Grundlagen der Kernphysik und Radioaktivität Kernphysik Aufbau der Atomkerne Der Atomkern und seine Bausteine - Isotope - Massendefekt und

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1 Grundlagen der Kernphysik und Radioaktivität Kernphysik Aufbau der Atomkerne Der Atomkern und seine Bausteine - Isotope - Massendefekt und Bindungsenergie Radioaktivität und radioaktiver Zerfall Zerfallsgesetz Halbwertszeit und Lebensdauer Radioaktive Altersbestimmung Natürliche und künstliche Radioaktivität Messmöglichkeiten für radioaktive Strahlen Strahlenschutz

2 Kernphysik ein Teilbereich der Physik der sich mit dem Aufbau der Atomkerne, Kräften, Energiezuständen und radioaktiven (ra) Strahlung befasst. Radioaktivität hat diverse Anwendungen: Technische Anwendungen Dickenmessung Dichtemessung in Flüssigkeiten und Gasen Füllstandsmessungen Kristallstrukturanalytik Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Transmutationsdotierungen Biologische und medizinische Anwendungen Sterilisierung medizinischer Instrumente Konservierung von Lebensmitteln Erzeugung von Mutationen Strahlendiagnostik (Indikatoren) Strahlentherapie Untersuchung biologischer Transportmechanismen Anwendung von Tracerelementen Oberflächenuntersuchungen Untersuchung von Reaktionsmechanismen Verdünnungsanalyse, Aktivierungsanalyse Strömungsanalyse in Atmosphäre und Wasserläufen Altersbestimmungsmethoden Natürliche radioaktive Strahlung sowie die Einstrahlung aus dem Kosmos (Höhenstrahlung) sind existente Bestandteile der Atmosphäre, Erde und aller Lebewesen. So hat zum Beispiel jeder Mensch durchschnittlich eine körpereigene Radioaktivität von ungefähr 8000 Bq, d.h. in jeder Sekunde zerfallen in seinem Körper 8000 Atome und senden Strahlung aus.

3 Der ATOM ( Atomos (Democritus) = unteilbare Einheit) besteht aus der Elektronenhülle und dem Atomkern Was ist nun ein Atomkern? Woraus besteht er? Wie groß ist so etwas? aber wenn wir genauer hinschauen + Kern - sehr klein, sehr dicht, positiv geladen Elektronenhülle - negativ geladen

4 Sind die relativen Dimensionen in dem Atommodel richtig? Atome bestehen aus einem positiv geladenen Atomkern und einer darum befindlichen negativ geladenen Hülle. Dabei beträgt der Durchmesser des Atoms ca. 1x10-10 m (= 1 Ångstrøm). Fast die gesamte Masse des Atoms ist in seinem Kern vereinigt, der einen Durchmesser von ca. 1x10-15 m aufweist. Materie besteht demnach also aus Massezentren, die relativ weit voneinander entfernt sind. Der Atomkern - besteht aus einzelnen positiv geladenen Bausteinen, Protonen (je eine positive Elementarladung) und einzelnen elektrisch neutralen Neutronen. Protonen und Neutronen besitzen beide annähernd die gleiche Masse (Differenz ca. 1 / 2000tel). Protonen bzw. Neutronen gehören zu den Elementarteilchen aus denen Materie aufgebaut ist. Es herrschen zwischen den Protonen im Kern elektrostatisch abstoßende Kräfte. Diese werden jedoch durch noch stärkere Wechselwirkungen mit Neutronen kompensiert (Kernkräfte). Durch Kombination verschiedener Anzahlen von Neutronen und Protonen erhält man verschiedene Kernarten, die auch als Nuklide bezeichnet werden.

5 Ein Vergleich der Distanzen: Au Kern Sonne

6 Größe der Atomkerne Kernradius: 3 R K r0 A Konst. r 15 = m = 1.3 fm = 1. 3 Fermi 0 Kerndurchmesser liegen also bei einigen Fermi und sind somit etwa kleiner als Atomdurchmesser. Das Kernvolumen ist damit mal kleiner als das Atomvolumen. Es stimmt also eigentlich was der Lennard sagte: Das Innere der Atome ist leer

7 Eine ausführliche Übersicht über alle Nuklide, sowie deren Eigenschaften bietet die (Karlsruher) Nuklidkarte. Dort werden als Ordinate die Protonenzahl und als Abszisse die Neutronenzahl aufgetragen. Zur Zeit sind ca. um die 2500 Nuklide bekannt, die sich auf 114 verschiedene chemische Elemente verteilen. PROTONENANZAHL NEUTRONENANZAHL Es gibt 274 stabile Nuklide und 66 natürlich vorkommende radioaktive (z.t. sehr langlebige) Nuklide, welche auch als Radionuklide bezeichnet werden.

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9 Atom neutral Anzahl der Protonen = Anzahl der Elektronen Protonen Kern Neutronen p + n 0 q = e = C q = 0 C Elektronenhülle e q = -e = C e = C Elementarladung übrigens - Protonen und Neutronen werden zusammen auch Nukleonen genannt

10 # p + = Z Ordnungzahl (Kernladungszahl) Z bestimmt die chem. Eigenschaften eines Atoms # n 0 + #p + =A Massenzahl # e = # p + = Z Atom neutral A Z 4 2 He 56 Fe 238 U Z = 2 A Z = 2? #p +, #n 0? #p +, #n 0 2p + 2e 2n 0 Schreibweise: Element X oder X-A, z.b Fe-56

11 Masse der hier relevanten Elementarteilchen: Elementarteilchen absolute Masse [kg] relative Masse [u] 1/12 m( 12 C) 1, , Proton 1, , Neutron 1, , Elektron 9, , (z.b. das Elektron hat die Masse von 1/ u) Die atomare Masseneinheit ("unit") u Früher glaubte man (kurzzeitig), dass größere Atome aus Wasserstoffatomen aufgebaut sind. Diese Vorstellung musste man aufgeben. Als atomare Masseneinheit u hat man trotzdem einen Wert gewählt, der sehr nahe bei der Masse des Wasserstoffatoms liegt. Seit 1961 gilt einheitlich weltweit: Die atomare Masseneinheit ist der 12. Teil der absoluten Masse eines Kohlenstoffatoms des Isotops 12 C 6 1 u = 1, kg was ist aber ein ISOTOP?!!

12 ISOTOPE NUKLIDE HABEN DIE GLEICHE KERNLADUNGSZAHL (Z) UND GEHÖREN DAMIT ZUM SELBEN CHEMISCHEN ELEMENT. Isotope in der Nuklidkarte in waagerechten Reihen nebeneinander Isotope gleichen Protonenzahlen, jedoch unterschiedliche Neutronenzahlen Isotope gleiche Elektronenkonfiguration und damit die gleichen chemischen Eigenschaften und gehören damit zum gleichen chemischen Element. Das Periodensystem der Elemente unterscheidet deshalb nicht zwischen den einzelnen Isotopen eines Elementes. Anders verhält es sich bei den physikalischen Eigenschaften: hier unterscheidet sich Wasserstoff H-1 am stärksten von seinen Isotopen, da diese eine Massezunahme um 100 bzw. 200 % aufweisen Nuklidkarte

13 Periodensystem der Elemente

14 In der Nuklidkarte sind alle Nuklide mit ihren mit ihren Zerfallsarten, Halbwertzeiten, Zerfallsenergien u.ä. dargestellt. Die Farbe gibt die Zerfallsart des Kerns an.

15 Nuklidkarte - Details

16 Bindungsenergie und Massendefekt Die Bindungsenergie zwischen den Nukleonen läßt sich berechnen, wenn mann die EINSTEINsche Beziehung der Äquivalenz von Masse und Energie zugrunde legt: ΔE = Δm c 2 die Summe der Massen von Nukleonen im Kern - m th sehr genaue Massebestimmungen von Atomkernen haben aber ergeben - m exp Es zeigt sich, dass: m th mexp und zwar mth > m exp diese Differenz wird MASSENDEFEKT bezeichnet, aber warum gibt es sie?

17 Bem. Der Massendefekt ist im wesentlichen die Bindungsenergie des Kerns die Bindungsenergie der Elektronen an den Kern kann vernachlässigt werden m n m kg m = + 0 p e m 1840 p m th = Zm + Zm + p e + ( A Z) m m n 0 exp wird oft vernachlässigt

18 Δm = m th A Z m exp 4 2 He ΔE = Δm c 2 Massendefekt E = 4.5x10-12 J Bindungsenergie Δ 27 m He kg ΔE He = 28MeV 1 ev: Energie eines Elektrons beim Durchsetzten einer Potenzialdifferenz von 1 Volt 1 ev = 1q 1V = ( C) (1 J/C) = J 1 MeV = 10 6 ev; 1 GeV = 10 9 ev; 1 TeV = ev

19 Die Masse des Heliumkerns ist also um 0,05x10-27 kg geringer als die Summe der Massen seiner Kernbausteine. Diese Massendifferenz (Massendefekt) kommt davon, dass beim Zusammenschluß von Protonen und Neutronen zum einem Kern ein kleiner Teil ihrer Masse in Energie umgewandelt wird. Diese Energie wird in Form von energiereicher Strahlung (γ - Quanten) frei und tritt auch in Form von Bewegungsenergie des betreffenden Kerns auf. Will man einen solchen Kern wieder in seine Kernbausteine zerlegen, muss genau diese Energie wieder aufgewendet werden. Die Energie wird daher Kernbindungsenergie genannt. Der Massendefekt entspricht also über die EINSTEINsche Beziehung genau der Bindungsenergie des Kerns.

20 Mittels Massendefekt kann die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon ermittelt werden. Auftragen gegen die Massezahl zeigt sich, dass diese in den leichteren Nukliden geringer ist als in den schwereren. Das Maximum der Bindungsenergie pro Nukleon wird bei mittleren Massezahlen A = (z.b. 57 Fe, 87 Kr) erreicht. Zu höheren Massezahlen fällt die Bindungsenergie pro Nukleon wieder ab.

21 RADIOAKTIVITÄT (Becquerel, Skłodowska-Curie, Curie) Ein stabiler Kern verfügt stets über ein bestimmtes Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen. Stimmt dieses Zahlenverhältnis nicht, so wird der Kern instabil und das betreffende Atom zerfällt nach einer gewissen Zeit, was als Phänomen der Radioaktivität beobachtet wird. Wegen der vielen positiven Ladungen sind Atome, die mehr als 83 Protonen besitzen, immer radioaktiv. Durch Kombination verschiedener Anzahlen von Neutronen und Protonen erhält man verschiedene Kernarten, die auch als Nuklide bezeichnet werden.

22 Radioaktiver Zerfall Atomkern Zusammenhalt der Nukleonen durch Kernkräfte (starke WW) Starke WW anziehend, unabhängig von der elektrischen Ladung Kernkräfte > als Coulomb-Kräfte solange Protonenzahl (Z) nicht zu hoch ist Atomkern stabil falls genügend Neutronen vorhanden Neutronen Verdünnung der Coulomb-Wirkung Falls Z >83 unabhängig von Neutronenzahl radioaktiver Zerfall Radioaktive Umwandlungsreaktionen (Zerfall) - statistische Prozesse. Für jedes Isotop und für jede energetisch mögliche Zerfallsart dieses Isotops gibt es eine nicht beeinflussbare Eintrittswahrscheinlichkeit. Makroskopische Größen wie Druck, Temperatur, mag. u. elektr. Felder können die Zerfallseigenschaften der Atomkerne nicht beeinflussen. Es gibt verschiedene Zerfallsmechanismen die Strahlungsart wurde mit α, β und γ benannt.

23 Alpha-Zerfall Wenn ein α-teilchen (2-fach pos. Geladene He-Kerne) von einem instabilen Atomkern ausgestrahlt wird, dann enthält der dabei entstehende Tochterkern zwei Protonen und zwei Neutronen weniger als der Stammkern. Kernladungszahl erniedrigt sich um zwei Einheiten. Die Massenzahl erniedrigt sich um um vier Einheiten. Folglich bildet sich ein neues Nuklid. α - Strahlung ist monoenergetisch

24 Reichweite Alpha Strahlung

25 Beta Zerfall Wenn ein β-teilchen (schnell fliegendes Elektron (e - )) von einem instabilen Atomkern ausgestrahlt wird, wandelt sich ein Neutron in ein Proton um (n p+ + e - ). Als Folge ändert sich die Massenzahl des Atomkerns nicht (Elektron- Masse gegenüber der der Protonen und Neutronen vernachlässigbar). Es steigt aber die Kernladungszahl um eine Einheit, wobei ein neues Nuklid entsteht.

26 Beta Zerfall

27 Gamma Zerfall Wenn ein durch α - oder β -Zerfall gebildeter Tochterkern in einem angeregten Zustand entsteht und dann in den Grundzustand übergeht, wird die diesem Übergang entsprechende Energie als γ - Strahlung abgegeben. γ-strahlung bezeichnet den Teil der elektromagnetischen Strahlung, der eine sehr kurze Wellenlänge (unter 0,5 nm) hat. Die zugehörigen Energien der Photonen liegen ab 2500 ev aufwärts. Die Photonen der Gammastrahlung werden auch Gamma-quanten genannt.

28 γ Strahlungsquelle: stabiler Kern instabiler Kern stabiler Kern

29 ZERFALLSGESETZE Beschreibung von Kernumwandlungen mittels statistischen Aussagen, die für große Kollektive zutreffen: N(t) ist die Anzahl der Atome der Ausgangssubstanz In der Zeit dt zerfallen dn Atome. Aktivität Zerfallskonstante dn dt Einheiten: [ ] [ ] 1 Bq = [ A] s N0 N( t) = = N0 exp( λ T1/ 2 ) 2

30 T(1/2) von Am-241 beträgt 433 Jahre. Eine Probe beinhaltet 480 Kerne. 1.Wieviele Kerne bleiben nach etwa 1300 Jahren? 2.Wie lange dauert es bis 98% der Kerne zerfallen? Kerne 2. 6 x 433 Jahre = 2598 Jahre Anzahl der bleibenden Kerne Halbwertszeit Time (years)

31 Ein Zahlenbeispiel: Für die Aktivität A(t) gilt auch eine exponentielle Abnahme: A( t) = A 0 e λ t 1 2 A 0 = A e / 2 ln( ) = λ T1/ 2 T1/ 2 2 = ln λ λ T 2 T(1/2) von C-14 beträgt 5730 Jahre λ = ln2/5730a = 3.83 x s -1. Wie hoch ist die Aktivität von 1mg dieses Stoffes? Masse von einem C-14 Atom: 14u=14 x 1.66x10-27 kg=2.3x10-26 kg Atomanzahl in 1 mg C-14: 10-6 kg / 2.3x10-26 kg = 0.43x10 20 Anzahl der Zerfälle pro Sekunde: N.λ = 1.65 x 10 8 s -1 das entspricht der Aktivität dieser Probe : 1.65 x 10 8 Bq Wie hoch ist die Aktivität nach 50 Jahren? A(50a)=A. 0 exp( x 50)=1.65 x 10 8 Bq x = 1.64 x 10 8 Bq Kann man diese Vorgansweise zur Bestimmung des Alters einer Probe heranziehen?

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33 Radioaktive Altersbestimmung (Archäometrie) W.F. Libby, Nobelpreis 1960 C Verhältnis C 12 10

34 Gebaut ca. 180 n.c. Messe die Strahlung einer Holzprobe vom Schiff Messe die Strahlung dieser Probe Entnahme einer Probe von der selben Baumart (Italien) Ein Beispiel für C-14 Datierung eines römischen Schiffes

35 Halbwertszeit Diagram für C-14 AKTIVITÄT (Bq) Strahlungswerte der Baumprobe Strahlungswerte der Schiffsprobe Alter des Schiffes (ca a) ZEIT (JAHRE)

36 Ermittlung des Gesteinalters Uran Blei Dauer etwa Jahre

37 Stein Uran Blei

38 Frage: Uran zerfällt zum Blei. T(1/2) von Uran beträgt ungefähr 4,500,000,000 Jahre. Eine Gesteinprobe beinhaltet 7 mal mehr Blei als Uran. Wie alt ist dieses Gestein? Lösung: Die Probe war ursprünglich alles Uran 1 x T(1/2) später 1 xt(1/2) später 1 x T(1/2) später derprobe war Uran Hier nur 4/8 von Uran ist noch da der Rest 4/8 ist Blei Nur noch 2/8 von Uran ist da derrest 6/8 ist Blei Nun 1/8 des Urans ist geblieben 7/8 ist Blei Also es dauerte 3 Halbwertszeiten bis 7/8 des Urans zerfallen sind. (d.h. in der Probe gibt es jetzt 7 mal mehr Blei). Da die T (1/2) etwa 4,500,000,000 Jahre beträgt Alter der Probe: 13,500,000,000 a.

39 Natürliche Radioaktivität Natürlich vorkommende Nuklide, die radioaktiv sind. Es sind: 1. Radionuklide, die durch Kernreaktionen der kosmischen Strahlung ständig neu gebildet werden, 2. kosmogene Radionuklide (durch WW der kosmischen Strahlung mit den Atomkernen der Atmosphäre entstehende Nuklide) 3. uranfänglichen Radionuklide, die seit Entstehen der Erde vorhanden sind und aufgrund ihrer langen Halbwertszeit noch nicht zerfallen sind, sowie die aus diesen Radionukliden (U- 238, U-235 und Th-232) entstehenden Nuklide. Künstliche Radioaktivität - Tausende von Menschen induzierte Kernreaktionen und folglich radioaktiver Zerfall Rutherford (N,α) O Diverse Anwendungen in der Forschung, Industrie, Medizin.

40 Wechselwirkung von Kernstrahlen mit Materie Schnell bewegte α-teilchen und β-teilchen, oder Neutronen sind Teilchenstrahlen. Sie treten mit den Atomen der Materie in Wechselwirkung. Die geladenen Teilchen ändern ihre Richtung und geben Energie an die Atome des Mediums ab. Die Masse m und die kinetische Energie E = m v² /2 der geladenen Teilchen bestimmen, ob die Wechselwirkung mit den Elektronen der Atomhülle oder dem Atomkern eintritt. Bei der elastischen Streuung ändern die Teilchen nur ihre Richtung. Bei der inelastischen Streuung ändern die Teilchen ihre Richtung und verlieren Energie durch: die Anregung der Atomhülle die Ionisation von Atomen die Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung.

41 WW mit Energie Effekt Anregung Elektronenhülle ev bis kev Emission von Photonen Ionisation Elektronenhülle kev bis MeV Ion + Elektron Bremsstrahlung Atomkern E> MeV Kontin. Röntgenspektrum Die Reichweite von Teilchenstrahlen in Materie Die Reichweite hängt von der Teilchenart (z. B. β-teilchen, α-teilchen), von der Teilchenenergie m v²/2 und von der Dichte ρ des absorbierenden Mediums (Absorber) Die Reichweite wird meist als (Massenbelegung) angegeben Massenbelegung = Absorberdicke Dichte in [kg/m²].

42 γ-strahlen (EM-Welle mit Energien im Bereich kev MeV, Linienspektrum) Gammastrahlen und Röntgenstrahlen Unterschied nur in der Entstehung z. B. Kernumwandlung; Röntgenröhre - Bremsstrahlung von Elektronen. Analog wie beim Licht wird die γ-strahlung beim Durchgang durch Materie abgeschwächt I = I 0 e μ x μ.. Schwächungskoeff., x.. Schichtdicke μ ist von der Strahlungsenergie, von Z und von ρ Material abhängig Es ist nützlich den Massenabsorptionkoeff. k einzuführen: k = μ ρ Material Statt der Schichtdicke x wird Massenbelegung b verwendet: Für die Intensitätsabnahme gilt dann: I = I 0 e k b b = x ρ Material

43 Eine Halbwertdicke HWD ist jede Schichtdicke, hinter der der Strahlungsfluss der Photonen auf die Hälfte gesunken ist. Beispiel: HWD = ln2 / µ = 0,693 / µ Um welchen Faktor werden Gammastrahlen von 5 MeV, bzw. 50 kev beim Durchgang durch eine Bleiplatte von 10cm abgeschwächt? Wie groß ist die HWD für 5 MeV Strahlen? ρ BLEI = kg/m 3 ; k(5 MeV) = m 2 /kg; k(50 kev)= m 2 /kg I I I I 0 0 = = e e = = μ = k ρ = 48 m 1 HWD = 0.693/ 48 = m = 1.4 cm

44 Papier Einige mm Aluminium Einige cm Blei α β γ

45 Absorptionmechanismen für Gammastrahlung in der Materie: Elastische Streuung der Photonen e - aus der Hülle werden zur Schwingungen angeregt Abstrahlung in den Raum

46 Beiträge zum Massenabsorptionskoeffizienten für Gammastrahlen in Blei Für hochenergetische Photonen ist nur Paarbildung von Bedeutung Für niederenergetische Photonen ist das Comptoneffekt maßgebend

47 Messgeräte basieren oft auf der Messung der von der jeweiligen Strahlungsart gebildeten Ionen a. Ionisattionskammer, b. Proportionalzählrohr, c. Geiger-Müller Zähler, d. Halbleiterdetektor Weiters werden oft verwendet: a. Szintillationsdetektor, b. Nebelkammer, c. Photographische Detektion Ionisationskammer

48 Ionisationsbereich (2) Alle erzeugten Elektronen und Ionen tragen zum Signal bei. So entspricht das Signal der tatsächlichen Anzahl von Ionisationen. Dieser Bereich wird in der Ionisationskammer verwendet. Proportionalbereich (3) Die erzeugten Elektronen werden so stark beschleunigt, dass sie ihrerseits zusätzliche Atome ionisieren können. Das Ausgangssignal ist größer, aber immer noch proportional zur Anzahl der Ionisationen. Dieser Bereich wird im Proportionalzähler verwendet. Geiger-Bereich (4) In diesem Bereich führt eine Ionisation zu Elektronen- und Ionenlawinen. Es entsteht ein sehr starkes Signal, das nicht mehr proportional zur Anzahl der Ionisationen ist. Dieser Bereich wird im Geiger-Müller-Zähler verwendet, der zur Detektierung von Ereignissen geeignet ist.

49 Tracer (eng. trace: Spur) - Substanzen die man beimischt um anschließend die Verteilung der zu untersuchenden Verbindung zu analysieren. Radioaktivität in der Biologie In der biologischen Forschung werden so genannte Leitisotope verwendet. Bei den Isotopen kann es sich um stabile Teilchen (wie z. B. 2 H, 13 C, 15 N) oder um Radionuklide (z. B. 3 H, 14 C oder 18 F) handeln. Fotosynthese Melvin Calvin (Nobelpreis) untersuchte mittels des radioaktiven Tracers 14 C die Photosynthese ( 14 CO 2 ) und konnte ihren genauen Ablauf erklären. Düngemittelverfolgung Düngung von landwirtschaftlichen Nutzflächen - Durch die Markierung von Düngemitteln mit N-15 oder P-32 kann deren Aufnahme im Boden genau verfolgt werden. Auf diese Weise können optimale Bedingungen für eine ertragreiche und zugleich umweltschonende Bodenbearbeitung eingestellt werden. Radiographie Aufklärung von Stoffwechselwegen.

50 Strahlenschutz Radioaktivität einer Quelle (Bq) wenig Aussage über biologische Effekte Biologischer Effekt hängt von d. Absorption der Strahlungsenergie Def. Energiedosis [Gray (Gy)] = [1J/kg] abs. Energie von Masse / Masse Gleiche Energie, aber verschiedene Strahlung versch. biologische Wirkung Biologisch wirksame Dosis = Energiedosis * RBW (auch in [J/kg] gemessen, trägt aber zur Unterscheidung einen anderen Namen Sievert [Sv] Äquivalentdosis = biologisch wirksame Dosis RBW rel. biolog. Wirksamkeit: experimenteller Faktor der die Ionisationseffizienz angibt: α- RBW β, γ - RBW 1 Schnelle Neutronen, RBW 10

51 Personendosimetrie Die Messung der (Äquivalent-)Körperdosis wird i.a. mit an einer "representativen Stelle der Körperoberfläche" getragenen Dosimetern vorgenommen. Systematische Untersuchungen haben gezeigt, daß eine "besonders geeignete" Stelle im Sinne der Anforderungen des Strahlenschutzes die Vorderseite des Oberkörpers ist. Im Einzelfall kann sich jedoch empfehlen, auch an anderen Körperstellen zu messen, z.b. an den Händen, wenn man etwa mit ra Stoffen hantiert. Filmdosimeter - die einzelnen Felder liegen hinter folgenden Filterfolien: Ohne Filter, Kunststoff, Kupfer, 0.05 mm, Kupfer, 0.5 mm, Kupfer, 1.2 mm Blei, 0.7 mm. Diese 6 Felder sind für eine hinreichend genaue Differentialanalyse" der einfallenden Strahlung hinsichtlich ihrer Art, Energie und Menge" ausreichend In einer photo Emulsion führt die ra Strahlung zur Schwärzung des Films. Diese Schwärzung ist - für nicht zu hohe Strahlungsdosen - proportional zur im Film deponierten Strahlungsenergie und ist bis zu ca. 20 mgy, einigermaßen linear.

52 Die höchstzulässigen Strahlendosen für die Gesamtbevölkerung und für die beruflich strahlenexponierten Personen werden in Österreich durch das Strahlenschutzgesetz und die Strahlenschutzverordnung festgelegt. Bevölkerung: 1 msv/a; Strahlen-exponierte Personen: 100 msv/5a Grundprinzipien des Strahlenschutzes: Abstand: Quadratisches Abstandsgesetz für punktförmige Strahler Abschirmung durch Materialien mit hohem Schwächungskoeff. Aufenthaltszeit = Dosis / Dosisleistung

53 Typische jährliche Äquivalentdosis (Europa - Zentralzone) durch natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung

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55 Wirkung ionisierender Strahlen bei Kurzzeiteinwirkung (Stunden) mehr als 7000 msv absolut tödliche Dosis 4500 msv 50% Todesfälle (auch bei Behandlung) msv msv schwere Blutbildveränderung, vereinzelt Todesfälle merkbare Änderungen im Blutbild, Erholung nach einigen Monaten

56 Wechselwirkung der ra. Strahlung mit den Molekülen, die den Körper aufbauen, führt zur Veränderungen in der Elektronenhülle der Atome (Ionisation und Anregung). Sie werden dann in sehr reagible, instabile Zustände versetzen. Nun beginnen im Körper chemische Reaktionen abzulaufen. Da sie von Strahlen verursacht werden, spricht man von radiochemischen Reaktionen.

57 Wechselwirkung der ra. Strahlung mit den Molekülen Der menschliche Organismus besteht zu einem hohen Prozentsatz aus Wasser. Daher spielen die radiochemischen Reaktionsprodukte des Wassers eine besondere Rolle. Durch die Bildung äußerst reaktionsfreudiger Molekülteile (Radikale), werden chemische Veränderungen der Molekularstruktur eingeleitet, die innerhalb kurzer Zeit zu biochemisch nachweisbaren Stoffwechselstörungen und zu Veränderungen an biologisch wichtigen Molekülen führen. Aufgrund der Schlüsselrolle bei der Vererbung und der Steuerung der Zellfunktionen sind die Veränderungen am makromolekularen Informationsspeicher der Zelle, der Desoxyribonukleinsäure (DNS), besonders gut untersucht. Bleibende Änderungen in den zur Fortpflanzung und damit zur Vererbung vorgesehenen Zellen können schon Minuten nach der Strahlenwirkung festgelegt sein.

58 Überblick von Strahlenbelastungen, denen der Mensch ausgesetzt ist