Entdeckung der Radioaktivität

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1 1896: Die Entdeckung der Radioaktivität Inspiriert durch Röntgen-Strahlen Untersuchung der Fluoreszenz von Uran Schwärzung von Fotoplatten in Verpackung Erklärung: Aufladung mit Sonnenlicht Henri Becquerel ( ) Einheit - Aktivität: 1 Bq = 1 Zerfall / Sekunde früher Cu (curie Aktivität des Radiums ) Entdeckung der Radioaktivität : Bedeckter Himmel Lagerung der Uransteine in Schublade Überraschung: deutliche Kontur der Steine Auch Uranmetall belichtet Woher kommt die Energie? 1

2 Entdeckung der Radioaktivität durch Henry Becquerel Metallkassette, lichtundurchlässig Film entwickelt Uransalz Marie ( ) und Pierre ( ) Curie Entdeckung von Radium und Polonium 1 Tonne Pechblende 0.1 Gramm Radium 2

3 Entdeckung von Radium und Polonium 1898: Marie und Pierre Curie extrahieren Zerfallsprodukte des Urans und Thoriums Radiumemanation (Radon) Nobelpreis Physik 1903 gemeinsam mit H. Becquerel Nobelpreis Chemie 1911 Pechblende U 2 O 3 Radiumindustrie Radium: Wellness der 1920er Jahre Giesel 1906: Leuchtziffern Gefahren ionisierender Strahlung seit Selbstversuch von Elihu Thomson 1897 eigentlich bekannt Exzessive Anwendung durch hohen Preis verhindert 3

4 Arten radioaktiver Strahlung Ernest Rutherford 1898: Magnetfeld 3 Arten von Strahlen: Benennung mit α, β, γ Entdeckung des Atomkerns (1909 mit H. Geiger und E. Marsden) klärt die Natur der Strahlung: α β γ 4

5 α-zerfall Th + α β-zerfall 3 2 He + β 10 α- und β-zerfall Anzahl Anzahl Protonen Protonen Z Z β-zerfall Anzahl Neutronen N α-zerfall Beim radiokaktiven Zerfall entsteht ein anderes Element, weil sich die Protonenzahl ändert.- Isotope 5

6 α-zerfall Der Kern sendet 2n o, 2p + aus Ra Rn α Halbwertszeit 1600 Jahre U Th Pu U α α Jahre 24'400 Jahre β-zerfall (n o p + + e - ): H He β Halbwertszeit 12.3 Jahre C N I Xe β β 5730 Jahre 8 Tage Uran-Thorium-Reihe 238U U 234 Th Mutternuklid α β β α α 234 Pa 234 U 230 Th 226 Ra α α α β β 226Ra Ra 222 Rn Po Pb Bi 214 Po 214Po Po 210 Pb α β β α Bi Po 206 Pb stabil 6

7 Thorium-Reihe Massenzahl A Th Mutternuklid Th 228 Ac 228 Th Ra Rn Po Pb 212 Bi 212 Po Tl 208 Pb stabil Protonenzahl Z Halbwertszeit von 131 I τ 1/2 = 8 Tage Prozentualer Anteil 131 I T 1/ t Anzahl T1/2 = T1/ 2 1 Anteil = 100% 2 2 Anzahl T1/ = = = = Zeit (Tage) Zeit (Tage) Anzahl τ 1/2 7

8 Gesetz des radioaktiven Zerfalls N N 0 Anzahl radioaktiver Kerne N = N 0. λt e = N. λ : Aktivität - Anzahl der Zerfälle pro Zeitintervall N 0 /2 ln 2 T 1/2 : Halbwertzeit ( T 1/2 = ) λ λ : Zerfallskonstante N 0 /4 N 0 /8 N 0 /16 0 T 1/2 2T 1/2 3T 1/2 4T 1/2 t Das Zerfallsgesetz beschreibt die Gesetzmäßigkeit, mit der radioaktive Kerne zerfallen. Bei allen Zerfallsarten wandelt sich der instabile, radioaktive Mutterkern N in die stabilen, radiogenen Tochternuklide T um. Die Zerfallsgeschwindigkeit (dn/dt = -λ. N) eines Nuklids ist durch eine charakteristische Zerfallskonstante λ bzw. die Halbwertszeit τ 1/2 (τ 1/2 = 0,693/ λ) gekennzeichnet. Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Zahl der zerfallenden Kerne jeweils auf die Hälfte reduziert ist. Sie ist für jedes Nuklid spezifisch. 8

9 Aufgabe Iod 131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen. Wieviel Prozent der Nuklide sind nach 80 Tagen noch vorhanden? t 80 Tage Anzahl T 1/ 2 = = = 10 T 8 Tage 1/ Anteil I = 100% = 100% = 0.097% Anzahl T1/ Abschwächung radioaktiver Strahlung α- und β - Strahlen sind geladen, endliche Reichweite γ - Strahlung ist ungeladen (elektromagn. Welle) nur Abschwächung 9

10 Materialprüfung mit starken γ-strahlern: 60 Co mm Stahl 192 Ir 12,5 62,5 mm Stahl 169 Yb 2,5 15 mm Stahl Technische Nutzung Quelle wird ferngesteuert ausgefahren Schweißnaht Turbinenschaufel Transport in Uran-Abschirmung Entdeckung des Neutrons 1932 Bothe und Becker 1931: Beschuss von leichten Kernen mit α-teilchen: durchdringende Strahlung Frederic und Irene Joliot-Curie: γ-strahlung schlägt Protonen heraus? Rutherford: Unfug! Chadwick 1932: Messung der Energie des Rückstoßprotons mit Ionisationskammer James Chadwick ( ) Damals modernster Detektor! Kernumwandlungen mit Neutronen: 10

11 Die falschen Transurane: Kernspaltung! Hahn und Straßmann entdecken 1938 mit chemischen (!) Methoden die Kernspaltung: Wo kommt Barium her? Erklärung von Meitner und Frisch: Der Urankern zerplatzt! Pro Spaltung werden ca. 200 MeV frei: 1g 235 U = 1 MWd Otto Hahn Lise Meitner Fritz Straßmann Moskau 1940: Flerov entdeckt spontane Spaltung des Urans Energiegewinnung durch Kernspaltung Otto Hahn : Spaltung von Uran zusammen mit Assistent Fritz Strassmann 1944: Nobelpreis Lise Meitner Theoretische Erklärung der Kernspaltung Berechnung der dabei freiwerdenden Energie 11

12 Eintrag aus den Notizbuch von Lise Meitner U n U U Np Np 145 β - β - Kernspaltung Abstossung 12

13 13

14 Kettenreaktion Kettenreaktion 14

15 Mausefallen-Modell einer Kettenreaktion Atomkern: Neutronen Spaltenergie Spaltquerschnitt Kritische Masse In hochangreichertem 235U (>90%) oder 239Pu kommt es bei genügend großer Masse (möglichst kugelförmig) zu einer unkontrollierten Kettenreaktion. Kritische Masse: U kg 23 kg (mit Wasser) Pu kg 5.4 kg (mit Wasser) Die Kettenreaktion kann kontrolliert im Atomreaktor und unkontrolliert in der Atombombe verlaufen. 15

16 Atome für den Frieden : Kernenergie USA 1951: EBR-I produziert auch Strom Hochfliegende Pläne für das Atomzeitalter: UdSSR 1954 Obninsk: 1. Kernkraftwerk weltweit Ford Nucleon Entwicklung der Atombombe L. Szilard, A. Einstein: Brief an Roosevelt, befürchteten deutsche Atombombe Manhattan-Projekt in Los Alamos (2 G$): : erster Test (Trinity) Pu-Bombe Hiroshima (80000 Tote) U-Bombe Nagasaki (45000 Tote) Pu-Bombe Beginn des nuklearen Wettrüstens Oppenheimer Groves 16

17 Atombombe Spaltbares Material wird erst nach Überschreiten einer kritischen Masse explosiv. Kritische Masse von reinem Plutonium 239: 4 kg Kritische Masse von reinem Uran 235: 15 kg Nutzung der Kernenergie Bsp. D: 19 Kernkraftwerke in 5 Bundesländern: 28% der Stromerzeugung in D ohne NRW: 50% in den Ländern mit KKW: Anteil % Nur 2 Typen von KKW: Leichtwasser-Druckreaktor Leichtwasser-Siedereaktor angereichertes Uran notwendig Andere Typen stillgelegt (Niederaichbach, Schwerwasserreaktor) oder nicht in Betrieb genommen (Hamm-Uentrop/HTR, Kalkar/Schneller Brüter) Ausstieg bis 2030 geplant Verbot der Wiederaufbereitung ab 2005, kein Endlager 17

18 Aufbau eines Kernreaktors Moderator Wasser 238 U Brennelement 235 U Regelstab (Cadmium) Kettenreaktion 1. Neutron 18

19 Atomkraftwerk Aufbau Druckwasserreaktor 19

20 Aufbau Siedewasserreaktor Thorium-Hochtemperatur-Reaktor: Kugelhaufen-Reaktor 20

21 Schneller Brüter Turbine Generator Primär- Natriumkreislauf Natriumpumpe Sekundär- Natriumkreislauf Wasserkreislauf Dampferzeuger Kühlung β β Brutreaktion: n U 239 U 239 Np 239 Pu schnell Spaltreaktion: n Pu Spaltstücke + Energie + 3 n 0 schnell schnell Brutreaktor 21

22 Radioaktive Markierung in Chemie, Biologie und Medizin Idee: George de Hevesy (Nobelpreis 1943) Verfolgung radioaktiv markierter Substanzen ( 3 H, 14 C, 32 P, 99m Tc,...) auf ihrem Weg durch chemische Reaktionen Geringe Konzentrationen genügen zum Nachweis in-vitro und in-vivo (kurzlebige Nuklide) möglich Beispiel: Szintigraphie in der medizinischen Diagnostik Aufnahme mit Gammakamera Ganzkörperskelettszintigramm mit 99m Tc, Metastasen Schilddrüsenaufnahme mit 131 I oder 99m Tc Das Geiger-Müller-Zählrohr Funktionsweise Gas (Neon) im Zählrohr durch radioaktive Strahlung ionisiert Positive Ionen wandern zum negativ geladenen Metallstab Negative Ionen wandern zur positiv geladenen Hülle 22

23 Maßeinheiten Becquerel Bq Einheit radioaktiver Aktivität (Zerfallsereignisse je sec). Das Becquerel löst die alte Einheit Curie ab; Umrechnung: 1 Ci = 3.7E10 Zerfallsereignisse pro Sekunde = 3,7 Milliarden Bq; 1 Bq = 2,7 E-11 Ci Curie Ci Alte Einheit radioaktiver Aktivität, abgelöst durch Becquerel (s.d.). 1 mci = 37 MBq = Bq Gray Gy (SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab. Es gibt an, wieviel Energie von einem kg Körpermasse aufgenommen wird. 1 Rad = 0,01 Gray; 1 Gray = 100 Rad Rad radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy) Rem roentgen-equivalent men; alte Einheit der Personendosis, abgelöst durch Sievert (Sv) Röntgen alte Einheit der Ionendosis Sievert Sv Einheit der Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung "Rem" ("roentgen-equivalent-men") ab. Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem biologischen Qualitätsfaktor. Für beta- und gamma-strahlung ist dieser Faktor 1, d.h. Sv = Gy. Für alpha-strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt. 1 Sievert = 100 Rem 23

24 24

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