(in)stabile Kerne & Radioaktivität

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1 Übersicht (in)stabile Kerne & Radioaktivität Zerfallsgesetz Natürliche und künstliche Radioaktivität Einteilung der natürlichen Radionuklide Zerfallsreihen Zerfallsarten Untersuchung der Strahlungsarten

2 (in)stabile Kerne & Radioaktivität Nuklide sind entweder stabil oder instabil (In)Stabilität wird durch das Verhältnis zwischen Neutronen und Protonen bestimmt Instabile Nuklide sind radioaktiv (Radionuklide) Radioaktivität von lat. radius = Strahl, also Strahlungsaktivität

3 (in)stabile Kerne & Radioaktivität Radioaktivität bedeutet: spontane Umwandlung instabiler Atomkerne unter Energieabgabe (also exotherm) Energieabgabe in Form von ionisierender Strahlung Ionisierende Strahlung: Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die aus Atomen und Molekülen Elektronen entfernen können (α-, β-, γ-, n-strahlung)

4 Zerfallsgesetz Betrachte Ensemble von N instabilen Kernen Wahrscheinlichkeit das pro Zeiteinheit ein bestimmter Kern des Ensemble zerfällt, ist für alle Kerne der gleichen Sorte gleich groß dn dt = N t = A t λ Zerfallskonstante A Aktivität / Zerfallsrate (Kernzerfälle pro Sekunde)

5 Zerfallsgesetz Lösen der Differenzialgleichung liefert: dn = dt N ln N N 0 ' = t N t =N 0 exp t Für die Aktivität gilt dann: A t = N 0 exp t =A 0 exp t SI-Einheit der Aktivität: Becquerel 1Bq entspricht ein Kernzerfall pro Sekunde

6 Zerfallsgesetz Halbwertszeit t 1/2 Die Zeit, nach der die Anzahl an Kerne auf die Hälfte ihres Anfangswertes gesunken ist N t 1/2 = N 0 2 N 0 exp t 1/2 = N 0 2 t 1/2 = ln 2 Demtröder Eperimentalphysik 4 Kern-, Teilchen-, und Astrophysik Springer

7 Zerfallsgesetz Mittlere Lebensdauer Die Zeit nach der die Anzahl der Kerne sich um den Faktor 1/e verringert hat N = N 0 e N 0 exp = N 0 e = 1 Demtröder Eperimentalphysik 4 Kern-, Teilchen-, und Astrophysik Springer

8 natürliche und künstliche Radioaktivität Künstliche Radioaktivität: Vom Menschen angestoßene Zerfallsprozess z.b. in Kernreaktoren, Kernwaffenexplosionen, für wissenschaftliche und medizinische Zwecke Natürliche Radioaktivität Bei der Entstehung des Universums wurden alle Nuklide erzeugt werden in sehr massereichen Sternen und durch Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre ständig gebildet

9 Einteilung der natürlichen Radionuklide Primordial (lat. von erster Ordnung ) schon bei der Entstehung der Erde vorhanden, aber noch nicht vollständig Zerfalle Kosmogen entsteht kontinuierlich durch Wechselwirkungen hochenergetischer kosmischer Strahlung mit den Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre Radiogen entsteht als Zerfallsprodukt der ersten Gattung radioaktiver Nuklide => ungefähr insgesamt 75 Radionuklide

10 Natürliche und künstliche Radiaktivität Drei Urnuklide mit genügend langer Halbwertszeit sind jetzt noch auf der Erde vorhanden: 232 Th, 235U, 238U besitzen also Halbwertszeiten in der Größenordnung des Alters der Erde (Alter der Erde: 4,6 10^9 a) Demtröder Eperimentalphysik 4 Kern-, Teilchen-, und Astrophysik Springer

11 Zerfallsreihen Folgenuklide sind ebenfalls radioaktiv => Zerfallsketten

12 Zerfallsarten Zerfallsarten lassen sich in drei Kategorien einteilen: Zerfälle unter Aussendung von Nukleonen also Aussendung von Protonen, Neutronen und leichten Kernen Bsp.: Alpha-Zerfall (Helium-Kern) U Th 4 2 He

13 Zerfallsarten Beta-Zerfälle Beim Zerfall sind Elektronen oder Positronen (Antiteilchen des Elektron) beteiligt Bsp.: Beta-Minus-Zerfall (Elektronen) 14 6 C 14 7 N e e ν - Anti-Elektronneutrino

14 Zerfallsarten Übergänge zwischen Zuständen eines Kerns Es wird keine Materieteilchen abgestrahlt, somit findet keine Kernumwandlung statt Kerne geben überschüssige Energie in Form von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung ab Gammastrahlung N ia N i

15 Untersuchung der Strahlungsarten Qualitative Untersuchung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung auf: Reichweite Eindringtiefe

16 Untersuchung der Strahlungsarten Ergebnisse: Alpha-Strahlung: Geringe Reichweite, ca. 10 cm Papier reicht zur Abschirmung Beta-Strahlung: Einige Meter Einige mm-dickes Aluminiumblech reicht zur Abschirmung Gamma-Strahlung Theoretisch unendlich, Intensität nimmt quadratisch ab Abschirmung nicht möglich, nur Abschwächung (hängt vom Material ab, gute Absorber: Elemente mit hoher Ordnungszahl Blei

17 Benutzte Quellen Demtröder, Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchenund Astrophysik, Springer Verlag L. Herforth und H. Koch, Praktikum der Radioaktivität und Radiochemie, Johann Abrosius Barth Verlag Werner Stolz, Radioaktivität Grundlagen, Messungen, Anwendungen, Carl Hanser Verlag