Radioaktivität im Alltag Hartmut Zabel 10. Februar 2001

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1 Radioaktivität im Alltag Hartmut Zabel 10. Februar 2001

2 Überblick Was versteht man unter Radioaktivität? Welche Quellen gibt es für Radioaktivität? Wie groß ist die Aktivität dieser Quellen? Welche biologische Wirksamkeit haben radioaktive Stoffe?

3 Was versteht man unter Radioaktivität? Zerfall von unstabilen Atomkernen durch Emission von Teilchen oder Strahlung (α) Alpha-Teilchen bzw. He-Kerne Proton α Neutron (β) Beta-Teilchen bzw. positive oder negative geladene Elektronen β (γ) Gamma- Quanten bzw. EM- Strahlung γ

4 Spontaner Zerfall Induzierte Emission

5 Isotope Z - Protonen Z - Elektronen Die Zahl Z von Elektronen bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Atoms. In neutralen Atomen ist immer die Zahl von Elektronen gleich der Zahl der Protonen im Kern. Die Zahl der Neutronen N im Kern ist dagegen nicht fixiert. Atome mit gleichem Z aber verschiedenem N nennt man Isotope.

6 Wasserstoff- Isotope p n n Wasserstoff 1 1H stabil Deuterium 2 1 H stabil Tritium 3 1 H radioaktiv

7 Stabile Isotope (leichte Kerne) Protonennzahl Al Mg Na Ne F O N C B Be Li He H Neutronenmangel N=Z Neutronenüberschuß Neutronenzahl

8 Leichte Kerne: N Z Schwere Kerne: N>Z Protonenzahl N=Z β - β + α Neutronenzahl

9 β Strahlung: Kerne mit Neutronenüberschuß emittieren ein Elektron. Dabei wandelt sich im Kerninneren ein Neutron in ein Proton um. Die Kernladungszahl nimmt um eins zu. Protonenzahl Z+2 Z+1 Z Z-1 Z-2 N-2 N-1 β N N+1 Neutronenzahl N+2

10 β + Strahlung: Kerne mit Neutronenmangel emittieren ein positives Elektron (Positron). Dabei wandelt sich im Kerninneren ein Proton in ein Neutron um. Die Kernladungszahl nimmt um eins ab. Protonenzahl Z+2 Z+1 Z Z-1 Z-2 N-2 + β N-1 N N+1 Neutronenzahl N+2

11 α-zerfall + A Z N A 4 Z 2 K K + N He 2 Protonenzahl Z+2 Z+1 Z Z-1 Z-2 α N-2 N-1 N N+1 N+2 Neutronenzahl

12 γ-strahlung: Nach α oder β Emission bleibt der Kern häufig für sehr kurze Zeit in einem angeregten Zustand. Er fällt in den neuen Grundzustand durch Aussenden von elektromagnetischen Wellen, d.h. γ-quanten 137 Cs 137 Ba Grundzustand β - (1,17 MeV) T 1/2 = 30 a γ 0,6 MeV

13 Zerfallsgesetz und Halbwertszeit Zahl der radioaktiven Kerne N 0 N 0 /2 N N 0 /e 0 /4 N 0 /8 N 0 /16 T 1/2 τ=1/λ N(t) 2T 1/2 = 3T 1/2 N e - λ t = N e -t/ τ 0 0 ln2 λ 4T 1/2 Zeit Halbwertszeit: T 1/2 = = τ ln2 = τ λ = Zerfallskonstante, τ = mittlere Lebensdauer > T 1/2

14 Aktivität des radioaktiven Zerfalls Die Zahl der radioaktiven Kerne ist häufig unbekannt. Messen kann man nur die Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit. Daher wird die Aktivität definiert als Anzahl der Zerfälle pro Sekunde: Zahl der Zerfälle pro Sekunge A 0 A 0 /2 0 /4 A 0 /8 A 0 /16 T 1/2 2T 1/2 A(t) 3T 1/2 = 4T 1/2 N t = A 0 e Einheit für Aktivität ist Becquerel (Bq) 1Bq = 1Zerfall/s Zeit -λt

15 ...alle Kerne mit größerem Z oder N als Bi-209 zerfallen spontan Ende der Stabilität von Kernen... Neutronenzahl

16

17 Typische Energiewerte und Energieverteilungen der verschiedenen Strahlungs-arten Intensität β γ α MeV α nd γ Strahler haben scharf definierte Energien β Strahler zeigen eine breite Energieverteilung

18 Was bedeutet die Energie von 1 MeV α- Teilchen? Geschwindigkeit... α mal schneller als ein ICE in voller Fahrt Energie... 1µg 1µm...reicht aus, um ein µg einen µm hochzuheben,...oder um ein kleines Stück Haar um ein 1/50 seines Durchmessers anzuheben

19 Verdampfen von Wasser Wassermoleküle an Oberfläche Wassermoleküle im Inneren der Flüssigkeit

20 Zusammenhang zwischen Energie der α- Teilchen und ihrer Halbwertszeit E kin (MeV) Coulomb-Wall T 1/2 0.5s 138d 4.5x10 9 a Kernpotential Bindungsenergie des α-teilchens Bindungsenergie pro Nukleon im Kern Zusammenhang zwischen kinetischer Energie und Zerfallskonstante log E α = a + blog λ

21 Typische Reichweiten von ionisierender Strahlung in Luft Log I(x) γ β α 0.05 Schichtdicke [m] 5

22 Quadratisches Abstandsgesetz Reichweite von β und γ-strahlung in Luft ist sehr groß. Falls keine weitere Abschirmung vorhanden, hilft auf jeden Fall das 1/R 2 - Abstandsgesetz, d.h. die Dosis pro bestrahlter Fläche fällt mit dem Quadrat des Abstands von der Quelle. Im doppeltem Abstand ist die Dosis/Fläche um das vierfache geschwächt, da die bestrahlte Fläche um das vierfache angewachsen ist! Radioaktive Quelle R R

23 Abschirmung für verschiedene Strahlenarten Blatt Papier Telefonbuch Blei Alpha Beta Gamma α- und β-teilchen werden vollständig absorbiert, γ-strahlen werden durch den Absorber nur in der Intensität geschwächt, nicht in der Energie!

24 Abschirmung für verschiedene Strahlenarten Alumium Blei Beton Alpha Beta Röntgen Gamma Neutronen 2mm 1mm 5cm 50 cm

25 Dosimetrie

26 Dosis Radioaktive Quelle 1kg Absorbierende Masse Dosis [D] = = absorbierte Energie Masse Joule, 1 kg Joule kg = 1Gray(Gy) Energie um 1 Liter Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen entspricht 4000 Joule

27 Ionisation γ

28 Qualitätsfaktor Q Zahl der gebildeten Ionenpaare auf γ-strahlen bezogen Strahlenart Röntgen, γ, ß Thermische Neutronen Schnelle Neutronen α-strahlen und schwere Ionen Q Bei gleicher Energie sind α-teilchen 20 mal wirksamer, Ionenpaare zu erzeugen als γ oder β - Strahlen

29 Äquivalentdosis H Äquivalentdosis H = Energiedosis D Qualitätsfaktor Q Einheit der Äquivalentdosis H ist Sievert 1 Gray x Q = Sv Beispiel: 1 Gray x 20 = 20 Sv Dosisrate Äquivalentdosis/Zeit Sievert/Jahr oder Sv/a früher: rem/a

30 Kurzer historsicher Überblick

31 1896 Henri Becquerel...entdeckt durchdringende Strahlung, die von Uranium emittiert wird.

32 1898 Marie & Pierre Curie... isolieren Radium mit positiver (alpha), negativer (beta) und neutraler (Gamma) - Strahlung

33 1911 Ernest Rutherford... klärt den Rückstoß von alpha Teilchen von dünnen Goldfolien auf, indem ein Kern angenommen wird, der von der Elektronenhülle separiert ist....weist die erste künstliche Kernreaktion durch Beschuss von alpha-teilchen mit Stickstoffkernen nach.

34 1932 Victor F. Hess, Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer...untersuchen kosmische Strahlung und entdecken Positronen in kosmischen Strahlen, d.h. positiv geladene Elektronen bzw. Antiteilchen zu den Elektronen. Sie entdecken auch ein neues schweres Elektron, das Muyon

35 1934 Irène Joliot-Curie (Tochter von Pierre &Marie Curie) & und ihr Mann Frédéric Joliot-Curie...erzeugen zum ersten Mal künstliche radioaktive Isotope, indem sie Aluminium mit alpha-teilchen bzw. He-Kernen beschießen. Damit ensteht das radioaktive Phosphor-30.

36 1938 Lise Meitner... entdeckt zusammen mit Otto Hahn und Fritz Strassmann die Kernspaltung von Uran nach Bestrahlung mit Neutronen

37 1945 Radioaktive 14 C Isotope werden zur Untersuchung der Photosynthese verwendet 1946 Willard Frank Libby...zeigt wie man mit Hilfe der 14 C Aktivität das Alter von Fossilien bestimmen kann

38 1949 Maria Goeppert- Mayer & Hans Jensen...entwickeln ein Kernmodell mit dem erklärt werden kann, welche Kerne stabil und welche instabil sind.

39 1956 Das erste Kernkraftwerk geht in Calder Hall (England) ans Netz 1957 Der erste Kernreaktor für Forschungszwecke wird in München gebaut: Garchinger Atomei

40 Quellen für radioaktive Isotope

41 Drei Quellen für radioaktive Isotope 1. Terristisch Bei der Geburt der Erde entstanden (premordiale Isotope): 235 U, 238 U, 232 Th, 40 K T 1/2 vergleichbar mit Erdalter: a 2. Kosmisch Durch kosmische Strahlung kontinuierlich nachgeliefert: 14 C, 3 H, 7 Be, 10 Be T 1/2 vergleichsweise kurz: d 5000a 3. Zivilisatorisch Künstliche Kernreaktionen für Energie, Forschung und Medizin

42 1. Terristische Quellen

43 Iotope und Halbwertszeiten terristischer radioaktiver Quellen Isotop 238 U 235 U 232 Th 226 Ra Zerfalls -art Alpha Alpha Alpha Alpha Halbwertszeit Folgeprodukt 234 Th 231 Th 228 Ra 222 Rn 4, a 7, a 1, a a 222 Rn Alpha 218 Po 4d 40 K Beta- 40 Ca 1, a

44 Isotopenverteilung von Kalium Isotop 39 Isotop 40 Isotop 41 93,2581% % 6,73% stabil Beta a stabil K N Isotop 40 Isotop 41 Isotop 39

45 Zerfall von K-40 Verzweigung (Branching) beim Zerfall: MeV EC (11%) 40 K β - (1.314 MeV) γ (89%) (0 MeV) 40 Ar Geologische Datierung 40 Ca Körperaktivität Halbwertszeit für beide Zerallsarten ca. T 1/2 = years EC=electron capture, Einfang eines Elektrons aus der K-Schale

46 Interne Strahlenbelastung 40 K Der Körper enthält ca. 160 g Kalium. Davon sind 0.02g radioaktiv. Dies entspricht ca. 3 x radioaktiven 40 K-Isotopen im Körper. Mit einer Halbwertszeit von 1.3x10 9 a folgt daraus eine Aktivität von: ca 5000 Zerfällen/Sekunde = 5000 Bq Die meiste Strahlung bleibt im Körper stecken. Diese Zerfälle ergeben eine interne Strahlenbelastung des Körpers von ca. 0.3mSv/a

47 Natürliche Isotopenverteilung von Uran Isotop 238 Isotop ,3% 0.7% α-strahler 4, a α-strahler 7, a Isotop 235 Isotop 238

48 Zerfall von 238 U Neutronenzahl Radium Radon

49 Zerfall von Radium 0,8 MeV Radium 226 Ra 4,8 MeV, T 1/2 =1600 a 0,5 MeV Radon 222 Rn 5,5 MeV, T 1/2 = 4d Blei 214 Pb Polonium 218 Po 6,1 MeV, T 1/2 = 3min

50 RadonAktivitätskonzentration in der Bodenluft >500kBq/m3 <10kBq/m3 >3mSv/a

51 Radioaktive Vase

52 2. Kosmische Quellen radioaktiver Strahlung Kosmische Strahlung p, α

53 Halbwertszeiten T 1/2 kosmisch erzeugter Isotope Isotop 14 C 3 H 7 Be Zerfalls -art Beta- Beta- K-Einf. 14 N 3 He 7 Li Folgeprodukt Halbwertszeit 5730a 12,23a 53,4d 10 Be Beta- 10 Br 1, a

54 Produktion von 14 C 1. Reaktion von Neutronen mit Stickstoff-14 -Kernen: n + N N* C Reaktion von Neutronen mit Kohlenstoff-13 Kernen: 1 1 H n + C C* C γ

55 Zerfall von 14 C 14 C ist ein Elektronen-Emitter. Mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren zerfällt 14 C wieder zurück in Stickstoff: C* N e

56 14 C Gleichgewicht in der Natur In lebendem Material wird ständig 14 C über CO 2 bzw. über die Nahrungskette aufgenommen. Es kommt damit zu einem Gleichgewicht für das Verhältnis von 14 C/ 12 C= 1.3x In einem Gramm Kohlenstoff sind 6.5x10 10 radioaktive 14 C-Kerne, enthalten. Zahl der Zerfälle pro Gramm Kohlenstoff ca Zerfälle/Minute

57 Kohlenstoffdatierung 2000 AC 3730 BC 9460 BC BC BC

58 3. Zivilisatorische Quellen

59 Kontrasterzeugung durch Absorption von Röntgenstrahlen Knochen absorbieren mehr Strahlung als Gewebe wegen ihres hohen 20 Ca-Gehaltes Dosis/Aufnahme: 0.1 msv (Zahn) 30 msv CT Brustkorb

60 99m Tc-Skelett γ-strahlung Szintigramm Knochen werden durch Anlagerung von 99m Tc besser abgebildet als Organe. Ablagerung auch an eventuell vorhandenen Karzinomen. Einspritzstelle

61 Zerfallsschema von 99 Mo 99m 42 Mo β <1,2 MeV, 84% β 140 KeV γ-strahlung für Szintigramm 99m 43 Tc β Ru

62 Störungsfreier Reaktorbetrieb 0.01mSv/a

63 Reaktorunfall Tschernobyl

64 137 Cs 137 Ba β - (1,17 MeV) T 1/2 = 30 a γ 0,6 MeV Bq Cs-137 pro kg Körpergewicht 137 Cs-Körperaktivität einer Karlsruher Referenzgruppe Kernwaffentests in der Atmosphäre Reaktor Unfall Tschernobyl, Strahlenbelastung ergibt sich zu 60% aus Cs-137, 20% Cs-134, 6% I-131, Rest kurzlebige Isotope

65 Umweltradioaktivität

66 Interne Strahlenbelastung Aus seiner natürlichen, radioaktiven Umwelt nimmt der Mensch mit Luft, Wasser und Nahrung radioaktive Stoffe auf: 40 K, 14 C, 226 Rn, etc. Die daraus resultierende Aktivität im Menschen beträgt ca 8000 Becquerel. Daraus entstehende interne Strahlungsbelastung ca. 0.5 msv/a

67 Terristische und kosmische Strahlendosis als Funktion der Höhe

68 Transatlantikflug FfM-NY-FfM: 0.1 msv/flug

69 Mondlandung ca. 10 msv

70 Dosisleistung beim Aufsteigen über dem Atlantik m Dosisleistung msv/a

71 Ortsdosisleistung der terristischen Strahlung 0-0.1mSv/a >1.5mSv/a

72 Gamma- Ortsdosisleistung >0.2µSv/h <0.08µSv/h

73 Durchschnittliche jährliche Dosis natürlicher radioaktiver Quellen

74 Kosmische Strahlung: Umweltradioaktivität Strahlung von der Sonne und anderen Sonnensystemen. Primär p und α-strahlen, die Sekundärstrahlen erzeugen. Gesamtdosisleistung auf Meereshöhe: ca 0.5 msv/a Terrestrische Strahlung: Strahlung von natürlichen Nukliden in Luft (Radon), Wasser und Gesteinen. Ortsabhängig. Im Mittel ca. 1 msv/a Eigenstrahlung des Körpers: Strahlenbelastung, die durch Aufnahme von Radionuklide in die Nahrungskette oder durch Atmung hervorgerufen wird. Dosisleistung ca. 0.5 msv/a Summe der natürlichen Strahlenexposition ca 2 msv/a Zivilisatorische Strahlenbelastung: Kernkraftwerke Fall-out von Kernwaffentests Medizinische Diagnostik 0.01mSv/a 0.005mSv/a 0.5 msv/a Fliegen (1 Transatlantik-Rückflug ) 0.1 msv Fernsehen 0.05 msv/a Summe zivilisatorische Belastung: msv/a

75 Umweltradioaktivität Dosisleistung pro Jahr (msv/a) Mittlere Strahlenbelastung in Deutschland Natürliche Belastung Zivilisatorische Belastung Maximal zulässige Strahlenbelastung ohne Strahlenschutzmaßnahmen 50% - Überlebenschance Tödliche Dosisleistung 3 ± 1 2± 1 1±

76 Natürliche Strahlenbelastung Terristische Strahlung Kosmische Strahlung Eigenstrahlung Gesamte Strahlenbelastung ca. 3,5 msv/jahr

77 Ende

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