Nuklid Atomsorte, durch Protonenzahl und Massenzahl festgelegt

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1 4.3 Radioaktivität Aufbau des Atoms - Helium-Atom Kern positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen (Nucleonen) nahezu gesamte Masse des Atoms + + Hülle negativ geladene Elektronen - Nuklid Atomsorte, durch Protonenzahl und Massenzahl festgelegt Isotop Atome eines Elements mit gleicher Protonenzahl aber verschiedener Neutronenzahl (Mischelemente Reinelemente) A Z E Ordnungszahl Z = Protonenzahl = Elektronenzahl Protonenzahl Z + Neutronenzahl N = Massenzahl A

2 Schreibweise Cu 35 Cl 37 17, 17 Cl

3 Größenordnungen Durchmesser von Atomkernen ~ m Durchmesser von Atomen ~ m Größenverhältnis Kern - Hülle 1 :

4 Masse des H-Kerns (Proton) 1, kg Volumen eines H-Kerns m 3 Dichte des H-Kerns kg/m 3 (Blei: 1, kg/m 3 )

5 Radioaktiver Zerfall (Antoine Henri Becquerel, 1896) Neben den leichteren Elementen Technetium (Te) und Promethium (Pm) sind alle Elemente mit einer Kernladungszahl Z > 83 nicht stabil (Neutronen/Protonen > 1,5). Sie zerfallen unter Aussendung von radioaktiver Strahlung (hauptsächlich α-, β- und/oder γ- Strahlung) in stabilere Elemente. Auf diese Weise können radioaktive Zerfallsreihen entstehen. Die Halbwertszeit t 1/2 gibt die Zeit an 1), nach der die Hälfte einer bestimmten Menge eines radioaktiven Nuclids zerfallen ist. Sie variiert zwischen s und a! Die Strahlungsmenge, die aus einer Probe pro Zeiteinheit austritt, die (Radio-)Aktivität A, entspricht der Anzahl an Kernreaktionen pro Zeiteinheit und wird in Becquerel angegeben (veraltet Curie) mittlere Anzahl an Atomkernen, die pro Sekunde zerfallen 1 Bq = 1 s -1 veraltet : 1 Ci = 3, Bq 1) unabhängig von der Anzahl der Atome (Masse der Probe) und ihrer bisherigen Lebenszeit

6 Radioaktive Strahlung Art Zusammensetzung Symbol α-strahlung Heliumkerne 1) He β-strahlung Elektronen 2) 0 1e γ-strahlung Elektromagnetische Strahlung 3).γ. 1) 5-10 % Lichtgeschwindigkeit 2) fast Lichtgeschwindigkeit 3) energiereicher als Röntgenstrahlung 210 Po Pb + He - Reichweite an Luft wenige Zentimeter - Strahlen können ein Blatt Papier nicht durchdringen C 7 N + 0 1e bzw. 1 n 0 + p + e - Reichweite an Luft mehrere Meter Strahlen werden durch Metall-, Kunststoff- und Holzplatten (ab einigen mm Dicke) abgeschirmt 0 1

7 228 Th 90 [ 224 * 88 Ra ] + He 4 2 [ 224 * Ra ] 88 Ra +.γ. - an der Luft praktisch keine Abschwächung - zur Abschirmung sind dicke Bleiplatten notwendig Gammastrahlung entsteht meist als Folge eines vorhergehenden α- oder β-zerfalls eines Atomkerns, der einen neuen Kern im angeregten A * Zustand Z E bildet (s. Beispiel).

8 Masse- und volumenbezogene Aktivität Aktivität pro Masseeinheit spezifische Aktivität (Bq/kg, Bq/g) Aktivität pro Volumeneinheit volumenbezogene Aktivität (Bq/m 3 ) Halbwertszeit und spezifische Aktivität Isotop Halbwertszeit Spezifische Aktivität I Tage Bq/mg Cs Jahre Bq/mg Pu Jahre Bq/mg U Jahre 80 Bq/mg U Jahre 12 Bq/mg Th Jahre 4 Bq/mg

9 Berechnung der Aktivität A einer Probe A Mit = ln2 t 1/2 N n = und N A N = ln2 t 1/2 M = m N M m n A A - Aktivität N - Anzahl der aktiven Atome der Probe m - Masse der Probe M - molare Masse des Nuklids N A - Avogadro-Konstante (6, mol -1 ) Gegeben: m = 1 g Kalium mit 0,0117 % 1) K-40 = 0, g M = 39,96 g/mol t 1/2 = 1, a = 39, s 1) gegenwärtig

10 Einwirkung radioaktiver Strahlung auf Menschen Aktivität Intensität einer Strahlungsquelle Körper eines Menschen ca Bq ( Bq) Energiedosis D Absorbierte Energie/Masseneinheit 1 J/kg = 1 Gray (Gy) Äquivalentdosis H Absorbierte Energie/Masseneinheit 1 J/kg = 1 Sievert (Sv) H = q D Berücksichtigung der unterschiedlichen biologischen Wirksamkeit (Gefährlichkeit) der Strahlungsarten, q als dimensionsloser Bewertungsfaktor, abhängig von Energieabgabe eines Teilchens q = 1 für β- und γ-strahlung q = 20 für α-strahlung

11 Natürliche Exposition Ø BRD 2,1 msv/a bzw. 57 % (UBA 2010, 1-5 msv/a) 1,0 msv/a Inhalation von Radon (Rn-222, ca. 50 %!, Ø 50 Bq/m 3 ) 0,3 msv/a kosmische Strahlung 0,5 msv/a terrestrische Strahlung (Th-232, U-238, U-235, K-40) 0,3 msv/a Nahrungsmittel (K-40) Künstliche Exposition Ø BRD 1,8 msv/a (UBA 2010) bzw. 43 % medizinische Untersuchungen u. a. Gesamtexposition Ø BRD 3,9 msv/a (UBA 2010) Grenzwert + 1 msv/a (normale Bevölkerung) + 20 msv/a (exponierte Personen)

12 Dosiskonversionsfaktor (DCF) Zusammenhang zwischen Aktivität einer Strahlenquelle im Körper und der Äquivalentdosis pro Jahr Element Strahlung DCF Halbwertszeit K-40 β, γ 0, Sv/Bq 1, a Co-60 β, γ 0, Sv/Bq 5,2 a Cs-137 β Sv/Bq 30,2 a I Sv/Bq I-131 β Sv/Bq 1) 8 d I Sv/Bq 2) Sr-90 β 2, Sv/Bq 28,6 a Ra-226 α Sv/Bq a Po-210 α Sv/Bq 138 d 1) Schilddrüse 2) Schilddrüse Kleinkind Iodblockade bei Freisetzung von Radioaktivität aus AKW

13 Beispiele für Einzeldosen Exposition Einzeldosis Äquivalentdosis (Ganzkörper) in msv Flugzeugreise (8 h, Höhe 12 km) 0,04-0,1 Röntgenaufnahme (Schädel) 0,1 Computertomographie (Brustkorb) 6-8 Strahlentherapie Schwellendosis für akute Strahlenschäden 250 Letale Einzeldosis 1) 6000 Herddosis (Zielgewebe) in mgy Strahlentherapie bei Krebs Radioiodtherapie bei gutartigen Erkrankungen 1) ohne Behandlung Tod durch Strahlenkrankheit binnen Tagen

14 Kosmische Strahlung Höhe über Meeresspiegel Effektive Dosis im Jahr 300 km msv/a 300 km (Space-Shuttle) msv/a 10 km 40 msv/a m 1,8 msv/a m 1 msv/a m 0,6 msv/a 1) 0 m 0,3 msv/a 2) 1) + ca. 1 msv/a terrestrisch 2) + ca. 0,5-2 msv/a terrestrisch

15 14 Altersbestimmung mit 6 C (Radiocarbon-Methode) Datierung bis a Isotope des Kohlenstoffs in der Luft (CO 2 ): 12 6 C: 98,89 % 13 6 C: 1,11 % 14 6 C * : % 14 Bildung 6 C * 14 : 7 N * 0 n 6 C p 14 Zerfall 6 C * 14 : 6 C * 14 7 N + 0 1e + ν t 1/2 = 5730 a Photosynthese: gleiches C-Verhältnis in der Biosphäre 12 Anzahl ( 6 C) = Anzahl ( 6 C * ) Ende mit dem Tod des Lebewesens 12 Anzahl ( 6 C) > Anzahl ( 6 C * ) Altersbestimmung: Verhältnis 6 C / 6 C * abhängig vom Alter

16 Radioaktivität von Baustoffen Baumaterialien aus natürlichen Steinen und Erden bzw. Industriereststoffen enthalten radioaktive Stoffe Mehr oder weniger große Erhöhung der natürlichen Strahlenbelastung in Gebäuden Entscheidende Radionuclide in Baustoffen sind Kalium-40, Radium-226 und Thorium-232 Große Variationsbreite innerhalb der Gesteine und Baustoffe Relativ hohe spezifische Aktivität: Granite sowie Tuffe und Bimsstein Konventionelle Baustoffe: nur in Ausnahmefällen Ra-Konzentrationen > 200 Bq/kg Teilweise problematisch sind Industriereststoffe Schlackensteine für Haus- Wege- und Wasserbau Strahlenexposition beim Aufenthalt in Gebäuden: - Strahlung derbaustoffe - Inhalation von Radon

17 Radioaktivität in Natursteinen, Baumaterialien und Reststoffen (BfS) Material Ra-226 in Bq/kg Mittelwert (Bereich) Th-232 in Bq/kg Mittelwert (Bereich) K-40 in Bq/kg Mittelwert (Bereich) Granit 100 (30-500) 120 (17-311) 1000 ( ) Gneis 75 (50-157) 43 (22-50) 900 ( ) Diabas 16 (10-25) 8 (4-12) 170 ( ) Basalt 26 (6-36) 29 (9-37) 270 ( ) Granulit 10 (4-16) 6 (2-11) 360 (9-730) Kies, Sand, Kiessand 15 (1-39) 16 (1-64) 380 (3-1200) Natürlicher Gips,Anhydrit 10 (2-70) < 5 (2-100) 60 (7-200) Tuff, Bims 100 (< ) 100 (30-300) 1000 ( ) Ton, Lehm < 40 (< 20-90) 60 (18-200) 1000 ( ) Ziegel, Klinker 50 (10-200) 52 (12-200) 700 ( ) Beton 30 (7-92) 23 (4-71) 450 ( ) Kalksandstein 15 (6-80) 10 (1-60) 200 (40-800) Porenbeton 15 (6-80) 10 (1-60) 200 (40-800) Schlacke aus Mansfelder 1500 ( ) 48 (18-78) 520 ( ) Kupferschiefer REA-Gips 20 (< 20-70) < 20 < 20 Braunkohlenfilterasche 82 (4-200) 51 (6-150) 147 (12-610)

18 Radioaktive Belastung durch Baustoffe Strahlung in Baustoffen terrestrische Strahlung Th-232 t 1/2 = 14 Mrd. a Thorium-Zerfallsreihe 10 Radionuklide Pb-208 U-238 t 1/2 = 4,5 Mrd. a Uran-Radium-Zerfallsreihe 18 Radionuklide Pb-206 U-235 t 1/2 = 0,7 Mrd. a Uran-Actinium-Zerfallsreihe 15 Radionuklide Pb-207 K-40 t 1/2 = 1,3 Mrd. a Kalium-Zerfall 11% Ar-40, 89% Ca-40 Bisher sind keine Grenzwerte für Radioaktivität in Baustoffen festgelegt. Die Leningrader Summenformel bietet die Möglichkeit, die Belastung durch von Baustoffen ausgehender ionisierender Strahlung (Radioaktivität) abzuschätzen. Relativ hohe Aktivitäten finden sich in der Regel in Schlackensteinen, Kraftwerksasche, Hochofenzement, Chemiegips (Phosphatgips, nicht aber REA- Gips), aber auch bei Natursteinen wie Granit, Tuff, Bims (s. Tabelle).

19 Terrestrische Strahlung Natürliche, radioaktive Zerfallsreihen und K-40-Zerfall Th-232-Reihe 244 Pu Th α 14,1 Mrd. a Ra β 5,75 a Ac β 6,15 h Th α 1,9131 a Ra α 3,66 d Rn α 55,6 s Po α β 0,145 s 212 Pb At 10,64 h β α 300 µs 212 Bi β Po Tl α 60,55 min 2, s α β 3,083 min 208 Pb 82

20 U-235-Ac-227-Reihe β Th U 0,7 % α Th β Pa α Ac α Fr α β α Ra At α β α Rn Bi α β Po α β Pb β α At Bi β α 84 Po Tl α β 211 Pb

21 U-238-Ra-226-Reihe U 99,3 % α 4, a Th β 24,1 d Pa β 1,2 min U α 2, a Th α a Ra α 1602 a Rn α 3,8 d Po α β 3,05 min Pb At 26,8 min β α β 1,3 s Bi Rn 19,7 min α β α 0,35 ms 210 Tl Po 1,3 min β α 160 µs Pb α β 19,4 a Hg Bi 7,5 min β α β 5,0 d 206 Tl Po 4,3 min β α 138,4 d Pb

22 Modelle zur Abschätzung der Strahlenbelastung durch Baustoffe Es sollten Baustoffe mit einer Bewertungszahl B < 1 eingesetzt werden: Leningrader Formel 40 a( K) a( Ra) a( Th) 259 = B Bewertung eines Granits mit folgenden Mittelwerten K Bq/kg Ra Bq/kg Th Bq/kg

23 Radon in Gebäuden Radioaktive Belastung der Innenraumluft in Gebäuden durch Abgabe des radioaktiven Edelgases Radon aus Baustoffen Einatmung von Radon und seinen Zerfallsprodukten, zweitwichtigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen Radon-Konzentration hängt vom Untergrund, der Dichte der Bodenkonstruktion und den verwendeten Baustoffen ab Rn-222 aus Zerfall von Ra-226 im Untergrund, langsamer Aufstieg, Rn-220 zerfällt schneller, als Aufstieg aus Untergrund möglich ist, aber Problem der Freisetzung aus Lehmwänden Rn-222 t 1/2 = 3,8 d (Radon) Rn-220 t 1/2 = 56 s (Thoron - Tn) Rn-219 t 1/2 = 4 s (Actinon - An, ohne Bed.) Lehm enthält Th-232 Umwandlung in Rn-220 Strahlenexposition beim Aufenthalt in Gebäuden: - Strahlung der Baustoffe - Inhalation von Radon

24 Natürliche Exposition Ø BRD 2,1 msv/a bzw. 57 % (UBA 2010, 1-5 msv/a) 1,0 msv/a Inhalation von Radon (48 %) (Ø 50 Bq/m 3 ) 0,3 msv/a kosmische Strahlung (14 %) 0,5 msv/a terrestrische Strahlung (24 %) (Th-232, U-238, U-235, K-40) 0,3 msv/a Nahrungsmittel (K-40) (14 %) EU-Gesundheitsminister empfehlen, folgende Richtwerte in Wohnhäusern nicht zu überschreiten: Eingreifrichtwert 400 Bq/m 3 ; Planungsrichtwert 200 Bq/m 3 Der Eingreifrichtwert gilt für Gebäude, die vor dem Jahr 1996 gebaut wurden, der Planungsrichtwert für Neubauten ab dem Jahr Strahlenschutzkommission ( ): Statistische Signifikanz des zusätzlichen Lungenkrebsrisikos durch Radon ab 150 Bq/m³ Empfehlung der Reduzierung der Radonkonzentration in Innenräumen auf unter 100 Bq/m³ (kein Gesetzesentwurf!)

25 Freisetzung von Radon - Natürlicher Radiumgehalt des Bodens: Bq/kg - Mittlere Rn-Konzentratiob der Bodenluft: Bq/kg - Bildung aus U-238 und Ra-226 im Boden, insbesondere in Graniten, Porphyren und daraus gebildeten Sedimentgesteinen Radon in der Raumluft von Gebäuden - Exhalation aus Radon-haltigen Baustoffen - Exhalation aus dem Untergrund und Eindringen über Risse, Fugen, Kabelund Rohrdurchführungen, Diffusion durch das Porensystem von Beton - Radon in der Raumluft (G. Keller, Kraftwerkstechnik 74(1994) 711) Maximum: Bq/m 3! (Schneeberg - Erzgebirge) Verwendung von Haldenmaterial und Mansfelder Schlacke: Gebäudeunterfüllung, Grundmauern, Straßenbau, Wasserbau Mittelwert: 50 Bq/m 3 (Deutschland) Aus Baustoffen: max. 30 Bq/m 3 (Anteil aus Betonen 1-5 Bq/m 3 )

26 Gesundheitliche Auswirkungen von Radon - Anlagerung von Radon-Folgeprodukten an Wänden und Möbeln - Anlagerung von Radon-Folgeprodukten an Feinstaubteilchen! - Inhalation von Radon und feinstaubgebundener Folgeprodukte mit der Atemluft Bestrahlung der Atemwege und Lunge durch α-teilchen Schädigung des Gewebes Lungenkrebsrisiko Schätzung: 1-6 % der insgesamt auftretenden Krebsfälle sind auf Inhalation von Radon und Folgeprodukten zurückzuführen