Physik-Vorlesung. Radioaktivität.

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2 3 Physik-Vorlesung. Radioaktivität. SS Sem. B.Sc. Oec. und B.Sc. CH

3 5 Themen Aufbau der Atomkerns Isotope Zerfallsarten Messgrößen Strahlenschutz

4 6 Was ist Radioaktivität? Radioaktivität = Umwandlungsprozesse in Atomkernen Schalenmodell unzureichend Atomkern genauer betrachten +

5 8 Aufbau des Atomkerns (SP) Kernbausteine Protonen (positiv geladen) Neutronen (ungeladen) Wirkt Coulombkraft?

6 9 Größenvergleich Atom - Atomkern Atomkern ist ca mal kleiner als Atom Foto: Thomas Wolf (Ausschnitt) Foto: Nikolai Fokscha (Ausschnitt)

7 10 Beispiel Heliumatom Heliumatom besteht (meist) aus 2 Protonen (Kernladungszahl Z) + 2 Neutronen = 4 Kernbausteine (Massenzahl u) (2 Elektronen) 4 Kurzbezeichnung He 2 oder 4 He

8 11 Isotope Gibt es auch 3 He? Ja (2 Protonen + 1 Neutron) Gibt es auch 5 He? Nein, zu viele Neutronen machen den Kern instabil Kerne mit gleicher Kernladungszahl Z haben gleiche chemische Eigenschaften (Isotope) Sehr bekannt: 14 C-Methode zur Altersbestimmung

9 12 Instabile Kerne Kerne können zerfallen. Es wird unterschieden -Zerfall -Zerfall -Zerfall

10 13 -Zerfall Neutron (n) zerfällt in 1 Proton (p) +1 Elektron (e - ) Elektron verlässt Kern ( -Strahlung) Ordnungszahl Z erhöht sich um 1 Atommasse A bleibt unverändert Wirkt die Coulombkraft? Ja, aber auch hier sind die Kernkräfte größer!

11 14 -Zerfall Heliumkern verlässt Kern Ordnungszahl Z verringert sich um 2 Atommasse A verringert sich um 4 -Strahlung

12 15 -Zerfall elektromagnetische Strahlung verlässt Kern Ordnungszahl Z und Atommasse A unverändert -Strahlung (Wellenlänge 0,1 1 pm)

13 16 Anwendungen -Strahlung Lebensmittelbehandlung (Anwendung in Deutschland verboten) Entkeimung Vernichtung von Insekten Erhöhung der Haltbarkeit -Strahlung Untersuchungen des Stoffwechsels von Mikroorganismen (Prof. Prange) Zur Behandlung bei Schilddrüsenüberfunktion mit Jod 131

14 17 Zerfallsgesetz Umwandlung radioaktiver Stoffe erfolgt nach dem Zerfallsgesetz ( IP1, H. Menzel) Nt () N e t Wichtige Materialeigenschaft: Halbwertszeit T ½ Beispiele 223 Th: T ½ = 0,6 s 235 U: T ½ = 704 Mio. Jahre 0

15 14 C-Methode zur Altersbestimmung C stabil 14 C instabil ß-Zerfall Halbwertszeit T ½ = 5730 Jahre Bestimmtes Verhältnis von 14 C und 12 C in allen organischen Stoffen 12 C 98,89% 14 C % Solange Nahrung aufgenommen wird, bleibt Anteil an 14 C konstant Nach dem Tod nimmt Anteil von 14 C ab Todeszeitpunkt lässt sich mit Zerfallsgesetz bestimmen

16 Bestimmung von Isotopengehalten 19 Isotopenverhältnisse verschiedener Elemente bestimmbar (C, P, N, ) Nachweis der Authentizität von Lebensmitteln z.b. Fruchtsaft Wein Zucker liefert z.b. für Lebensmittel typische Werte für die geographischer Herkunft Identifiziert Zusatzstoffe Natürlich künstlich Zugelassen Gefordert unerwünscht Konzentration

17 20 Wirkung von Radioaktivität ionisierende Wirkung (ionisierende Strahlung) biologische Funktion der Zellen werden zerstört Zerstörung von Wasserstoffbrücken in der DNS Bildung von Radikalen Abhängig von der Strahlungsart -, -Strahlung direkt ionisierend, da geladen -Strahlung indirekt ionisierend Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) beachten!

18 21 Abschirmung von Radioaktivität Radioaktivität lässt sich nur abschirmen, nicht verhindern! -Strahlung Blatt Papier -Strahlung einige 1/10 mm Eisen -Strahlung mehrere cm Bleiverkleidung Quelle: Wikipedia

19 22 Messgrößen für radioaktive Strahlung Energiedosis Allgemeine Messgröße Gibt die mittlere Energie an, die durch ionisierende Strahlung auf die Masse eines Absorber übertragen wird. Einheit: Gray [Gy] oder [J/kg] Äquivalentdosis Messgröße speziell für organisches Material Energiedosis, die von Organismen aufgenommen wird Wird zusätzlich je nach Strahlungsart mit dem Strahlengewichtungsfaktor w R multipliziert (Röngenstrahlung: w R = 1) Einheit: Sievert [Sv] oder [J/kg] Taschen- oder Füllhalter dosimeter Quelle: Wikipedia, Prolineserver

20 23 Strahlenbelastung Terrestrische Strahlung Verursacht durch Radionuklide in der Erdoberfläche Davon Ra 222 : ca. 50% Deutschland: 0,25 1,3 msv/a Ramsar (Iran): 200 msv/a Durchschnitt Welt: 2,1 msv/a Medizinische Anwendungen Röntgen, Kontrastmittel, Behandlungen Durchschnittlich 2 msv/a Compotertomografie des Bauchraums ca. 10 msv/a Grenzwert für beruflich strahlenexponierte Personen 20 msv/a Innerhalb weniger Tage tödliche Dosis 6 Sv Strahlenschäden ab welcher Belastung? Wissenschaftlich umstritten

21 Physik Radioaktivität Nebelkammer zur Visualisierung von radioaktiver Strahlung Nebelkammer zur Beobachtung von radioaktiver Strahlung 24

22 25 Verordnungen Röntgenverordnung (RöV) Einsatz von Röntgengeräten Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) Einsatz von und Umgang mit ionisierender Strahlung Schutz vor Kontamination Inkorporation durch Inhalation, Ingestion oder Wunden Strahlenexposition so niedrig wie möglich halten

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