Radioaktivität und Radiochemie. Dr. Udo Gerstmann

Transkript

1 Wintersemester 2011/2012 Radioaktivität und Radiochemie Dr. Udo Gerstmann Bundesamt für Strahlenschutz &

2 Vorlesungsinhalte 1. Radioaktivität Kernphysik, Atommodelle, Kernreaktionen Radioaktive Zerfallsarten & Zerfallsgesetze Wechselwirkung Strahlung-Materie Natürliche und künstliche Radioaktivität Kernspaltung & Kernenergie 2. Radiochemie Besondere Aspekte der Radiochemie Chemie der Aktinoide Radionuklidanalytik, Aktivierungsanalytik Kernbrennstoffkreislauf, Nukleare Entsorgung

3 Kernphysik Kernchemie Radiochemie Strahlenchemie Kerntechnik Begriffe 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 Radioaktive Strahlung Gibt es nicht! Gemeint ist ionisierende Strahlung Radionuklid Instabiles Atom, das spontan zerfällt Ionisierende Strahlung Energiereiche Strahlung, die von Radionukliden bei deren Zerfall emittiert wird Radioaktive Stoffe Stoffe, die Radionuklide enthalten

4 1869: Periodensystem der Elemente Dmitri Iwanowitsch Mendelejew * 1834 Tobolsk 1907 Sankt Petersburg

5 1895: Entdeckung der Röntgenstrahlung Wilhelm Conrad Röntgen * 1845 Lennep 1923 München

6 1896: Entdeckung der Radioaktivität Antoine Henri Becquerel * 1852 Paris 1908 Le Croisic

7 Aktivität (β+γ) 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)

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

9 Eigenschaften von Kernstrahlung Thomson Rutherford

10 1913: Mosleysches Gesetz ν Z Henry Moseley * 1887 Weymouth 1915 Gallipoli

11 1912: Erfindung der Nebelkammer durch Wilson

12 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

13 238 U-Zerfallsreihe weitere Zerfallsreihen 235 U 4n 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 Mendeleyew Periodensystem der Elemente 1895 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

16 Nuklidkarten Lieser 1991

17 1E+12 1E Sm 187 Re 1E+12 1E+11 1E+10 1E+9 87 Rb 232 Th 238 U 40 K 235 U 1E+10 1E+9 1E I 1E+8 1E+7 10 Be 1E+7 Halbwertszeit in Jahren 1E+6 1E+5 1E+4 1E+3 1E+2 1E+1 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 1E+6 1E+5 1E+4 1E+3 1E+2 1E+1 1E+0 22 Na 7 Be 1E+0 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

18 Historischer Überblick Wilson Entwicklung der Nebelkammer 1913 Hess entdeckt kosmische Strahlung 1913 Mosley Mosleysches Gesetz 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 1938 Hahn, Meitner, Straßmann Entdeckung der Kernspaltung

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

20 Die induzierte Kernspaltung

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

22 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

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) 1986 Unfall von Chernobyl (UdSSR) 2011 Unfall von Fukushima (Japan)

27 Nuklid-Begriffe Isobare gleiche Nukleonenzahl Ca, K , Ar Isotope Istotone Isomere gleiche Protonenzahl gleiche Neutronenzahl verschiedene Zustände eines Nuklids (mit messbarer Lebensdauer) H, 1H ( D), 1H ( T ) Ca, K , Tc ( t 99m Tc ( t Ar = a) 1 2 = 6,0 h)

28 Nuklidkarte

29 Kernmodelle - Übersicht keines der bestehenden Modelle kann alle Eigenschaften des Atomkerns ausreichend beschreiben! Grundannahme Beispiel(e) starke Wechselwirkungs- Modelle Atomkern besteht aus eng gepaarten Nukleonen Tröpfchen-Modell Alpha-Teilchen-Modell unabhängige-teilchen- Modelle die Nukleonen bewegen sich relativ frei im Kern Fermigas-Modell Schalenmodell

30 Experimentelle mittlere Bindungsenergie pro Nukleon