Radioaktivität. Die Nuklidkarte. Der Alpha-Zerfall I. Zerfallsarten. Alphazerfall (α) Beta-minus-Umwandlung (β-) Beta-plus-Umwandlung (β+)

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1 Radioaktivität erfallsarten Alphazerfall (α) Beta-minus-Umwandlung (β-) Beta-plus-Umwandlung (β) Elektroneneinfang (EC) Gammaemission (γ) Henri Becquerel Innere Konversion (IC) Protonenzerfall (p) C12-erfall (C-12) Marie Curie Pierre Curie Spontane Kernspaltung (f) Die uklidkarte Der Alpha-erfall I Protonenzahl > = Stabilitätstal Emission eines Helium-4-Kerns: A A 4 2Y 2 α Energie In der uklidkarte werden Alphastrahler gelb dargestellt. > eutronenzahl Schematisches --Diagramm der Atomkerne (uklidtafel). : ahl der Protonen (Ordnungszahl), : eutronenzahl. Alle Atomkerne mit Ordnungszahlen oberhalb von = 92 sind künstlich erzeugt. Das "Stabilitätstal"ist der Bereich minimaler Bindungsenergie, dort befinden sich die stabilen uklide. Im blauen Bereich gibt es ein Übergewicht an eutronen im Kern, im roten Bereich von Protonen. Außerhalb des Stabilitätstales wächst die Bindungsenergie quadratisch mit der Ordnungszahldifferenz zum stabilen uklid in der Talsohle.

2 Der Alpha-erfall II Beispiel: Ra138 86Rn136 α 4,868MeV Radium: Halbwertzeit 12 a. Tochter: 222 Radon, Halbwertzeit 3.82 d. Der -erfall I Umwandlung eines eutrons in ein Proton: n p β ν Energie A A 1Y 1 β ν Energie In der uklidkarte werden Beta-minus-Strahler blau dargestellt. erfallsprodukte: im Kern gebundenes Proton p, ein -Teilchen (ein freies Elektron) ein Antineutrino Antineutrino und Betateilchen teilen sich die erfallsenergie, Betateilchen haben deshalb kontinuierliche Energieverteilung bis zur maximalen erfallsenergie E max. dβ/de β- β ohne Coulombfeld Eβ,max? Eβ Beispiele: Der -erfall II Betazerfall des freien eutrons, Halbwertzeit 10,25min (wie erste Gleichung) Der β -erfall I Um wandlung eines Protons in ein eutron im Kern! p n β ν Energie J-131: Radiojod-Therapie Halbwertzeit 8 d, E max = 0,6 bis 0,8 MeV ν 131 J e 77 β Energie In A * A * 1Y 1 β ν Energie der Co-: Perkutane Strahlenquelle Strahlentherapie Halbwertzeit 5.26 a, E max = 0,3 bis 1,5 MeV 27 Co i 32 β ν Energie uklidkarte werden Beta-plus-Strahler rot dargestellt. erfallsprodukte: im Kern gebundenes eutron n ein β -Teilchen (ein freies Positron) Positronen sind die Antimaterie zu den Elektronen ein eutrino eutrino und Betateilchen teilen sich wieder die erfallsenergie

3 Der β -erfall II Elektroneneinfang EC I Einfang eines Hüllenelektrons durch den Kern Dadurch Umwandlung eines Protons in ein eutron Oft alternativ zu Beta-Plus-erfall p β n ν Energie e Y A * A * 1 1 ν Energie Besonderheit Paarvernichtung: Sobald das Antimaterieteichen Positron mit einem Elektron in Berührung kommt, zerstrahlen beide nach der Einsteingleichung E=mc 2 in 2 Photonen mit je 511 kev Energie ( = Ruheenergien des Elektrons des Positrons). In der uklidkarte wird der Elektroneneinfang wie die Beta-plus-Umwandlung rot dargestellt. erfallsprodukte: im Kern gebundenes eutron n ein eutrino Beispiel: C-11, T 1/2 =20,3 min 11 * 11 6 C5 5B6 β ν Energie Beispiel: F-18, T 1/2 =109,7 min 18 * 18 O β ν Energie 9 F Elektroneneinfang EC II Die Gamma-Umwandlung Beispiel: 55-Fe, T 1/2 = 2,73 a 55 * Fe 29 e 25Mn 30 ν Energie Energieabgabe angeregter Tochternuklide meistens prompt manchmal auch verzögert (Isomere Übergänge) weiss in der uklidkarte A * A γ "erfallsprodukte": Gammaquant, abgeregter Mutterkern Beispiel: 137-Cs, T 1/2 30, 17 a: 137 * 137 * Cs82 56Ba 137 * Ba β ν Ba81 γ E Wichtiger Prüfstrahler (UK, Dosimetrie)

4 Beispiel Co--erfall Beispiel -Co:, T 1/2 = 5,26 a Co i * * β ν E Beispiel J-131, Halbwertzeit 8 d: J e 77 β ν Energie 131 Beispiel J-131-erfall * 28 i32 28i32 γ γ V 0,20 s 24 Cr 0,51 s s Mn A = > 50 iveaus β, EC n 2,4 min β, EC 29 Cu 23 min β, EC Ga 26 Fe 1, a 27 Co 5,262 a 0,059 10,5 min 2,506 2,156 γ 1,17 1,333 0,7ps γ 1, i Wichtige Quelle: z. B. Gammatron, Gammknife Wichtige Anwendung: Schilddrüsentherapie Beispiel Mo-Tc-erfall Beispiel 99mTc, T 1/2 = 6 h: Mo Tc 99 * 99 m* β ν 99 m* 99 43Tc 56 43Tc * 56 γ E Die Innere Konversion IC grundsätzlicher Konkurrenzprozeß zum Gammazerfall direkter Energieübertrag vom Kern auf Hüllenelektron bevorzugt K-Elektronen bei schweren Kernen relative Elektronen-Ausbeute heißt Konversionskoeffizient α: Schematische Darstellung Technetiumgenerator: α = erfallsprodukte: Konversionselektron Hüllenstrahlung e γ Wichtige Quelle der uklearmedizin

5 Die Kernspaltung I Die Kernspaltung II erfall instabiler Kerne in Bruchstücke Besonders überschwere Atomkerne Diese Kernspaltung passiert spontan!! Spontane Kernspaltung wird in der uklidkarte grün markiert. Spaltfragmentmassen bei etwa 3/5 und 2/5 der ursprünglichen Massenzahl Fragmentmassen um A= und A= Fragmente haben Bewegungsenergie von 200 MeV Spaltprodukte weisen eutronenüberschuß auf sie emittieren prompt 2-3 Spaltneutronen Tochternuklide in der Regel beta-minus-aktiv Verwendung der Spaltfragmente in Technik und Medizin: z.b. 137-Cs, 90-Sr, 99-Mo,... Achtung: häufiger ist die neutronen-induzierte Kernspaltung z. B. in Kernreaktoren, spontane Kernspaltung kann in geeigneter Geometrie der Auslöser von Kettenreaktionen sein (s. Strahlenunfall in TOKAIMURA 1999). Der Protonenzerfall I prompte Emission eines Protons Verringerung der Ordnungszahl um 1 ( -1, A A-1) meistens weitab vom "Stabilitätstal" (kurze T 1/2 ) Alternative zu Beta-Plus-erfall Protonenzerfall wird in der uklidkarte orange markiert. Y p A * A 1 1 Energie Der Protonenzerfall II eispiel: Co-53, T 1/2 = 0,24 s B

6 Der 12 C-erfall Aktivität Emission eines 12C-Kerns (3 Alphateilchen im Verbund) Alternative zu Alphazerfall bei sehr schweren Kernen 12C-erfall wird in der uklidkarte grau markiert. A * A Y 6 6C6 Energie Aktivität A ist die Anzahl der erfälle eines radioaktiven Präparates pro eiteinheit. Die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). 1Bq = 1/s Beispiele: 232-U, 233-U 228-Th 222-Ra, 223-Ra, 224-Ra, 225-Ra, 226-Ra Die alte Einheit war das Curie (Ci). Die Umrechnung Bq Ci ist: 1Ci = Bq = 37GBq 7 1mCi = Bq = 37MBq Das erfallsgesetz der Radioaktivität Radioaktive erfälle erfolgen zufällig (statistisch). Das erfallsgesetz lautet für die Kernanzahl : (t) = (0) e λ t = (0) e und für die Aktivität A: A (t) = A(0) e λ t = A(0) e ln 2 t / T 1/ 2 ln 2 t / T 1/ 2 = (0) e = A(0) e t / τ t / τ Halbwertzeit I Die Halbwertzeit ist die eitspanne, in der im statistischen Mittel die ahl der radioaktiven Kerne auf die Hälfte abgenommen hat. Sie ist charakteristisch für eine uklidart ach einer Halbwertzeit sind also noch 50%, nach zwei Halbwertzeiten 50% von 50%, also 25% der ursprünglich aktiven Kerne vorhanden. ach n Halbwertzeiten sind entsprechend nur noch 1/2 n der Kerne radioaktiv. Die Variablen bedeuten: e -... : Exponentialfunktion e=2, λ: die erfallskonstante T 1/2 : die Halbwertzeit τ: die mittlere Lebensdauer ln2=0, (n) = (0) 1/ Halbwertzeiten sind charakteristisch für den erfall eines bestimmten Radionuklids. Sie können bei exakter Messung daher zur Identifikation von Radionukliden herangezogen werden. n 2

7 Halbwertzeit II eitlicher Verlauf einer Radioaktivität mit der ahl der Halbwertzeiten: Links: Lineare Darstellung Rechts: halblogarithmische Darstellung

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