Kapitel 10. Radioaktivität. Radioaktivität

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2 Atommodell Atommodell - Ein Atom hat Z Elektronen, Z Protonen, N-Neutronen - Anzahl Protonen nennt man Ordnungszahl oder Kernladungszahl Beispiel: Helium: Z= 2 Masse des Atoms ist in seinem Kern konzentriert Kernradius: 1 fm = 10-6 nm = m Abstand Kern-Elektron: 0.1 nm bzw fm Äußerste Schale bestimmt chemischen Eigenschaften des Elements

3 Atomkern (Nuklid) Massenzahl: Anzahl Protonen und Neutronen A = Z + N Kurzschreibweise: A Elementsymbol Z 4 He 2 z.b.: Helium Uran 4 He U Kr 36 kleine Kerne (z.b. Helium, bzw. Z < 20): Z N große Kerne: Z < N, mehr Neutronen als Protonen 238 U 92 Isotop: Elemente haben gleiche Anzahl Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen

4 Isotope Beispiel: Isotope vom Wasserstoff (H) 1 H 1 2 H 1 3 H 1 normaler (leichter) Wasserstoff Deuterium Tritium Chemische Eigenschaften nahezu identisch (gleiche Anzahl Elektronen) Das häufigste Isotop von Helium ist: 4 He 2 α-teilchen Anzahl Isotope variieren stark von Element zu Element

5 Nukleonen (Protonen und Neutronen) üben starke Anziehungskraft auf nächste Nachbarn (Protonen und Neutronen) aus => Kern fällt nicht auseinander - Kraft heißt starke Kernkraft - starke Kernkraft > Coulomkraft - starke Kernkraft fällt mit Abstand stark ab (vernachlässigbar am Rand des Kerns) ca m Kernradius r K steigt mit Massenzahl r K = r 0 A 1/3 = 1.2 fm A 1/3 r K => Uran: r K = 1.2 fm 238 1/3 = 7.4 fm = m

6 Kernmasse E = m c 2 E: Energie c: Lichtgeschwindigkeit m/s m: Masse Kernmasse < Masse Protonen plus Masse Neutronen m A < Z m H + N m N m A : Kernmasse m H : Masse Wasserstoff u m N : Masse eines Neutronen u Normierung der Massen: 1u = 1/12 Masse Kohlenstoff 1u c 2 = MeV E b = (Z m H + N m N - m A ) c 2 He E b = 28.3 MeV E b :Bindungsenergie m A : Massenzahl, tabelliert!

7 : Geschichte der Entdeckung der : Bedeckter Himmel Lagerung der Uransteine in Schublade Überraschung: deutliche Kontur der Steine Auch Uranmetall belichtet Woher kommt die Energie?

8 : Geschichte der 1896: Die Entdeckung der Inspiriert durch Röntgens X-Strahlen Untersuchung der Fluoreszenz von Uran Schwärzung von Fotoplatten in Verpackung Erklärung: Aufladung mit Sonnenlicht Henri Becquerel ( ) Aktivität: 1 Bq = 1 Zerfall / Sekunde

9 : Geschichte der Entdeckung von Radium und Polonium 1898: Marie und Pierre Curie extrahieren Zerfallsprodukte des Urans und Thoriums Nobelpreis Physik 1903 gemeinsam mit H. Becquerel Nobelpreis Chemie 1911 Pechblende U 2 O 3

10 : Geschichte der Radiumindustrie Radium: Wellness der 1920er Jahre Radium Giesel 1906: Leuchtziffern Gefahren ionisierender Strahlung seit Selbstversuch von Elihu Thomson 1897 eigentlich bekannt (er hat täglich radioaktiv angereicherte Wasser getrunken) Exzessive Anwendung durch hohen Preis verhindert

11 3 Arten radioaktiver Strahlung Magnetfeld Benennung mit a, b, g Entdeckung des Atomkerns (1909 mit H. Geiger und E. Marsden) klärt die Natur der Strahlung: Ernest Rutherford 1898: a, b, g-strahlung

12 Alphazerfall - zweifach positiv geladenes Heliumion (ein Heliumkern) wird aus dem Atomkern emittiert Ionisierung der Luft

13 Betazerfall (ß-Zerfall) Zerfall eines freien Neutrons Neutrino Neutron Proton Elektron Energie wird frei: E ß = ( u u ) c 2 = u c 2 da 1 u c 2 = MeV = MeV 1u: Masseneinheit, gleich 1/12 Masse Kohlenstoff Neutrino trägt Überschussenergie

14 Betazerfall (ß-Zerfall) Neutrino 228 Ra 88 Neutrino 228 Ac 89 Neutron Proton Elektron ß - - Teilchen (e - ) A Element -> A Element plus Elektron plus Neutrino Z Z+1 - Kernladungszahl erhöht sich um 1 - Elektron und Neutrino werden emittiert - Energie des freien Elektrons variiert Anmerkung: Es gibt auch beta-plus- Strahlung. Sie besteht aus Positronen. Positronen haben die gleiche Masse wie Elektronen sind jedoch positiv geladen, ß +.

15 14 C 6 Neutrino Betazerfall (ß-Zerfall) 14 N 7 ß - - Teilchen (e - ) 14 C 6 - Zerfall wird zur archäometrischen Datierung von organischen Stoffen verwendet - Halbwertszeit 5730 Jahre Ablenkung im Magnetfeld

16 Gammazerfall Photon - Emission von hochenergetischen elektromagnetischen Wellen (Photonen) aus dem Atomkern. - Voraussetzung: Kern befindet sich in einem höheren Energiezustand (zuvor Alpha- Betazerfall)

17 Gammastrahlung TV 3km 300m 30m 3m 30cm Radiowellen (TV, Radio) 300cm 30cm 3mm Mikrowellen (Mikrowelle, Satelliten) 300µm 3µm 0.7µm 0.5µm 0.4µm 0.3µm 30nm 3nm 0.3nm 0.03nm Infrarot (Fernsteuerung beim TV) Sichtbares Licht UV-Strahlung (Hautkrebs, Astronomie) Röntgenstrahlung (Medizin) 0.03nm 0.003nm Gammastrahlung

18 Gammastrahlung Wellenlänge (m) * Gamma-Strahlung Wellenlänge: λ < 10-2 nm nm Frequenz: f = Hz. 4 x10 21 Hz Energie: E = 1 x x10 8 ev X-rays(Röntgenstrahlung): Strahlung emittiert von Elektronen Gamma-Strahlung: Strahlung emittiert vom Kern

19 ß 1.48 MeV (0.1%) (Halbwertszeit: 5.3 Jahre) ß 0.31 MeV (99,9%) g g 1.17 MeV 1.33 MeV * Schnelle Vorgänge * + e + Neutrino * + g (1.17MeV) + g (1.33MeV)

20 Energie Gammastrahlung: 1 x x10 8 ev J J da 1 J = 6.2 * ev Vergleich: C-C Bindung ~ 350 kj/mol = 3.5*10 5 J / 6*10 23 Teilchen 1 C-C Bindung: ~ 5 * J Energie der Gammastrahlung ~ mal so hoch wie eine C-C Bindung

21 Energie a - Strahlung: ß - Strahlung: g - Strahlung: (2 bis 10) MeV 0 bis einige MeV 0.1 bis 200 MeV Ionisierung in Luft Anzahl Ionen / Meter ~ 10 6 ~ 10 3 Reichweite in Luft: a - Strahlung: wenige Zentimeter ß - Strahlung: einige Meter g - Strahlung: viele Kilometer Geschwindigkeit: a - Strahlung: 15,000 km/s ß - Strahlung: 0.9 Lichtgeschwindigkeit Anmerkung: Geschwindigkeit (Energie) nimmt durch Stöße ab. Dies erhöht die Stoßwahrscheinlichkeit. Die Stoßwahrscheinlichkeit ist abhängig von Geschwindigkeit und Größe der Teilchen (a,ß-strahlung)

22 Abschwächung radioaktiver Strahlung 1 Blatt Papier 4 mm Aluminium oder 15 Blatt Papier Dickere Bleischichten α ß γ γ-strahlung geschwächt a- und b - Strahlen sind geladen, endliche Reichweite g - Strahlung ist ungeladen (elektromagn. Welle) nur Abschwächung

23 Spaltung in einer Kettenreaktion A is for Atom, USA 1953, Prod.: General Electrics

24 Fritz Straßmann Kapitel 10 : Die falschen Transurane: Kernspaltung! Hahn und Straßmann entdecken 1938 mit chemischen Methoden die Kernspaltung: Wo kommt Barium her? Otto Hahn & Lise Meitner Erklärung von Meitner und Frisch: Der Urankern zerplatzt! Pro Spaltung werden ca. 200 MeV frei: 1g 235 U = 1 MWd

25 : Neutronen U Die falschen Transurane: Kernspaltung Ba 92 = => Anzahl Protonen ist konstant Kr = => 3 Neutronen und Energie wird freigesetzt Uran-235 befindet sich auf der Erde eingeschlossen in Uran-238. Plutonium-239 oder Uran-235 sind Spaltmaterialien

26 : Ein Naturreaktor in Gabun Vor 1,7 Mrd. Jahren in Oklo: Der erste Ur-Kernreaktor Anteil des thermisch spaltbaren 235 U lag bei 3% (jetzt 0,7%) Selbsterhaltende Kettenreaktion über mehrere Jahre, ca. 100 kw Überraschend: Spaltbruchstücke ( Atommüll ) blieben sicher eingeschlossen

27 Aktivität und Zerfallsgesetz Experimentelle Beobachtung: ln(i) t ln(i 0) I(t): Ionisationsstrom : Zerfallskonstante. Sie gibt an, wie schnell die Strahlungsintensität eines radioaktiven Präperats abnimmt. Im Laufe der Zeit nimmt die Anzahl der Kern ab, die noch zerfallen können, da immer weniger unzerfallene Kerne vorhanden sind. Pro Zeiteinheit t zerfällt jedoch stets der gleiche Anteil der noch unzerfallenen Kerne. Aktivität A N t bzw. t 0 A dn dt A: Anzahl radioaktiver Zerfälle pro Zeiteinheit

28 (für Interessierte) Ziel: Herleitung des Zerfallsgesetzes A dn dt dn dt dn N t dn N N dt t 0 0 dt (ln N(t) ln N(0)) (t 0) N(t) ln t N(0) N(t) e N(0) N(t) t N(0) e t dn A(t) ( ) N(0) e dt mit A(t 0) N(0) A(t) A(0) e t t Exponentielle Abnahme der Anzahl radioaktiver Zerfälle pro Zeiteinheit

29 (für Interessierte) Ziel: Herleitung der Halbwertszeit N(t) N(0) e t 1 N(T 1/2 ) N(0) N(0) e 2 1 T1/2 e 2 1 ln T1/ ln 2 T1/2 ln 2 T 1/2

30 238 U U Np Pu 94 Neutronen T 1/2 : > 10 9 Jahre ß T 1/2 : 23 min. ß T 1/2 : 2 Tage Halbwertszeiten: Plutonium-239: Radium-228: Thorium-232: Neptunium-239: Polonium-212: ~ Jahren, ~ 6,7 Jahren, ~ 14 Milliarden Jahren ~ 2.3 Tage ~ 0, Sekunden.

31 Spaltung in einer Kettenreaktion A is for Atom, USA 1953, Prod.: General Electrics

32 Technische Nutzung der Schwächung Materialprüfung mit starken g-strahlern: 60 Co mm Stahl Quelle wird ferngesteuert ausgefahren Schweißnaht 192 Ir 12 62,5 mm Stahl 169 Yb 2,5 15 mm Stahl

33 Röntgenstrahlung Organdosis: die in einem bestimmten Organ, Gewebe oder Körperteil durch ionisierende Strahlung aufgenommene Energiedosis multipliziert mit demstrahlungswichtungsfaktor (Röntgen =1) H T = D w Einheit: Sievert (Sv) H T : Organdosis D: Energiedosis w: Strahlenwichtungsfaktor x - ray: w = 1 a - Strahlung: w = 20 b - Strahlung: w = 1 g - Stahlung: w = 1 Neutronen: w = 1 20

34 Strahlenempfindlichkeit von Organismen 4 Sv 890 Sv 1780 Sv

35 Natürliche Radionuklide Uran-235 Medizinisch angewandte Radionuklide & Halbwertszeiten (Strahlentherapie von Krebs) Kosmische Strahlung 14 C Kohlenstoffisotop Halbwertszeit ca Jahre 14 C entsteht infolge der Wechselwirkung hochenergetischer kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre Halbwertszeit (T ½ ): Hälfte aller anfangs vorhandenen Atome ist noch nicht zerfallen. Nuklid Kohlenstoff-11 Fluor-18 Technetium- 99m Iod-123 Iod-124 Jod-131 Phosphor-32 Cobalt-60 Halbwertszeit 20 min 110 min 6 h 13 h 4 d 8 d 14,26 d 5,27 a

36 : Alltägliche Strahlenbelastung Natürliche Strahlenbelastung in Deutschland: ~ 2 msv / Jahr Strahlenschutzverordnung: strahlenexponierte Personen <20 msv/jahr, Tod: 5 Sv) Kosmische Strahlung (msv) In Meereshöhe: 0.3 Zugspitze: Transatlantikflug USA: 0.1 Terrestrische Strahlung (msv) Boden: bis 0.2 Baumaterialien: bis 0.1 Nahrungsmittel: bis 0.3 Radon: bis 1.1 Medizin (msv) 1.9 Forschung (msv) 0.01 Kerntechnik (msv) Tschernobyl, 137 Cs Atombombentests 0.01 Nuklearanlagen: 0.01 Kohlekraftwerke 0.01

37 Künstliche Strahlenbelastung Alltägliche Strahlenbelastung natürliche Strahlenbelastung Medizinische Anwendungen, 41.1% Sonstige innere Strahlung 8,0% Kosmische Strahlung 8,0% Einatmen von Radon 27,1% Folgen Tschernobyl 0.6% Kernkraftwerke 0.3% Atombombentests 0.3% Physik für Gymnasien, Cornelsen

38 Künstliche Strahlenbelastung Alltägliche Strahlenbelastung natürliche Strahlenbelastung Sonstige innere Strahlung 8,0% Kosmische Strahlung 8,0% Einatmen von Radon 27,1% Medizinische Anwendungen, 41.1% (<20 msv/jahr, Tod: 5 Sv) Folgen Tschernobyl 0.6% Kernkraftwerke 0.3% Atombombentests 0.3% Natürliche Strahlenbelastung: msv/jahr Deutschland: ~ 2 msv / Jahr Physik für Gymnasien, Cornelsen