0 Einführung. Strahlenphysik. Strahlenphysik. 1 Der radioaktive Zerfall. 1.1 Das Zerfallsgesetz

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1 Strahlenphysik 0 Einführung Einführung Der radioaktive Zerfall Zerfallsarten Zerfallsdiagramme Zerfallsreihen Das Zerfallsgesetz Beispiele füer Zerfälle Aktivität Ionisierende Strahlung Strahlungsarten Wechselwirkungsprozesse Wirkungsquerschnitte Übungsfragen Literatur Strahlenphysik Strahlenschutz, Neutronenaktivierung, Materialwissenschaften, Nuklearphysik Strahlenbiologie Strahlenschutz, biologische Strahlenwirkungen, medizinische Bestrahlungen Strahlenchemie Stoffwechselprozesse, biologische Strahlenwirkungen, Materialwissenschaften Der radioaktive Zerfall. Das Zerfallsgesetz A t ½ t Aktivität Halbwertszeit vergangene Zeit A λ t ln At () = A0 e λ = τ / exponentieller Zerfall t ½ t τ = λ A = Aktivität zur Zeit t A 0 = Aktivität am Anfang ( t = t 0 ) λ = Zerfallskonstante τ ½ = Halbwertszeit τ = Lebensdauer = Zerfallszeit bis auf den e-ten Teil der Ausgangsmenge

2 . Zerfallsarten.3 Beispiele für Zerfälle Zerfallsart Massenzahl Tochternuklid Ordnungszahl Tochternuklid - Zerfall M 4 Z - β - Zerfall M Z + γ - Zerfall M Z Radionuklid Häufigkeit Zerfallsart Halbwertzeit τ / T 0,0003 % β -,346 a Ra - 6 / γ, a I - 3 β - / γ 8,04 d Cs - 34 β / γ,06 a,09 h U ,70 %, β, γ, sf * 7, a U ,8 %, β, sf 4, a * sf bedeutet spontaneous fission = Spontanspaltung.4 Aktivität.4. Spezifische Aktivität Aktivität Unter der Aktivität eines Radionuklids versteht man die Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Curie) ( Bq = Zerfall pro Sekunde) ( Ci = Bq). Beispiel: g des Elementes Radium hat eine Aktivität von 3, Bq = Ci Aktivität Masse Bq kg Cs-34 / Cs-37 Gehalt in Fleisch (BRD 990),0 Bq / kg Rindfleisch, Kalbfleisch 0,3 Bq / kg Schwein 8,0 Bq / kg Schaf Bq / kg Reh, Hirsch u.a. Wild

3 .4. Oberflächenaktivität.4.3 Volumenaktivität Aktivität Fläche Bq cm Aktivität Volumen Bq cm 3 Grenzwert für die Kontamination einer Oberfläche im Kontrollbereich nach StrlSchV P-3 (β - Strahler): 500 Bq / cm Durchschnittliche Radonbelastung in Innenräumen (D): 50 Bq / m 3 Spitzenbelastungen (D): >00 Bq / m 3.5 Ionisierende Strahlung.5. Strahlungsarten Strahlung aus dem Zerfall von Radionukliden Strahlung, die Materie ionisiert Teilchen n P β Neutronen Protonen He + -Teilchen Elektronen, Positronen direkt ionisierende Strahlung geladene Teulchen indirekt ionisierende Strahlung ungeladene Teilchen (Photonen, Neutronen) Elektromagnetische Wellen γ / X Gamma, Röntgen indirekt ionisierend direkt ionisierend

4 .6 Alpha - Zerfall.6. Alpha - Zerfall Animation.6. Alpha - Strahlung.7 Beta - Zerfall Teilchenart He- 4 Kerne Radionuklide Pu - 39, Ra - 6, Rn -, Am - 4, Po - 0, U - 35 Energie MeV Reichweite bei 5 MeV ca. 3,5 cm (Luft) Energieabgabe der größte Anteil wird auf einmal abgegeben Wechselwirkung Ionisation, Anregung Gefahren Inkorporation, Schleimhäute Schutz Abschirmung mit Papier, Abstand > 0 cm

5 .7. Beta-Zerfall Animation.7. Beta - Spektrum.7.3 Beta - Energien.7.4 Bremsstrahlung Maximale Flächendichte R = x. ρ Empirische Formel Emax =.85 R Strahlung durch Abbremsprozesse E max R max (if R > 0,3 g/cm ) maximale Beta-Energie maximale Flächendichte R Massenabsorptionskoeffizient µ Empirische Formel 5 µ =.5 E max (if E in MeV, if 0, MeV E 3,5 MeV, µ [cm/g]) Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz, Vieweg Verlag

6 .7.5 Beta - Strahlung.8 Gamma - Zerfall Teilchenart Negatronen, Positronen Radionuklide H - 3, C - 4, Sr - 90, Cs - 37 Tl - 04, Co - 60 Energie kev... MeV Reichweite bei MeV ca. 4 m (Luft) Energieabgabe kontinuierlich Wechselwirkungen Ionisation, Anregung, Bremsstrahlung Gefahren Streustrahlung, Hautexposition, Schleimhäute Inkorporation Schutz Abschirmung mit Al, PMMA.8. Gamma Zerfall Animation.8. Zerfallsdiagramm Co-60 (I)

7 .8.3 Zerfallsdiagramm Co-60 (II).8.4 Zerfallsdiagramm Co-60 (III).8.6 Gamma - Strahlung.8.7 Personendosisleistung Teilchenart Photonen Quellen Am - 4, Co - 60, I - 3, Ba - 33, Ba - 37m, Tc - 99m Energie kev... MeV Reichweite theoretisch Energieabgabe paketweise Wechselwirkungen Streuung, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildungseffekt Gefahren Körper-Exposition, Inkorporporation Schutz Abschirmung mit Pb H dh/dt A r G H A H = Γ H r = Personendosis = Personendosisleistung = Aktivität = Abstand Strahler Person = Gammadosisleistungskonstante Ungestreute Schwächung von reiner Gamma-Strahlung!

8 .8.8 Äquivalentdosis.9 Röntgen - Strahlung Äquivalentdosis H H = D x Q Sievert = Sv = J.kg - = 00 rem Entsteht durch innere Elektronenübergänge (nicht im Atomkern!) Maß für die Strahlenwirkung auf den Menschen, Q berücksichtigt verschiedene Strahlenarten = Zellschädigung durch absorbierte Energie Alte Einheit: rem ( Sv=00 rem).0 Spontanspaltung.0. Spaltbare Materialien -Strahler: Isotop τ½ Häufigkeit σ ther [barn] U-34, a 0,005 % U-35 7, a 0,70 % 58 U-38 4, a 99,75 % < 0,0005 Pu-39, a 743 Pu-40 6, a 0,03 Pu-4 4,4 a 009 Pu-4 3, a < 0, Pu-43 4,956 h 96

9 .0. Entstehung freier Neutronen.0.3 Neutronenquelle Entstehung bei Ra-Be-Quellen: Be + 6C + Entstehung bei Fusionsreaktionen D + 3 T 4 He + + 7,58 MeV 0 0 n n 600 a Rn 6 Ra / Be -Präparat ~ 3, Bq γ γ 9 Be (,n) C bis MeV 35 U.0.4 Neutronenstrahlen. Andere Zerfallsarten Freie Neutronen τ ½ = ca.,5 min thermische Neutronen thermisches Gleichgewicht mit umgebendem Medium, Energie ca.,5 0 - ev, Geschwindigkeit ca,. 0 3 m/s Elektroneneinfang Isomere Übergänge Konversionselektronen schnelle Neutronen Energie > 0, MeV bis ca. MeV, Geschwindigkeit bis ca. 0 7 m/s

10 . Zerfallsreihen.. Die Uran-Radium-Zerfallsreihe Zerfallsreihen Radionuklidfolgen, die durch Zahlengesetze miteinander verbunden sind, bezeichnet man als Zerfallsreihen Uran-Radium-Zerfallsreihe Uran-Actinium-Zerfallsreihe Thorium-Zerfallsreihe Plutonium-Neptunium-Zerfallsreihe Die Neptuniumzerfallsreihe wurde durch künstliche Radionuklide wieder neu gestartet Pb-4 Bi-4 Tl-0 Hg-06 Tl-06 U-38 Th-34 Pa-34 U-34 Th-30 Ra-6 Rn- Po-8 Pb-0 Pb-06 At-8 Rn-8 Po-4 Bi-0 Po-0.. Die Uran-Actinium-Zerfallsreihe..3 Die Thorium-Zerfallsreihe Th-7 Pb- Po- U-35 Th-3 Pa-3 Ac-7 Ra-3 Rn-9 Po-5 Bi- Pb-07 Fr-3 At-9 Bi-5 At-5 Tl-07 Po- Th-3 Ra-8 Ac-8 Th-8 Ra-4 Rn-0 Po-6 Pb- Bi- Pb-08 Tl-08

11 ..4 Die Plutonium-Neptunium- Zerfallsreihe Physikalische Wechselwirkungsprozesse Bi-3 Tl-09 Pu-4 Am-4 U-37 Np-37 Pa-33 U-33 Th-9 Ra-5 Ac-5 Fr- At-7 Rn-7 Po-3 Pb-09 Bi-09 Ionisierende Strahlung kann verschiedene Wechselwirkungen mit Materie eingehen: Anregung von Hüllenelektronen Ionisierung von Atomen Abbremsung der Strahlungsteilchen und daraus resultierende Wärmeentwicklung Kernreaktionen Materialisierung von elektromagnetischen Strahlungsteilchen Aktivierung von Atomen. Spezifische Ionisation. Čzerenkov - Strahlung Ionisationsvorgänge lösen alle geladenen Teilchen höherer Energie in gasförmiger, flüssiger oder fester Umgebung aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren. Unter der spezifischen Ionisation eines Strahlungsteilchens versteht man die Anzahl der gebildeten Ionenpaare pro mm Wegstrecke Čerenkov-Strahlung tritt immer dann auf, wenn geladene Teilchen sich im Medium schneller ausbreiten können als Lichtteilchen (Photonen) in diesem Medium.

12 .3 Ionisationsdichte.3. Absorption von a & b -Strahlung Gamma-Strahlung (Co-60) 50 kv Röntgenstrahlen Alpha-Strahlung Dichte Ionisation Kernreaktionen bei sehr hohen Energien 0 kv Röntgenstrahlen Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Weniger dichte Ionisation Röntgenstrahlen bei sehr hohen Energien Streuung an Atomen mit großem Z.3. Zahlenwertgleichung für die Reichweite von b -Strahlung.3.3 Absorption von g -Strahlung d = E Beta,max ρ Mechanismen zur Absorption von Photonen: Photoeffekt bei kleinen Photonen-Energien (vollständige Absorption in der Atomhülle) keine physikalische Gleichung! Comptoneffekt bei mittleren Photonen-Energien (inkohärente Streuung in der Atomhülle) d E beta,max ρ = Reichweite der β - Strahlung = maximale β -Energie = Dichte des Abschirmmaterials Paarbildungseffekt bei großen Photonen-Energien (vollständige Absorption im COULOMB-Feld des Atomkerns) Abhängig von der Dichte des Mediums!

13 .3.4 Photo-, Compton- und Paarbildungseffekt.3.5 Photoeffekt.3.6 Photoeffekt - animiert.3.7 COMPTONeffekt

14 .3.8 COMPTONeffekt - animiert.3.9 Paarbildungseffekt.3.0 Paarbildungseffekt - animiert.3. Wechselwirkungen von Neutronen mit Materie Die wichtigsten Wechselwirkungen zwischen Neutronenstrahlen und ihrer Umgebung sind Streuung σ scattering Elastische Streuung σ scat, el Inelastische Streuung ( Neutronenmoderation) σ scat, inel Absorption σ absorption Einfang ( Neutronenaktivation) σ capture Spaltung σ fission

15 .3. Moderation.3.3 Neutronenstreuung Abbremsen schneller Neutronen auf thermische Geschwindigkeit Als Neutronenstreuung bezeichnet man den Zusammenstoß eines Neutrons mit einem Kern, wenn es zu keiner Absorption kommt. Die vom Neutron an den Kern abgegebene Energie ist am größten, wenn der Kern dieselbe Masse wie ein Neutron hat. Das ist bei Wasserstoff der Fall. Wasserstoffhaltige Materialien, wie H O, PE, etc können deshalb als Neutronenmoderator eingesetzt werden um schnelle Neutronen auf die Geschwindig-keit thermischer Neutronen abzubremsen D O, Graphit und Be haben ebenfalls große Streuquerschnitte.3.4 Neutronenabsorption.3.5 Neutronenabsorber Bei der Absorption verschwindet das einfallende Neutron als freies Teilchen. Es wird entweder von einem Atomkern eingefangen (Aktivierung) mit anschließender Kernreaktion oder es kommt zur Kernspaltung. Bei der Kernspaltung zerfällt der Kern in meist Bruchstücke und einige Neutronen, die bei geeigneter Geschwindigkeit neue Spaltungen und somit eine Kettenreaktion in Gang setzen können. Regelstäbe / -platten Cd In / Ag Hf B 4 C, B O 3 Kernschutz biological shield (Steuerung) 3 Cd (n,γ) 3 Cd 0 B (n,) 7 Li (Störfall) Na B 0 O 6.0 H O (SUR): H 3 BO 4

16 3 Schwächung von Gamma - Strahlung 3. Das Schwächungsgesetz Der Schwächungsfaktor für ungestreute Strahlung: S u H 0 Hu H 0 Su = H u Schwächungsfaktor ungeschwächte Dosisleistung geschwächte Dosisleistung S µ d d n u H 0 H u / / Schwächungsfaktor ungeschwächte Dosisleistung geschwächte Dosisleistung Massenschwächungskoeffizient Schichtdicke Halbwertsschichtdicke Zahl der Halbwertsdicken µ d u = H 0 e H H 0 µ d = e H u ln µ = d d = n d = S u 3. Der Schwächungsgrad 3.3 Der Massenschwächungskoeffizient H 0 d = e µ = S u H u ln µ = d log S n u = n log Su = log log d = n d µ d ρ ρ H = H0 e µ = linearer Schwächungskoeffizient µ = τ + σ + χ Photoeffekt Comptoneffekt Paarbildungseffekt µ / ρ = Massenschwächungskoeffizient

17 4 Werkstoffschäden durch Strahleneinwirkung Verlagerung von Atomen in Gitter Frenkel-Defekt zunehmende Härte, Zugfestigkeit abnehmende Zähigkeit Volumenzunahme, Dichteabnahme Bildung von Fremdatomen Kernumwandlungen Gitterdeformationen Versprädung durch (n,)-reaktionen Radiolytische Zersetzung H O H + O

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