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Radioaktivität

Strahlung radioaktiver Stoffe

Entdeckung der Radioaktivität durch BECQUEREL

RÖNTGEN 1895: Kathodenstrahlen erzeugen beim Auftreffen auf feste Körper Röntgenstrahlung

Hypothese von Becquerel: Wenn Röntgenstrahlen im Zusammenhang mit Fluoreszenz entstehen, könnte vielleicht auch Licht beim Auftreffen auf fluoreszierende Stoffe Röntgenstrahlen erzeugen.

Nach vielen Fehlschlägen: Versuche mit Kaliumuranylsulfat

Folgerichtigkeit seiner Gedanken!

Wegen schlechten Wetters Aufbewahrung von Photoplatte und Uransalz in der Schublade

aber:

Auch in der Dunkelheit Schwärzung!

Versuche mit den verschiedensten Verbindungen: nur uranhaltige Salze sandten diese durchdringende Strahlung aus.

Entdeckung der radioaktiven Elemente Radium, Polonium und Thorium

Das Uranerz Pechblende ist stärker radioaktiv als reines Uran - Suche nach unbekanntem Bestandteil durch Marie CURIE - aus Wismutfraktion: Polonium, aus Bariumfraktion: Radium

Komponenten der radioaktiven Strahlung

Verhalten von Radiumstrahlen in einem elektrischen Feld:

Ablenkung von radioaktiven Strahlen im elektrischen Feld liefert 3 Komponenten: b-Strahlen Masse = 1/2000 u Ladung = - e Elektronen   g-Strahlen Masse = 0 Ladung = 0 Elektromagnet. Wellen   a-Strahlen Masse = 4 u Ladung = + 2 e Heliumkerne

- drei Komponenten: a-, b- und g-Strahlung

- Bahnkrümmung bei den b-Strahlen bedeutend größer als bei den a-Strahlen. g-Strahlen werden nicht abgelenkt.

Wirkung radioaktiver Materie

1. Die Aussendung radioaktiver Strahlung kann durch äußere Einwirkungen weder verstärkt noch verringert werden (-> kein chemischer Vorgang)

2. Wärmeabgabe radioaktiver Präparate (z.B. gibt 1 g Radium stündlich 575 J an die Umgebung ab)

3. Abgabe von Strahlung - wichtigste Eigenschaft

4. Ionisierende Wirkung

Nuklide, Isotope

Erklärung der Nuklid-Karte

 z.B.

Zerfallsarten: a-Zerfall, b-Zerfall , b⁺-Zerfall, K-Einfang, Verschiebungssätze

a-Zerfall

Nur bei schweren Kernen, z.B.

Schwere Kerne enthalten mehr Neutronen als Protonen. Wenn der Kern wegen zu vieler Protonen instabil ist, können a-Teilchen ausgesandt werden. Dadurch verringert sich der relative Anteil der Protonen.

b-Zerfall

Beispiel:

Bei überschüssigem Neutron: Stabilisierung des Kerns durch Aussendung eines Elektrons -> Umwandlung eines Neutrons in ein Proton:

b⁺-Zerfall - Positronenstrahlung

Beispiel:

Bei Neutronenunterschuss: Stabilisierung des Kerns durch Aussendung eines Positrons -> Umwandlung eines Protons in ein Neutron:

K-Einfang

Beim K-Einfang entsteht ein neuer Atomkern mit einer um 1 verminderten Kernladungszahl und einer gegenüber dem Ausgangskern unveränderten Nukleonenzahl:  

Übungen mit Zerfallsreihen, Formulierung von Zerfallsvorgängen

Uran-238-Zerfallsreihe: abb aaaaa bba bba

Thorium-Zerfallsreihe: abba aa abba

Nachweismöglichkeiten der Kernstrahlung

Geiger-Müller-Zählrohr

Zylinder mit Draht als Innenelektrode

Das einfallende Teilchen erzeugt längs seiner Bahn Ionen, die zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden beschleunigt werden.

- bei niedrigen Spannungen: Ionisationskammerbereich

- bei hohen Spannungen kommt es zur Bildung sekundärer Ionenpaare durch Stoßionisation - Ionenlawine - schließlich ist das gesamte Zählrohrvolumen an der Entladung beteiligt (Alles-oder-Nichts-Reaktion) - nur noch geringe Verstärkung erforderlich

Vor Registrierung eines neuen Teilchens ist Löschung der vorhergehenden Entladung notwendig:

- durch großen Widerstand (führt zu so starkem Spannungsabfall, dass die Entladung nicht aufrechterhalten werden kann) oder

- durch Puffergas, z.B. einigen Prozent Alkoholdampf. Es wird beim Zusammentreffen mit Ionen nicht selbst ionisiert, sondern zu innermolekularen Schwingungen angeregt.

Beurteilung der Qualität eines Zählrohres nach Totzeit (ca. 0,1 ms) und Lebensdauer

Zählrohre für verschiedene Strahlenarten:

Nebelkammer und Blasenkammer

Die Kammer enthält mit Wasserdampf gesättigte Luft ( sie enthält die bei der gegebenen 
Temperatur maximale Menge Wasserdampf). Je niedriger die Temperatur ist, desto weniger Wasserdampf  kann  die Luft aufnehmen; es bilden sich Wassertröpfchen (Nebel), 
bis der Sättigungswert  der dieser  Temperatur  entspricht, erreicht ist. Die  Nebelbildung 
erfolgt  an den  sog.  Kondensationskernen, welche  sowohl Staubteilchen  als auch 
Ionen sein können.

Bei der "Wilson-Nebelkammer" wird durch eine plötzliche Volumenvergrößerung (adiabatische  Abkühlung) eine  Abkühlung  erreicht. Diese  Abkühlung hat eine Übersättigung der Luft mit Wasserdampf zur Folge.

Wenn nun in die staubfreie Kammer ein ionisierendes Teilchen eintritt, so erzeugt es längs
seines Weges Ionen, an denen sich Wassertröpfchen bilden. Der Weg des Teilchens
wird als Nebelspur für kurze Zeit sichtbar. Diese Spur kann man fotografieren.

 (vergl. Düsenflugzeug)

- Übersättigung durch schlagartige Expansion des Gases - Folge der adiabatischen (Gegenteil: isotherm) Abkühlung

- Zusatzeinrichtungen: Stereokamera, Koinzidenzschaltungen, Magnetfelder

- Diffusionsnebelkammer arbeitet kontinuierlich

Nebelkammeraufnahmen: 

Blasenkammer (ab 1952)

- vergl. Bierglas

- Vorteile: Reichweite der Teilchen geringer (Energie!)

- auch für flüssigen Wasserstoff (Protonen!)

- technische Schwierigkeiten (Geschwindigkeit, Auswertung, Größe 500l!)

Röntgenfilmdosimeter und Kernspurplatten

- Strahlenexposition, Robustheit, Weltraumexperimente

Kernzertrümmerung durch ein kosmisches Strahlungsteilchen (Kernspurplatte)

Szintillationszähler

Vorläufer: Spinthariskop

Sekundärelektronenvervielfacher

Vorteile:

- extrem hohe zeitliche Auflösung (10^-9s)

- Messung der Teilchenenergie möglich

Versuch: Nachweis der Folgeprodukte des Radon-Zerfalls (nach einer Anregung von R. Schwankner)

Der im Chemiesaal an Isolatoren in der Höhe berührungssicher ausgespannte Draht wird mehrere Stunden lang mit negativer Hochspannung aufgeladen. Nach dem Abschalten des Hochspannungs-Netzgeräts werden die am Draht abgeschiedenen Radionuklide abgewischt, indem ein angefeuchtetes zusammengedrücktes Papiertaschentuch am Draht entlanggezogen wird. Das Geiger-Müller-Zählrohr zeigt deutliche Aktivität an, die im Lauf der nächsten Stunden allmählich abklingt.

 Zerfallsgesetz: Aktivität (Bq), Halbwertszeit, Anwendung zur Altersbestimmung

Zerfallsgesetz: Aktivität (Bq), Halbwertszeit

Radium als Beispiel:

Anzahl der in 1 g Radium enthaltenen Atome:

In der 1. Sekunde zerfallen davon N = 3,67*10¹⁰ Atome, in der 2. Sekunde etwas weniger usw.

Von einem bestimmten radioaktiven Stoff zerfällt in jeder Zeiteinheit ein gleichbleibender Bruchteil der noch vorhandenen Atome.

Nach 1620 Jahren ist die Hälfte der vorhandenen Atome zerfallen. Nach weiteren 1620 Jahren?

Statistische Natur des radioaktiven Zerfalls! Über die individuelle Lebensdauer eines Atoms kann keine Aussage gemacht werden.

Mathematische Formulierung des Zerfallsgesetzes:

Aktivität eines Radionuklids: Quotient aus der Anzahl der Zerfallsakte DN und der Zeit Dt, in der diese Zerfälle erfolgen.

DN ist negativ: Abnahme von N im Laufe der Zeit.

Einheit: Becquerel (Bq) 1 Bq = 1 * s^-1

Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls:

dN = - l N dt   Differentialform

Ableitung des Begriffs der Halbwertszeit T:

Halbwertszeit T: Die Zeit, in der die ursprüngliche Zahl der Teilchen auf die Hälfte abgenommen hat.

Zerfallskonstante l: Der in einer Sekunde zerfallende Bruchteil eines radioaktiven Stoffes.

Zerfallskonstante und Halbwertszeit sind eine für jede Kernart charakteristische Konstante

C-14-Methode der Altersbestimmung

Methoden der radioaktiven Altersbestimmung im Überblick *

Uran-Blei-Methode und Uran-Helium-Methode [T (U-238) = 4,5 * 10⁹ a]: - nur für uranhaltige Gesteine

Kalium-Argon-Methode   [T (K-40) = 1,27 * 10⁹ a]

- wegen großer Verbreitung kaliumhaltiger Mineralien vielseitig anwendbar

Wegen der langen Halbwertszeit für die Altersbestimmung von Gesteinen zur Erfassung geologischer Zeiträume geeignet.

C-14-Methode (Radiokarbon-Methode)

Prinzip der Methode:

Das Verhältnis C-14 / C-12 in der Atmosphäre ist annähernd konstant. Pflanzen nehmen im gleichen Verhältnis bei der Photosynthese CO2 auf und bauen die Kohlenstoffatome in ihre Lebenssubstanz ein. Nach dem Absterben der Organismen wird kein Radiokohlenstoff mehr aufgenommen. Der Gehalt an C-14 nimmt mit dem Alter der Probe ab.

Bildung von Radiokohlenstoff in der Natur 

Neutronen aus der kosmischen Höhenstrahlung treffen auf Stickstoffatome in der Atmosphäre:

b-Zerfall (T = 5730 a):

ca. 16 Zerfälle pro min * g Kohlenstoff (frisch)

- bis ca. 50000 Jahre datierbar

Fehlerquellen:

• Sonnenaktivität

• fossile Brennstoffe (seit Industrialisierung)

• Atomversuche in der Atmosphäre

• Statistische Unsicherheit

Kalibrierung mit Hilfe von Jahresring-Datierung (Dendrochronologie) und Geschichtsdaten 

Aufgaben: Radioaktivität, Zerfallsgesetz. Altersbestimmung

Die Halbwertszeit eines Poloniumisotops beträgt 138 Tage.

Welche Menge ist von 24 g nach 30 Tagen noch vorhanden?

[Ergebnis: 20,6 g]

Die Aktivität eines radioaktiven Stoffes ist nach 2 Tagen

auf 26,4% der ursprünglichen, und zwar auf 1000/s abgesunken.

a) Berechne die Halbwertszeit T!

b) Wie viele radioaktive Atome waren anfangs vorhanden?

[Ergebnis: T = 1,041 d]

Lebende Organismen, also z.B. das Holz heutiger Bäume, enthalten so viel C-14, dass sich im Mittel eine Aktivität von A₀=15,3 / min je Gramm Kohlenstoff ergibt. In einer Höhle wurden Reste an Holzkohle gefunden, die aufgrund ihres Gehaltes an C-14 nur noch eine Aktivität von 12,5 / min aufwiesen. Wie alt

ist die Holzkohle?

[Ergebnis: t = 1671 a]

Die chemische Untersuchung einer Gesteinsprobe ergab das folgende Massenverhältnis von Blei-206 zu U-238: m(Pb) : m(U) = 0,2. Berechne daraus das Alter der Gesteinsprobe!

[Ergebnis: t = 1,35 * 10⁹a ]

2 g Kohlenstoff (aus einem antiken Schuh hergestellt) hatten 30% der Aktivität von 2 g Kohlenstoff aus frischem Holz. Berechne das Alter des Schuhs!

[Ergebnis: t = 10022 a]

In einem Meteoriten wurden 3,5*10^-3 l (Normbedingungen) Helium pro 10^-6 kg Uran gefunden. Bestimme das Alter des Meteoriten!

[Ergebnis: t = 1,13 * 10¹⁰ a]

In einem uranhaltigen Mineral wurde ein Pb-206/U-238-Verhältnis von 0,15 gefunden. Wie alt ist das Mineral?

[Ergebnis: t = 1,057 * 10⁹ a]

An einer Mumie wurden 56,2% der Aktivität von C-14  gegenüber der in einer lebenden Substanz gemessen.  Wie alt ist die Mumie?

[Ergebnis: t = 4763 a]

Nach welcher Zeit ist noch 1/1000 der Anfangsmenge des

Radioisotops Ra-226 vorhanden?

[Ergebnis: t = 16165 a]

Angenommen, 50 g radioaktives Iod 131 (T = 8 Tage) würden bei einen Atomunfall über eine Fläche von 1000 x 1000 km gleichmäßig verteilt. Welche Aktivität wäre dann anfänglich pro Quadratmeter nachweisbar?

[Ergebnis: A = 230497 Bq]

biologische Strahlenwirkung und Strahlenschutz

biologische Strahlenwirkung und Strahlenschutz

Einheiten der Strahlenmessung:

Strahlendosis unterscheiden von der Aktivität einer radioaktiven Substanz (Bq) -> Strahlenwirkung!

Energiedosis: diejenige Energie, die bei Bestrahlung auf ein bestimmtes Material übertragen, von diesem also absorbiert wird (Verhältnis zwischen der von dem durchstrahlten Stoff absorbierten Energie und seiner Masse)

Äquivalentdosis: Energiedosis, multipliziert mit einem Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor) q (der biologischen Wirksamkeit), denn bei gleicher Energieabsorption sind die verschiedenen Strahlenarten unterschiedlich biologisch wirksam.

q = 1: Röntgen, g, b

q = 2-10: Neutronen, Protonen

q = 20: a

Einheit: 1 Sv (Sievert) = 1 J/kg

Strahlenbelastung des Menschen

natürliche Strahlenbelastung

• kosmische Strahlung

• natürliche radioaktive Stoffe des Erdbodens

• inkorporierte natürliche radioaktive Stoffe (Radon, Kalium-40)

zivilisatorisch bedingte Strahlenbelastung

• Röntgen- und Gammastrahlung in der Medizin

• Bremsstrahlung von Bildschirmen

• Rohphosphate

• Fliegen in großen Höhen

• Kernkraftwerke

• Fallout von Kernwaffenversuchen

Biologische Strahlenschäden

Einwirkung radioaktiver Strahlung auf Zellen

-> Anregung oder Ionisation von Molekülen durch absorbierte Strahlenenergie -> Veränderungen z. B. an Proteinen, Enzymen, Nukleinsäuren (DNS), Veränderungen an Soma (=Körper)- bzw.  Keimzellen

nichtstochastische Schäden (nicht zufallsbedingte Effekte) z. B. Strahlenkrankheit, wobei in Abhängigkeit von der Dosis verschiedene Symptome auftreten können (z. B. Hautrötungen, Übelkeit, Geschwüre, Haarausfall, Veränderungen des Blutbilds), Trübungen der Augenlinse

Diese Schäden treten auf, wenn eine gewisse Schwellendosis (je nach Gewebe 0,25 - 1 Sv) überschritten wird.  Bei überschwelligen Dosen ist die Schwere des Schadens der Strahlendosis proportional.

stochastische Schäden (zufallsbedingte Effekte)

• Krebs

• Leukämie

• Erbschäden bei Nachkommen

Für diese Schäden, die auf einer Schädigung der DNS beruhen, gibt es keinen Schwellenwert. Die Häufigkeit der Schäden ist der Strahlendosis proportional.

Sie können Folge sowohl einer einmaligen hohen Strahlenbelastung, als auch einer längeren schwachen Strahleneinwirkung sein. Krebs und Leukämie können als Spätschäden u. U. erst nach Jahren auftreten.

Mutationen (Veränderungen der DNS) im Erbgut der Keimzellen wirken sich erst bei den Nachkommen aus.

Bei kurzzeitiger Ganzkörperbestrahlung von über 7 Sv kommt es zum Strahlentod.

Strahlenschutz

Das Ziel der Strahlenschutzmaßnahmen ist es, die Strahlenbelastung der Bevölkerung so niedrig wie möglich zu halten. Strahlenschutzmaßnahmen sind z.B.

Abstand

Da die Intensität der Strahlung mit zunehmender Entfernung stark abnimmt, ist von radioaktiven Präparaten Abstand zu halten.

Beispiel: Wird eine kugelförmige radioaktive Substanz (d = 1 cm) durch Anfassen mit einer Pinzette in 10 cm Abstand gehalten  (= 10-fache Entfernung), dann ist die Strahlungsintensität 1/10² = 1/100 des ursprünglichen Wertes.

Abschirmung

Radioaktive Stoffe müssen so abgeschirmt werden, dass die von ihnen ausgehende Strahlung so geschwächt wird, dass sie keine Gefährdung darstellt.

Kontrolle

- Falls unvermeidbar, sollte eine Strahlenexposition möglichst kurz sein.

- Die Belastung strahlenexponierter Personen muss ständig kontrolliert werden.

- Beim Umgang mit radioaktiven Stoffen sind Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, dass radioaktive Stoffe weder eingeatmet, noch auf anderen Wegen (z.B. über Wunden) in den Körper gelangen können.

- Einhaltung der Sicherheitsvorschriften