Energiedosis und Ionendosis
Energiedosis und Ionendosis als Strahlungsgrößen: Definition, Dimension und die Einheiten Gray, C/kg und Röntgen im Vergleich zu anderen Strahlungsgrößen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Energiedosis ist die absorbierte Strahlungsenergie pro Masse des bestrahlten Körpers, \(D = W/m\), mit der Dimension Energie pro Masse.
- Die Einheit der Energiedosis ist das Gray: \(1\,\mathrm{Gy} = 1\,\mathrm{J/kg}\); Joule allein, Watt und Henry sind keine Dosiseinheiten.
- Energie pro Zeit ist eine Leistung; die zeitbezogene Dosis ist die Dosisleistung in Gy/s.
- Die Ionendosis ist die in Luft erzeugte Ladung pro Masse, Einheit C/kg, früher Röntgen; die Ionendosisleistung hat die Einheit A/kg.
- J/kg gehört zur Energiedosis, die Aktivität dagegen hat die Einheit Becquerel (\(\mathrm{s^{-1}}\)).
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Worum es geht
Wie stark ionisierende Strahlung auf Gewebe wirkt, hängt davon ab, wie viel Energie dort pro Masse ankommt. Dafür gibt es die Energiedosis. Die ältere Ionendosis misst stattdessen die in Luft erzeugte Ladung. Beide Größen braucht man in der Strahlentherapie, in der Nuklearmedizin und beim Strahlenschutz in der Radiopharmazie.
Energiedosis
Trifft ionisierende Strahlung auf Materie, gibt sie einen Teil ihrer Energie an den Körper ab. Die Energiedosis \(D\) sagt, wie viel Strahlungsenergie pro Masse des bestrahlten Körpers absorbiert wird.
\[D = \frac{W}{m}\]
| Größe | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| \(D\) | Energiedosis | Gy = J/kg |
| \(W\) | absorbierte Strahlungsenergie | J |
| \(m\) | Masse des bestrahlten Körpers | kg |
Die Dimension ist also Energie pro Masse. Die SI-Einheit heißt Gray (Gy), und es gilt \(1\,\mathrm{Gy} = 1\,\mathrm{J/kg}\). Es zählt nur die Energie, die im Material bleibt. Was ungehindert wieder austritt, trägt nichts zur Dosis bei.
Man kann sich die Dosis wie Zucker in Tee vorstellen: Wie süß er schmeckt, hängt von der Menge pro Tasse ab, nicht von der Gesamtmenge. Daraus folgen zwei Proportionalitäten. Doppelte absorbierte Energie in gleicher Masse ergibt doppelte Dosis. Verteilt sich dieselbe Energie auf die doppelte Masse, halbiert sich die Dosis.
- Gegeben: Ein Gewebebereich von 0,5 kg absorbiert 0,02 J.
- Einsetzen: \(D = 0{,}02\,\mathrm{J} / 0{,}5\,\mathrm{kg} = 0{,}04\,\mathrm{J/kg}\).
- Ergebnis: \(D = 0{,}04\,\mathrm{Gy} = 40\,\mathrm{mGy}\).
Die Energiedosis wird im Examen gerne gefragt: \(D = W/m\), Dimension Energie pro Masse, Einheit Gray mit \(1\,\mathrm{Gy} = 1\,\mathrm{J/kg}\). Achte darauf, dass im Nenner die Masse steht und keine Zeit.
Typische Fehler betreffen die Einheit. Joule allein ist eine Energie, keine Dosis. Energie pro Zeit wäre eine Leistung in Watt. Bezieht man die Dosis auf die Zeit, erhält man die Dosisleistung in Gy/s. Henry ist die Einheit der Induktivität und hat mit Dosis nichts zu tun.
J/kg gehört zur Energiedosis, nicht zur Aktivität. Die Aktivität zählt Zerfälle pro Zeit und hat die Einheit Becquerel, \(1\,\mathrm{Bq} = 1\,\mathrm{s^{-1}}\).
Ionendosis
Die Ionendosis \(J\) beschreibt, wie viel elektrische Ladung \(Q\) die Strahlung in Luft durch Ionisation erzeugt, bezogen auf die Masse \(m\) dieser Luft:
\[J = \frac{Q}{m}\]
Ihre Dimension ist Ladung pro Masse, ihre Einheit C/kg. Die frühere Einheit war das Röntgen (R), mit \(1\,\mathrm{R} = 2{,}58 \cdot 10^{-4}\,\mathrm{C/kg}\).
Gemessen wird die Ionendosis mit einer Ionisationskammer. Die Strahlung erzeugt in der Luft Ionenpaare. Eine angelegte Spannung zieht sie zu den Elektroden, und ein Messgerät registriert den Strom. Strom mal Zeit ergibt die gesammelte Ladung.
Bezieht man die Ionendosis auf die Zeit, erhält man die Ionendosisleistung in C/(kg·s), also A/kg. Weder Ionendosis noch Ionendosisleistung werden in Gy oder Gy/s angegeben, denn sie messen Ladung und nicht Energie. Auch Tesla passt nicht, denn es ist die Einheit der magnetischen Flussdichte.
Der Unterschied zur Energiedosis liegt also in Zähler und Bezugsmaterial. Die Energiedosis zählt absorbierte Energie im bestrahlten Material, etwa Gewebe. Die Ionendosis zählt erzeugte Ladung und ist auf Luft festgelegt. Sie ist leicht messbar und dient daher oft als Ausgangsgröße, um auf die Energiedosis zu schließen. Die Übersicht stellt alle Größen mit Zähler, Nenner und Einheit nebeneinander.
Quiz
Aussage 1
Absorbieren 2 kg Gewebe insgesamt 2 J Strahlungsenergie, beträgt die Energiedosis 1 Gy.
\(D = 2\,\mathrm{J}/2\,\mathrm{kg} = 1\,\mathrm{J/kg} = 1\,\mathrm{Gy}\).
Aussage 2
Das Röntgen ist eine frühere Einheit der Ionendosis.
Heute gilt C/kg; \(1\,\mathrm{R} = 2{,}58 \cdot 10^{-4}\,\mathrm{C/kg}\).
Aussage 3
Die Ionendosis wird wie die Energiedosis in Gray angegeben.
Die Ionendosis misst Ladung pro Masse Luft und hat die Einheit C/kg, früher Röntgen.
Aussage 4
Die Energiedosis gibt an, wie viel Strahlungsenergie ein Körper pro Zeiteinheit absorbiert.
Energie pro Zeit wäre eine Leistung. Die Energiedosis bezieht die absorbierte Energie auf die Masse: \(D = W/m\).
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