Kurs Juli Grundlagen I

Transkript

1

2 Fachkunde im Strahlenschutz Kurs Juli 2010 Naturwissenschaftliche Grundlagen I

3 Themen - Aufbau der Materie - Elemente, Nuklide - Radioaktiver Zerfall - Aktivität -Zerfallsarten fll - Strahlung, Strahlungsarten

4 Experiment von Geiger, Marsden und Rutherford ( ) Streuung von -Teilchen an Goldfolie

5 Größenvergleich

6 Durchmesser: H-Kern 2, m H-Atom 2, m 1000 m Vergleich: Tennisball 6,5 cm zu 6000 m Topographische Karte 1: Prof. Dr.-Ing. L 6516; 8. Wolfgang Aufl. Landesverm.-amt Schubert Baden-Württemberg (2003)

7 Aufbau der Materie Materie Molekül, Atom Atomkern mit Nukleonen Sub-Elementarteilchen

8 Atombau Elektron (1 ) Beispiel: espe: Magnesium Atomkern (12 + ) 12 Protonen 12 Neutronen Masseverhältnis e (1) / p + (1836)

9 Atommodell nach Nils Bohr M-Schale n = 3 L-Schale n = 2 K-Schale n = 1 Maximale Anzahl Elektronen pro Hauptschale = 2n 2 Energie E = Energie eines Elektrons Z = Ordnungszahl e = Elementarladung r = Radius der Schale E 1 2 Z e r 2 Die chemischen Eigenschaften eines Elementes werden durch die Elektronenhülle festgelegt.

10 Elemente Anzahl Protonen = Anzahl Elektronen = Kernladungszahl (Ordnungszahl Z) Anzahl Protonen + Anzahl Neutronen = Kernmassezahl (Massezahl M) Beispiel: Magnesium 12 p + 12 n 12 e

11 Nuklide Wasserstoff 1 1H M = 1 Z = 1 Beispiel: Wasserstoff-Isotope - Wasserstoff -Deuterium - Tritium Deuterium 2 1 H M = 2 M = Massezahl Z = 1 Z = Ordnungszahl Tritium 3 H M = 3 1 Z = 1

12 Nuklide Stabile und radioaktive Nuklide Nuklide mit ausgewogener Anzahl Neutronen (relativ zu den Protonen) sind stabil. Nuklide mit Unterschuss oder Überschuss an Neutronen sind radioaktiv. Darstellung und Einordnung in der Nuklidkarte, z.b. Kohlenstoff 8 C bis 20 C.

13 Nuklidkarte Ordnu ungszah hl Z Neutronenzahl N Isotone Isotope = konstante Ordnungszahl Isobare = konstante Nukleonenzahl Isotone = konstante Neutronenzahl Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München 1981 Isotope Strahlenschutzkurs September 2009

14 Kernspaltung 235 U + 1 n Spaltprodukte + 2,3 n

15 Radioaktiver Zerfall Th Ra Ac Th Ra Rn Beginn der natürlichen Zerfallsreihe des Thoriums Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München 1981 Natürliche Zerfallsreihen: - Thorium-Reihe - Neptunium-Reihe - Uran-Radium-Reihe - Actinium-Reihe

16 Aktivität Zerfallsfrequenz f = Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit Einheit: Bequerel 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde Beispiel: In einem Gramm Radium finden ,7 10 Zerfälle pro Sekunde statt. Die Aktivität beträgt 3, Bequerel (Bq) = 1 Curie (Ci)

17 Spezifische Aktivität Bezug der Zerfallsfrequenz auf die Masse Einheit: Bq/kg 1 Bq/kg = 1 Zerfall pro Sekunde pro kg Beispiel: Ein einem Kilogramm Pilze aus Süddeutschland (Herbst 1986) finden 2000 Zerfälle pro Sekunde statt. Die spezifische Aktivität ität beträgt t 2000 Bq/kg auch: Bezug auf ein Volumen Einheit: Bq/m 3 1 Bq/m 3 = 1 Zerfall pro Sekunde pro Kubikmeter Beispiel: Die mittlere Strahlenbelastung von Raumluft liegt bei 50 Bq/m 3 Radon.

18 Zerfallsgesetz Der radioaktive Zerfall läuft mit einer Kinetik erster Ordnung A A 0 da A dt Zeitliche Änderung der Aktivität ität A = Aktivität [Bq] A 0 = Anfangsaktivität [Bq] t = Zeit [a] (oder [s]) = Zerfallskonstante [a -1 ] t A( t ) A 0 e t

19 Halbwertszeit Wichtiges Charakteristikum für ein Radionuklid: Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte eines Radionuklids zerfallen. A A 0 1/2 A 0 Halbwertszeit t 1/2 Zerfallskonstante t1 / 2 ln 2 0 1/4 A 0 t 1/2 t 1/2 t 1/2 t 1/2 t 1/2 t 1/2 t Zerfallsgleichung A( t) A 0 e ln 2t t 1/ 2

20 Halbwertszeit Beispiel: Das Radionuklid 137 Cs hat eine Halbwertszeit von t 1/2 = 30,17 a. Wieviel ist von dem Nuklid nach dem Unfall von Tschernobyl am 26. April 1986 heute noch übrig? Zerfallsgleichung fll lih A ( t ) A 0 e ln 2t t 1/ 2 Zhl Zahlenwerte A ( t ) 100 % e (ln 2) 24 a 30,17 a 57,61 % Für 131 I (t 1/2 = 8,02 d) gilt A (24 a) = e % Für 239 Pu (t 1/2 = a) gilt A (24 a) = e 0, ,931 % Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München 1981

21 Halbwertszeit Die Angabe einer Halbwertszeit bezieht sich immer auf ein einziges Nuklid! Beispiel: Zerfall von 228 Ac (HWZ = 6,13 h) zu 228 Th (HWZ = 1,913 a) Ac Th Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München 1981

22 Zerfallsarten Nuklide zerfallen auf unterschiedliche Art. Je nach Zerfallart resultieren unterschiedliche Zerfallsprodukte. Zerfallsart Tochternuklid Tochternuklid Massezahl Ordnungszahl Zerfallsprodukt -Zerfall M 4 Z 2 Heliumkern -Zerfall M = const. Z + 1 Elektron + - Zerfall M = const. Z 1 Positron -Zerfall M = const. Z = const. -Quant Spontanspaltung ca. 1/2 M Z = variabel variiert e -Einfang + M = const. Z 1 X-Quant

23 Strahlungsarten, Energien Elektromagnetische Strahlung Korpuskularstrahlung Frequenz [Hz] Wellenlänge [m] T IR UV Radio/TV X Energie [ev]

24 Strahlungsarten Elektromagnetische Strahlung ~ Charakterisierung durch - Wellenlänge [m] - Frequenz [1/s] [Hz] - Wellenzahl [1/m] -Energie E [J] c ~ ~ [ ] c E h Lichtgeschwindigkeit c = 2, ms 1 Plancksches Wirkungsquantum h = 6, Js

25 Strahlungsarten Teilchenstrahlung Zusammenhänge zwischen elektromagnetischer Strahlung und Korpuskularstrahlung über Welle-Teilchen-Dualismus. Charakterisierung durch - Ruhemasse M [kg] - Geschwindigkeit v [m/s] - Ladung Q [As] -Energie E [J]

26 Strahlungsarten Ionisierende Strahlung Unterscheidung: direkt ionisierend - Ladung - Ruhemasse indirekt ionisierend - keine Ladung - keine Ruhemasse -Strahlung n-strahlung -Strahlung -Strahlung -Strahlung (Photonen)

27 Strahlungsarten Strahlungsarten: Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Fragestellungen im Gamma-Strahlung Röntgen-Strahlung Neutronen-Strahlung Strahlenschutz: Teilchenart? Typische Strahler? Energie? Ww mit Materie? X Energieverteilung? Reichweite (Luft)? n

28 Ende Teil I

29 Fachkunde im Strahlenschutz Kurs Juli 2010 Naturwissenschaftliche Grundlagen II

30 Strahlungsarten Strahlungsarten: Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Fragestellungen im Gamma-Strahlung Röntgen-Strahlung Neutronen-Strahlung Strahlenschutz: Teilchenart? Typische Strahler? Energie? Ww mit Materie? X Energieverteilung? Reichweite (Luft)? n

31 Strahlungsarten Alpha-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: 4 He-Kerne Typische -Strahler: 239 Pu, 226 Ra, 222 Rn, 235 U Energie: ca. 3 MeV - 7 MeV bei künstlichen Nukliden höher Ww mit Materie: Ionisation, i Anregung Energieverteilung: diskretes Linienspektrum Reichweite (Luft): ca. 3,5 cm (bei 5 MeV) Rih Reichweite it (Gewebe): b) ca. 50 m

32 Strahlungsarten Beta-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: Elektronen, Positronen Typische -Strahler: v.a. Kerne mit Neutronenüberschuss 3 H, 14 C, 90 Sr, 137 Cs, 60 Co Energie: 18,6 kev - ca. 3 MeV aus Beschleunigern größere Energien Ww mit Materie: Ionisation, Anregung, Bremsstrahlung (Röntgen) Energieverteilung: kontinuierliches Spektrum Rih Reichweite it (Luft): (Lft) ca. 4 m (bei 1 MeV) Kernreaktionen: p n e + -Strahlung n p e -Strahlung

33 Strahlungsarten Gamma-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: Typische -Strahler: Energie: Ww mit Materie: Energieverteilung: Reichweite: -Quanten, Photonen, Elektromagnetische Strahlung aus angeregtem Zustand nach Zerfall 241 Am, 60 Co, 131 I, 99 Tc, 133 Ba ca. 30 kev - 4MeV Streuung, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung Linienspektrum theoretisch Kernreaktion: 137m 56 Ba Ba + kev)

34 Strahlungsarten Neutronen-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: Neutronen n Typische n-quellen: Kernreaktionen durch kosmische Höhenstrahlung, spontane Spaltung schwerer Kerne ( 235 U), Kernreaktionen mit -Strahlung Energie: thermische n: 0,0253 ev (bei 293,16 K) langsame n: < 10 ev mittelschnelle n: 10 ev... 0,1 MeV schnelle n: > 0,1 MeV Ww mit Materie: Kernspaltung, Neutroneneinfang Kernreaktionen: Be + C + n

35 Strahlungsarten Röntgen-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: TpischeXQ Typische X-Quellen: Energie: Ww mit Materie: Energieverteilung: X-Quanten, Photonen Abbremsung geladener Teilchen in metallischen Werkstoffen ca. 40 kev kev Photoeffekt Kontinuierliches Spektrum (Bremsstrahlung) Linienspektrum (charakteristische Strahlung) X Intensität L, L K, K Bremsstrahlung = Ablenkung im Coulomb-Feld E charakteristische Strahlung = Wechsel der Elektronenschale

36 Themen - Wechselwirkung Strahlung <=> Materie - Energieübertragung - Abschirmung

37 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie - Wirkung auf Materie - Schädigung von Materie - Reichweite - Abschirmung

38 Zeitlicher Ablauf Physikalische Phase s Wechselwirkung eines energiereichen Teilchens z.b. mit einem Wassermolekül Physikochemische Phase s Das ionisierte Wassermolekül, zerfällt oder lagert sich zu einer anderen Verbindung um. Es bilden sich freie Radikale. Chemische Phase s Die Radikale reagieren mit benachbarten Molekülen, z.b. mit Biomolekülen Biologische Phase s irreparable molekulare Schäden führen (1s- s 30 a) zu biologischen Effekten. Zelltod, genetische Veränderungen, Missbildungen, Krebs Zeit [s] 9

39 Radiolyse des Wassers e kin H O H O 2 H O H O* e Ionisation Anregung g H 2O H 2O HO H 3 e n H 2O eaq H 2 O H O* 2 e aq H H OH OH O e aq H H H 2 H OH H OH OH H 2e aq 2H 2O H H H O H O O O 2 2OH OH 2 / HO 2 / H 2O 2 Lebensdauer des hydratisierten e aq -Ions bis in den Millisekunden-Bereich. Während dieser Zeit Diffusion und Schädigung anderer (Bio-) Moleküle.

40 Ionisationsbremsung Energieabnahme eines geladenen Teilchens auf dem Weg durch Materie - Ionisation (wichtigster Vorgang) -Stoß - Anregung

41 Spezifische Ionisation = Anzahl der gebildeten Ionenpaare pro Millimeter Wegstrecke durch die Materie Neutrales Atom Ionenpaar Andere Bezeichnungen: - Bremsvermögen - Abbremsvermögen - linear energy transfer LET [ev/m]

42 Spezifische Ionisation Beispiele Strahlenart Energie LET [kev/m] X 250 kev 30 3,0 X 3 MeV 0,3 Medium Wasser 0,6 kev 55 5,5 10 kev 2,3 1 MeV 0,25 scheinbarer Gegensatz!? n 2,5MeV 10 n 19 MeV 7 4 MeV 55,4

43 LET verschiedener Strahlungsarten Ionisierungsereignisse beim Eindringen in Materie (Schema) -Strahlung ( 60 Co 1,33 MeV) X-Strahlung (250 kv) X-Strahlung (10 kv) -Strahlung Eindringtiefe i Neutrales Atom Ionisationsereignis

44 LET und Eindringtiefe Die Energieübertragung einer Strahlung auf Materie ändert sich mit der Wegstrecke. Langsamere Teilchen haben eine größere Aufenthaltsdauer und folglich einen größeren LET. Anwendung: z.b. gezielte Tumorbehandlung 03 0,3 LET [MeV/m] 4 MeV 6 MeV 8 MeV 02 0,2 Bragg-Kurven 0, Eindringtiefe in Wasser [m]

45 Wechselwirkung mit -Strahlung - Geradlinige Bewegung - Starke Wechselwirkung mit Materie - Starke Ionisation, ca bis 7000 Ionenpaare pro mm Luft - Pro Ionenpaar werden ca. 35 ev benötigt -Folglich entstehen bis Ionenpaare pro -Teilchen Reichweite einer -Strahlung von z.b. 7,7 MeV - Luft: m - Aluminium: i 41 4,1 m - Gold: 1,4 m

46 Wechselwirkung mit -Strahlung Möglichkeiten der Wechselwirkung mit Materie: - mit Atomkernen (X-Strahlung) - mit Atomhülle (Ionisation) - mit Atomhülle (Rückstreuung) - Niedrige LET-Werte nur ca. 4 bis 8 Ionenpaare pro mm Luft - deshalb höhere Reichweite als -Strahlung - Abschirmung mit Stoffen niedriger Dichte und niedriger Ordnungszahl => Rückstreuung! -zick-zack-förmige Bewegung gder -Teilchen

47 Wechselwirkung mit -Strahlung Reichweite von 2 MeV--Strahlung: - Luft: 700 cm - PMMA: 0,8 cm - Eisen: 0,15 cm Imp.- Rate P 1,71 MeV [1/s] 100 maximale 10 Reichweite Bremsstrahlung I I 0 e d Grundlagen der Radiochemie; Keller, K.; 3. Aufl.; Salle-Verlag FfM (1993) S Schichtdicke Al [mg/cm 2 ]

48 Wechselwirkung mit X- und -Strahlung - Photonen, keine Ladung, keine Masse - nur wenige Ionisationsereignisse in Materie - niedrige LET-Werte - Schwächung abhängig von Materialdichte X - Schwächung streng exponentiell - Angabe einer Reichweite nicht möglich I I 0 e d - Charakterisierung i der Schwächung h durch Halbwertsdicke d 1/2 d 1 / 2 ln 2

49 Wechselwirkung mit X- und -Strahlung Schwächung von 137 Cs--Strahlung durch Blei Imp.- Rate [1/s] 137 Cs- durch Blei Schichtdicke Pb [mg/cm 2 ]

50 Energieabsorption von Photonen 80 Ordnungszahl 60 Verschiedene Mechanismen: - Photo-Effekt niedrige Energie - Compton-Effekt mittlere Energie - Paarbildungseffekt hohe Energie Photo- Effekt Paarbildungs- Effekt Compton- Effekt Energie des -Quants 10 kev 100 kev 1M MeV 10 MeV 100 MeV

51 Photo-Effekt Photonen mit niedriger Energie Photo-Elektron -Quant Wirkung auf innere Elektronenhülle Z Photo Compton Paarbildung E

52 Compton-Effekt Photonen mit mittlerer Energie -Quant Compton-Elektron gestreutes -Quant Wirkung auf äußere Elektronenhülle Z Photo Compton Paarbildung E

53 Paarbildungs-Effekt Photonen mit hoher Energie -Quant Elektron- Positron- Paar Wirkung auf Atomkern Z Photo Compton Paarbildung E

54 Wechselwirkung mit Neutronen-Strahlung Verschiedene Mechanismen: Elastischer Stoß (leichte Kerne) Inelastischer Stoß (schwere Kerne) Absorption und Emission (prompte Gamma-Quanten) M+1 Absorption mit Kernspaltung Mehrteilchenprozess und Spallation

55 Abschirmung von Neutronen-Strahlung Vielfältige Wechselwirkungen, deshalb mehrere Schichten: - Atome mit hoher Ordnungszahl => Bremsen durch inelastische Streuung - Atome mit niedriger Ordnungszahl => Bremsen durch elastische Streuung - Material mit hohem Einfangquerschnitt für Neutronen => z.b. B, Cd - -Strahlung aus Anregung muss absorbiert werden => Material mit hoher Ordnungszahl, z.b. Pb Praxis: Homogene Mischung der genannten Stoffe

56 Halbwertsdicke Eine Halbwerts-Schichtdicke c c e d 1/2 reduziert e die Strahlungsintensität auf die Hälfte. Wichtig für Abschirmungsberechnungen! Beispiel: Absorption der 662 kev--strahlung von 137 Cs in Blei. Angabe der Absorptionswirkung in [g/cm 2 ] d 1 / 2 d d 1/2 = 6,8 g/cm 2 1 / 2 Umrechnung in die Dicke = 11,34 g/cm 3 3 6,8gg cm d1/ 2 0, 6 2 cm 11,34 g cm

57 Ende Teil II