Aufgaben: Wechselwirkung, Dosis und Strahlenschutz

Ordnen Sie den Strahlungsarten $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ jeweils ein typisches Abschirmmaterial zu (Papier, Aluminiumblech einiger mm, mehrere cm Blei) und begründen Sie die Zuordnung kurz anhand der Reichweite bzw. Durchdringungsfähigkeit.

Ein Mensch mit der Masse $m = 70\ \text{kg}$ absorbiert Strahlungsenergie $E = 0,14\ \text{mJ}$ im ganzen Körper.

1. a) Berechnen Sie die Energiedosis $D = E/m$ in Gy.
2. b) Berechnen Sie die effektive Dosis in Sv bei einem Strahlungswichtungsfaktor $w_R = 1$ (Gammastrahlung) für den ganzen Körper.

Beschreiben Sie die Funktionsweise eines Geiger-Müller-Zählrohrs in drei bis vier Sätzen (Füllgas, Hochspannung, Ionisation, Zählimpuls).

Die mittlere natürliche Strahlenexposition in Deutschland beträgt etwa $2,1\ \text{mSv}$ pro Jahr. Eine Röntgenaufnahme des Brustkorbs verursacht ca. $0,02\ \text{mSv}$, ein Langstreckenflug etwa $0,04\ \text{mSv}$.

1. a) Berechnen Sie, wie vielen Röntgenaufnahmen die jährliche natürliche Dosis entspricht.
2. b) Berechnen Sie die Dosis in einem Jahr mit zwei Langstreckenflügen und drei Röntgenaufnahmen zusätzlich zur natürlichen Strahlung.
3. c) Nennen Sie zwei natürliche Strahlungsquellen.

Eine $\gamma$-Strahlung wird in Blei mit $I(x)=I_0\,e^{-\mu x}$ geschwächt, wobei $\mu = 0,70\ \text{cm}^{-1}$.

1. a) Berechnen Sie die Halbwertsdicke von Blei.
2. b) Berechnen Sie, auf welchen Anteil die Intensität bei $5,0\ \text{cm}$ Blei sinkt.
3. c) Bestimmen Sie die nötige Dicke, um die Intensität auf $1\ \%$ zu reduzieren.

Eine $\alpha$-Quelle ($A = 3,0\ \text{kBq}$, Teilchenenergie $E=5,0\ \text{MeV}$) wird vollständig im Gewebe einer $0,10\ \text{kg}$ schweren Hautpartie absorbiert. Es gilt $1\ \text{eV} = 1,60\cdot10^{-19}\ \text{J}$.

1. a) Berechnen Sie die pro Sekunde absorbierte Energie.
2. b) Berechnen Sie die Energiedosis nach $1,0\ \text{h}$.
3. c) Berechnen Sie die Äquivalentdosis mit $w_R = 20$ und begründen Sie, warum $\alpha$-Strahlung bei Aufnahme in den Körper besonders gefährlich ist.

Eine Strahlenschutzbeauftragte soll die Aufenthaltsdauer an einer punktförmigen $\gamma$-Quelle festlegen. Die Dosisleistung beträgt in $1,0\ \text{m}$ Abstand $400\ \mu\text{Sv/h}$. Sie nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab. Der Jahresgrenzwert für beruflich strahlenexponierte Personen beträgt $20\ \text{mSv}$.

1. a) Berechnen Sie die Dosisleistung in $4,0\ \text{m}$ Abstand.
2. b) Berechnen Sie die maximale Aufenthaltsdauer pro Jahr in $4,0\ \text{m}$ Abstand.
3. c) Erläutern Sie die drei Grundregeln des Strahlenschutzes (Abstand, Abschirmung, Zeit; ergänzend ggf. Aktivität) und wenden Sie zwei davon auf die Situation an.

Beurteilen Sie die folgende Aussage: „Radioaktive Strahlung ist grundsätzlich gefährlich, deshalb sollte jede Anwendung in der Medizin vermieden werden." Gehen Sie dabei ein auf

1. a) die Unterscheidung zwischen deterministischen und stochastischen Strahlenschäden,
2. b) den Nutzen-Risiko-Vergleich einer Röntgenaufnahme bzw. einer Strahlentherapie,
3. c) das Prinzip der Dosisminimierung (ALARA).

Eine Probe strahlt $\beta$-Teilchen aus. Ein Schüler misst mit dem Zählrohr in $10\ \text{cm}$ Abstand die Zählrate $1.200\ \text{min}^{-1}$ (Nulleffekt $30\ \text{min}^{-1}$ bereits abgezogen). Zwischen Probe und Zählrohr werden Aluminiumbleche eingebracht:

1. a) Prüfen Sie, ob die Schwächung näherungsweise exponentiell erfolgt, und bestimmen Sie die Halbwertsdicke.
2. b) Berechnen Sie die erwartete Zählrate bei $5,0\ \text{mm}$.
3. c) Erläutern Sie, warum für $\beta$-Strahlung bei größerer Dicke eine endliche Reichweite auftritt und wie dies zu Abweichungen vom Modell führt.