Radiolumineszenz

Radiolumineszenz - manchmal auch als Ionolumineszenz bezeichnet - ist ein physikalisches Phänomen im Zusammenhang mit bestimmten radioaktiven Stoffen, durch das Licht aus einem Material heraus durch die Emission ionisierender Strahlung wie α-Partikeln, β-Partikeln oder Gammastrahlen erzeugt wird.

Radiolumineszenz tritt dann auf, wenn ein durch Radioaktivität freigesetztes Teilchen bzw. die ionisierende Strahlung auf ein Atom oder Molekül trifft und ein Elektron auf ein höheres Energieniveau anregt wird. Dieses angeregte Elektron kehrt nach kurzer Zeit wieder auf sein energetisches Grundniveau zurück; die Energiedifferenz wird als Photon emittiert und als Leuchten sichtbar. Radiolumineszierende Lichtquellen bestehen normalerweise aus einer radioaktiven Substanz, die mit einem Leuchtstoff - einer nicht-radioaktiven Chemikalie, die Licht einer bestimmten Farbe (Wellenlänge) freisetzt, wenn sie von ionisierender Strahlung getroffen wird - vermischt ist.

Radiolumineszenz ist eine schwache, jedoch in Dunkelheit gut wahrnehmbare Lichtquelle, die besonders in der Vergangenheit als Nachtbeleuchtung von Ziffernblättern und Zeigern von Uhren, Kompassen, Instrumenten, oder Beschilderungen verwendet wurde. Radiolumineszenz tritt manchmal auch bei Hochleistungsstrahlungsquellen wie Kernreaktoren oder bei einigen radioaktiven Isotopen und deren Verbindungen auf .

Der kontinuierliche radioaktive Zerfall der Atome des Isotops in einem radiolumineszenten Leuchtstoff setzt Strahlungsteilchen frei, die auf die Moleküle des Leuchtstoffs treffen und sie dazu bringen, Licht abzugeben. Der ständige Beschuss mit radioaktiven Partikeln führt nach und nach zum chemischen Abbau vieler Arten von Leuchtstoffen, so dass radiolumineszierende Farben im Laufe der Zeit einen Teil ihrer Leuchtkraft verliert.

Beispiele für radiolimineszente Isotope

Die erste Verwendung der Radiolumineszenz erfolgte in leuchtenden Farben, die Radium enthielten. Ab 1908 wurde dafür eine lackartige Leuchtfarbe aus Radium und mit Kupfer- und/oder Manganatomen dotiertem Zinksulfid hergestellt, die Zifferblättern und Uhrzeigern im Dunkeln einen grünlichen Schimmer verliehen.Diese Lumineszenzfarbe waren nicht zur Verwendung in Schichten mit einer Dicke von mehr als 25 mg/cm² geeignet, da die Selbstabsorption des Lichts das Leuchten verhinderte. Darüber hinaus wird Zinksulfid in seiner Kristallgitterstruktur abgebaut, was zu einem allmählichen Helligkeitsverlust führt, der signifikant schneller voranschreitet, ist als der Abbau von Radium.

Radium wurde schließlich in leuchtenden Farben bis in die 1960er Jahre hinein verwendet; aus gesundheitlichen Gründen wurden die Radioisotope gegen andere Materialien ersetzt. Zusätzlich zu den Alpha- und Betastrahlen sendet Radium eine durchdringende Gammastrahlen aus, die durch Metall und Glas eines Ziffernblatts bis die Haut eindringen kann. Ein typisches älteres Radium-Armbanduhr-Ziffernblatt wies eine Radioaktivität von 3 bis 10 kBq auf und konnte seinen Träger einer jährlichen Dosis von 24 Millisieverts aussetzen, wenn die kontinuierlich getragen wurde. Ein weiteres Gesundheitsrisiko ist ein Zerfallsprodukt, das radioaktive Gas Radon, das selbst bei extrem niedrigen Konzentrationen beim Einatmen ein erhebliches Gesundheitsrisiko darstellt.

Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang auch der in der Literatur als Fall der "Radium Girls" (Radiummädchen) bekannte Umstand, dass Arbeiterinnen in Uhrenfabriken in den frühen 1920er Jahren, die die Ziffernblätter mit Radiumfarbe bemalten und über Pinsel und Werkzeuge insbesondere über die Lippen mit Radium kontaminiert wurden, später an tödlichem Krebserkrankungen litten. Dieser in den öffentlichen Medien diskutierte Fall erhöhte aber zumindest das öffentliche Bewusstsein für die Gefahren von Radiolumineszenzmaterialien und von Radioaktivität im Allgemeinen [vgl. Gunderman, Gonda, 2015].

Mitte des 20. Jahrhunderts wurde das Radium langsam durch Promethium - speziell durch das Isotop Pm-147 - abgelöst. Pm-Leuchtfarben besitzen gegenüber dem radiumhaltigen radiolumineszenten Materialien den Vorteil, ausschließlich die energieärmeren, weniger durchdringenden β-Strahlen zu emittieren; daher sind gesundheitlich unbedenklicher. Nachteil ist die kurze Halbwertszeit von nur 2,62 Jahren, wodurch die die Radiolumineszenz verursachende Radioaktivität eines Promethium-Zifferblatts in einem Jahrzehnt auf nur 1/16 seines ursprünglichen Wertes sinkt. Promethium-Ziffernblätter haben damit eine nur geringe Nutzungszeit, bevor die Leuchtkraft merkbar nachläßt.

Die letzte Generation von radiolumineszierenden Materialien basiert auf Tritium, einem natürlichen radioaktiven Isotop des Wasserstoffs mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren, das Beta-Strahlung mit sehr niedriger Energie aussendet. Tritium-Leuchtfarben wurden bei Armbanduhren, Visieren und Notausgangsschildern verwendet. Das Tritiumgas ist hier in einem kleinen Glasrohr enthalten, das innen mit einem Leuchtstoff beschichtet ist. Die vom Tritium emittierten Beta-Partikel treffen auf die Leuchtstoffbeschichtung und lassen sie gelbgrün fluoreszieren.

Tritium wurde eingesetzt, weil angenommen wurde, dass das Gas eine vernachlässigbare Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellt, im Gegensatz zu der früheren Radiolumineszenzquelle Radium. Die von Tritium emittierten energiearmen 5,7 keV Beta-Partikel können das umschließende Glasrohr nicht passieren. Selbst wenn sie könnten, würden sie nicht in die menschliche Haut eindringen. Tritium ist nur bei Einnahme eine Gesundheitsbedrohung. Bei einem Bruch der Glasbehälter verdünnt sich das Gas sehr schnell in der Luft, ohne eine Gefahr darzustellen.

Literatur und Quellen

[1] - Richard B. Gunderman, Angela S. Gonda:
Radium Girls.
In: Radiology, (2015), DOI 10.1148/radiol.14141352.

Letzte Änderung am 19.02.2021.

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