Atomkerne und Radioaktivität

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1 tomkrn und Radioaktivität Institut für Krnchmi Univrsität Mainz Klaus Ebrhardt und Razvan Buda

2 Größnskala tom und Krn nordnung dr tom in inm Kupfr-Chlor-Phthalocyanin-Kristall Elktronnhüll: Krn: 1x10-10 m 5x10-15 m 1 nm

3 Größnskala tom und Krn

4 tommodll Elktronnhüll: Krn: 1x10-10 m 5x10-15 m tomkrn bstht aus utronn und Protonn Tilchn Mass [kg] Ladung [s] Elktron 9,10938 x ,6022 x Proton 1,67262 x ,6022 x utron 1,67493 x

5 Enrgiskala tom und Krn ur bschätzung btracht ingschlossns Tilchn im atomarn Volumn bzw. im Krnvolumn. Hisnbrgsch Unschärfrlation: p x 2 2 ( p) E E 2 2m 2m( x) E E ( x ( x K Þ Þ 2 m m n K ) ) 2 mit x» m und xk» m E E K 0, tomar Prozss laufn bi inign V ab, Krnprozss bi 100 kv bis inign MV

6 Massndfkt und Bindungsnrgi Bim usammnschluss von Protonn und utronn zu inm tomkrn tritt in Massnvrlust (Massndfkt) auf. 4 H: m = 0, x kg 28,35 MV Massndfkt ntspricht dr Bindungsnrgi ds Krns

7 Bindungsnrgi pro uklon

8 ufbau ds tomkrns Protonn utronn Elmnts = + Krnladungszahl, Ordnungszahl Krn mit glichm hißn Isotop ins uklonnzahl Schribwis für inn tomkrn: Mhr als 2500 bkannt uklid für 117 Elmnt bkannt (2008), von dnn 81 stabil Isotop bsitzn

9 uklidkart

10 Vrtilung dr stabiln Isotop grad und grad (gg-krn): uklid grad und ungrad (gu-krn): uklid ungrad und grad (ug-krn):. 50 uklid ungrad und ungrad (uu-krn):.. 6 uklid uklonnpaar bsondrs stabil

11 Radioaktivr rfall Q-Wrt (Enthalpi) inr Raktion: Q = (M vorhr - M nachhr ) c 2 Äquivalnz von Mass und Enrgi wnn Massndiffrnz zwischn usgangs- und Endproduktn groß gnug ist, kann spontanr radioaktivr rfall rfolgn Enrgiinhit [V]: 1 V = s 1 V = J Chmisch Prozss im Brich von V uklar Prozss im Brich von MV

12 -rfall 4 4 2Y 22H2 Q > 0 für > 150,häufig bi > 83

13 -rfall 4 4 2Y 22H2 Q > 0 für > 150, vor allm bi > 83 p-rfall (1981) 1 1 1Y 1p0 2006: 62 p-strahlr bkannt, (nur shr protonnrich Krn)

14 14 C-rfall (1983), Clustrradioaktivität Y 8 6C8 Konkurrnzprozss zum -rfall, wsntlich sltnr Gamov-Thori (3. Tag): -Tilchn bzw. 14 C muß Coulomb-Wall durchtunnln Tunnlwahrschinlichkit korrlirt mit Höh ds Coulombwalls Höh ds Coulombwalls skalirt mit

15 schwach Wchslwirkung (WW) stark WW wirkt nur auf uklonn - -rfall (nutronnrich Krn) Y 1 1 Y 1 1

16 -rfall - -rfall (nutronnrich Krn) Y 1 1 vrantwortlich: schwach Wchslwirkung stark Wchslwirkung wirkt nur auf uklonn (Hadronn) Bim - -rfall ntstht in Elmnt höhrr Ordnungszahl künstlich rzugt Elmnt + -rfall (nutronnarm Krn) Y

17 Y rfall ist nur möglich, wnn Q groß gnug, da m p < m n + -rfall (protonnrich Krn) Y 1 1

18 Elktronninfang (EC, ) Y 1 1 Y 1 1 Emission charaktristischr Röntgnstrahlung. Konkurrnz zum + -rfall. Disr ist nur möglich, wnn Q groß gnug, da m p < m n

19 -rfall * -rfall ist Folg inr Krnanrgung, z.b. durch vorhrghndn - odr -rfall Habn angrgt Krn "lang" Lbnsdaurn (>10-12 s), spricht man von isomrn Übrgängn (isomric transitions, IT)

20 -rfall * kin uklidumwandlung, sondrn Übrgang in tifrligndn Krnzustand untr Emission von lktromagntischr Strahlung krnanalogr Prozss zu (Röntgn-)fluorsznz im tom: brgung ins angrgtn ustands untr Emission von Photonn -rfall ist Folgprozss inr vorhrign Krnanrgung, z.b. durch vorhrghndn - odr -rfall

21 Innr Konvrsion * Konkurrnzprozss zum -rfall, wnn -Übrgäng "vrbotn" ( uswahlrgln bim -rfall) Das Elktron wird i.a. aus dr K-Schal mittirt, d.h. E = E - E B mononrgtisch - im Ggnsatz zu -rfall uf innr Konvrsion rfolgt Emission charaktristischr Röntgnstrahlung (Widrauffülln dr Schaln) Krnanalogr Prozß zu ugr-elktronnmission: Enrgiübrschuss wird auf in Elktron übrtragn, das mittirt wird

22 Innr Paarbildung * Konkurrnzprozss zum -rfall, wnn -Übrgäng "vrbotn" ( uswahlrgln bim -rfall) Elktron-Positron-Paar wird im Coulombfld ds Krns spontan gbildt ur möglich, wnn E > 2 m c

23 Krnspaltung (spontan / induzirt) (utronn-) induzirt Spaltung: Spontanspaltung tritt bi 232 Th und schwrrn Krnn auf Produkt sind wit vom usgangskrn ntfrnt Brit Vrtilung von Produktn Shr großr Enrgiumsatz (>200 MV) Y x0n1

24 Bispil für in rfallsschma

25 Wchslwirkungn von Strahlung mit Matri Ionisation: M M nrgung: M M* Erzugung ins Ionnpaars in Luft: ca V. -Strahlung -Strahlung -Strahlung 10 4 Paar / cm Wgläng 10 2 Paar / cm Wgläng 1 Paar / cm Wgläng

26 Ionisationskammr (ählgas z.b. r/ch 4 )

27 Eignschaftn ins ählrohrs Ionisationskammr: -Tilchn rzugt twa 10 5 Ionnpaar dirkt vrstärkbarr Strom ( s)

28 Proportionalzählr Bi rhöhtr Spannung wrdn di primär rzugtn Elktronn zur nod bschlunigt Stoßionisation, skundär Ionnpaar Vrstärkung um 3-5 Größnordnungn (mv Brich) - und -Strahlung lassn sich lktronisch diskrimirn (Impulshöh): Impulshöh Tilchnnrgi oft Durchflusszählr (ählgasrnurung): Kontamat, Hand- Fuß-Monitor

29 Gigr-Müllr-ählrohr (GM) Witr Erhöhung dr Spannung: Vrstärkt Stoßionisation ußrdm: Elktronisch nrgung ds ählgass: r (+ - ) r* + h dadurch lawinnartig Photoionisation: M (+ h ) M Um Kathod bildt sich Ionnwolk (Ionn driftn langsamr als - ): Pulshöh wird unabhängig von dr Tilchnart Totzit: it, in dr das ählrohr kin witrs Tilchn rgistrirn kann. ugab von "Löschgas" (lkohol, Halogn) zur schnllrn utralisation dr Ionnwolk ( s) Vortil GM: Hoh Impulsratn, kin Vrstärkung notwndig achtil GM: Pulshöh nrgiunabhängig. Kin Spzifität

30 Totzit Gmssn Impulsanzahl ist klinr als wahr Impulsanzahl (kurz aufinandrfolgnd Tilchn rgbn nur in Signal): I g < I w I w - I g = Vrlust an Impulsn pro it itbruchtil, dn dr Dtktor "tot" ist: I g ; I w - I g = I w I g ; = (I w - I g )/(I w I g )

31 Hrstllung fstr radioaktivr Präparat durch Fällungsraktionn Hrstllung ins 35 S-Präparats ( 35 S ( - ) 35 Cl) Bstrahlung von 1,5 mg H 4 Cl im TRIG-Raktor: 35 Cl(n,p) 35 S ( 35 S) = 500 kbq mit T 1/2 =87,5 d =(xt 1/2 )/ln2 = (5x10 5 s -1 x 7,6x10 6 s)/0,693 ca. 5,5x10 12 tom 35 S pro Vrsuch wrdn ca tom (10-15 mol) 35 S ingstzt Glasobrfläch nthält SiOH Gruppn. Ionnaustauschrkapazität ca Mol/cm 2. Es wrdn abr nur ca mol 35 S ingstzt. um quantitativn usfälln von [ 35 S]BaSO 4 muß inaktivr Sulfatträgr zuggbn wrdn

32 Praktikumsvrsuch 35 S 35 Cl rfallsnnrgi vrtilt sich auf Elktron und ntinutrino kontinuirlichs Elktronnspktrum Bi abgdcktn Präparatn zählt dr GM jwils dn transmittirtn ntil dr Elktronn

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