Wechselwirkung Strahlung-Materie Kernreaktionen

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1 Wintersemester 2011/2012 Radioaktivität und Radiochemie Wechselwirkung Strahlung-Materie Kernreaktionen Udo Gerstmann Bundesamt für Strahlenschutz &

2 Energieverlust schwerer geladener Teilchen (Protonen, Alpha-Teilchen, schwerere Kerne)

3 Energieverlust schwerer geladener Teilchen (Protonen, Alpha-Teilchen, schwerere Kerne)

4 Bragg-Kurve 210 Po [Lieser 2001] Bremskraft: B( E) = de dx R = E 0 de B( E) 0

5 Alpha-Teilchen in der Nebelkammer

6 Reichweite von Alpha-Teilchen als Funktion ihrer Ausgangsenergie [Lieser 2001]

7 Energie-Geschwindigkeit Quelle:

8 Beta-Strahlung F. Rückstreuung (Backscattering)

9 Beta-Strahlung

10 Energieverlust von Elektronen durch Bremsstahlung und Ionisation

11 Reichweite von Beta-Strahlung Absorption von Beta-Teilchen ( 32 P) in Aluminium Zur Erinnerung: kontinuierliches Energiespektrum! Reichweite von Beta-Teilchen als Funktion der Maximalenergie

12 Empirische Reichweiten von Teilchen Reichweite (m) 1 0,1 0,01 0,001 Elektronen in Luft Protonen in Luft Alpha-Teilchen in Luft Elektronen in Wasser Protonen in Wasser Alpha-Teilchen in Wasser 0,0001 0, , , ,01 0, Energie (MeV)

13 Ionisationsdichten

14 Schwächung von Teilchen-Strahlung

15 Neutronen primär werden fast immer schnelle Neutronen erzeugt Abbremsung durch elastische und inelastische Stöße, am effektivsten durch Protonen, da gleiche Masse bei thermischen Neutronen Einfangreaktionen

16 Neutronen Reaktion n + 6 Li α + 3 H 4,782 n + 10 B α + 7 Li 2,79 n + 3 He p + 3 H n + p n + p 0 Q-Wert (MeV) 7,63

17 Elektromagnetische Strahlung Schwächung durch Wechselwirkung mit Hüllenelektronen (Photoeffekt, Compton-Steueung, Paarbildung) I = I 0. e -µx (µ = Schwächungskoeffizient) Schwächung abhängig vom Absorbermaterial (v. a. Z) und der Photonenenergie

18 Elektromagnetische Strahlung

19 Photoeffekt E e =E γ -E B

20 Comptoneffekt E e =E γ -E γ' -E B

21 Paarbildung

22

23 Elektromagnetische Strahlung Gesamtabsorptionskoeffizient und partielle Absorptionskoeffizienten

24 Halbwertsdicke für Gammastrahlung in Blei Gesamtabsorptionskoeffizienten für verschiedene Materialien

25 Wechselwirkungen - Zusammenfassung Strahlung Wechselwirkungsort Reaktion s (barn) Name Protonen, schwere Ionen Elektronen (e -, ß -, ß + ) Photonen Neutronen Elektronenhülle Anregung, Ionisation 10 5 Atomare Anregung, Ionisation Atomkern Elektronenhülle elastische Streuung 10 Kernstreuung inelastische Streuung < 1 Coulomb-Anregung Einfang 0,1 Transmutation Anregung, Ionisation» 100 Atomare Anregung, Ionisation ß + -Vernichtung (100 %) Positronenvernichtung Coulomb-Feld Atomkern inelastische Streuung» 1 Bremsstrahlung Elektronenhülle elastische Streuung 0,1 koherente Streuung Valenzelektronen inelastische Streuung Compton-Effekt Rumpfelektronen Vollabsorption 10 Photo-Effekt Coulomb-Feld Atomkern Vernichtung Paar-Bildung Atomkern Atomkern elastische Streuung inelastische Streuung Absorption 0,001 Mössbauer-Effekt Kern-Anregung Kern-Photo-Effekt inelastische Streuung 10 Neutronenmoderation Absorption 10 4 Neutroneneinfang

26 Wechselwirkung Strahlung-Materie M + R + + R Dissoziation M + Ionisation M + + e - M* M + + X Y + M + + X M + X + Rekombination Chemische Reaktion Ladungstransfer M M + M n+ + (n-1)e - M* M + hν Fluoreszenz Emission von Auger-Elektronen M* Anregung M* 2 R Dissoziation in Radikale M* R + + R - Dissoziation in Ionen M* + X Y Chemische Reaktion M* + X M + X* Energietransfer

27 Kernreaktionen Nomenklatur: A + x B + y + E bzw. A(x,y) B Erhaltungssätze Elektrische Ladung, Energie, Impuls, Spin u. a. Wirkungsquerschnitte Maß für die Trefferwahrscheinlichkeit zwischen Projektil und Target 1 barn = m 2 Die Hürde: Coulomb-Barriere U x Neutronen oder energiereiche geladene Teilchen Z 1 3 A A Z x + A A 1 3 x

28 Coulomb-Barriere U A Z 1 3 A A + Z x A 1 3 x

29 Wirkungsquerschnitte

30 Beschleuniger 1919: Rutherford benutzte für die erste Kernumwandlung α- Strahlung, Energie konstant und relativ niedrig 14 N + 4 He 17 O + 1 H bzw. 14 N(α,p) 17 O 1932: Cockcroft, Walten: Erste Transmutation mit Hilfe von Hochspannungsbeschleuniger (einstufiger Linearbeschleuniger), werden heute noch für Beschleunigungsspannungen bis zu 4 MeV benutzt, v. a. als Injektoren

31 Herstellung geladener Teilchen

32 Van de Graaff-Beschleuniger

33 Tandem-Beschleuniger z. B. 16 O - 16 O MeV + 80 MeV

34 Zyklotron

35 Neutronenquellen Spontanspaltung von 252 Cf (2,3E6 Neutronen s -1 µg -1 ) α,n-reaktionen, z. B. 226 Ra/Be mit 1E7 n/s Spaltreaktoren Spallationsquellen

36 Streuung am Coulomb-Potential

37 Anregung von Rotationszuständen in 248 Cm mit 208 Pb

38 Inelastische Streuung mit Kernanregung

39

40 Compoundkern-Zerfälle

41 Ein Ergebnis - mehrere Wege

42 Kernphotoreaktionen 2 H(γ,n)p

43

44 Spallationsreaktionen

45 Spallation zur Beseitigung langlebiger Radionuklide? - Teuer - Energieintensiv - chemische Aufbereitung

46 Kernreaktionen nach Neutroneneinfang n,γ n,n n,2n + Compound- Kern n,α n,2α n,p n,2p n,f

47 Kernreaktionen vom Typ (n,x) Target Reaktionstyp Produkt Bemerkung 6 Li n,α 3 H LiOH-Dosierung im DWR 7 Li n, α 4 He 10 B n,p 10 Be Absorber und Reaktor-Regelung 10 B n, α 7 Li ( 3 H-Quelle in KKW) 10 B n,2α 3 H 14 N n,p 14 C 35 Cl n,p 35 S 58 Ni n,p 58 Co Dosisleistung Paffrath: Chemie und Physik im Kernkraftwerk

48 Aktivierungsreaktionen von Reaktorteilen Reaktion Isotopen- σ HWZ Bemerkung häufigkeit (barn) % 54 Fe (n,γ) 55 Fe 5,8 2,7 2,73 a 58 Fe (n,γ) 59 Fe 0,28 1,3 44,5 d Hautmaterial von Reaktorbauteilen 58 Ni (n,p) 58 Co 68,1 4,6 70,9 d 62 Ni (n,γ) 63 Ni 3, a 59 Co (n,γ) 60 Co ,2 5,27 a Legierungsbestandteil 50 Cr (n,γ) 51 Cr 4, ,7 d 55 Mn (n,γ) 56 Mn ,3 2,58 h 94 Zr (n,γ) 95 Zr 17,4 0,05 64 d Zircaloy 109 Ag (n,γ) 110m Ag 48,2 4,4 249,9 d Dichtungen in DWR

49 Die induzierte Kernspaltung

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