Gewinnung und Anwendung von Radionukliden
Wie man Radionuklide im Kernreaktor herstellt und wofür man sie in Diagnostik, Therapie und Technik einsetzt.
Das Wichtigste in Kürze
- Radionuklide werden künstlich durch Kernreaktionen gewonnen, vor allem durch Neutronenbestrahlung stabiler Nuklide im Kernreaktor, und dienen als Radiopharmaka in Diagnostik und Therapie sowie in der Technik.
- Beim Neutroneneinfang steigt \(A\) um 1 bei gleichem \(Z\); ein folgender \(\beta^-\)-Zerfall erhöht \(Z\) um 1, so wird \(\ce{^{107}_{47}Ag}\) zu \(\ce{^{108}_{48}Cd}\).
- PET und Röntgen-CT arbeiten mit ionisierender Strahlung; die PET registriert zwei 511-keV-Photonen aus der Positron-Elektron-Zerstrahlung, das EKG misst dagegen nur elektrische Herzspannungen.
- Die physikalische Halbwertszeit ändert sich im Körper nicht; durch die biologische Ausscheidung sinkt die Aktivität etwa von \(\ce{^{131}I}\) in der Schilddrüse trotzdem schneller.
- Ionisierende Strahlung sterilisiert Verbandmaterial und Lebensmittel, entkeimt Wasser und vernetzt Kunststoffe.
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Worum es geht
Radionuklide werden für Pharmazie und Medizin gezielt hergestellt, meist durch Neutronenbestrahlung im Kernreaktor. Sie stecken in Radiopharmaka für die Diagnostik wie in der PET mit \(\ce{^{18}F}\)-markierter Glucose. Andere sterilisieren als Strahlenquellen Verbandmaterial. Für ihre Wirkung im Körper zählt neben dem Zerfall auch, wie schnell der Körper sie ausscheidet.
Gewinnung
Isotope kommen in der Natur vor oder lassen sich künstlich herstellen. Der Weg dahin ist immer eine Kernreaktion, denn nur sie verändert den Atomkern. Eine Gasentladung ionisiert Atome dagegen nur. Sie entfernt Elektronen aus der Hülle und lässt den Kern unberührt. So entsteht kein radioaktives Nuklid.
Die wichtigste Quelle ist der Kernreaktor. Dort beschießt man stabile Nuklide mit Neutronen. Ein Neutron trägt keine Ladung und wird deshalb vom Kern nicht abgestoßen. Der Kern fängt es ein und gibt die überschüssige Energie als γ-Quant ab. So gewinnt man das Strahlenquellen-Nuklid Cobalt-60:
\[\ce{^{59}_{27}Co + ^{1}_{0}n -> ^{60}_{27}Co + \gamma}\]
Oft ist das neue Nuklid instabil und zerfällt weiter, meist durch \(\beta^-\)-Zerfall. Silber-107 wird so über Silber-108 zu Cadmium-108:
\[\ce{^{107}_{47}Ag + ^{1}_{0}n -> ^{108}_{47}Ag + \gamma}\]
\[^{108}_{47}\mathrm{Ag} \rightarrow {}^{108}_{48}\mathrm{Cd} + e^- + \bar{\nu}_e\]
Das Produktnuklid bestimmst du in zwei Schritten:
- Neutroneneinfang: Die Massenzahl \(A\) steigt um 1, die Kernladungszahl \(Z\) bleibt. Das Element bleibt dasselbe.
- \(\beta^-\)-Zerfall: Ein Neutron wandelt sich in ein Proton. \(Z\) steigt um 1, \(A\) bleibt. Es entsteht das nächste Element im Periodensystem.
- Kontrolle: Ladung und Nukleonenzahl müssen auf beiden Seiten übereinstimmen.
Nach diesem Muster wird zum Beispiel \(\ce{^{31}_{15}P}\) durch Neutroneneinfang zu \(\ce{^{32}_{15}P}\). Ein späterer \(\beta^-\)-Zerfall führt zu \(\ce{^{32}_{16}S}\).
Diagnostik mit ionisierender Strahlung
In der Nuklearmedizin verabreicht man Radionuklide als Arzneimittel. Ihre Strahlung verrät, wo sich der Stoff im Körper anreichert.
Ein Radiopharmakon ist ein Arzneimittel, das ein Radionuklid enthält. Es dient der Diagnostik oder der Therapie.
Für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) nutzt man Positronenstrahler wie \(\ce{^{18}F}\). Beim \(\beta^+\)-Zerfall entstehen Positronen. Jedes Positron trifft nach kurzer Strecke auf ein Elektron. Beide zerstrahlen in zwei Photonen zu je 511 keV, die im Winkel von 180° auseinanderfliegen. Zwei gegenüberliegende Detektoren registrieren sie gleichzeitig. Die Verbindungslinie zeigt, wo der Zerfall stattfand.
Die PET arbeitet also mit ionisierender Strahlung. Das gilt auch für die Röntgen-Computertomographie (CT). Sie durchleuchtet den Körper aus vielen Richtungen mit Röntgenstrahlung und setzt daraus Schnittbilder zusammen. Anders verhält sich das EKG. Es misst nur die elektrischen Spannungen, die das Herz selbst erzeugt, und belastet den Körper deshalb nicht mit ionisierender Strahlung.
Physikalische und biologische Halbwertszeit
Die physikalische Halbwertszeit ist eine Konstante des Nuklids. Chemische Bindung, Temperatur und Stoffwechsel ändern sie nicht. Die Halbwertszeit von \(\ce{^{32}P}\) bleibt deshalb auch dann gleich, wenn der Körper den Phosphor ausscheidet.
Im Körper wirkt aber ein zweiter Prozess. Der Organismus scheidet den Stoff laufend aus. Die biologische Halbwertszeit ist die Zeit, in der der Körper die Hälfte eines Stoffes eliminiert, ganz unabhängig von seinem Zerfall. Beide Vorgänge laufen gleichzeitig ab. Die Aktivität im Körper sinkt deshalb schneller, als der Zerfall allein erwarten ließe.
\[\frac{1}{T_{\mathrm{eff}}} = \frac{1}{T_{\mathrm{phys}}} + \frac{1}{T_{\mathrm{biol}}}\]
\(T_{\mathrm{eff}}\) ist die effektive Halbwertszeit. Sie ist immer kürzer als die kürzere der beiden anderen Zeiten.
Ein Beispiel ist \(\ce{^{131}I}\) in der Schilddrüse. Seine physikalische Halbwertszeit beträgt etwa 8 Tage. Die Schilddrüse gibt das Iod aber laufend wieder ab. Ihre Aktivität fällt deshalb schneller, als es die 8 Tage vorgeben.
Technische Anwendungen
Ionisierende Strahlung schädigt das Erbgut von Keimen. Starke γ-Quellen wie \(\ce{^{60}Co}\) sterilisieren deshalb Verbandmaterial und Lebensmittel. Ähnlich lässt sich Wasser entkeimen. In Kunststoffen erzeugt die Strahlung Radikale, die Polymerketten miteinander verknüpfen. Diese Vernetzung macht das Material fester und wärmebeständiger.
Quiz
Aussage 1
Wie die PET setzt auch das EKG den Patienten ionisierender Strahlung aus.
Das EKG misst nur die elektrischen Spannungen des Herzens. PET und Röntgen-CT nutzen dagegen ionisierende Strahlung.
Aussage 2
Die Aktivität von \(\ce{^{131}I}\) in der Schilddrüse nimmt schneller ab, als es seine physikalische Halbwertszeit allein erwarten ließe.
Zum Zerfall kommt die laufende biologische Ausscheidung des Iods hinzu. Die physikalische Halbwertszeit selbst bleibt dabei unverändert.
Aussage 3
Fängt \(\ce{^{107}_{47}Ag}\) ein Neutron ein und zerfällt das Produkt anschließend unter \(\beta^-\)-Emission, entsteht \(\ce{^{108}_{48}Cd}\).
Der Neutroneneinfang ergibt \(\ce{^{108}_{47}Ag}\). Der \(\beta^-\)-Zerfall erhöht \(Z\) um 1 bei gleichem \(A\).
Aussage 4
Wird ein stabiles Nuklid in einer Gasentladung ionisiert, kann daraus ein Radionuklid entstehen.
Die Ionisation betrifft nur die Elektronenhülle. Radionuklide entstehen durch Kernreaktionen, etwa durch Neutronenbestrahlung im Reaktor.
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