Quanten mit höchster Energie. Saturday Morning Physics 23. November Der Mensch unter Beschuss.

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1 Quanten mit höchster Energie Der Mensch unter Beschuss Saturday Morning Physics 23. November Joachim Enders Institut für Kernphysik Technische Universität Darmstadt

2 Quanten mit höchster Energie Inhaltsangabe 1. Aufbau der Materie (Wiederholung) 2. Radioaktivität 3. Kosmische Strahlung 4. Strahlendosis

3 Struktur der Materie Kristalle/Moleküle: Größe: ~ 1 nm = 10-9 m Energie: ~ mev O O mev 0 Atome: Größe: ~ 1 Å = m Energie: ~ ev ~nm ev Atomkerne: Größe: ~ 5-10 fm = 5-10 x m Energie: ~ 1 MeV ~Å 0 MeV Nukleonen: Größe: ~ 1 fm = m Energie: ~ 1 GeV ~1 fm ~8 fm 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 3 0 GeV 0

4 Elektronenvolt: Energieeinheit - + Spannung 1 Volt Elektron (negativ geladen) Ein Elektronenvolt (ev) ist die Bewegungs-Energie (kinetische Energie), die ein Elektron gewinnt, wenn es durch ein Spannungsfeld von 1 Volt beschleunigt wird. 1 kev (Kiloelektronenvolt) = ev 1 MeV (Megaelektronenvolt) = ev 1 ev entspricht 1.6 x J Masse Elektron Masse Proton mc 2 = 511 kev mc 2 = 938 MeV 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 4

5 Kräfte...dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält. Goethe, Faust I, Akt 1 Gravitation Anziehung von Massen: Apfel fällt vom Baum, Sonnensystem, Galaxien, Kosmos Elektromagnetismus Ladungen und Ströme: Elektronik, Licht, Magnete, γ-radioaktivität Starke Kernkraft hält Atomkerne zusammen (Protonen und Neutronen): Bildung von Elementen, α-radioaktivität Schwache Kernkraft Neutrinos und β-radioaktivität 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 5

6 Quanten mit höchster Energie Inhaltsangabe 1. Aufbau der Materie (Wiederholung) 2. Radioaktivität 3. Kosmische Strahlung 4. Strahlendosis

7 Nuklidkarte Darstellung von Protonenzahl (= Ordnungszahl der Elemente) über der Neutronenzahl Oft: Radioaktiver Zerfall farbig dargestellt Radioaktive, im Labor synthetisierte Kerne Natürlich vorkommende Nuklide (~300) 8 B 7 Be 6 Li 7 Li 10 B 1 9 Be 10 8 Li 9 3 He 4 He 6 He 8 H 1 H 2 H 3 H 1 n 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 7

8 Radioaktivität Radioaktivität Zerfall von Atomkernen bei Energiegewinn Statistischer Prozess Vorhersage nur für Teilchen-Ensemble Halbwertszeit Zeit, nach der die Hälfte der Kerne zerfallen ist Radioaktives Zerfallsgesetz λt N( t) = N0e 0.69 λ = T1/ 2 Aktivität: Anzahl Zerfälle pro Zeit dn λt 0.69 A = = λn e = N( dt T 0 t 1/ November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 8 ) H.Becquerel Pierre und Marie Curie Time (half-lives)

9 (Halb-)logarithmische Darstellungen Wende Logarithmus auf beide Seiten des radioaktiven Zerfallsgesetzes an: ln N( t) = ln ( λt N e ) = N t 0 ln Geradengleichung Umrechnen: natürlicher Logarithmus in den dekadischen Logarithmus Beispiel: dekadischer Logarithmus = Logarithmus zur Basis 10 x = 1 n = 0 x = 10 n = 1 x = n = 10 x = 5 n = 0,69897 Exponentieller Zerfall: Zeitlicher Verlauf in logarithmischer Auftragung als Gerade darstellbar 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 9 0 λ Logarithmus der # Ereignisse Zeit

10 Alpha-Zerfall Prozess Emission eines 4 He-Atomkerns (2 Protonen, 2 Neutronen) tritt nur bei schweren Kernen auf Alphastrahlung Atomkerne: massive Objekte Energie ca. 5 MeV Geschwindigkeit ca km/s ca. 5% Lichtgeschwindigkeit lächerlich Abschirmung: Blatt Papier natürliche Alphastrahler Uran und Zerfallsprodukte z.b. Radon-Gas (Keller) 238 U 4 He 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 10 4 He 234 Th Gamow

11 Alpha-Zerfall Reichweite von Alphateilchen in Luft ca. 3-5 cm bei verschlossenen Quellen weniger Blatt Papier schirmt Alphastrahlung ab! AFP Schutz vor Alphastrahlern durch Abstand dünne Materialien von außen wenig Gefahr dpa Inkorporation und Inhalation 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 11

12 Wie werden Alphateilchen abgebremst? Wechselwirkung und Abbremsung von Alphateilchen typisch für geladene Teilchen Ionisation heißt hier: Atome bekommen Elektronen weggenommen elektrisches Feld rund um Alphateilchen beim Vorbeiflug an Atomen des Mediums: Kräfte wirken auf Elektronen der Atome Energie wird auf Elektronen übertragen Energieerhaltung: Alphateilchen wird langsamer 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 12

13 Beta-Zerfall Beobachtung: Beim Zerfall bestimmter Nuklide werden Elektronen (Positronen) freigesetzt die Elektronen kommen aus dem Kern, nicht aus der Hülle! die Elektronen sind sehr schnell (~90% Lichtgeschwindigkeit) die Elektronen können verschiedene Geschwindigkeiten/Energien haben Anzahl der Protonen Anzahl der Neutronen Umwandlung von Protonen/Neutronen in Neutronen/Protonen Ladungserhaltung! natürliche Beta-Strahler: n, 3 H, 7 Be, 14 C, 40 K, Zerfallsprodukte von U Banane: ~ 20 Bq (Zerfälle pro Sekunde) Mensch: ~ 8500 Bq (Zerfälle pro Sekunde) Fermi 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 13

14 Beta-Zerfall Zerfallsarten β - -Zerfall Neutron Proton 40 K 40 Ca Elektron Antineutrino β + -Zerfall Proton Neutron 40 K 40 Ar Positron Neutrino Elektroneneinfang Proton Neutron 40 K Elektron 40 Ar Neutrino 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 14

15 Gamma-Zerfall Innere Energie von Atomkernen zum Beispiel nach Alpha- oder Beta-Zerfall Vibrationsbewegungen Rotationsbewegungen einzelne Protonen oder Neutronen in energetisch höheren Bahnen Kombinationen davon Abregung der Energie Emission von Gammastrahlung Energie 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 15

16 Gamma-Zerfall Gammastrahlung = Licht mit sehr kurzer Wellenlänge de.wikipedia.org 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 16

17 Wie wechselwirkt Gammastrahlung? Wahrscheinlichkeit für Wechselwirkung Gammaquant da oder weg Photoeffekt Gammaquant wird absorbiert Elektron wird aus Atom herausgeschlagen Compton-Effekt Gammaquant streut an einem (freien) Elektron Gammaquant mit niedriger Energie rückgestoßenes Elektron Paarbildung Photon hoher Energie (> MeV) kann sich in der Nähe von Atomkernen in ein Elektron-Positron-Paar umwandeln Positron = Antiteilchen des Elektrons: zerstrahlt in Materie θ 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 17

18 Quanten mit höchster Energie Inhaltsangabe 1. Aufbau der Materie (Wiederholung) 2. Radioaktivität 3. Kosmische Strahlung 4. Strahlendosis

19 Höhenstrahlung Victor Hess 1912 Ballonflug auf 5300 m ionisierende Strahlung mit zunehmender Höhe stärker Strahlung, die bei Wechselwirkung mit Materie Elektronen aus Atomen und Molekülen entfernt hohe Teilchenenergien Woraus besteht Höhenstrahlung? am Boden detektiert: Elektronen und Photonen Myonen! (Lebensdauer 2,2 µs) primäre kosmische Strahlung: Protonen Alphateilchen 2% Elektronen, schwerere Kerne leichte, häufige, schnelle Atomkerne 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 19 Victor Hess

20 Schauerbildung und Schauernachweis Kosmischer Schauer Reaktion der primären Strahlung mit Atomkernen der Luftatmosphäre Produktion zahlreicher Teilchen: Mesonen, Baryonen, Myonen, Neutrinos... Anfangsenergie verteilt sich auf viele Reaktionspartner Bestimmung der Energie kosmischer Strahlung Messung der (geladenen) Schauerteilchen Hochrechnung der Gesamtenergie November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 20

21 Wie misst man die Schauerteilchen? Beispiel 1: Pierre Auger Observatory, Argentinien 3000 km 2 Fläche 1600 Oberflächen- Cerenkov-Detektoren 4 Fluoreszenzlicht- Detektoren 1,2 m 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 21

22 Wie misst man die Schauerteilchen? Beispiel 2: KASCADE, Forschungszentrum Karlsruhe 200 x 200 m 2 KASCADE Grande 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 22

23 Energie der primären kosmischen Strahlung Kosmische Strahlung enthält Teilchen sehr hoher Energien Energien höher als größte Beschleuniger der Welt Ereignisse bei extrem hohen Energien sind sehr selten sehr große Detektoranordnungen nötig ev: ~ 0,005 (km -2 Jahr -1 ) 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 23

24 Woher kommt die kosmische Strahlung? Beschleunigungsmechanismen im Weltraum noch nicht genau verstanden Pierre Auger Obervatory verknüpft Quanten bei höchsten Energien mit aktiven Zentren nahegelegener Galaxien (supermassive Schwarze Löcher) A. Simonnet, Sonoma State U, NASA EPO Starke elektrische und magnetische Felder erforderlich 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 24

25 Quanten mit höchster Energie Inhaltsangabe 1. Aufbau der Materie (Wiederholung) 2. Radioaktivität 3. Kosmische Strahlung 4. Strahlendosis

26 Strahlenwirkung und Strahlenschäden Physikalische und chemische Effekte Ionisation: Erzeugung von Elektron-Ion-Paaren Erwärmung Plutonium-Wärmebatterie Leuchteffekte: Lichtblitze Spurbildung: Strukturveränderung im Strahlungsweg Biologische Effekte direkte Zerstörung von z.b. DNS indirekte Schäden durch freie Radikale nach Ionisation Messen und Anwenden Schützen und Verhindern November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 26

27 Strahlenschäden beim Menschen Deterministische Schäden (bestimmt) bei sehr hohen Strahlendosen Schwellenverhalten viele Zellen sind geschädigt Strahlenkrankheit Blutbild, Hautrötung, Durchfall, Nervenschäden, Stochastische Schäden (zufällig) bei niedrigen Strahlendosen nur einzelne/wenige Zellen sind betroffen mögliche Erkrankung infolge der Mutation einzelner Zellen nicht zwangsläufig z.b. Krebs als Langzeitfolge keine Schwelle anzugeben: problematisch, aber keine bessere Lösung vorhanden Wahrscheinlichkeit Dosis 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 27

28 Deponierte Energie Energiedosis Schädigung von Material durch Strahlung z.b. biologische Systeme, Materialien und Maschinen abhängig von der im Material deponierten Energie D E = E m L.H. Gray Einheit: 1 J/kg = 1 Gray [Gy] Dosisleistung Dosis pro Zeit D& E dde = ; D& dt I = dd dt I 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 28

29 Biologische Wirksamkeit Äquivalentdosis abhängig von der Ionisationsdichte entlang der Teilchenspur Vergleich verschiedener Strahlungsarten Einführung eines Wichtungsfaktors w rad hängt von der Strahlungsart ab Definition H = w rad D E Einheit 1 Sievert [Sv] = 1 J/kg alte Einheit 1 rem = 0.01 Sv (rem = radiation equivalent man) Strahlungsart und energie Photonen Elektronen Protonen, Energie über 2 MeV α-teilchen und schwerere Ionen Neutronen < 10 kev Neutronen kev Neutronen 100 kev 2 MeV Neutronen 2 20 MeV Neutronen > 20 MeV Rolf Sievert w rad November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 29

30 Strahlenbelastung und typische Dosiswerte Strahlung natürliche Strahlung in Deutschland gemittelt davon kosmische Strahlung davon inkorporiert davon terrestrisch davon durch Radon und Folgeprodukte terrestrische Strahlung im Schwarzwald terrestrische Strahlung in Ramsar, Iran zivilisatorische Strahlenbelastung gemittelt davon durch Röntgendiagnostik davon durch ionisierende Strahlung in der Technik davon Kerntechnik, Kernwaffenversuche, Interkontinentalflug Dosisleistung in Deutschland im 1. Jahr nach Tschernobyl in Hessen Äquivalentdosisleistung 2.1 msv/a 0.3 msv/a 0.3 msv/a 1.5 msv/a 1.1 msv/a bis 10 msv/a bis 200 msv/a 0.6 msv/a 0.5 msv/a 0.02 msv/a <0.02 msv/a 2 6 µsv/h 1.2 msv/a ~ 0.2 msv/a 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 30

31 Dosiswerte für deterministische Schäden Symptome von deterministischen Strahlenschäden Einmaldosis in msv < > 6000 Symptome nicht erkennbar vorübergehende Veränderung des Blutbilds, erhöhte Wahrscheinlichkeit von stochastischen Schäden Übelkeit, Veränderung des Blutbilds Übelkeit, Erbrechen, Fieber Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Blutungen, ca. 50% Sterblichkeit Sterblichkeit nahe 100%, Überleben ist nur durch sofortige intensivmedizinische Behandlung möglich 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 31

32 Grenzwerte des Strahlenschutzes Grenzwerte für Personen normale Personen ungeborenes Kind beruflich strahlenexponierte Person, Kategorie B beruflich strahlenexponierte Person, Kategorie A unter 18 Jahren einmalig zulässig, wenn < 100 msv/(5 a) im gesamten Arbeitsleben 1 msv/a 1 msv/a 6 msv/a 20 msv/a 1 msv/a 50 msv/a max. 400 msv Grenzwerte für die betriebliche Überwachung öffentlicher Bereich < 1 msv/a Überwachungsbereich Kontrollbereich Sperrbereich 1 6 msv/a 6 msv/a (3 µsv/h) 3 msv/h > 3 msv/h 23. November 2013 Saturday Morning Physics Joachim Enders Institut für Kernphysik Fachbereich Physik 32

33 Quanten bei höchsten Energien Der Mensch unter Beschuss Wir sind von natürlicher und künstlicher Teilchenstrahlung umgeben Radioaktive Zerfälle Strahlung von unten und von innen Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall: Kerne, Elektronen, elektromagnetische Strahlung Kosmische Strahlung Strahlung von oben : Schauerbildung Die größten Teilchenbeschleuniger sind im Weltall große Detektoren auf der Erde für höchste Energien Strahlenschäden und Dosis Die Dosis macht das Gift! stochastische und deterministische Schäden Risikobewertung schwierig Naturbeobachtung Experimente im Labor Anwendung