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1 Klausurinformation Zeit: Mittwoch, 3.Februar, 12:00, Dauer :90 Minuten Ort: Veterinärmediziner: Großer Phys. Hörsaal ( = Hörsaal der Vorlesung) Geowissenschaftler u.a.: Raum A140, Hauptgebäude 1. Stock, gleiche Achse wie Audimax Sie müssen mitbringen: Lichtbildausweis und Studentenausweis Sie dürfen verwenden: Taschenrechner, 2 Bücher (Buch = Lehrbuch oder Formelsammlung) oder 1 Buch und das Vorlesungsmanuskript inclusive selbst angefertigte Formelsammlung Weisses Papier, Stifte etc. Proviant, aber keine heiße Suppe u.dgl. Sie dürfen nicht verwenden: Handy, Palm, Laptop u.ae.

2 25. Vorlesung EP V. STRAHLUNG, ATOME, KERNE 28. Atomphysik, Röntgenstrahlung Atomstruktur Periodensystem der Elemente Röntgenstrahlen 29. Atomkerne, Radioaktivität Nuklidkarte, α-, β-, γ-aktivität Dosimetrie Versuche: Röntgenröhre: Absorption von Röntgenstrahlung in Alufolien Röntgenbild von Knochen Funkenkammer mit α-präparat

3 Periodensystem der Elemente 28. Atomphysik, Röntgenstrahlung * Bor Stickstoff * und m, siehe vorige Seite

4 28. Atomphysik, Röntgenstrahlung a) e (kontinuierlich) b) e e γ (Linienspektrum-diskrete Energien) e e (n=2 > n=1) (n=3 > n=2) e a) Im Coulombfeld des Kernes wird das Elektron ablenkt. Beschleunigte Bewegung von Ladungen verursacht Bremsstrahlung. b) Ein Elektron wird aus einer inneren Schale gestoßen. In die Lücke fällt ein darüberliegendes Elektron unter Emission von Strahlung.

5 Spektrum der Röntgenstrahlung: 29. Atomkerne, Radioaktivität (K-Serie) Typische Werte: Energien ~ einige 10 kev Wellenlängen ~ 0.1 nm max. Energie = Elektronenenergie

6 Röntgenstrahlung (besteht aus hochenergetischen Photonen) ionisiert Luft (allgemein Materie), anders als sichtbares Licht durchdringt Materie weiter als sichtbares Licht medizinische Anwendung: Durchleuchtung zur Diagnose wird nicht durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt ebenso wie sichtbares Licht maximal mögliche Frequenz, minimal mögliche Wellenlänge: h f max = e U Anode λ min = f c max

7 Absorption von Röntgenstrahlung: Röntgenstrahlung wird in Materie absorbiert. Ihre Intensität nimmt dabei exponentiell ab Kernladung Z wichtig: Absorptionsmechanismen: 2) Compton-Effekt: elastischer Stoß mit Elektron, dabei bleibt ein Röntgenquant mit niedrigerer Energie übrig 28. Atomphysik, Röntgenstrahlung 1) Photoeffekt (dominant bis ca kev in weichem Gewebe) Z-Abhängigkeit essentiell 4 µ ~ Z /(hν für Kontraste bei Diagnose 3) Paarbildung: γ -> Elektron + Positron (oberhalb 1.022MeV), m o c 2 = MeV = Elektron-Ruhenergie ) 3 I = I 0 e µ x Versuch Röntgenabsorption

8 -> Röntgen-Strukturanalyse 29. Atomkerne, Radioaktivität Weitere physikalische Anwendungen der Röntgenstrahlung, neben Durchleuchtung in Medizin: Bragg -Streuung von Röntgenstrahlen an Kristallen. Elastische Streuung (Reflexion) an 3-d Gitterebenen Durch konstruktive Interferenz der an verschiedenen Gitterebenen reflektierten Strahlung ergeben sich Maxima bei bestimmten Winkeln, ähnlich Beugung von Licht an Doppelspalt oder Gitter. So können bei bekannter Wellenlänge (typisch 0.1nm, siehe oben) Gitterabstände von typisch 0.1 nm gemessen werden. Umgekehrt dient, bei bekannter Gitterkonstante, die Streuung zur Vermessung des Spektrums bzw. als (schmalbandiges) Filter (Interferenz der Strahlen vieler Schichten -> hohe Auflösung).

9 29. Atomkerne, Radioaktivität

10 29. Atomkerne, Radioaktivität Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern und einer negativen Elektronenhülle. Der Kern trägt fast die ganze Masse, ist aber nur m groß, das Atom selbst ca m. (Nachweis des Atomkerns durch Rutherford 1911, von Neutronen erst 1932) Die Nukleonen (Protonen, Neutronen) sind im Kern wie in einem Flüssigkeitstropfen trotz der starken Coulombabstoßung durch die kurzreichweitige anziehende Starke Kraft zwischen den Nukleonen gebunden. Schwere Kerne enthalten mehr Neutronen als Protonen.

11 Radioaktive Zerfälle 29. Atomkerne, Radioaktivität Die meisten Kerne der Nuklidkarte sind nicht stabil, sie zerfallen exponentiell in andere Kerne (oder in weniger angeregte Zustände). Lebensdauer oder Zerfallszeit: τ= 1/λ. Nach t=τ sind e -1 =37% Kerne übrig. Die Halbwertszeit T 1/2 = ln2 τ gibt an, wann 50% der Kerne zerfallen sind. t

12 Nuklidkarte 29. Atomkerne, Radioaktivität A Z X N Element X: 12 6 C C 8 Farben: Schwarz: stabil Rot: β+ Strahler Blau: β- Gelb : α-strahler Grün: spontane Kernspaltung

13

14 29. Atomkerne, Radioaktivität Alpha-Zerfall Schreibweise: A X, A-4 Y* α β - β + eindeutig und ausreichend

15 Beta-Zerfall 29. Atomkerne, Radioaktivität Man beobachtet ein kontinuierliches Energiespektrum: Wenn nur 2 Teilchen am Zerfall beteiligt wären, würde man nach Energie- und Impulssatz eine scharfe Energie erwarten. Also muss ein weiteres Teilchen im Spiel sein -> Neutrino

16 Gamma-Zerfall 29. Atomkerne, Radioaktivität (Analog zu den optischen Spektren der Atome) Wie auch bei den Atomen ist das Gamma-Spektrum der Kerne charakteristisch für den jeweiligen Kern. -> Identifikation über Gamma- Spektroskopie

17 α hat eine wohldefinierte Reichweite, O(0.1 mm) in Wasser β eine einigermaßen definierte Reichweite, O(1mm) γ Reichweite entsprechend Exponentialgesetz, O(1cm)

18 30. Dosimetrie Dosimetrie (Bq: Becquerel)

19 Natürliche und zivilisationsbedingte Strahlendosis Äquivalent-Energiedosis pro Jahr: Kosmische Strahlung (Myonen) 0.3 msv (millisievert) Terrestrische Strahlung (Uran, 14 C etc ) 0.4 msv Innere Strahlung ( 40 Ka, ca 4000Bq) 0.3 msv Inhalation von Radon 1.4 msv SUMME natürliche Strahlungsbelastung 2.5 msv = 240mrem e) Röntgendiagnosen etc 1.5 msv f) Tschernobyl 0.02mSv g) Kernkraftwerke etc 0.01mSv SUMME zivilisationsbedingte Belastung 1.6 msv Es gibt starke lokale Unterschiede: zb. Kosmische Strahlung in 4000m Höhe 2 msv; Tschernobyl, 1.Jahr, Alpennähe 1.2mSv; Radon ca Faktor 3 etc.

20 30. Dosimetrie

Klausur -Informationen

Klausur -Informationen Klausur -Informationen Datum: 4.2.2009 Uhrzeit und Ort : 11 25 im großen Physikhörsaal (Tiermediziner) 12 25 ibidem Empore links (Nachzügler Tiermedizin, bitte bei Aufsichtsperson Ankunft melden) 11 25

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