Markus Drapalik. Universität für Bodenkultur Wien Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften

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1 Praxisseminar Strahlenschutz Teil 2: Ionisierende Strahlung Markus Drapalik Praxisseminar Strahlenschutz Teil 2: Ionisierende Strahlung 1 1

2 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 2

3 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 3

4 Aufbau des Atoms Bohrsches Atommodell falsch aber illustrativ Kern aus Protonen (p, +) und Neutronen (n) Hülle aus Elektronen (e, -) Quelle: 4

5 Aufbau des Atoms Heliumatom korrekt aber wenig intuitiv Elektronenhülle verschmiert, entspricht Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Quelle: wikipedia 5

6 Aufbau des Atoms Atom: 100 pm = 1 Ǻ Atomkern: 1 fm Atom : Atomkern = : 1 viel freier Raum Stephansdom : Kirschkern Quelle: 6

7 Ionen Gleichgewicht: Atom elektrisch neutral # Elektronen (-) = # Protonen (+) Ungleichgewicht: # Elektronen = # Protonen Ion 7

8 Isotope Protonenzahl bestimmt Element Elektronenzahl bestimmt Ladung Unterschiedliche n-zahl möglich bestimmt Isotop Bei gleicher p-zahl unterschiedliche n-zahlen Isotope Üblicherweise Massenzahl benutzt: p+n 8

9 Schreibweisen Massenzahl p+n Ladungszahl p-e Ordnungszahl p 12 9

10 Isotope Beispiel Wasserstoff (H): 10

11 Instabile Elemente Verhältnis n:p bestimmt Stabilität eines Kerns Stabil: radioaktiven Zerfall nicht möglich - 83 Elemente bekannt Instabil: spontaner Zerfall findet statt Radionuklide Radioaktivität 11

12 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 12

13 Kurze Geschichte der Radioaktivität Antoine H. Becquerel 1896 Experimente mit phosphorisierenden Uransalzen; Wilhelm C. Röntgen 1895 Entdeckung der X-Strahlen Ernest Rutherford 1902/03 Erklärung und Klassifizierung der Radioaktivität Marie S. Curie 1898 Entdeckung der radioaktiven Elemente Ra und Pl Quelle: wikipedia 13

14 Definition Schon früh wurde erkannt, dass mit der radioaktiven Strahlung eine Elementumwandlung verbunden ist, bei der sich die Masse des Ausgangselements rasch verringert. (Rutherford, Soddy) Definition: Unter Radioaktivität versteht man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan durch die Absonderung von Energie in andere Atomkerne zu zerfallen. 14

15 Strahlungsarten Quelle: 15

16 α-zerfall Emission eines He-Kerns große Masse Hohe Energie Geringe Reichweite Leicht abschirmbar Bei Inkorporation hohe biologische Wirksamkeit Quelle: wikipedia 16

17 β - -Zerfall Emission eines Elektrons n p + + e - Praktisch beliebige Energie möglich Gut abschirmbar Quelle: 17

18 β + -Zerfall Emission eines Positrons p n + e + Praktisch beliebige Energie möglich Gut abschirmbar Meist auch Gamma-Strahlung emittiert Quelle: 18

19 γ-zerfall Elektromagnetische Strahlung (kein Teilchen) Nebenprodukt bei Zerfall schwer abschirmbar Quelle: 19

20 Spektrum Quelle: wikipedia 20

21 Abschirmung Quelle: 21

22 Andere Zerfallsarten Elektroneneinfang: ähnlich β +, ohne Teilchenemission Spontane Spaltung: Kern zerfällt in 2 andere Kerne Spontane Nukleonenemission: p oder n werden emittiert 22

23 Halbwertszeit Zeit, nach der Hälfte eines Nuklids zerfallen ist 131 I 8 Tage 137 Cs 30 Jahre 239 Pu Jahre 235 U 703 Mio Jahre 23

24 Nuklidkarte Quelle: wikipedia 24

25 Nuklidkarte Quelle: wikipedia 25

26 Zerfallsreihen Zerfall bis zu stabilem Isotop Praktisch nur 3 Reihen: Uran-Actinium ( 235 U) Uran-Radium ( 238 U) Thorium ( 232 Th) Quelle: wikipedia 26

27 Zerfallsschema Grafische Darstellung der Energiezusammenhänge beim Zerfall Abszisse: Kernladungszahl Ordinate: Energie Quelle: wikipedia 27

28 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 28

29 Aktivität Anzahl der pro Zeiteinheit zerfallenen Atome Einheit: 1 Bq (Becquerel) entspricht 1 Zerfall / Sekunde alte Einheit: 1 Ci (Curie) Aktivität ist umgekehrt proportional zu Halbwertszeit 29

30 Energiedosis In Materie abgegebene Energiemenge pro Masse Gray [Gy] 1 Gy = 1 Joule / kg Alte Einheit: 100 rad = 1 Gy 30

31 Äquivalentdosis Gray gewichtet nach Wirkung auf Körper (Qualitätsfaktor) Sievert [Sv] 1 Sv = 1 Joule / kg 1 Sv = 1000 msv = 1000 µsv = 1000 nsv Alte Einheit: 100 rem = 1 Sv 31

32 Zusammenfassung Einheiten Radioaktivität: Becquerel [Bq] = [1/s] Energiedosis: Gray [Gy] = [J/kg] Äquivalentdosis: Sievert [Sv] = [J/kg] Qualitätsfaktor: Sievert / Gray = [] Dosisleistung: Sievert pro Zeiteinheit Dosisfaktor: Sievert / Becquerel Zählrate (Counts): Impulse / Sekunde [s -1 ] 32

33 Quadratisches Abstandsgesetz Dosis nimmt quadratisch mit Abstand ab Quelle: wikipedia 33

34 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 34

35 Strahlenbelastung Quelle: wikipedia 35

36 Natürliche Quellen Kosmische Strahlung (300 µsv/a) Terrestrische Strahlung (300 µsv/a) Isotope in Nahrung, Wasser etc. (40K, 300 µsv/a) Radon (1600 µsv/a) Quelle: 36

37 Hintergrund Aus natürlichen Quellen ergibt sich Hintergrund wird immer mit gemessen In Ö nsv/h Quelle: Strahlenfrühwarnsystem des Lebensministeriums 37

38 Künstliche Quellen Bildgebende medizinische Verfahren (CT, Röntgen, etc): 1,3 msv/a Kernkraftwerke: <10µSv/a Tschernobyl: <10µSv/a Atombombenversuche: <10µSv/a Rauchen: 0,3mSv/a 38

39 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 39

40 Gammaspektren Energie von Gammastrahlung ist typisch für bestimmte Zerfälle Je nach Isotop mehrere verschiedene Energien für Gammaquanten möglich Quelle: wikipedia 40

41 Alphaspektren Auch Alpha-Strahlung hat nur bestimmte Energien je nach Isotop Ist grob der Masse des Mutterkerns proportional Messtechnisch von geringer Bedeutung Quelle: wikipedia 41

42 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 42

43 WW Alphastrahlung Atome werden ionisiert Elektron wird aus Hülle gestoßen Dadurch alpha-teilchen gebremst Nach mehreren 1000 Zusammenstößen abgebremst Stoppt bei Eindringtiefe Quelle: wikipedia 43

44 WW Betastrahlung Wesentlich kleiner geringere WW Daher größere Eindringtiefe Zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen) 44

45 WW Gammastrahlung Mehrere verschiedene WW möglich Keine Teilchenstrahlung wird mit Tiefe exponentiell geschwächt, aber keine feste Eindringtiefe Nach Halbwertsschicht auf halbe Intensität reduziert 45

46 Inhalt Aufbau des Atoms Atomarer Zerfall / Radioaktive Strahlung Einheiten Strahlenquellen Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie Zusammenfassung 46

47 Zusammenfassung Aufbau des Atoms Strahlung Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Nuklidkarten Zerfallsreihen Zerfallsschemata Einheiten Strahlenquellen Natürlich Hintergrund Künstlich Energiespektrum Wechselwirkung mit Materie 47