Einführung in die Vorlesung "Radioaktivität und Radiochemie"

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1 Wintersemester 2010/2011 Radioaktivität und Radiochemie Einführung in die Vorlesung "Radioaktivität und Radiochemie" Udo Gerstmann Bundesamt für Strahlenschutz

2 Vorlesung "Radioaktivität und Radiochemie" Inhalte WS 2010/ Radioaktivität Entdeckung der Radioaktivität, historische Meilensteine Kernstabilität, Zerfallsarten, Zerfallsgesetze Künstliche Radioaktivität, Kernspaltung, Kernenergie 2. Radiochemie Chemie der Aktinoide Radionuklidanalytik, Aktivierungsanalytik Kernbrennstoffkreislauf, Nukleare Entsorgung

3 Begriffe Kernphysik Kernchemie Radiochemie Strahlenchemie Kerntechnik untersucht physikalische Eigenschaften von Atomkernen untersucht physikalische Eigenschaften von Atomen mittels chemischer Methoden untersucht chemische Eigenschaften von Radionukliden untersucht chemische Effekte, die durch Strahlen erzeugt werden technische Anwendung der o. g. Fachgebiete

4 1895: Entdeckung der Röntgenstrahlung Wilhelm Conrad Röntgen * 1845 Lennep 1923 München

5 1896: Entdeckung der Radioaktivität Antoine Henri Becquerel * 1852 Paris 1908 Le Croisic

6 Aktivität (βγ) einer Uranylsalz-Lösung nach Carbonat-Fällung 1 0,875 0,75 Aktivität in der Lösung Radioaktivität (relativ) 0,625 0,5 0,375 0,25 Aktivität im Niederschlag 0, ,1 48,2 72,3 96,4 Zeit (Tage)

7 "Radioelemente" Ernest Rutherford * 1871 Nelson (Neuseeland) 1937 Cambridge Frederick Soddy * 1877 Eastbourne 1956 Brighton

8 α- und β-zerfall bis 1910 waren ca. 40 verschiedene Spezies identifiziert, die sich unterschieden hinsichtlich: chemischer Eigenschaften Zerfallsart Halbwertzszeit Problem: Zwischen Uran und Blei waren nur 9 freie Plätze im Periodensystem der Elemente (PSE) frei Postulat: α-zerfall 2 Plätze nach links im PSE β-zerfall 1 Platz nach rechts im PSE Soddy: Isotope = Spezies mit identischen chemischen, aber unterschiedlichen Zerfallseigenschaften

9 Alpha-Zerfall A Z X A 4 2 X Z 4 2 He Am Np He 241, , , , bzw. 5,63 MeV

10 Beta-Zerfall ν ν ν ß C N ß X X ß n p A Z A Z ν ν ν ß Ba Cs ß X X ß p n m A Z A Z

11

12 Gammastrahlung

13 238 U-Zerfallsreihe weitere Zerfallsreihen 235 U 4n3 232 Th 4n

14 Radium & Polonium Marie Curie * 1867 Warschau 1934 Passy Pierre Curie * 1859 Paris 1906 Paris g Pechblende 0,1 g 226 Ra

15 Historischer Überblick Röntgen Entdeckung der X-Strahlung (später Röntgenstrahlung genannt) 1896 Becquerel Entdeckung der von Uran ausgehenden Strahlung (Radioaktivität) Crookes, Becquerel, Soddy et al. erkennen Radiaktivität als Kernumwandlung, Zerfallsreihen 1898 P. und M. Curie Entdeckung von Polonium und Radium 1900 Becquerel identifiziert β-strahlung als Elektronen 1903 Rutherford identifiziert α-strahlung als Helium-Kerne 1906 Cambell, Wood Entdeckung von 40 K und 87 Rb 1932 Hevesy, Pahl Entdeckung radioaktiver Samarium-Isotope

16 1912: Erfindung der Nebelkammer durch Wilson

17 Cosmic Radiation p n p π o γ π γ p π - π e - e - e γ e π µ- n p π - π e - e e- π n γ o γ n n n e - p e p n π - Top of atmosphere µ Primary cosmic radiation: galactic and solar component mainly p (85%), Helium nuclei (12%) Interaction with atmosphere (N, O, Ar) >> secondary cosmic radiation: (p, n, π, π -, π 0, µ, µ -, e -, γ, ) n π π - µ µ- e e - p n n p p p p n µ- µ Sea level Exposure with ionising radiation at ground level during flights Electronphoton component Hadron component Muon component

18 1E12 1E Sm 187 Re 1E12 1E11 1E10 1E9 87 Rb 232 Th 238 U 40 K 235 U 1E10 1E9 1E8 129 I 1E8 1E7 10 Be 1E7 Halbwertszeit in Jahren 1E6 1E5 1E4 1E3 1E2 1E1 53 Mn 26 Al 36 Cl 81 Kr 230 Th 234 U 41 Ca 59 Ni 231 Pa 14 C 226 Ra 39 Ar 32 Si 44 T 210 Pb 3 H 228 Ra 1E6 1E5 1E4 1E3 1E2 1E1 1E0 22 Na 7 Be 1E0 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 primordial radiogen kosmogen 210 Po 222 Rn 24 Na 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 1E Rn 1E-5 1E-6 1E-6

19 Historischer Überblick Wilson Entwicklung der Nebelkammer 1913 Hess entdeckt kosmische Strahlung 1919 Rutherford erst künstliche Elementumwandlung 14 N α 17 O 1 p 1921 Hahn entdeckt Isomerie 234m Pa 234 Pa 1932 Chadwick entdeckt das Neutron

20 Die induzierte Kernspaltung Enrico Fermi * 1901 Rom 1954 Chicago Otto Hahn * 1879 Frankfurt a. M Göttingen Lise Meitner * 1878 Wien 1968 Cambridge

21 Die induzierte Kernspaltung

22 Isobarenausbeute bei der Kernspaltung 10 1 Spaltausbeute (%) 0,1 239 Pu 0, U 0, Isobarenmasse (u)

23 Die erste Anwendung der Kernspaltung: Kernwaffen Hiroshima, Nagasaki,

24

25 Kernwaffen-Fallout in Japan Pu-239/240 Cs-137 Sr ,1 0,01 0, Deposition (Bq m -2 )

26 Historischer Überblick erster Kernreaktor ("Chicago Pile") erster Atombombentest ("Trinity") Atombombenabwurf über Hiroshima Atombombenabwurf über Nagasaki erster sowjetischer Atombombentest erster Fusionsbombentest ("Ivy Mike") 1955 erstes nuklearbetriebenes U-Boot ("Nautilus") 1956 Erstes ziviles Kernkraftwerk (Calder Hall, UK) 1957 Unfall von Kyshtym (UdSSR) Pu-Nutzung in der Weltraumfahrt 1966 erstes Leistungskraftwerk in Deutschland (Gundremmingen) in Betrieb 1986 Unfall von Chernobyl (UdSSR)

27 Kernkraftwerke in Deutschland

28 Energiemix (Stromerzeugung) in Deutschland 2008 Gesamtproduktion Grundlast

29 nach der Endeckung der Kernspaltung: "Endlich kann man nun alle Märchen über Transurane vergessen." Niels Bohr, Februar 1939 E. McMillan, P. H. Abelson Phys. Rev. 57 (1940) 1185

30 Aufbau von Transuranen in Kernreaktoren I 242 Cm 162,94 d 243 Cm 29,1 a 244 Cm 18,1 a 245 Cm 8500 a 246 Cm 4730 a 241 Am 432 a 242 Am 16 h 243 Am 7370 a 244 Am 10,1 h 238 Pu 87,74 a 239 Pu a 240 Pu 6563 a 241 Pu 14,35 a 242 Pu 3,75E5 a 243 Pu 4,956 h 244 Pu 8,00E7 a 237 Np 2,14E6 a 238 Np 2,117 d 239 Np 2,355 d ß U 7,04E8 a 236 U 2,34E7 a 237 U 6,75 d 238 U 4,47E9 a 239 U 23,5 m (n,γ) (n,2n)

31 Kernbrennstoffkreislauf

32 Elektronenhülle und Oxidationsstufen OZ Element Elektronenkonfigur. Oxidationsstufen (in wässriger Lösung) 89 Actinium Ac [Rn] 6d 1 7s Thorium Th [Rn] 6d 2 7s Protactinium Pa [Rn] 5f 2 6d 1 7s Uran U [Rn] 5f 3 6d 1 7s Neptunium Np [Rn] 5f 4 6d 1 7s Plutonium Pu [Rn] 5f 6 7s Americium Am [Rn] 5f 7 7s Curium Cm [Rn] 5f 7 6d 1 7s Berkelium Bk [Rn] 5f 9 7s Californium Cf [Rn] 5f 10 7s Einsteinium Es [Rn] 5f 11 7s Fermium Fm [Rn] 5f 12 7s Mendelevium Md [Rn] 5f 13 7s Nobelium No [Rn] 5f 14 7s Lawrencium Lr [Rn] 5f 14 6d 1 7s 2 3

33 Die Wege der Radioanalytik N Tochter,kurzlebig Gleichgewicht Anreicherung/ Probenvorbereitung Aufschluss N langlebig Umwandlung N kurzlebig Messpräparat Reinigung α-messung Aktivierung N stabil nichtradiometrische Methoden β-messung γ-/x-messung

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