Nuklidkarte. Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner V

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1 Z Nuklidkarte 1 N

2 2 Instabilität der Atomkerne: radioaktive Zerfälle Bekannteste Arten: α-zerfall: β-zerfall: γ-zerfall: Mutterkern Tochterkern + Heliumkern Mutterkern Tochterkern + Elektron + Neutrino Mutterkern Tochterkern + Photon N ( t) = N 0 e λt T 1 / 2 = ln 2 λ

3 Abschwächung von γ- und Röntgenstrahlung (X-rays): 3 z.b. Blei I µ d ln 2 ( d ) = I0 e d 1 / 2 = µ Dicke d Man braucht einige cm Blei um γ-strahlung abzuschirmen Abschirmung von α-strahlung (Heliumkerne): Reichweite der α-teilchen in Luft = wenige cm schon dünnes Papier oder Kleidung schirmt die Strahlung ab. Abschirmung von ß-Strahlung (Elektronen mit Energien bis zu einigen MeV): einige mm Aluminium reichen zur Abschirmung.

4 4 Radioaktive Zerfallsreihen 1. Uran-Radium-Reihe: 238U (T = 4.5 Milliarden Jahre), 206Pb; (4n+2 Reihe) 2. Uran-Actinium-Reihe: 235U (T = 0.7 Milliarden Jahre), 207Pb; (4n+3 Reihe) 3. Thorium-Reihe: 232Th (T = 14 Milliarden Jahre), 208Pb; (4n Reihe) 4. Neptunium-Reihe: 241Pu (T = 2 Millionen Jahre), 209Bi; (4n+1 Reihe) Die 4. Zerfallsreihe kommt in der Natur nicht vor, da das langlebigste Glied 237Np dieser Reihe praktisch vollständig zerfallen ist, und die Zwischenprodukte kurze Halbwertszeiten haben.

5 Beispiel: Die 238U Zerfallsreihe 5 Protonen Neutronen

6 6 Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit Materie: Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung (γ und X) mit Materie: 1. Photoeffekt 2. Comptoneffekt 3. Paarerzeugung

7 Nachweismethoden für ionisierende Strahlung: Beispiel: Zählrohr 7

8 8 Wirkung von ionisierender Strahlung auf den Organismus Dringen ionisierende Strahlen, ob elektromagnetische Wellen oder geladenen Teilchen in das Gewebe ein, können wichtige Moleküle, insbesondere die Erbsubstanz, beschädigt werden. Dagegen hat der Körper Reparatur- und Anpassungsmechanismen zur Verfügung, die aber versagen können, etwa wenn die Strahlungsintensität zu hoch ist. Unterschied: Locker ionisierende Strahlung Dicht ionisierende Strahlung

9 Locker ionisierende Strahlung (Gamma, Röntgen, Beta (Elektronen)) 9 Einzelstrangbruch Einzelstrangbrüche können sehr effizient repariert werden, da das komplementäre Nukleotid auf dem gegenüberliegenden Strang unbeschädigt ist. Aber bei etwa jeder tausendsten Reparatur ist mit einem Fehler zu rechnen, der dann bei der Zellteilung weiter vererbt wird.

10 Dicht ionisierende Strahlung (Alpha, Neutronen) Doppelstrangbruch Doppelstrangbrüche sind nicht fehlerfrei zu reparieren

11 11 Dosimetrie und Strahlenschutz: Einheiten und Messgrößen Aktivität A Energiedosis D Dosisleistung Äquivalentdosis H Relative biologische Wirksamkeit q: Röntgenstrahlen, γ, β q = 1 α Teilchen q = 20 Neutronen q = 2-10 (je nach Energie)

12 12 Dosisgrenzwerte (msv pro Kalenderjahr) Organ *) Ganzkörper Augenlinse Haut Keimdrüsen, Gebärmutter, rotes Knochenmark Schilddrüse, Knochenoberfläche Lunge, Magen, Blase Beruflich strahlenexponierte Personen 20 msv 150 msv 500 msv 50 msv 300 msv 150 msv Bevölkerung 1 msv 15 msv 50 msv Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz, Stand

13 Aktuelles Beispiel: 210Po Vergiftung Po hat eine Halbwertszeit von 138 Tagen (alpha-zerfall, E α = 5.4 MeV) a) Berechnen Sie die Dosisleistung und die Äquivalenzdosisleistung von 210Po für den ganzen Körper (75kg). b) Eine Ganzkörperdosis von 10 Sv ist tödlich. Wieviel 210Po ist nötig um diese Dosis in einem Tag zu erreichen?

14 14 Natürliche Strahlenbelastung (Beispiele): effektive Dosis durch Kalium-40-Aktivität im Menschen: 0,165 msv/jahr + Gesamtnahrung (ohne Trinkwasser): 0,209 msv/jahr Besonders stark belastet sind im Moment z.b. Pilze (wg. Tschernobyl): Die Aufnahme von Becquerel Cäsium 137 mit der Nahrung entspricht einer Strahlenbelastung von ca. 1 Millisievert. Der Verzehr von 200 g Pilzen mit Becquerel Cäsium 137 pro Kilogramm hat beispielsweise eine Belastung von 0,01 Millisievert zur Folge. Dies lässt sich mit der Belastung durch Höhenstrahlung bei einem Flug von Frankfurt nach Cran Canaria vergleichen. Mittelere Exposition der Bevölkerung durch röntgendiagnostische und nuklearmedizinische Untersuchungen pro Person (2003): 1,8 msv/jahr

15 Radon 15 Die Erdkruste enthält die natürlichen Radionuklide Uran-238, Uran-235, Thorium-232 und Kalium-40. Als Zwischenprodukt der Zerfallsreihe des Uran-238 entsteht über Radium-226 das radioaktive Edelgas Radon-222 (Rn-222, Halbwertszeit 3,8 Tage). Radon geht mit anderen Elementen keine chemischen Verbindungen ein und ist deshalb besonders mobil. Aus allen Materialien, in denen Uran vorhanden ist, vor allem aus dem Erdboden und den Baumaterialien, wird Radon freigesetzt und gelangt in die freie Atmosphäre oder in die Innenraumluft von Gebäuden. Nach UNSCEAR 2000 beträgt der bevölkerungsgewichtete Mittelwert der Radonkonzentration in Wohnungen in der Europäischen Union etwa 59 Bq/m 3. Geht man von einem linearen Risikoanstieg von 16% pro 100 Bq/m3 aus, so verursacht Radon in Wohnungen in Europa 9% aller Lungenkrebstodesfälle und 2% aller Krebstodesfälle. Absolut gesehen heißt dies, dass ca Lungenkrebstote pro Jahr in der Europäischen Union durch Radon verursacht werden. Zitate von der webpage des Bundesamts für Strahlenschutz

16 Zusätzlich: Höhenstrahlung (Kosmische Strahlung) 16

17 bis 25 bis 15 Lear Jet bis 11 Boing 747 Mt Everest Mont Blanc Dosis in µsv/h

18 18

19 19

20 20 Effektive Dosis durch Höhenstrahlung auf ausgewählten Flugrouten Abflug Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Frankfurt Ankunft Gran Canaria Johannesburg New York Rio de Janeiro Rom San Francisco Singapur Dosisbereich* [µsv] * Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück.

21 Versuch: 21 Mit Teilchenbeschleunigern versucht man so kurze Wellenlängen zu erzeugen, dass man damit die innere Struktur des Protons untersuchen kann. Beugungsmuster wird sichtbar, wenn die Wellenlänge der Elektronen im Bereich der Größenordnung der Atomabstände in der Metallspitze liegt.

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