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Radioaktivität

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E M

on 10 January 2013

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Transcript of Radioaktivität

Was ist Radioaktivität? o Begriff "radioaktiv" wurde 1898 von
Marie Curie geprägt

o abgeleitet von "radius" (lat.) = "Strahl"

o "Radioaktivität" = "radioaktiver Zerfall" = "Kernzerfall"

o = spontaner Zerfall instabiler Atomkerne,
d.h. ohne äußere Einflüsse und unvorhersagbar (stochastisch)

o überträgt Energie und ionisiert Atome und Moleküle 3. Strahlungsarten Geschichtlicher Überblick Ende 19. Jhdt. Entdeckung der Röntgenstrahlung:

Beschleunigung von Elektronen im Hochspannungsfeld
und anschließender Beschuss von Materie ==> "Bremsstrahlung" von Uranerzen ausgehende Strahlung schwärzte Fotoplatten trotz Abschirmung 1896 - Antoine Henri Becquerel 1900 1900 1950 2000 1910 1920 1930 1940 1960 1970 1980 1990 2010 1890








isolierten Thorium und Uran,
später auch Radium und Polonium

Maßeinheit "Curie" (Ci) = 37 Mrd. Zerfälle/s;
heute: Becquerel (Bq)

unterschied 2 Strahlungsarten


diese wurden im selben Jahr durch Ablenkung im Magnetfeld
von Stefan Meyer, Friedrich Giesel und Egon Schweidler nachgewiesen

1 Jahr später konnte Paul Ulrich Villard eine dritte
Strahlungskomponente nachweisen 1898 - Marie und Pierre
Curie 1899 - Ernest Rutherford 1913 - Kasimir Fajans und
Frederick Soddy erklärten den natürlichen
Zerfall durch Formulierung der radioaktiven Verschiebungssätze Johannes Geiger wird zur international anerkannten Größe auf dem Gebiet der radioaktiven Messung

entwickelt den Geiger-Zähler

verbessert ihn 1928 unter Mitarbeit von Walther Müller ==> "Geiger-Müller-Zählrohr" 1933 - Irène und Frédéric
Joliot-Curie stellten erstmals radioaktive Elemente durch Alpha-Beschuss künstlich her 1938 - Otto Hahn und
Fritz Straßmann stießen bei der Suche nach "Transuranen" zufällig auf Ba-Isotope, die in der Natur nicht existieren 1939 - Lise Meitner und
Otto Frisch beschrieben die Hahn-Straßmann´sche Entdeckung ==> prägten den Begriff "Kernspaltung" 1942 - Enrico Fermi erste kontrollierte Kettenreaktion im
Chicago Pile No.1 1945 - Manhattan Project 6./9. Aug. 1945 unter Beratung durch Enrico Fermi entwickelte Robert Oppenheimer die erste Atombombe nur 3 Wochen nach dem "Trinity Test" werden Hiroshima und Nagasaki bombadiert "Little Boy" "Fat Man" 1951 - EBR I im EBR I in Idaho wird erstmals Kernenergie in elektrische Energie umgewandelt 1954 - Obninsk das erste Kernkraftwerk der Welt geht ans Netz

1955: Calder Hall (NW-England)
1957: erster Forschungsreaktor in D (München/Garching) 1978 -
Zwentendorf das schon fertig gebaute AKW
wird nach einer Volksabstimmung nicht in Betrieb genommen 1979 - Three Mile Island erster katastrophaler Störfall in einem AKW ==> partielle Kernschmelze 24. April 1986 - Tschernobyl 11. März 2011 - Fukushima Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Alpha-Strahlung Abspaltung von Kernbestandteilen Veränderung von Nukleonen Aussendung von Energiequanten Was ist Alpha-Strahlung? Alpha-Strahlung ist Teilchenstrahlung! Abspaltung eines Alpha-Teilchens (= He-Kern)
==> Ordnungszahl -2
==> Massenzahl -4
==> Umwandlung in anderes Element Weitere Zerfälle unter Aussendung von Nukleonen - Protonenemission: A-1, Z-1
- Neutronenemission: A-1, Z
- Doppelte Protonenemission: A-2, Z-2
- Spontane Spaltung: 2-3 kleinere Kerne +
2-3 Neutronen
-Clusterzerfall: (A-Ac, Z-Zc) + (Ac, Zc)
(Ac = 4, Zc = 2) = Alpha-Zerfall Eigenschaften von
Alpha-Teilchen o geringe Reichweite, geringe Eindringtiefe:
- in Luft ca. 10 cm
- in Wasser/organischer Materie 40 m

o hohe Energie (rund 5 MeV) - Austritt aus dem
Kern mit bis zu 20 000 km/s

o starke Wechselwirkung mit umgebender
Materie ==> abschirmbar durch Blatt Papier Biologische Wirkung von Alpha-Strahlung stark ionisierende Wirkung:
"Herausschlagen" von Elektronen aus Atomen bzw. Atomen aus Molekülen
==> Erbgutveränderung ==> Strahlungswichtungsfaktor 20 Endprodukt nach ausreichender Abbremsung:
Helium o tritt beim Alpha-Zerfall auf
(hauptsächlich bei schweren,
neutronenarmen Kernen)
o stark ionisierende Strahlung
o He-Kerne
o doppelt positiv geladen
o Ablenkung im Magnetfeld Was ist Beta-Strahlung? o ionisierende Strahlung, die
beim Beta-Zerfall auftritt

o Beta-Zerfall tritt ein bei ungünstigem
Protonen Neutronen-Verhältnis

o Abspaltung von Nukleonenanteilen

o Beta-minus-/Beta-plus-Zerfall Beta-minus-Zerfall o bei Nukliden mit Neutronenüberschuss

o ein Neutron wandelt sich in ein Proton, Elektron
und ein Antineutrino um

o Elektron und Antineutrino verlassenden Kern

o bzw. Beta-plus-Zerfall o bei protonenreichen Kernen

o Umwandlung eines Protons in ein Neutron,
ein Positron und ein Neutrino

o bzw. z.B.: z.B.: Weitere Beta-Zerfälle - (Doppelter) Elektroneneinfang: A, Z-1/Z-2
Elektron aus Hülle ==> Proton wird zu
Neutron ==> Aussendung Neutrino

- Doppelter Beta-Zerfall: A, Z+2

- Elektroneneinfang mit Positronenemission: A, Z-2
Elektroneneinfang ==> Aussendung Positron und 2 Neutrinos

- Doppelte Positronenemission: A, Z-2

- Zerfall des freien Neutrons Biologische Wirkung von Beta-Strahlung o äußere Einwirkung:
Hautschädigungen
schwere Verbrennungen
Folge: Hautkrebs o Inkorporation:
hohe Strahlenbelastung des Gewebes in der Nähe des Strahlers
Folge: Krebs, z.B. Schilddrüse durch I-131 Strahlenschutz o Abschirmung durch einige mm dicken
Absorber

o sollte aus Material von geringer Atommasse
bestehen (ansonsten Röntgen-Bremsstrahlung)

o Plexiglas 1 cm Strahlungswichtungsfaktor 1 Was ist Gammastrahlung? o besonders stark durchdringende
elektromagnetische Strahlung

o entsteht bei vielen radioaktiven Zerfällen als Folge
von Alpha- oder Beta-Zerfall

o allgemein: jede hochenergetische (> 200 keV) und
hochfrequente (10 Hz < F < 10 Hz,
< 0,005 nm) Strahlung "Gamma-Übergang" Kern ist nach Alpha- oder Beta-Zerfall
weiter in angeregtem Zustand

==> Energieabgabe in Form von
Gamma-Quanten ändert
nichts an der Kernstruktur ( = Gamma-Zerfall) Weitere Formen von
Gamma-Strahlung o Innere Konversion:
die frei werdende Energie beim Gamma-
Übergang kann auch auf ein Elektron in der
Hülle übertragen werden:

o Paarvernichtung:
bei Reaktion eines Teilchens mit seinem
Antiteilchen entstehen Photonen Biologische Wirkung von Gammastrahlung Absorption in organischem Gewebe:
==> Ionisation
==> Sekundärstrahlung
==> Aufbrechen chemischer Bindungen Folgen: - Zellschädigung - oft erst langfristig
- Erbgutveränderung
- unkontrolliertes Zellwachstum (Krebs) Strahlenschutz o Gamma-Strahlung
kann nicht abgeschirmt,
sondern nur abgeschwächt
werden o Halbwertsdicke:
Intensität der Strahlung
nimmt exponetiell ab;
abhängig von Material
und Wellenlänge Strahlungswichtungsfaktor 1 Masse = Energie des ruhenden Teilchens Je größer der Massendefekt,
desto stabiler der Atomkern. M a s s e n d e f e k t ist der Unterschied
zwischen der Summe
der Massen aller Nukleonen
eines Kerns und der tatsächlichen
(stets kleineren!) Masse des Kerns Bindungsenergie vermindert die Summe der Ruheenergien der einzelnen Teilchen E = mc 2 Kernspaltung Kernfusion Energie freisetzende Umwandlung
immer in Richtung maximaler Massendefekt zwei Kerne verschmelzen zu einem neuen unter Abgabe der Bindungsenergie kann nur unter extremem Druck und extremer Energiezufuhr stattfinden, um die Coulombbarriere zu überwinden - daher noch keine realistische Energiequelle
- Aufspaltung des schweren Kerns in
2-3 mittelschwere Bruchstücke
+ 2-3 freie Neutronen
- hervorgerufen durch Neutronenbeschuss induzierte Kernspaltung: Kettenreaktion setzt unter geeigneten Bedingungen ein:
- kritische Masse
- Form/Oberfläche des spaltbaren Materials
- Umgebung (z.B. E der Neutronen) kin 18 20 Kontrolle der Kettenreaktion im Reaktor:
- Moderator (meist Wasser, abhängig vom
Reaktortyp)
- Steuerstäbe (Bor)

unkontrollierte Kettenreaktion: Atombombe Inhaltsübersicht 1. Was ist Radioaktivität?
2. Geschichtlicher Überblick
3. Strahlungsarten
4. Woher kommt Radioaktivität?
5. Halbwertszeit
6. Weitere Maßeinheiten
7. Massendefekt
8. Kernfusion - Kernspaltung
9. Nutzen und Verwendung Radioaktivität Woher kommt Radioaktivität
eigentlich? vor 13,7 Mrd. Jahren... "Ursuppe" Ausdehnung ==> Temperaturabnahme Protonen Neutronen Elektronen Strahlung Strahlung Teilchen Teilchen Strahlung Teilchen Teilchen Strahlung Teilchen ...weitere Abkühlung... Anziehung zwischen pos. und neg. Teilchen Atome
entstehen fast 75% Wasserstoff
25% Helium
vereinzelt Lithium Sterne ... entstehen Druck im Inneren erhöht Temperatur aus riesigen Gaswolken bringt sie zum Leuchten Kernfusionen: He und größere
Kerne entstehen ...in der Größe unserer Sonne... Aber was passiert, wenn
größere Sterne entstehen? viel schnellere, gewaltigere Entwicklung schnellere Fusionsreaktionen Stern wird instabil Supernova Supernova unter diesem extremen Druck werden Atomkerne mit höherer Bindungsenergie erzeugt max. Bindungsenergie: Eisen;
keine größeren Kerne durch Fusion möglich Unser Sonnensystem unsere Sonne = "Stern der 3. Generation d.h. der Entstehung unseres Sonnensystems sind mindestens zwei Supernovae voraus gegangen ...zurück zur Radioaktivität... während Supernova "wilde" Entstehung von Kernen viele zerfallen sofort Radioaktivität = Prozess, um
in stabilen Zustand zu kommen Halbwertszeit ermöglicht Rückschlüsse, wann ein bestimmter Stoff gebildet worden ist = Zeitspanne, in der die Menge und Aktivität eines radioaktiven Nuklids durch Zerfall auf die Hälfte gesunken ist ( ...Zerfallskonstante - stoffabhängig) umgekehrt proportional zur Halbwertszeit: Spezifische Aktivität = Aktivität pro Masseneinheit; Bq/mg Weitere Maßeinheiten 1. Aktivität: Anzahl der Zerfälle pro Sekunde
[A] = 1 Bq 2. Energiedosis: auf das Gewebe übertragene Energie
D = W/m ; [D] = J/kg = Gy (Gray) 3. Äquivalentdosis: nach ihrer Wirkung gewichtete
Energiedosis
H = W * D ; [H] = J/kg = Sv (Sievert) 4. Effektive Dosis: nach Gewebeempfindlichkeit
E = W * H ; [E] = J / kg = 1 Sv T T Nutzen von Radioaktivität Technik - Dickenmessungen: Durchstrahl- oder Rückstrahlverfahren - Schweißnaht- und
Werkstoffprüfung: Gamma-Bestrahlung mit Detektor
auf der anderen Seite - Feuer- und Rauchmelder: durch Ionisation der Luft werden Rußpartikel
registriert - Luminiszenz: schwache Betastrahler für z.B. Leuchtziffern Medizin - Szintigraphie: gammastrahlender Tracer mit CT gescannt;
Herz, Lunge, Schilddrüse, Knochen - PET-Scan: emittiertes Positron + Elektron im Gewebe ==> Paarvernichtung ==> Gammastrahlung;
Onkologie, Kardiologie, Neurologie - Radioiodtherapie: nach Schilddrüsenentfernung starke Anreicherung
des Restgewebes mit "therapeutischem" Iod - Radioiodnuklidtherapie: bei Knochenmetastasen Archäologie - Wie alt ist Ötzi? C-14-Methode - Wie alt ist der Mt. Everest? stabile und instabile Isotope in erkalteter Lava - K-Ar-Zerfallsreihe
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