunutze, um Mutationen künstlich auszulösen. Eine Anwendung besteht in der Bestrahlung von Blumen- und Pflanzensamen, um bisher unbekannte Formen zu erzeugen und wirtschaftlich zu nutzen. Das Verfahren hat meist auf grund der breitgesteuten, zu umfangreichen und ungezielten Veränderung des Erbmaterials eine sehr geringe Erfolgsquote.

Beispiele

- Der Birkenspanner Schmetterling hat normalerweise weisse Flügel mit schwarzer Zeichnung und ist so auf der Birkenrinde gegenüber seinen Feinden gut getarnt. Zu Beginn der industriellen Revolution wurden die Birken in den englischen Industriegebieten immer rußiger und die hellweissen Birkenspanner immer seltener. Nach geraumer Zeit wurde der Birkenspanner jedoch wieder häufiger, allerdings jetzt in einer neuen Varietät mit grauen Flügeln. Solche Mutation hatte es auch früher schon gegeben, sie konnten sich aber erst unter den neuen Umweltbedingungen durchsetzten. Dies ist ein Beispiel für Mikroevolution.
- Manx-Katzen sind durch Genmutation infolge extremer Inzucht entstanden. Neben der Schwanzlosigkeit bestehen Skelettmissbildungen und weitere Fehlbildungen. Manx-Katzen sind in diesem mutierten Gen "M" nie reinerbig, es liegt also bei ihnen die Kombination "Mm" vor, d.h. es besteht ein autosomal unvollkommen dominanter Erbgang mit variabler Expressivität (Ausprägung). Bei Tieren mit der reinerbigen Gen-Kombination "MM" sterben die Feten schon im Mutterleib.
- Die Sphynx-Katze hat keinerlei Fell. Diese Rasse wird seit 1966 aus einer in Kanada geborenen, natürlich mutierten Katze vom Menschen weitergezüchtet. Bei der gegenwärtigen Gesetzgebung in allen Ländern führt der Wunsch nach immer neuen Rasseattraktionen dazu, dass man auch Tiere weiter züchtet, die unter natürlichen Bedingungen nicht lebensfähig wären.
- In der Pflanzenzucht ermöglichen Mutationen grosse Fortschritte. Aus Gräsern mit kleinen Samen wurden ertragreiche Getreidesorten gezüchtet. Ohne Pflanzenzucht und Mutationen wäre es nicht möglich die Weltbevölkerung zu ernähren.
- Laktose-Toleranz beim Menschen. Genetiker haben festgestellt, dass der Mensch ursprünglich generell mit einer genetisch determinierten (verankerten), nur auf die Kindkeit begrenzten Laktosetoleranz (Milch- bzw. Milchzuckerverträglichkeit) ausgestattet war. Nach Ansicht der Forscher muss vor ca. 10 000 Jahren (nach anderen Quellen ca. 8 000 Jahren) beim Menschen im kaukasischen Raum eine Mutation aufgetreten sein, die die Laktosetoleranz auf die gesamte Lebensspanne ausgedehnt hat. Somit zeigen alle Nachkommen dieses Menschen zeit ihres Lebens keine gesundheitliche Beeinträchtigung beim Verzehr von Milch, wie sie andererseits noch heute u.a. bei Asiaten oder Afrikanern aufrtitt, die damals von dieser Mutation nicht betroffen waren und es deshalb auch heute nicht sind (siehe Lactoseintoleranz).
- Gehirnentwicklung des Menschen. Die Gene Microcephalin und ASPM steuern beim Menschen das Größenwachstum des Gehirns und insbesondere das der Hirnrinde. Offensichtlich ist die Entwicklung des menschlichen Gehirns jedoch keineswegs abgeschlossen. Forscher um Bruce Lahn vom Howard Hughes Medical Institute der University of Chicago (USA) haben herausgefunden, dass zwei Mutationen in der jüngeren menschlichen Stammesgeschichte dem Gehirn ermöglichten, sich den veränderten Anforderungen besser anzupassen. Die Haplogruppe D als Ergebnis einer Mutation des Microcephalins entstand vor 37 000 Jahren im menschlichem Genom und verbreitete sich etwa zeitgleich zu den ältesten Funden, die von der Beschäftigung des Menschen mit Kunst, Musik und Religion zeugen. Diese Mutation findet man heute bei etwa 70% aller Menschen. Bei einer weiteren Mutation entstand vor circa 5 800 Jahren die Haplogruppe D des ASPM und breitete sich etwa zeitgleich zur ersten Zivilisation in Mesopotamien aus, von der auch die ältesten Schriftfunde der Menschheitsgeschichte stammen. Diese zweite Mutation hat sich bis heute bei etwa 30% der Weltbevölkerung durchgesetzt. Beide durch Mutation entstandenen Genvarianten kommen nun nach Angaben der Forscher besonders in Europa und den angrenzenden Gebieten Asiens und Afrikas vor. Die Parallelität der beschriebenen Ereignisse werden von den Wissenschaftlern dahin gehend interpretiert, dass auf Grund positiver Selektion der evolutionäre Erfolg der beiden Mutationen mit ihrem günstigen Einfluss auf die Entwicklung des menschlichen Gehirns und dessen Leistungsfähigkeit in Zusammenhang steht.

Gartenbau

Im Gartenbau wird eine Mutation, aus der eine neue Sorte entsteht, auch „Abart“ oder „Sport“ genannt. Kategorie:Genetik Kategorie:Evolution ja:突然変異 ko:돌연변이

Hintergrundstrahlung

] ] Jeder Bereich des Himmels, der keine direkt zuordenbare Strahlungsquelle (z. B. Sonne, Sterne, Galaxien, Quasare) enthält, und für den die Effekte interplanetaren Staubs und interstellarer Materie berücksichtigt wurden, strahlt. Diese Strahlung wird Hintergrundstrahlung (auch: kosmische Hintergrundstrahlung oder Drei-Kelvin-Strahlung) genannt. Hintergrundstrahlung wurde bisher im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums, im Röntgenbereich und im fernen Infrarot beobachtet. Ihr Ursprung hängt vom beobachteten Energiebereich ab.

Kosmischer Mikrowellenhintergrund

Die bekannteste Hintergrundstrahlung ist die Kosmische Mikrowellenstrahlung oder Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR). Nach heutiger Vorstellung gilt sie als Beleg für die Urknalltheorie und stammt aus der Zeit etwa 400000 Jahre nach dem Urknall, als die Materie so weit abgekühlt war, dass sie vom ionisierten in den neutralen Zustand überging. Zu diesem Zeitpunkt vereinigten sich Protonen und Elektronen zu elektrisch neutralem Wasserstoff, was in der Physik als Rekombination bezeichnet wird. Dadurch hatten die Photonen keinen Streupartner mehr und konnten entweichen. Vor diesem Zeitpunkt standen Strahlung und Materie im Temperaturgleichgewicht bei zuletzt etwa 3000 Kelvin. Danach kühlte sich die Hintergrundstrahlung unabhängig von der Materie mit der Expansion des Universums weiter ab. Sie ist eine echte 'Hintergrundstrahlung' die aus jeder Richtung des Himmels kommt und nicht durch Überlagerung einzelner Quellen wie Galaxien entsteht. Sie hat das fast perfekte Intensitätsprofil eines schwarzen Körpers mit einer Temperatur von heute etwa 2,725 Kelvin. Die Rotverschiebung der Hintergrundstrahlung beträgt z = 1089 ± 0,1%. Die Mikrowellenhintergrundstrahlung wurde in den 1940ern von George Gamow, Ralph Alpher und Robert Hermann als Folge eines Urknalls vorhergesagt. Die Entdeckung erfolgte aber zufällig 1964 durch Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson beim Test einer neuen empfindlichen Antenne, die für Experimente mit künstlichen Erdsatelliten gebaut worden war. Penzias und Wilson erhielten für diese Entdeckung den Physiknobelpreis 1978.

Anisotropien im Mikrowellenhintergrund

Der Mikrowellenhintergund ist sehr gleichförmig. Die stärkste Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung ist nur etwa 0.1% und entsteht durch die Bewegung unserer Milchstraße (und damit der Erde) relativ zum Mikrowellenhintergrund, in Richtung auf den großen Attraktor. Die Entdeckung sehr viel schwächerer Temperaturschwankungen (ca. 0.001%) in kleineren Bereichen durch den Satelliten COBE war ein Durchbruch in der Beobachtung des frühen Universums. Weitere Untersuchungen durch bodengebundene Experimente, Ballonteleskope und besonders die Raumsonde WMAP haben die Stärke dieser Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von ihrer Winkelausdehnung am Himmel noch wesentlich besser charakterisiert. Ab 2007 soll die europäische Raumsonde Planck die Strahlung mit noch dreifach höherer Auflösung vermessen - bei besserer Ausblendung von Störstrahlung. Die Temperaturschwankungen gehören zu den zur Zeit wichtigsten Meßgrößen der Kosmologie und der Bildung von Strukturen im frühen Universum.

Röntgenhintergrund

Sehr früh in der Geschichte der Röntgenastronomie wurde 1962 durch Riccardo Giacconi und Mitarbeiter ein kosmischer Röntgenhintergrund entdeckt. Nach heutiger Vorstellung ist er kein echter Hintergrund, sondern entsteht durch die Überlagerung der Emission sehr vieler aktiver galaktischer Kerne, deren genaue Eigenschaften aber noch untersucht werden. Im Energiebereich von 1-10keV ist durch ROSAT, XMM-Newton und Chandra der größte Teil des Röntgenhintergrunds in solche Einzelquellen aufgelöst worden, bei höheren Energien steht dies noch aus.

Infrarothintergrund

Mit den Daten des DIRBE-Experiments auf COBE wurde 1996 ein extragalaktischer Hintergrund im fernen Infrarot entdeckt. Er entsteht vermutlich durch die Überlagerung der Emission vieler ferner Infrarotgalaxien. Tatsächlich konnten mit dem Infrared Space Observatory etwa 10% dieses Hintergrunds in einzelne Galaxien aufgelöst werden. Mit dem Herschel Space Observatory soll das für über die Hälfte des Hintergrunds gelingen.

Literatur

- Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. Physik in unserer Zeit 33(3), S. 114 - 120 (2002), ISSN 0031-9252 Kategorie:Kosmologie ja:宇宙背景放射

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

Edelgas

Die Elemente der 18. Gruppe (VIII. Hauptgruppe, früher auch Nullgruppe genannt) des Periodensystems werden auch als Edelgase bezeichnet. Es sind die Elemente: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon sowie wahrscheinlich Ununoctium. Edelgase sind farb-, geruchlose und atomare Gase, die kaum Verbindungen eingehen. Der Grund hierfür ist, dass die Schalen des Atoms abgeschlossen (d. h. vollständig mit Elektronen aufgefüllt) sind. Für ein genaueres Verständnis benötigt man die Quantenmechanik.

Darstellung

Die Edelgase werden durch fraktionierte Destillation aus Luft dargestellt. Helium kann außerdem aus (Erd)gasen gewonnen werden, in dem es zu ca. 8 % vorhanden ist (einen hohen Heliumanteil im Erdgas können vor allem amerikanische Quellen vorweisen). Bei der Abkühlung auf –205 °C bleibt nur Helium gasförmig zurück. Argon fällt als Nebenprodukt bei der Ammoniak-Synthese (siehe Haber-Bosch-Verfahren) an, da es sich mit ca. 10 % im Gasgemisch anreichert.

Verwendung

Edelgase werden für Leuchtreklamen verwendet, da sie in Gasentladungsröhren charakteristische Farben ausstrahlen:
- Helium: weiß
- Neon: rot
- Argon: violett
- Krypton: gelbgrün
- Xenon: violett
- Radon: weiß Beim Tauchen als Atemgas (Helium und Sauerstoff), da sich bei hohen Drücken weniger Helium im Blut löst als Stickstoff und somit die Gefahr der Taucherkrankheit vermindert wird. Argon wird als Inertgas beim Schutzgas-Schweißen verwendet. Des Weiteren wird die Reaktionsträgheit der Edelgase in Glühlampen eingesetzt, um eine Reaktion des Wolframdrahtes zu verhindern. Im Vergleich zum Vakuum hat ein durch Edelgas geschütztes System den Vorteil, dass der Wolframdraht auch bei großer Hitze nicht gut verdampfen kann (vgl. Dampfdruck). Helium wird außerdem bei der Befüllung von Ballons und in der Kerntechnik verwendet. Bei letzterem als Kühlmittel, da es nicht radioaktiv wird und einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt hat. Außerdem fungiert es bei Niedrigsttemperaturversuchen als Kühlmittel, da es den tiefsten Siedepunkt aller Substanzen hat. Es gibt wenige Beispiele für chemische Verbindungen, die Edelgase beinhalten: XeF₆, XeF₄, XeF₂, KrF₂

Lagerung

In großen Mengen werden Edelgase wie andere Gase in Stahlflaschen gelagert. Da jedoch große Mengen eines Edelgases teuer sind und häufig nur kleine Mengen benötigt werden, wird das Edelgas bei kleinen Mengen als Einlagerungsatom in Klathraten verkauft. Das Edelgas befindet sich dann in den Hohlräumen des Wirtsgitters und wird durch van-der-Waals-Wechselwirkung an seiner Position gehalten. z. B. β-Hydrochinon-Clathrat[C₆H₄(OH)₂]₃E (E=Ar, Kr, Xe) Anzahl der Hohlräume besetzt: Ar=67%, Kr=67–74%, Xe=88%

Geschichte

Die Edelgase wurden von 1894 bis 1905 von Sir William Ramsay entdeckt und in das Periodensystem eingeordnet. 1904 erhielt er dafür den Nobelpreis für Chemie.

Literatur

- Karl O. Christe: Die Renaissance der Edelgaschemie. Angewandte Chemie 113(8), S. 1465–1467 (2001),
- Werner Aeschbach-Hertig: Klimaarchiv im Grundwasser. Physik in unserer Zeit 33(4), S. 160–166 (2002), ISSN 0031–9252 (Artikel über die Verwendung von Edelgasisotopen im Grundwasser zur Altersbestimmung des Grundwassers) Siehe auch: Oktettregel, biatomar Kategorie:Stoffgruppe Kategorie:Edles Material Kategorie:Tauchen ja:希ガス ko:비활성 기체 ms:Gas nadir th:ก๊าซมีตระกูล

Radon

Radon (von lat. radius = Strahl, wegen seiner Radioaktivität) ist ein chemisches Element. Sein Symbol ist "Rn", seine Ordnungszahl ist 86. Im Periodensystem der Elemente findet man es in der Hauptgruppe der Edelgase. Alle Isotope des Radon sind radioaktiv. Das stabilste Isotop ist Rn-222 mit einer Halbwertzeit von 3,8 Tagen. Es entsteht als Zerfallsprodukt von Radium in den Zerfallsreihen des Urans und Thoriums. Da es schwer ist und sich in schlecht belüfteten Räumen ansammeln kann, stellt es eine Gefahr für die Gesundheit dar. Radon hat am natürlichen Strahlungsaufkommen auf der Erdoberfläche den bei weitem größten Anteil (durchschnittliche Belastung eines Bundesbürgers: etwa 1,1 mSv/Jahr), gefolgt von der direkten terrestrischen Strahlung mit ca. 0,4 mSv/Jahr, der direkten kosmischen Strahlung und den natürlicherweise in der Nahrung vorkommenden radioaktive Stoffen mit je etwa 0,3 mSv/Jahr.

Geschichte

Radon wurde 1900 erstmals von Friedrich Ernst Dorn entdeckt; er nannte es "Radium Emanation" ("aus Radium herausgehendes"). 1908 isolierten William Ramsay und Robert Whytlaw-Gray eine ausreichende Menge des Gases, um seine Dichte zu bestimmen; sie nannten es Niton, nach dem lateinischen nitens, leuchtend. Seit 1923 ist die Bezeichnung Radon gebräuchlich.

Vorkommen

Im Mittel findet sich in der Erdatmosphäre ein Radonatom auf 10²¹ Luftmoleküle. Die Quelle des Radons ist das im Gestein und im Erdreich in Spuren vorhandene Uran und Thorium, die langsam zerfallen. In deren Zerfallsreihen wird das Radon gebildet. Dieses diffundiert dann aus den obersten Bodenschichten in die Atmosphäre, ins Grundwasser, in Keller, Rohrleitungen und Bergwerke. Radon aus tiefergelegenen Erdschichten erreicht dabei nicht die Oberfläche, da es aufgrund seiner geringen Halbwertszeit schnell zerfällt. Radon kommt deswegen vermehrt in Gebieten mit hohem Uran- und Thoriumgehalt im Boden vor. Dies sind hauptsächlich die Mittelgebirge aus Granitgestein, in Deutschland vor allem der Schwarzwald, der Bayerische Wald und das Erzgebirge. Insgesamt kommt Radon in Süddeutschland in wesentlich höherer Konzentration vor als in Norddeutschland. Manche Heilquellen besitzen einen bedeutenden Radonanteil. Bad Gastein mit den Gasteiner Heilstollen ist einer der bekanntesten Kurorte mit hohem Radonvorkommen. Ebenso auch Bad Zell. Weitere Orte, an denen Radon in relativ hohen Konzentrationen vorkommt, sind neben Uran- oder Bleibergwerken auch Laboratorien, in denen Radium oder andere direkte Ausgangsprodukte des Radon gehandhabt werden.

Eigenschaften

Wie alle Edelgase ist Radon chemisch fast nicht reaktiv; nur mit Fluor reagiert es zu Radonfluorid. Es ist bei Raumtemperatur eines der schwersten bekannten Gase. Unter Normalbedingungen ist Radongas farblos, geruchlos, geschmacklos; beim Abkühlen unter seinen Schmelzpunkt wird es leuchtend gelb bis orange. Wie sein leichteres Gruppenhomologes Xenon ist Radon in der Lage echte Verbindungen zu bilden. Es kann erwartet werden daß diese stabiler und vielfältiger sind als beim Xenon. Leider wird das Studium der Radonchemie durch die hohe spezifische Aktivität des Radons sehr behindert (Selbstzersetzung einmal gebildeter Verbindungen). Eine Chemie mit wägbaren Mengen dieser Stoffe ist daher nicht möglich.

Verwendung

Radon wird in der Medizin eingesetzt. In der Hydrologie kann der Radongehalt eines Gewässers Aufschluss über die Versorgung des Gewässers mit Grundwasser geben. Regenwasser enthält fast kein Radon und Oberflächenwasser gibt Radon schnell an die Atmosphäre ab. Daher ist ein hoher Gehalt an Radon ein Anzeiger für den Einfluss von Grundwasser.
Eventuell kann Radon als Indikator für bevorstehende Erdbeben dienen. Durch entstehende Spalten steigt die Radonkonzentration in der Umgebungsluft ([http://www.wissenschaft.de/wissen/news/214879.html wissenschaft.de]).

Isotope

Es sind 20 Isotope des Radon bekannt.
- Das stabilste Isotop ist Rn-222, das ein Zerfallsprodukt des Radiumisotops Ra-226 ist, besitzt eine Halbwertszeit von 3,823 Tagen. Es zerfällt unter Aussendung von Alphateilchen.
- Radon-220 ist ein Zerfallsprodukt von Thorium; es wird in älterer Literatur manchmal auch als Thoron bezeichnet. Seine Halbwertszeit ist 55,6 Sekunden; es zerfällt ebenfalls unter Aussendung von Alphateilchen.
- Radon-219 ist ein Zerfallsprodukt von Actinium; es wird in älterer Literatur manchmal auch als Actinon bezeichnet. Seine Halbwertszeit ist 3,96 Sekunden; es zerfällt ebenfalls unter Aussendung von Alphateilchen.

Lungenkrebs

Radon ist ein radioaktives Material und muss mit entsprechenden Schutzvorrichtungen gehandhabt werden. Insbesondere das Einatmen von Radon ist gefährlich, da die beim Zerfall entstehenden Alphateilchen die Lunge direkt schädigen und damit krebserregend wirken. Die Zerfallsprodukte des Radon sind ebenfalls radioaktiv. Bei ihnen handelt es sich allerdings nicht um Gase, sondern um Feststoffe. An Staub gebunden kann man sie einatmen, so dass sie sich permanent in der Lunge einlagern können. Diese Stoffe zerfallen über eine lange Zerfallskette, bei der zuletzt Blei entsteht. Lungengewebe mit solchem Staub wird also radioaktiver Bestrahlung ausgesetzt. Die Belastung durch die chemischen Eigenschaften der Endprodukte sind aufgrund der geringen Mengen allerdings vernachlässigbar. Die Haut ist zwar ebenfalls dem Gas ausgesetzt, aber die Epidermis als absterbendes Gewebe wird von der Strahlung nur unwesentlich betroffen und schirmt das darunterliegende Gewebe effektiv ab, da die Alphastrahlung eine sehr geringe Eindringtiefe (Reichweite) besitzt. In der Lunge sind die Alveolen mit lebendem Gewebe direkt dem Gas ausgesetzt. Daher löst Radon hauptsächlich Lungenkrebs aus. In einer europaweiten Studie wurde erkannt, dass Radon etwa neun Prozent der Lungenkrebstodesfälle und zwei Prozent aller Krebstodesfälle verursacht. Damit gehen in der EU 20.000 Lungenkrebstodesfälle und in Deutschland etwa 3.000 auf Radon zurück. Allerdings ist Tabakrauchen immer noch (um mehrere Größenordnungen) gefährlicher, wie sich aus der folgenden Tabelle entnehmen läßt. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit bis zum Alter von 75 Jahren an Lungenkrebs tödlich zu erkranken aufgetragen: Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz [http://www.pressrelations.de/new/standard/result_main.cfm?r=180021&aktion=jour_pm Pressemitteilung 01.02.2005] Interessanterweise ergibt sich eine kombinierte Wirkung von Radon und Rauchen.

Belastung

Strahlenbelastung in Deutschland Wie oben bereits erwähnt, ist die regionale Belastung mit Radon in der Luft sehr unterschiedlich. Dies ist auf die unterschiedlichen Vorkommen einzelner Gesteinsarten und -zusammensetzungen zurückzuführen. Dies sind vorwiegend Regionen, in denen früher Uran abgebaut wurde, aber auch Regionen mit Granit-, Bauxit- und Schwarzschiefervorkommen weisen hohe Radonkonzentrationen im Boden, der Luft und im Wasser auf. In Häusern ist die Belastung noch einmal größer als in der freien Atmosphäre, besonders in Kellern oder im Erdgeschoss. In höheren Geschossen nimmt die Belastung stark ab. Auch alte Häuser aus Naturstein oder Lehm (Fachwerkhaus) sind stärker belastet. Wichtig ist vor allem die Lüftung: da die Fenster heute besser abgedichtet sind, werden die Räume weniger belüftet und die Belastung ist heute größer als vor einem halben Jahrhundert. Für das Problem der Lüftung gibt es heute Fenster, die eine kleine Klappe im Rahmen beinhalten, welcher bei Windstille eine kontinuierliche Lüftung erreicht. Bei stärkeren Windbewegungen schliest sich diese Klappe und das Fenster ist so dicht wie ein, unter heutigen Bedingungen (DIN), normales Fenster. Die jahreszeitliche Schwankung: im Haus hängen mit einem verändertem Lüftungsverhalten im Sommer gegenüber den Wintermonaten zusammen. Aber auch die Wetterlage ist für die Schwankungen vewrantwortlich. So kann sich bei einer austauscharmen Wetterlage die Radonkonzentration erhöhen. In Deutschland beträgt die durchschnittliche Radonbelastung in Innenräumen 59 Becquerel je Kubikmeter Luft. 1984 ergab sich in einer Studie in Westdeutschland eine logarithmisch-normalverteilte Belastung bei einem Mittelwert von 40 Bq/m³ in der Raumluft. Interessant ist auch die Belastung durch Duschen: im Wasser findet sich ebenfalls Radon, welches beim ersten Kontakt mit der Luft in diese übergeht. Im Durchschnitt in Deutschland 4.4 kBq/m³. Während des Duschens erhöht sich die Konzentration von Radon in der Luft auf über 3000Bq/m³. Quelle: Kiefer/Koelzer.

Therapeutische Anwendung von Radon

Radon wird auch therapeutisch im Rahmen der Radonbalneologie eingesetzt.

Radonschutzgesetz

Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit hatte im März 2005 einen Gesetzentwurf vorgelegt, der Grenzwerte für die Radonkonzentration in Gebäuden festlegen sollte. Als Zielwert waren 100 Becquerel pro Kubikmeter Luft für Neu- und Altbauten geplant. Da wegen der Bundestagsneuwahlen am 18. September 2005 alle nicht verabschiedeten Gesetzesvorhaben automatisch verfallen, ist der Entwurf jetzt hinfällig.

Literatur

- Hans Kiefer und Winfried Koelzer: Stahlen und Strahlenschutz. Springer-Verlag, Berlin; ... 1986, ISBN 3-540-15958-4 ISBN 0-387-15958-4

Weblinks

- http://periodic.lanl.gov/elements/86.html - Los Alamos National Laboratory: Radon
- http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Rn/index.html - WebElements.com: Radon
- http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Rn.html - EnvironmentalChemistry.com: Radon
- http://www.radon-info.de/shtml/home.shtml - Informationseite zum Thema Radon & Radioaktivität
- http://www.bfs.de/ion/radon - Bundesamt für Strahlenschutz
- http://www.wdr.de/tv/q21/1478.0.phtml - Bericht des WDR-Wissenschafts-Magazins Q21 über Radon
- http://www.gasteiner-heilstollen.com Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Edelgas Kategorie:Periode-6-Element ja:ラドン ms:Radon th:เรดอน

Granit

Granite (von lat. granum: „Korn“) sind massige, grobkristalline Tiefengesteine, die aus etwa gleichen Teilen Quarz, Alkalifeldspat und Plagioklas bestehen. Daneben enthalten sie etwa 20–40 % mafische Minerale (Biotit, Muskovit, seltener Amphibole). Als Akzessorien führen sie Zirkon, Apatit, Titanit, auch Magnetit, Rutil, Ilmenit. Der Merksatz „Feldspat, Quarz und Glimmer, die vergess' ich nimmer“ gibt die Zusammensetzung von Granit etwas vereinfacht wieder. Granite gehören zu den häufigsten Gesteinen innerhalb der kontinentalen Erdkruste. Sie entstehen primär an Subduktionszonen: die abtauchende (ozeanische) Platte erwärmt sich, der hohe Wassergehalt lässt Sedimente aufschmelzen, dabei entsteht saures, granitisches Magma. Bei orogenen (gebirgsbildenden) Prozessen entsteht ebenfalls Granit. Granite sind meist schwach radioaktiv, da sie Spuren von Uran, Rubidium und anderen radioaktiven Elementen enthalten. Ein weiterer Träger der Radioaktivität ist das in den Feldspäten und Glimmern enthaltene Kalium. Im Allgemeinen ist Granit mittel- bis grobkörnig. Frischer Granit ist hart und widerstandsfähig, außerdem hat er eine schwach angedeutete Klüftigkeit. Durch die so genannte Wollsack-Verwitterung bilden sich, von den Klüften ausgehend, matratzenförmige Gesteinsblöcke.

Farbe

Die Farbe des Granits wird vom Charakter der gröberen Feldspatkörner bestimmt. Granit ist meist von hellgrauer, gelblicher oder rötlicher, seltener von bläulicher Farbe.

Granittypen

Man unterscheidet vier verschiedene Typen von Graniten:
- I-Typ Granite sind Restdifferentiate von Mantelschmelzen.
- S-Typ Granite sind das Ergebnis einer Auffschmelzung von Sedimentgesteinen.
- A-Typ Granite treten oft bei beginnendem Aufreißen kontinentaler Kruste in Erscheinung (z. B. auch im Oberrheingraben).
- M-Typ Granite entstehen an ozeanischen Inselbögen.

Bedeutung im Bauwesen

ozeanischen Inselbögen Granite haben wegen ihrer hohen Widerstandskraft, Härte und Wetterfestigkeit und wegen ihrer guten Schleifbarkeit und Polierbarkeit eine wirtschaftliche Bedeutung im Bauwesen. Sie finden sich:
- im Straßenbau als Pflasterstein, Bordstein, Schotter,
- im Bahnbau als Schotter,
- im Hochbau als Außenwandverkleidung, Bodenbelag,
- im Innenausbau als Wandverkleidung, Treppenbelag, Innenverkleidung, Tischplatte,
- im Gartenbau als Pflasterstein, Rabattenstein, Brunnen,

Vorkommen von Granit

Brunnen
- Fichtelgebirge
- Oberpfälzer Wald
- Bayerischer Wald
- Schwarzwald
- Odenwald
- Lausitz
- Zentralalpen
- Waldviertel, Böhmische Masse, Österreich
- Mühlviertel, Böhmische Masse, Österreich

Europäische Granit-Landschaften

Die größten von Graniten geprägten Landschaften des deutschen Sprachraums oder seiner Ränder sind unter anderem (in alphabetischer Reihenfolge): Bayerischer Wald, Böhmerwald und Böhmische Masse, Engadin, Erzgebirge, Fichtelgebirge, Hohe Tauern, Lausitz, Mühlviertel, Oberpfälzer Wald, Odenwald, Ränder des Oberrheingrabens, Schwarzwald, Waldviertel, Zentralalpen (Bergell), Adamello und große Teile der Westalpen (Zentraler Aaregranit, Innertkirchner-Lauterbrunner Kristallin, Rotondo-Gruppe, Mont-Blanc-Granit).

Granite als geologischer Überbegriff

Häufiger wird das Wort aber als Überbegriff jener vielen Gesteine verwendet, die in Struktur, Körnung und Entstehung Ähnlichkeiten mit „dem Granit“ haben. Granit schlechthin gibt es allerdings nicht, sondern nur in verschiedenen Ausprägungen, Alter, Festigkeiten und Farben. Letztere können praktisch alle gedämpften Farbtöne der Natur annehmen, aber auch fast schwarz bis fast weiß. Die diversen Granite haben außer sehr unterschiedlicher Färbung und chemischer Zusammensetzung auch wechselnden Wassergehalt (meist einige Prozent). Als weitest verbreitete Gesteinsfamilie der oberen Erdkruste finden wir sie in praktisch allen Ländern, teilweise aber auch durch die Eiszeit als Findlinge in „fremde“ Landschaften transportiert, wo sie als frei liegende Blöcke die Landschaften um einen geheimnisvollen Charakter bereichern. Besonderheiten sind auch die „polsterartige“ Verwitterung und die damit zusammenhängende moosüberwachsene Struktur, der bodenbildende Gries, die Entstehung von Blockheiden und Hochmooren, die touristische Vermarktung von granitischen Landschaften in „mystischen Projekten“ und Seminaren, frühere Hexengeschichten und viele Wackelsteine, an denen man seine Kräfte messen kann. Im Folgenden wird anhand einiger „alter“ Gebirge die Vielfalt dieser Gesteinsgruppe dargelegt.
Als Musterbeispiele dienen vor allem zwei Regionen Mitteleuropas, die neben dem Fremdenverkehr auch für Bergbau und Industrie wichtig sind: der alte Gebirgszug vom Erzgebirge zum fränkischen Fichtelgebirge im Norden Bayerns und der zentraleuropäische Rumpf der uralten „Böhmischen Masse“ in Tschechien und dem nordöstlichen Österreich. Bild:Granite azul noce.jpg|Azul Noce (Spanien) Bild:Granite giallo.jpg|Giallo Veneziano (Brasilien) Bild:Granite_gran_violet.jpg|Gran Violet (Brasilien) Bild:Granite lavanda blue.jpg|Lavanda Blue (Brasilien)

Tiefengestein in wechselnder Zusammensetzung

Das Wort Granit kommt von (lat.) granum für Körnung oder Korn. Das Gestein bildet große Teile des Erdinneren und dringt seit vielen Jahrmillionen periodisch an die Erdoberfläche – sei es durch Vulkanismus, bei Phasen der Gebirgsbildung oder auch als Deckengestein. Granite sind grob-, aber auch feinkristalline Tiefengesteine, die im wesentlichen aus Feldspaten bestehen, durchmischt mit Quarz (SiO2) und etwas weniger Glimmer, (heller Muskovit, dunkler Biotit). Auch andere Gesteine mischen sich bei – etwa Amphibole – was ebenfalls zur Vielfalt der Erscheinungsformen beiträgt. Spurenminerale wie Magnetit, Titanit, Gesteine mit Gehalt an Zirkon oder Ilmenit machen ihre große wirtschaftliche Bedeutung in manchen Regionen und für den Bergbau aus.