3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (1)

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1 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (1) Kosmische Strahlung - Protonen (93 %) - Alpha-Teilchen (6.3 %) - schwerere Kerne (0. %) - Ohne Zerfallsreihen - 0 radioaktive Nuklide, die primordial auf der Erde vorkommen - lange Halbwertszeiten - wichtigstes Isotop: 0 K - ständige Bildung radioaktiver Kerne aus Zerfallsreihen - 3 Th 08 Pb - 35 U 0 Pb - U 06 Pb -. Zerfallsreihe: 1 Pu 09 Bi zwischenzeitlich ausgestorben und durch künstl. Pu-Produktion wiederbelebt 31 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität () - Protonen (93 %) - Alpha-Teilchen (6.3 %) - schwerere Nuklide (0. %) Kosmische Strahlung - Die Energie der Protonen kann bis zu 10 1 MeV sein - Initialisierung von Kernreaktionen - Hauptprodukte: Tritium, Beryllium, 1 Kohlenstoff, Natrium 1 C: Bildung Zerfall N + 0n 6 C+ 1p C 6 0 N + 1e T 1/ = 530 a 3 H: Bildung Zerfall 3 1 N + 0n1H + 6C N + n H N H He+ 1e T 1/ =: 1.33 a 3 1 3

2 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (3) Radioaktive Nuklide ohne Zerfallsreihen - 0 radioaktive Nuklide - aus primordialen Quellen - sehr lange Halbwertszeiten - wichtigster Vertreter: 0 K (T 1/ = 1.8 x 10 9 y) - Andere Beispiele: Nuklid T 1/ Zerfall Natürliche Häufigkeit 18 Re 5 x y ß In. x 10 1 y ß - 95, 13 Te 1. x y K Rb.8 x y ß Cd 9.3 x y ß ) Natürliche und künstliche Radioaktivität () Radioaktive Zerfallsreihen - Serien radioaktiver Zerfälle, die alle von einem bestimmten (radioaktiven) Nuklid ausgehen und bei einem bestimmten stabilen Nuklid (Blei oder Bismut) enden - Zerfallsreihen schließen α-, ß- und γ-zerfälle ein - trotz des Auftretens von Verzweigungen enden sie immer bei einem definierten Nuklid - Es existieren Zerfallsreihen: 3 Th 08 Pb(Thorium-Reihe) 35 U 0 Pb(Actinium-Reihe) U 06 Pb(Uranium-Reihe) 1 Pu 09 Bi (Neptunium-Reihe) - Die Pu/Bi-Reihe war zwischenzeitlich durch die relativ kurze Halbwertszeit von 3 Np ausgestorben, existiert aber seit dem Betrieb von Kernreaktoren wieder 3

3 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (5) Zerfallsreihen 3 Th 08 Pb 35 U 0 Pb U 06 Pb 1 Pu 09 Bi Kritisches Element: Thorium-Reihe Actinium-Reihe - Radon -Edelgas - kann das Kompartment verlassen Uranium-Reihe Neptunium-Reihe 35 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (6) Einige Glieder der Uranium-Reihe sind für ein instruktives Praktikumsexperiment gut geeignet: - U (99.% natürl. Häufigkeit) zerfällt in 3 Th (Halbwertszeit:. x 10 9 y, α-zerfall) - 3 Th zerfällt unter Bildung von 3 Pa (Halbwertszeit.1 d, ß-Zerfall) - Dieser Zerfall verläuft über einen Zwischenzustand mit einer definierten Halbwertszeit (das metastabile Kernisomer 3m Pa, einen γ -Emitter) -Dieser γ -Strahler lässt sich sehr gut in einem Laborversuch messen 3m 91 Pa kurze Halbwertszeit γ Uranium-Reihe Neptunium-Reihe - α 3 3 β 3 α 30 9U Th 91 Pa 90 Th 9 a.1 d 9 6. h U a α. 10 a 36

4 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität () Zerfallsreihen 3 Th 08 Pb 35 U 0 Pb U 06 Pb 1 Pu 09 Bi Kritisches Element: Thorium-Reihe Actinium-Reihe - Radon -Edelgas - kann das Kompartment verlassen Uranium-Reihe Neptunium-Reihe 3 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (8) Radon als eine der Hauptquellen natürlicher Radioaktivität Tochterisotope in den Wänden Radon ist ein mobiles Radioelement - Bildung durch Zerfallsreihen: 8 Rn, Rn, 0 Rn durch Thorium-Reihe 6 Rn, Rn durch Uranium-Reihe 19 Rn durch Actinium-Reihe Tochterisotope in der Luft Tochterisotope im Boden 38

5 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (9) Radon-Verteilung als Hauptquelle natürlicher Radioaktivität 39 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (10) Durchschnittliche Strahlenbelastung von Personen in Industrieländern Durchschnittliche jährliche Strahlenbelastung Strahlenexposition: pro Jahr: 3, msv 3. msv % Röntgenstrahlung 9% kosmische Strahlung % körperinnere Strahlung 13% terristische Strahlung 9% Rn- im Mauerwerk 0

6 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (11) Künstliche Kernreaktionen - Erste künstliche Kernreaktion Beschuss von Stickstoff mit α-teilchen - Umwandlung von Stickstoff in Sauerstoff 1 N + He 8O+ 1 N(α, p) O 1 1 H - Andere Teilchen sind ebenfalls als Projektile denkbar (Neutronen, Protonen, Deuteronen etc.) 1 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (1) Künstliche Kernreaktionen Anlagen für künstliche Kernreaktionen : Cyclotron Elektroden Linearbeschleuniger Quelle Ionenquelle Target Abstand Target

7 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (13) Künstliche Kernreaktionen Neutronen als Projektile: - Neutrale Teilchen (keine Abstoßung mit dem positiv geladenen Atomkern) - wichtige Projektile Woher kommen die Neutronen?: Kernreaktor: - Neutronen müssen abgebremst (moderiert) werden - Moderatoren: Wasser, Wasserstoff, Deuterium Neutronenquelle 9 3 Be+ He 6 C+ 0 n 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (1) Künstliche Kernreaktionen Neutronen als Projektile: - Neutrale Teilchen (keine Abstoßung mit dem positiv geladenen Atomkern) - wichtige Projektile - langsame (moderierte, thermische) Neutronen reagieren mit vielen Atomkernen - Neutroneneinfangreaktionen - radioaktive Isotope nahezu aller Elemente können auf diesem Weg hergestellt werden

8 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (15) Künstliche Elemente Das schwerste stabile Element ist Bismut Löcher im Periodensystem: Technetium, Promethium 5 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (16) Künstliche Elemente 9 1 Mo+ H Tc n (Molybdän Technetium) Bi+ He At + n (Bismut Astat) Th+ H Fr + He (Thorium Francium) Transuranium-Elemente 9 U + 0 n 39 9 U + γ (Uran Uran) 39 U Np 93 + e (Uran Neptunium) Np Pu 9 + e (Neptunium Plutonium) 9 U + 6 C Cf 1 0 (Uran Californium) n 9 98 Cf O 106 Sg n (Uran Seaborgium) 6

9 Bindungsenergie pro Nukleon / MeV 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (1) Beispiele für künstliche Kernreaktionen Reaktionstyp (α,n) (α,p) (p,n) (p,γ) (p,α) (d,p) (d,n) (n,γ) (n,p) (n,α) Kernreaktion As He 5 8 Br 5 + n Arsen Brom Pd 6 + He Ag + H Palladium Silber Li Be H + n Lithium Beryllium N 8 O + γ + H 1 Stickstoff Sauerstoff Be 6 3 Li + H + He 9 Beryllium Lithium P P 15 + H + H 31 Phosphor Phosphor Bi 1 Po H n Bismut Polonium 59 Co Co + γ n Cobalt Cobalt 5 1 Sc Ca + n H Scandium Calcium Al Na 13 + n + He Aluminium Natrium Radioaktivität des Produkts β + stabil Elektroneneinfang β + stabil α 3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (18) Kernspaltung Kernbindungsenergie pro Nukleon Kernbindungsenergie - Die Summe der Massen der Nukleonen ist größer als die Masse des Atomkerns - Differenz: Kernbindungsenergie - Energie kann durch die Fusion leichter Elemente oder die Spaltung schwerer Kerne gewonnen werden Massenzahl 8

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