Hohe Landesschule Hanau Strahlenschutzarbeit

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1 Hohe Landesschule Hanau Strahlenschutzarbeit Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gamma- Spektrometers Zirkonsand Schleifpapier - Zahnersatz Lara Schmidt Dezember 10

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Zirkon Radioaktivität Was ist Radioaktivität? Eigenschaften und Arten radioaktiver Strahlung α Strahlung β Strahlung γ Strahlung Kennzeichnende Größen Energie Durchdringungsvermögen, Absorption, Ablenkung Wechselwirkungen mit Materie Tabellarische Übersicht Natürliche Radioaktivität Die Uran Actinium Zerfallsreihe Die Uran Radium Zerfallsreihe Die Thorium Zerfallsreihe Wie wirkt Radioaktivität auf den menschlichen Körper? Messmethode Gammaspektroskopie Funktionsweise des Gammaspektrometers Abschirmung Beispiel eines Gammaenergie-Spektrums Charakteristische Energiewerte für Nuklide Übergangswahrscheinlichkeit Qualität von Gammaspektren Zählausbeute Untergrundrauschen Versuchsdurchführung Auswertung der Messergebnisse Übersicht der Proben Vorgehensweise qualitative Analyse Die Arbeit am Computer Die gefundenen Nuklide

3 5.3 Vorgehensweise quantitative Analyse Ergebnisse aller Proben Bewertung der Ergebnisse Fazit Anhang Literaturverzeichnis Danksagung und Schlusswort

4 1 Einleitung Es gibt überraschend viele Materialien, mit denen wir im Alltag konfrontiert sind, die natürlich radioaktiv strahlen. Nachdem ich an der Technischen Universität Darmstadt das Vergnügen hatte, den Schülerbeauftragten Herrn Dr. Wannowius kennenzulernen, der von seinen Untersuchungen erzählte, die die Radioaktivität von ganz normaler Schulkreide betrafen, war mein Interesse geweckt. Ich hatte das Glück, dass Herr Dr. Wannowius Schülern die Möglichkeit gibt, Untersuchungen für Schülerarbeiten durchzuführen, denn für Messungen, die einer solchen Arbeit würdig sind, benötigt man ein Gamma-Spektrometer. Der Schülerbeauftragte konnte mir bereits einige Dinge nennen, die man untersuchen könnte. Nach weiterer Recherche habe ich mich für Materialien entschieden, die aus Zirkon(ZrSiO 4 ) hergestellt werden. Zirkon ist ein natürlich vorkommendes Mineral und enthält unterschiedliche Mengen an Thorium und/oder Uran. Ich habe mir folgende Frage gestellt: Wie groß ist bei den verschiedenen Materialien die Strahlenbelastung, der der Mensch ausgesetzt ist? Gemessen habe ich das Rohmaterial, sprich den Zirkonsand, Schleifpapier, auf das der Zirkonsand fast ungereinigt aufgetragen wird und Zahnersatzstoffe aus Zirkonoxidkeramik, bei denen ein hoher Reinheitsgrad vorliegen müsste. Ich habe mich auf den Zahnersatz spezialisiert, denn Zahnersatz befindet sich innerhalb des Körpers und dies über Jahrzehnte. Die Untersuchungen sind somit besonders spannend, da die entsendeten Strahlen direkt auf das Gewebe treffen. Außerdem hat mich diese Untersuchung interessiert, weil es sich bei der Gamma-Spektroskopie um eine hochfeine Messmethode handelt und sie in jedem Fall Ergebnisse liefert. Radioaktivität, im Speziellen die natürliche Radioaktivität, ist ebenfalls ein spannendes Thema, da sie zum Teil ein Überbleibsel der Kernreaktionen im Inneren von Sternen ist, die vor Milliarden von Jahren zur Entstehung der Elemente führten und immer noch vorhanden ist. Im Rahmen dieser Arbeit zum Thema Strahlenschutz habe ich folglich Zirkonsand, Schleifpapier und im Besonderen Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik mit Hilfe eines Gamma-Spektrometers auf Radioaktivität untersucht und möchte meine Ergebnisse in dieser Ausarbeitung vorstellen sowie einen Einblick in die spannende Chemie und die ebenso spannende Physik, die hinter Radioaktivität, der Messmethode und den Zahnersatzstoffen stecken, geben. Leider hatte ich von Anfang an mit Problemen zu kämpfen, da es sich als schwierig herausstellte, Zahnersatz für meine Messungen zu bekommen. Viele Firmen, bei denen ich anrief, sagten nur, sie hätten keine Proben für mich, und als ich nachfragte, ob ich welche kaufen könnte, erhielt ich oft Absagen. Die für die Arbeit verwendeten Proben erhielt ich nach vielem Herumfragen und weitreichender Recherche von Mitschülern, die Zahntechniker in der Familie haben. Diese Strahlenschutzarbeit beginnt mit einem Kapitel über Zirkon, in dem ich einen kleinen Einblick in 4

5 die Welt der Mineralienkunde gebe. Es folgen die Grundlagen, die dazu benötigt werden, um meine Ergebnisse zu verstehen. Bei den Grundlagen handelt es sich als Erstes um die Radioaktivität selbst: Was strahlt? Wie strahlt es? Welche Wirkung haben die Strahlen auf den menschlichen Körper? Das zweite behandelte Thema ist die verwendete Messmethode, die Gamma-Spektroskopie. Hier erkläre ich die Funktionsweise eines solchen Gerätes und was meine Aufgabe an der TU Darmstadt war. Im Anschluss an diese Grundlagen folgen meine Messergebnisse, die aus der qualitativen und der quantitativen Analyse bestehen. Die Vorgehensweise bei den Analysen ist an einem Beispiel jeweils genau beschrieben. Zum Abschluss gibt es ein Fazit, das wichtige Aspekte noch einmal zusammenfasst und die Messergebnisse noch einmal kritisch begutachtet sowie bewertet. Hinter dem Fazit habe finden sich die Literaturstellen nach Kapiteln geordnet übersichtlich aufgelistet. 5

6 2 Zirkon Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik enthält, wie der Name schon sagt, Zirkonoxid (dies ist der Trivialname für Zirkoniumdioxid: ZrO 2 ). Dieses Zirkonoxid wird aus Zirkon (dem Silikat des Elementes Zirkonium, ZrSiO 4, Abb. 2.1) gewonnen. Im Rahmen der Strahlenschutzarbeit habe ich das Ausgangsmaterial, in Form von Zirkonsand auf Radioaktivität überprüft, eine Verwendung dessen, Schleifpapier, untersucht und Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik, bei dem der höchste Reinheitsgrad vorliegen müsste, ebenfalls untersucht. Zirkon ist die häufigste in der Natur vorkommende Verbindung des Elementes Zirkonium. Abbildung 2.1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines Zirkons, der Kristall ist etwa 250 m lang. Abbildung 2.2: Sammlung von vier Zirkon-Typen, die sich in der Farbe und ihrer Spurenzusammensetzung unterscheiden. Der Zirkon war lange Zeit im Altertum unter dem Namen Hyazinth bekannt. Man fand ihn oft in Tollhäusern (Irrenanstalten), in denen er als Heilstein eingesetzt wurde. So meinte man, dass der Hyazinth alias Zirkon, Wahnsinn heilen sollte. Der Name Zirkon stammt entweder vom persischen zargun (goldfarben) oder vom arabischen zarqun (Zinnober) ab. Der Zirkon gehört zu den ältesten bekannten Mineralien der Welt. So wurde ein 4,404 Milliarden Jahre alter Zirkon in Narryer Gneiss Terrane, Yilgarn Craton, Westaustralien gefunden. Die chemische Formel des Zirkons ist ZrSiO 4. Zirkone (s. Abb. 2.2) können farblos, gelblich, rosa, rot oder braun, aber auch grün oder blau sein. Die Dichte beträgt abhängig von den Verunreinigungen und Einschlüssen verschiedener Elemente (wie z.b. Thorium und/oder Uran) und Mineralien 3,9 bis 4,8 g/cm 3.Finden kann man Zirkon unter anderem in Madagaskar, Deutschland, USA, Australien, Kambodscha und Sri Lanka. Zirkon kann durch die enthaltenen Mengen an Thorium und/oder Uran einschließlich deren Zerfallsprodukte als eine der Hauptquellen der natürlichen Radioaktivität angesehen werden. 6

7 Das Mineral Zirkon findet seine Hauptanwendung in der Schmuckindustrie (Abb. 2.3), weil ein Kristall aussieht, wie ein echter Brillant (er kann beispielsweise zum Aufwerten von Trauringen benutzt werden). Außerdem wird Zirkonf als Schlefmittel auf Schleifpapier verwendet, da es eine besondere Kristallstruktur besitzt. Diese bewirkt, dass, wenn eine Spitze eines Kristalls abbricht, eine neue Spitze gebildet wird. Abbildung 2.3: Ring mit einem Stein aus Zirkon. Wie zuvor bereits erwähnt, wird das Zirkonoxid aus Zirkon gewonnen. Der Zirkonsand (bestehend aus kleinen Zirkonkristallen) wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozessen 1 von Verunreinigungen getrennt und in Zirkonoxid überführt. Dadurch kam ich zu der Annahme, dass in den Zahnersatzstoffen (Abb. 2.4), welche eines der Hauptverwendungsgebiete des Zirkonsandes ist, die Verunreinigung durch Uran/Thorium und deren Zerfallsprodukte nicht so hoch sein dürfte. Dies gilt es zu überprüfen. Außerdem wird Zirkonoxid zur Herstellung von Schmelztiegeln verwendet, da es einen Schmelzpunkt von etwa 3000 C besitzt. Abbildung 2.4: Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik. 1 Erhitzen eines Materials mit dem Ziel, dieses zu entwässern, zu entfärben oder zu zersetzen. 7

8 3 Radioaktivität In diesem Kapitel möchte ich kurz erklären, worum es sich bei Radioaktivität handelt und wie sie auf den menschlichen Körper wirkt. Zuvor müssen allerdings noch ein paar Begriffe geklärt werden. Beim Ersten handelt es sich um den Begriff des Nuklids. Ein Nuklid ist ein Atomkern, der durch Massenzahl und Kernladungszahl eindeutig charakterisierbar ist. Die Schreibweise eines Nuklids: Ein Beispiel: Das C-12 Atom 12 ist hier die Anzahl der Nukleonen (Kernteilchen Protonen und Neutronen), was auch der Massenzahl entspricht, und 6 ist die Anzahl der Protonen im Kern (= Anzahl Elektronen) bzw. die Ordnungszahl. Die Anzahl der Neutronen, die sich aus der Differenz von der Massezahl zur Kernladungszahl ergibt, wäre hier sechs. Der zweite zu klärende Begriff ist der des Isotops. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen. Ein Beispiel hierfür wäre das C-13-Atom, das ein Isotop des oben dargestellten C-12-Atoms ist. Es besitzt genauso viele Protonen und Elektronen, jedoch ist die Massenzahl um eine Einheit höher, da dieses Atom ein Neutron mehr im Kern besitzt. 3.1 Was ist Radioaktivität? Radioaktivität ist, wie bereits angeführt, ein interessantes Thema. Man kann sie weder sehen, fühlen, riechen noch hören. Antoine Henri Becquerel sah im Jahre 1896 auch nur Folgen der Strahlung. Er bemerkte, dass Uransalze eine unsichtbare Strahlung aussandten, die lichtdicht verpackte Fotoplatten schwärzte und ein Elektroskop entladen konnte. In der weiteren Forschung untersuchten die Eheleute Marie und Pierre Curie die Materialien genauer, die solche Strahlen aussandten, dabei entdeckten sie im Jahre 1898 in diesen Materialien die Elemente Polonium und Radium. G.C. Schmidt wies im selben Jahr die Strahlung bei Thorium nach. Die neu entdeckten Strahlen waren weder durch physikalische Einwirkungen auf den Stoff noch durch chemische Prozesse beeinflussbar. Dadurch kam man zu dem Schluss, dass die Strahlenaussendung nicht durch chemische Vorgänge verursacht wird. Heute weiß man, dass die Strahlung aus den Kernen instabiler Atome ausgesandt wird. Diese Gesamterscheinung nennt man 8

9 Radioaktivität. Die Kerne dieser radioaktiven Atome schleudern Energieportionen mit hoher Geschwindigkeit aus (Vorgang des radioaktiven Zerfalls). Die Kerne radioaktiver Atome nennt man Radionuklide. Handelt es sich um in der Natur vorkommende Radionuklide, so spricht man von natürlicher Radioaktivität, handelt es sich um durch künstliche Kernumwandlung erzeugte Radioaktivität, spricht man von künstlicher Radioaktivität. Von den bisher über 2700 bekannten verschiedenen Nukliden, die Isotope der 118 Chemischen Elemente sind, sind nur 249 stabil, alle anderen zerfallen spontan. Die Haupteigenschaft der Strahlung ist, dass sie ionisierend wirkt, weshalb sie auch ionisierende Strahlung genannt wird. 3.2 Eigenschaften und Arten radioaktiver Strahlung Radioaktive Strahlung besitzt eine Reihe von besonderen Eigenschaften. Zum einen besitzt sie Energie und zum anderen kann sie Stoffe durchdringen, wird durch Stoffe teilweise absorbiert und breitet sich von einer Strahlungsquelle geradlinig aus. Bevor ich jedoch auf einige der Eigenschaften genauer eingehe, möchte ich auf die drei verschiedenen Arten von Strahlungen eingehen, die bei Zerfallsreaktionen entstehen können α Strahlung Alphastrahlen (Abb ) bestehen aus Heliumkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen), sie besitzen eine Geschwindigkeit von ca km/s und km/s. wird häufig auch als geschrieben. Abbildung 3.2.1: Alphazerfall schematisch dargestellt. Diese Beispielszerfallsreaktion (als Kernreaktionsgleichung geschrieben) zeigt den Zerfall des Kerns von Radium-226, das 88 Protonen und 138 Neutronen (Massenzahl abzüglich der Anzahl der Protonen) besitzt. Dieser Kern ist nicht stabil, da die abstoßenden Kräfte der Protonen untereinander größer als die Kernkräfte sind. Der Kern hat das Bestreben, in einen stabileren Zustand überzugehen. Dies geschieht in mehreren Stufen, von denen oben nur eine dargestellt ist. Der Kern schleudert einen Heliumkern heraus (Abb ), wodurch die Kernladungszahl um zwei, die Massenzahl um vier sinkt. Es entsteht das neue 9

10 Element Radon (Rn). Wenn man Kernreaktionsgleichungen schreibt, müssen auf beiden Seiten die Summe der Kernladungszahlen und die Summe der Massenzahlen übereinstimmen. Die abgegebenen Heliumkerne nehmen aus der Umgebung Elektronen auf, wodurch Heliumatome entstehen β Strahlung Diese Strahlung unterteilt sich in zwei verschiedene Untergruppen. β - - Strahlung: Es handelt sich hierbei um Elektronen mit sehr hoher Geschwindigkeit (etwa 99 % der Lichtgeschwindigkeit c). Diese Strahlung entsteht, wenn sich im Kern ein Neutron in ein Elektron und ein Proton umwandelt. Das Elektron wird herausgeschleudert (s. Abb ). Abbildung 3.2.2: Betastrahlung schematisch dargestellt. Wie in folgender Gleichung dargestellt, wandelt sich Blei-214 unter Aussenden eines Elektrons in Bismuth-214 um. Nach dem Aussenden eines Betateilchens besitzt der Kern ein Proton mehr, was man an der um eins höher liegenden Kernladungszahl erkennt. Die Anzahl der Kernteilchen hat sich nicht verändert, die Massenzahl bleibt demnach gleich. β + - Strahlung: Bei natürlich und künstlich hergestellten Radionukliden tritt eine Strahlung auf, bei der Teilchen von der Masse eines Elektrons mit einer positiven Ladung ausgeschleudert werden. Es handelt sich hierbei um Positronen. Diese Strahlung entsteht, wenn sich ein Proton im Kern in ein Neutron und ein Positron umwandelt. An der folgenden Beispielszerfallsreaktion, bei der sich Phosphor-30 unter Aussenden eines Positrons in Silizium-30 umwandelt, erkennt man, dass die Massezahl gleich bleibt, aber die Kernladungszahl um eins abnimmt. Allgemein wird beim Betazerfall außerdem ein weiteres Teilchen ausgesandt, das eine sehr kleine Ruhemasse (2 ev oder weniger) und keine elektrische Ladung besitzt. Bei der Umwandlung eines Neutrons entsteht ein Antineutrino, bei der Umwandlung eines Protons ein Neutrino. Neutrinos und Antineutrinos besitzen ein großes Durchdringungsvermögen und sind deshalb schwer nachzuweisen. 10

11 Wie oben bei den Kernreaktionsgleichungen angewendet, werden aus Gründen der Vereinfachung Neutrino und Antineutrino nicht mit angegeben. Da der Beta + -Zerfall hauptsächlich bei künstlich erzeugten Radionukliden auftritt, ist er für diese Ausarbeitung nicht relevant γ Strahlung Abbildung 3.2.3: Gammstrahlung schematisch dargestellt. Bei Gammastrahlen handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung (Abb ), vergleichbar der Röntgenstrahlung, jedoch mit größerer Energie (kürzerer Wellenlänge). Da die Gammastrahlung in vielen Wechselwirkungsprozessen Teilchencharakter hat, spricht man auch von Gammaquanten. Diese bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und treten häufig begleitend bei einem Alpha- oder Betazerfall auf. Der Atomkern gibt noch vorhandene überschüssige Energie in Form eines oder mehrere Gammaquanten ab und geht dabei von einem höheren (angeregten) zu einem niedrigeren (stabileren) Energieniveau über. Gammaquanten sind also Portionen elektromagnetsicher Energie. Diese Gleichung zeigt, dass sich bei einem Gammazerfall Kernladungszahl und Massenzahl nicht ändern. Nach der Einsteinschen Gleichung kann man einem Gammaquant eine Masse zuordnen (E = mc 2 ). Den ausgesandten Quanten lassen sich so Massen zuordnen, die ungefähr der Elektronenmasse entsprechen, jedoch besitzen die Gammaquanten weder eine elektrische Ladung noch eine Ruhemasse Kennzeichnende Größen Halbwertszeit Ein Kern zerfällt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, man kann jedoch nicht vorhersagen, wann er genau zerfällt. Hat man jedoch viele dieser instabilen Nuklide, kann man Vorhersagen treffen, die die Abnahme der Anzahl dieser speziellen Kerne betreffen. 11

12 Die Halbwertszeit ist für jedes radioaktive Nuklid eine charakteristische Größe. Sie gibt an, in welcher Zeit jeweils die Hälfte der vorhandenen instabilen Atomkerne zerfällt. Die Halbwertszeit verschiedener radioaktiver Stoffe schwankt zwischen Bruchteilen von Sekunden und Milliarden Jahren. Aktivität (A) Diese Größe ist für diese Ausarbeitung von großer Bedeutung. Die Aktivität eines Körpers gibt an, wie viele Kerne N in einer bestimmten Zeit t zerfallen und dabei radioaktive Strahlung abgeben. Die Einheit der Aktivität in ein Becquerel (1 Bq): 1 Bq = 1/s. Die Aktivität wird immer im Bezug auf eine Masse angegeben. Zum Beispiel hat 1 g Radium eine Aktivität von 3,7*10 10 Bq. Das bedeutet: In jeder Sekunde zerfallen 37 Mrd. Kerne. Da ich bei der quantitativen Auswertung (Kap. 5.3) die Aktivitäten der einzelnen gefundenen radioaktiven Nuklide in meinen Proben ausrechne, werde ich dort noch einmal genauer auf die Rechnung mit der Aktivität eingehen. Energiedosis (D) Die Energiedosis gibt an, wie viel Energie eine bestimmte Masse m eines bestrahlten Stoffes aufnimmt. D = E/m. Die Einheit der Energiedosis ist ein Gray (1 Gy): 1 Gy = 1 J/kg. Eine Energiedosis von ca. 6 Gy führt als Ganzkörperbestrahlung zum Tod eines Menschen. Äquivalentdosis (D q ) Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung und Strahlenbelastung. Auf die biologische Wirkung gehe ich unter Punkt näher ein. Dort gibt es auch Beispiele für die Strahlenbelastung, der ein Mensch das Jahr über ausgesetzt ist. Das Maß wird berechnet, indem man die Energiedosis mit einem Qualitätsfaktor q multipliziert, der von der Art der Strahlung abhängt. Für Alphastrahlung ist dieser 20, für Beta- und Gammastrahlung eins. Alphastrahlung wäre für Zellen demnach am schädlichsten, aber da Alphastrahlung kein großes Durchdringungsvermögen (vgl. Kap ) hat, gelangt diese Strahlung meist nicht an Zellen, die wichtig für den Organismus sind. Die Einheit der Äqiuvalentdosis ist ein Sievert (1 Sv): 1 Sv = 1 J/kg. 12

13 3.2.5 Energie Radioaktive Strahlung besitzt Energie, dadurch können Gase ionisiert, Filme geschwärzt und biologische Zellen verändert werden. Da bei Kernumwandlungen sehr kleine Energiebeträge auftreten und somit die Einheiten Joule, Nanometer und Wattsekunde, die sonst zur Messung von Energien gebraucht werden, unpraktisch sind, wurde die Einheit Elektronenvolt (ev) eingeführt. Die Definition lautet: 1 ev ist die Energie, die ein Elektron aufnimmt, wenn es beim freien Durchlaufen einer Spannung von 1 V beschleunigt wird 2. Je größer also die Spannung wird, desto größer wird die Bewegungsenergie der Teilchen. Beim radioaktiven Zerfall eines bestimmten Stoffes wird eine charakteristische Energie frei. Alphateilchen besitzen bestimmte diskrete Energien in einer Größenordnung von 1MeV bis 10 MeV. Wie hoch sie letztendlich sind, hängt von der Strahlungsquelle und der Wahrscheinlichkeit, dass genau dieser Energiebetrag vom Kern abgegeben wird, ab. Hat das Teilchen die Maximalenergie erhalten, ist der Kern in den Grundzustand übergegangen. Ist die Energie des Alphateilchens kleiner, befindet sich der Kern noch in einem angeregten Zustand und die restliche Energie des Kerns wird in Form eines Gammaquants frei. Bei Betateilchen gibt es stets ein kontinuierliches Energiespektrum mit einer maximalen Energie, die meist im Bereich von 1 MeV liegt. Alle auftretenden Elektronen oder Positronen, die in meinem Fall nicht relevant sind, besitzen unterschiedliche Energien. Die größte Häufigkeit einer Energie liegt für jedes Radionuklid bei einem bestimmten Wert. Die kontinuierliche Energieverteilung rührt daher, dass beim Betazerfall auch Neutrinos oder Antineutrinos frei werden (s.o.). Die frei werdende Zerfallsenergie verteilt sich dann nach Zufall auf Positron und Neutrino bzw. auf Elektron und Antineutrino. Neutrino und Antineutrino besitzen weder Ladung noch Ruhemasse, man kann sie als Portion besonderer Energie bezeichnen. Durch ihr großes Durchdringungsvermögen sind sie auch schwer nachzuweisen. In Kernreaktionsgleichungen, Umwandlungsschemata und Tabellen wird nur die Maximalenergie angegeben. Wird durch Elektron und Antineutrino bzw. Positron und Neutrino nicht die gesamte Zerfallsenergie verbraucht, entstehen zusätzlich noch ein Gammaquant oder mehrere Gammaquanten. Gammastrahlen besitzen bestimmte diskrete Energien wie die Alphateilchen, jedoch handelt es sich hier nicht um Teilchenstrahlung, sondern um elektromagnetische Wellenstrahlung. Der Betrag der Energie kann einen Wert zwischen 0,003 und etwa 17 MeV betragen. Die Energie kann über die 2 Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie. S

14 Wellenlänge bzw. die Frequenz bestimmt werden. Je höher die Frequenz bzw. je kürzer die Wellenlänge desto mehr Energie besitzt ein Gammaquant. Gammaquanten sind unter anderem eine Begleiterscheinung des Alpha- oder Betazerfalls, wenn der Kern noch überschüssige Energie besitzt (s.o.). Die Energieabgabe kann in einer oder mehreren Stufen erfolgen, jedoch besitzen die Quanten jeder einzelnen Stufe alle den gleichen Energiebetrag. Abbildung 3.2.5: Zerfall eines Radium-Nuklids. In dieser Abbildung ist dargestellt, dass Radium auf zwei verschiedene Arten zu Radon zerfallen kann. Die grünen Linien geben Energieniveaus an: Je weiter oben sie sich befinden, desto höher ist die Energie, die das Nuklid enthält. Zu 94,4 % zerfällt das Nuklid unter ausschließlicher Aussendung eines Alphateilchens. Wird nicht die gesamte Energie, die bei diesem Zerfall frei wird, an das Alphateilchen abgegeben, entsteht zusätzlich ein Gammaquant mit der restlichen Energie. Auf die Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Zerfälle wird in dem Abschnitt Übergangswahrscheinlichkeit (Kap. 4.5) näher eingegangen Durchdringungsvermögen, Absorption, Ablenkung Das Durchdringungsvermögen radioaktiver Strahlung ist abhängig von - der Art der Strahlung - der Energie der Strahlung - der Art des durchstrahlten Stoffes - der Dicke des durchstrahlten Stoffes Das Durchdringungsvermögen von Alphastrahlung ist am kleinsten, das von Gammastrahlung am größten. Radioaktive Strahlung wird durch Stoffe teilweise absorbiert. Das Absorptionsvermögen hängt von den gleichen Faktoren ab wie das Durchdringungsvermögen. Alphastrahlung wird bereits durch Papier vollständig absorbiert, Betastrahlung von einer 1 mm dicken Aluminiumschicht und Gammastrahlung wird zu 50 % von einer 13 mm dicken Bleischicht absorbiert (Abb ). 14

15 Abbildung Schema für die Absorption der verschiedenen Strahlen. Alpha- und Betastrahlung werden durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt, Gammastrahlung dagegen nicht, da sie ungeladen ist. Betateilchen werden stärker abgelenkt als Alphateilchen, da sie eine geringere Masse besitzen Wechselwirkungen mit Materie Welche Wechselwirkungen stattfinden, ist von der Art der Strahlung, der Energie der Strahlungsteilchen bzw. Quanten und der Art des Wechselwirkungsmaterials abhängig. Häufig treten Wechselwirkungen gleichzeitig auf, wobei meist eine überwiegt. Alphateilchen verlieren ihre Energie vor allem dadurch, dass sie Atome oder Moleküle der durchstrahlten Materie ionisieren oder anregen. Bei der Ionisierung (Abb ) eines Atoms wird ein Elektron aus seiner Hülle abgetrennt, dafür ist ein bestimmter Energiebetrag notwendig. Wird mehr Energie zugeführt, erhält das Elektron dies in Form von Bewegungsenergie. Diese kann so groß sein, dass das Elektron nun seinerseits ein weiteres Atom ionisiert. Abbildung : Vorgang der Ionisierung schematisch dargestellt. Abbildung : Anregung eines Valenzelektrons durch ein Alphateilchen schematisch dargestellt. 15

16 Bei der Anregung (Abb ) eines Atoms wird ein Hüllenelektron vom Kern weiter entfernt und damit auf ein höheres Energieniveau gehoben. Beim Zurückspringen auf das Ausgangsenergieniveau wird Energie in Form eines Photons wieder abgegeben. Durch die Energieabgabe wird das Alphateilchen immer langsamer. In Luft unter Normalbedingungen kann es nach 4 bis 7 cm keine Veränderungen mehr herbeiführen und ist somit in ausreichender Entfernung für Organismen ungefährlich. Ein abgebremstes Alphateilchen nimmt zwei freie Elektronen auf und wandelt sich dadurch in ein Heliumatom um. Treffen Betateilchen auf Materie, treten Ionisation, Anregung, Streuung und Erzeugung von Bremsstrahlung auf. Ionisation und Erzeugung von Bremsstrahlung sind hierbei die wichtigsten Prozesse. Betateilchen ionisieren pro Wegstrecke weniger Teilchen als Alphateilchen, daher müssen sie einen längeren Weg zurücklegen, um ihre Energie durch Ionisationen abzugeben, dadurch besitzen sie auch eine größere Reichweite. Da die Betateilchen keine einheitlichen Energien besitzen, kann allerdings keine einheitliche Reichweite angegeben werden, sie liegt in der Luft zwischen einigen Zentimetern bis zu einigen Metern. Reicht die Energie eines Betateilchens nicht aus, um ein Atom zu ionisieren, kommt es zu einer Anregung. Abbildung : Erzeugung von Bremsstrahlungf schematisch dargestellt. Betateilchen können auch an Bewegungsenergie verlieren, wenn sie im elektrischen Feld eines Atoms abgebremst werden. Die dabei verlorene Energie wird in Form eines Photons abgegeben (Röntgenbremsstrahlung, Abb ). Betateilchen werden aufgrund ihrer geringen Masse bei Wechselwirkungen mit Atomhüllen (Ionisation, Anregung) oder Atomkernen (Strahlungsbremsung) aus ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung stark abgelenkt, sie werden gestreut. Die Ablenkung wird desto wahrscheinlicher, umso geringer die Energie des Elektrons ist. Sind die Betateilchen weitgehend abgebremst, werden sie entweder von positiven Ionen eingefangen oder sie lagern sich an neutrale Atome an und bilden dadurch negative Ionen. Die Wechselwirkung von Gammastrahlung ist von besonderer Bedeutung bei der Nutzung eines Gammaspektrometers, wie in Kapitel 4 dargestellt ist, da ionisierende Strahlung nicht mit den Sinnen des Menschen direkt wahrgenommen werden kann. Erst wenn die Strahlung (hier die Gammastrahlung) eine nachweisbare Veränderung hervorruft, kann diese erfasst werden. Abhängig von der Quantenenergie können im Wesentlichen drei Wechselwirkungsprozesse auftreten: der 16

17 Photoeffekt, der Comptoneffekt und der Paarbildungseffekt. Diese drei Effekte überlagern sich im Wechselwirkungsmaterial, wobei in einzelnen Energiebereichen einer der Prozesse überwiegt. Photoeffekt: Dieser Effekt tritt vor allem bei kleineren Quantenenergien und großen Kernladungszahlen des Absorbermaterials auf. Es kommt zu einer Wechselwirkung zwischen den Quanten und den Elektronen der Atomhülle. Die Energie eines von der Hülle aufgenommenen Quants führt dazu, dass ein Elektron (oder mehrere) abgespalten wird (Abb ). Die überschüssige Energie wird wieder in Bewegungsenergie des Elektrons umgewandelt. Der Photoeffekt führt also zu einer Ionisation. Abbildung : Photoeffekt in einer schematischen Darstellung. Beim Photoeffekt verschwindet das Gammaquant und das austretende Teilchen wird Photoelektron genannt, dieses kann wiederum durch Energieabgabe andere Atome anregen oder ionisieren. Dadurch, dass der Photoeffekt vor allem an kernnahen Schalen stattfindet, besitzt das Atom dort dann eine Lücke. Durch den Sprung eines weiter außen liegenden Elektrons wird diese gefüllt. Die dabei frei werdende Energie wird als Röntgenquant emittiert (Abb ). Diese Strahlung wird Röntgen-Fluoreszenzstrahlung genannt. Sie kann entweder das Wechselwirkungsmaterial verlassen oder weitere Photoeffekte hervorrufen. Abbildung : Modelldarstellung der Entstehung der Röntgenfluoreszenzstrahlung. 17

18 Comptoneffekt: Abbildung : Schematische Darstellung des Comptoneffekts. Dieser Effekt wird vor allem durch Gammaquanten mittlerer Energie hervorgerufen. Das Quant überträgt dabei einen Teil seiner Energie auf ein in der äußeren Schale der Atomhülle sitzendes Elektron, das dadurch abgetrennt wird (Comptonelektron). Das Quant besitzt danach eine geringere Energie und bewegt sich mit veränderter Flugrichtung weiter. Auch der Comptoneffekt führt somit zu einer Ionisation des Atoms (Abb ). Das gestreute Gammaquant kann weitere Effekte hervorrufen, bis seine Energie so niedrig geworden ist, dass es durch einen Photoeffekt ganz aufgezehrt wird. Das Comptonelektron kann im Welchselwirkungsmaterial zu Ionisationen und Anregungen führen. Paarbildung: Dieser Effekt tritt vor allem bei höherer Quantenenergie auf. Das Quant wird im elektrischen Feld eines Atomkerns vernichtet und in ein Elektron und ein Positron umgewandelt. Dafür ist aber eine bestimmte Energie notwendig (> 1,022 MeV), ab einer Energie von 2,044 MeV können auch zwei Teilchenpaare erzeugt werden. Überschüssige Energie wird wieder in Bewegungsenergie der beiden Teilchen umgewandelt. Der Paarbildungseffekt spielt vor allem bei Elementen mit hoher Ordnungszahl eine Rolle. Das entstandene Positron hat nur eine relativ geringe Lebensdauer. Nach der Übertragung der Bewegungsenergie auf das Wechselwirkungsmaterial vereinigt es sich mit einem Elektron und zerstrahlt dabei in zwei Gammaquanten von je 0,511 MeV. Dieser Vorgang stellt die Umwandlung von Materie in Energie dar. Abbildung : Elektron und Positron vereinigen sich und zerstrahlen (Modelldarstellung). Abbildung : Schematische Darstellung der Paarbildung. 18

19 Besitzen die bei Photoeffekt, Comptoneffekt oder Paarbildung erzeugten Elektronen genügend Energie und finden die Wechselwirkungen in einem Material mit höherer Ordnungszahl statt, kann dabei wieder Bremsstrahlung erzeugt werden (Abb ). Der primären Umwandlung von hoher Quantenenergie in kinetische Teilenergie folgt dann eine teilweise Rückumwandlung in Quanten niedrigerer Energie. Abbildung : Der Photoeffekt, durch den ein Elektron aus der Hülle herausgelöst wurde, führt zur Erzeugung von Bremsstrahlung Tabellarische Übersicht Bezeichnung Alphastrahlung Beta - - Strahlung Gammastrahlung Zusammensetzung Heliumkerne Elektronen Photonen, elektromagnetische Wellen Ladungszahl Massenzahl Geschwindigkeit bis zu 10 % der bis zu 99 % der Lichtgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit Lichtgeschwindigkeit Reichweite in Luft bis ca. 10 cm bis ca. 10 m sehr groß Durchdringungsvermögen gering Mittel groß Ionisationsvermögen hoch Mittel gering Abschirmung Blatt Papier Metallbleche Bleiplatten Tabelle 3.2.8: Übersicht über die Strahlungsarten mit ihren wichtigsten Eigenschaften. 19

20 3.3 Natürliche Radioaktivität Bei meinem Versuchsmaterial, den Materialien, für deren Herstellung Zirkon verwendet wird, handelt es sich um natürliche Radioaktivität, da keine künstlich erzeugten Radionuklide vorliegen. Im Folgenden möchte ich die natürliche Radioaktivität ein wenig genauer beleuchten. Wie zuvor bereits erwähnt wandeln sich bei natürlicher Radioaktivität in der Natur vorkommende Radionuklide spontan unter Aussendung von radioaktiver Strahlung um. Die entstehenden Folgekerne sind meistens wieder radioaktiv, sodass ganze Zerfallsreihen existieren, die jeweils bei einem stabilen Kern enden. Es gibt vier natürliche Zerfallsreihen, ein Isotop einer Zerfallsreihe tritt auch nur in dieser einen Zerfallsreihe auf. Sie existieren bereits seit der Entstehungszeit der Erde (vor ca. 4,6 Mrd. Jahren). Die sogenannten Urnuklide haben eine extrem große Halbwertszeit von teilweise einigen Millionen Jahren und höher. Drei dieser Zerfallsreihen bestehen heute noch, die Thorium-Reihe, die Uran-Actinium-Reihe sowie die Uran-Radium-Reihe. Eine dagegen ist bereits ausgestorben, die Neptunium-Reihe. Sie ist ausgestorben, weil das langlebigste Nuklid nur eine Halbwertszeit von 2,14*10 6 Jahren hat. Die jeweiligen Nuklide senden meistens Alpha- und Beta - Strahlen sowie die meist damit verbundenen Gammastrahlen. Zwischen einem Radionuklid und seinem Zerfallsprodukt (Tochternuklid) besteht ein radioaktives Gleichgewicht. Zu Beginn des Zerfalls ist die Bildungsgeschwindigkeit des Tochternuklides größer als dessen Zerfallsgeschwindigkeit, bis schließlich nach ca. sieben Halbwertszeiten des Tochternuklides ein Gleichgewicht entsteht. 20

21 3.3.1 Die Uran Actinium Zerfallsreihe Abbildung 3.3.1: Die Nuklide der Uran Actinium Zerfallsreihe. In dieser Abbildung (3.3.1) sind die verschiedenen Nuklide der Uran Actinium Zerfallsreihe dargestellt. Sie sind eindeutig bestimmt durch die Nukleonenzahl (Massenzahl) und die Protonenzahl (Kernladungszahl). Die Zerfallsreihe beginnt oben rechts beim Uran-235. An den jeweiligen Pfeilen lässt sich ablesen, um welche Art der Strahlung es sich bei den jeweiligen Zerfallsreaktionen handelt. Gammastrahlung ist nicht eingezeichnet, da sich bei ihr weder die Nukleonenzahl noch die Kernladungszahl ändert. Aber wie oben bereits beschrieben, ist sie meistens eine Begleiterscheinung bei den anderen beiden Zerfallsarten. Die Zerfallsreihe endet hier bei dem stabilen Blei-207. Da bei manchen Nukliden (z.b. Actinium-227) sowohl der Betazerfall als auch der Alphazerfall in Frage kommen, gibt es verschiedene Wege, die zu diesem stabilen Zustand führen können. An dieser Übersicht erkennt man auch, dass nur Nuklide mit einer Massenzahl bzw. Nukleonenzahl von 4n+3 vorkommen. Bei n handelt es sich hier um eine natürliche Zahl. Dies kann man erklären, indem man sich die Zerfälle anschaut. Nur beim Alphazerfall nimmt die Nukleonenanzahl ab und zwar um vier Nukleonen. Die verschiedenen natürlichen Zerfallsreihen überschneiden sich nicht und gehen auch nicht ineinander über. In der Uran Radium Zerfallsreihe findet man nur Nuklide mit der Massenzahl 4n+2, in der Thorium Reihe Nuklide mit der Massenzahl 4n und in der heute nicht mehr vorhandenen Neptunium Reihe Nuklide mit der Massenzahl 4n

22 3.3.2 Die Uran Radium Zerfallsreihe Abbildung 3.3.2: Die Nuklide der Uran Radium Reihe. Die oben (Abb ) dargestellte Uran Radium Zerfallsreihe beginnt beim Uran-238 und endet beim stabilen Blei-206. Auch hier sind wieder verschiedene Wege möglich. Die Nukleonenanzahl beträgt hier, wie oben bereits beschrieben, 4n Die Thorium Zerfallsreihe Abbildung 3.3.3: Die Nuklide der Thorium Zerfallsreihe. Die Thorium Zerfallsreihe beginnt beim Thorium-232 und endet beim stabilen Blei 208. Wie oben angeführt, erkennt man an der Abbildung, dass die Nukleonenzahl der verschiedenen Nuklide ein 22

23 Vielfaches von 4, also 4n, beträgt. Auch hier gibt es instabile Nuklide, die sowohl Betastrahlung als auch Alphastrahlung abgeben können. 3.4 Wie wirkt Radioaktivität auf den menschlichen Körper? Aufgrund der natürlichen Radioaktivität sowie durch technische Geräte sind wir alle ständig einer Strahlenbelastung ausgesetzt. Der natürlichen Strahlenbelastung sind alle Lebewesen sogar seit Jahrtausenden ausgesetzt. Die folgende Tabelle (3.4) zeigt eine Übersicht über die mittlere Strahlenbelastung in der Bundesrepublik Deutschland. Art der Strahlung Von der Umgebung (Erde) ausgehende Strahlung Kosmische Strahlung Strahlung durch aufgenommene Nahrung/Luft Medizinische Untersuchungen einschließlich Röntgenuntersuchungen Strahlung durch Kernkraftwerke, Kernwaffenversuche Strahlung durch Bildschirm des Fernsehapparates und des Computers Gesamtbelastung Tabelle 3.4: Übersicht über die mittlere Strahlenbelastung in der BRD Äquivalentdosis 0,4 msv/jahr 0,3 msv/jahr 1,7 msv/jahr 1,5 msv/jahr 0.01 msv/jahr 0.02 msv/jahr 4 msv/jahr Die durchschnittliche Strahlenbelastung beträgt in Deutschland also im Mittel 4 msv/jahr. Sie kann jedoch von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein. Der Grenzwert für Menschen, die beruflich radioaktiver Strahlung ausgesetzt sind, liegt bei 50 msv/jahr. Ab 250 msv/jahr können Schäden auftreten, eine kurzzeitige Strahlenbelastung von über 5000 msv ist tödlich. Radioaktive Strahlung kann Veränderungen an Zellen hervorrufen und bei hoher Dosierung zu Strahlenschäden bis hin zum Tode führen. Bei organischem Gewebe, vor allem bei hoch entwickelten Säugetieren und beim Menschen, können zwei Arten von Strahlenschäden auftreten: somatische Schäden und genetische Schäden. Im Folgenden möchte ich genauer darauf eingehen, was in den Zellen passieren kann. Treffen ionisierende Strahlen auf einen Organismus (z.b. den Menschen), treten in den einzelnen Zellen physikalische und unter Umständen in der Folge chemische und biologische Effekte auf. In der sogenannten physikalischen Phase treffen Strahlen auf Atome im Inneren der Zelle, was zu Ionisation und Anregung von Atomen und Molekülen führt. Die gebildeten Ionen können entweder das Elektron wieder einfangen (Rekombination), oder aber es werden Bindungen zwischen Atomen gespalten und somit die Zellen verändert. Dies passiert in der sogenannten chemischen Phase. Es kann zur Bildung von Peroxiden (z.b. Wasserstoffperoxid aus Wasser), zur Veränderung von 23

24 Aminosäuren und Enzymen oder zu dem Zerbrechen von Makromolekülen, DNS-Schäden und Chromosomeneinbrüchen kommen. Diese Schäden können grundsätzlich vom Körper repariert werden oder die entstandenen Stoffe können über den Stoffwechselkreislauf aus der Zelle entfernt werden. Ist dies nicht der Fall, führen die physikalischen Primäreffekte und die daraus folgenden chemischen Sekundäreffekte zu einem biologischen Bestrahlungseffekt: Die Zelle zeigt ein verändertes biologisches Verhalten oder ist nicht mehr funktionsfähig. Das führt jedoch nicht in jedem Fall dazu, dass der Schaden auch nach außen hin erkennbar wird. Die geschädigten oder nicht mehr funktionsfähigen Zellen könnten erkannt und mit Hilfe des Immunsystems bekämpft und abgebaut werden. Somit gäbe es dann keine gesundheitlichen Konsequenzen. Versagt jedoch das Abwehr- bzw. Reparatursystem oder wird es überfordert, kommt es zu einem Strahlenschaden. Er kann sofort oder nach einer längeren Zeit offenbar werden. Strahlenschäden können, wie oben bereits genannt, somatische (innerhalb des Körpers) Schäden, genetische Schäden und eben auch Zelltod sein. Das folgende Diagramm (3.4) bietet noch einmal eine kleine Übersicht. Absorption radioaktiver Strahlung Veränderung in den Zellen Körperzellen Somatische Schäden: - Organschäden - Krebs Keimzellen Genetische Schäden: - Sterilität - Erbkrankheiten - Missbildungen Diagramm 3.4: Wirkung der radioaktiven Strahlung auf den menschlichen Körper. Somatische Schäden wirken sich auf den Gesundheitszustand des betreffenden Lebewesens aus. Sie unterteilen sich noch einmal in Frühschäden, wie Veränderungen des Blutbildes, Unwohlsein, Fieber etc., und Spätschäden, die erst nach Jahren oder Jahrzehnten auftreten (der Schaden ist zwar bei der Bestrahlung entstanden, aber die Symptome treten erst später auf). Diese Spätschäden unterteilt man noch einmal in nicht bösartige (keine Metastasen bildende) Schäden wie Sterilität und Trübung der Augenlinse und bösartige Spätschäden wie Leukämie/Krebs. Genetische Schäden wirken sich erst bei den Nachkommen aus. Die durch die natürliche Strahleneinwirkung hervorgerufenen Mutationen sind zahlenmäßig so gering, dass sie aus den zeitlichen Schwankungen der natürlichen Mutationsraten nicht hervortreten. 24

25 Besonders gefährlich ist eine kurzzeitige hohe Strahlenbelastung. Über Schäden durch geringe Strahlenbelastung über einen längeren Zeitraum hinweg liegen keine eindeutigen Erkenntnisse vor. Ob Strahlenschäden eintreten oder nicht, ist vor allem abhängig von - der Art der Strahlung, der Energiedosis und der Dauer der Einwirkung - der Empfindlichkeit der bestrahlten Organe besonders empfindlich sind Knochenmark, Lymphknoten und Keimzellen Auf den Strahlenschutz, also wie man sich schützen kann, gehe ich bei der Beurteilung der Ergebnisse (Kap. 5.5) ein, wo ich gleichzeitig die Gefährlichkeit der untersuchten Stoffe für den menschlichen Körper beurteile. 4 Messmethode Gammaspektroskopie Es gibt verschiedene Messmethoden zur Bestimmung der Gesamtaktivität der Proben. Da die einzelnen Radionuklide aber für den Menschen unterschiedlich gefährlich sind, muss man sie aus Gründen des Strahlenschutzes einzeln bestimmen. Fast alle Radionuklide senden Gammaquanten einer charakteristischen Energie aus. Durch Bestimmung der Gammaenergien lassen sich die Radionuklide identifizieren. Es gibt verschiedene Arten von Gammaspektrometern. Zur Bestimmung der Gammaenergien verwendet man heute bevorzugt Halbleiterdetektoren. Die TU-Darmstadt besitzt einen Low Level Ge(Li) Halbleiterdetektor. 25

26 4.1 Funktionsweise des Gammaspektrometers Abbildung 4.1.1: Schematischer Aufbau eines Gammaspektrometers. Diese Abbildung (4.1.1) zeigt einen stark vereinfachten Aufbau des Versuchsaufbaus zur Gammaspektroskopie. Alle Messung beginnt mit dem Halbleiterdetektor, auf den die Gammaquanten treffen. Bevor ich aber auf diesen Halbleiterdetektor zu sprechen komme, müssen der Begriff des Halbleiters und andere wichtige Fachbegriffe geklärt werden. Als Halbleiter werden kristalline Stoffe bezeichnet, die keine metallische Bindung aufweisen, typische Beispiele hierfür sind Germanium und Silizium. Beim Halbleiter sind die Bindungselektronen nicht wie beim Metall delokalisiert, sondern lediglich lockerer gebunden als die Rumpfelektronen. Verlässt ein Elektron seinen Platz in der Bindung, so entsteht eine Fehlstelle, die als Defektelektron oder Loch bezeichnet wird. Den Vorgang der Entstehung eines beweglichen Elektrons und eines Loches nennt man Paarbildung, den umgekehrten Vorgang Rekombination. In einem reinen Halbleiter halten sich Paarbildung und Rekombination die Waage. Die Leitung in einem reinen Halbleiter wird als Eigenleitung bezeichnet. Sie erfolgt durch Elektronen und Löcher. Für die technische Nutzung spielt die Eigenleitung nur eine geringe Rolle. Praktisch bedeutsam wurden Halbleiter erst, als es gelang, ihr Leitvermögen durch den Einbau von Fremdatomen in hochreines Halbleitermaterial (Vorgang des Dotierens) einzubauen. Durch das Dotieren lässt sich die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt erhöhen. Nach Art der dann dominierenden Leitung 26

27 unterscheidet man zwischen n-leitung (Elektronenleitung) und p-leitung (Löcherleitung). Wird z.b. ein Phosphoratom (5-wertig) in Silicium dotiert, kann ein Außenelektron des Phosphors nicht gebunden werden und steht als freies Elektron für eine n-leitung zur Verfügung. Wird in einen Siliciumkristall ein Boratom (3-wertig) eingebaut, kann ein Außenelektron eines Siliciumatoms nicht gebunden werden. Es bleibt ein Loch, das für eine p-leitung zur Verfügung steht. Die n- und p- Leitung wird auch als Störstellenleitung bezeichnet, da die Grundlage dieser Leitung der gezielte Einbau von Fremdatomen (Störstellen) ist. Dioden (Abb ) bestehen aus einer Kombination von p- und n- leitenden Halbleitern. Für ihre Wirkungsweise spielt der Übergang zwischen dem p-leitenden und dem n-leitenden Gebiet, kurz als pn - Übergang eine entscheidende Rolle. Im Bereich zwischen dem p-leiter und dem n-leiter kommt es zur Diffusion von Elektronen in den p-leiter und von Löchern in den n-leiter. Es entsteht eine Grenzschicht mit speziellen Eigenschaften. Für diese Grenzschicht gilt, dass aufgrund von Rekombination in dieser keine Elektronen und Löcher vorhanden sind, d.h. der pn-übergang wirkt wie eine Sperrschicht. Im pn-übergang existiert ein elektrisches Feld, das vom n-leiter zum p-leiter gerichtet ist. Aufgrund seiner Entstehung durch Diffusion wird es auch als Diffusionsfeld bezeichnet. Es verhindert das weitere Eindringen von Elektronen in den p-leiter und von Löchern in den n-leiter. Abbildung 4.1.2: Der schematische Aufbau einer Halbleiterdiode. 27

28 Eine Halbleiterdiode besteht aus p-und n- leitenden Halbleitern mit einem dazwischen liegenden pn-übergang. Untersucht man experimentell die Stromstärke in Abhängigkeit von einer außen liegenden Spannung (vgl. Abb ), dann zeigt sich: 3 - Liegt am p-leiter der Pluspol der Spannungsquelle, so fließt bei geringer Spannung zunächst kein Strom, das Diffusionsfeld wirkt dem äußeren Feld entgegen. - Ab der Schwellenspannung U S überwiegt das äußere Feld. Der pn-übergang wird mit Ladungsträgern überschwemmt. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. - Liegt am p-leiter der Minuspol der Spannungsquelle, so wirken Diffusionsfeld und äußeres Feld in gleiche Richtung. Der an Ladungsträgern verarmte pn-übergang wird breiter. Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet. Der Halbleiterdetektor des Gammaspektrometers besteht im Prinzip aus einer Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird. Oben in der Abbildung (4.1.2) sind p-leiter, n-leiter und Sperrschicht eingezeichnet. Abbildung 4.1.3: Unterschiedlich geschaltete Halbleiterdioden (Modelldarstellung) Die verwendete Diode ist aus einer positiv geladenen p-schicht, die aus Germanium mit darin eindiffundiertem Lithium besteht, und einer negativ geladenen n-schicht, die aus Bor oder Aluminium besteht, zusammengesetzt. Um die Diffusion von Lithium und die unkontrollierte Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren durch Umgebungswärme zu verhindern, wird der Messkopf mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Tritt ein Gammaquant in die Sperrschicht ein, gibt es bestenfalls seine gesamte Energie an ein Elektron ab (Photoeffekt). In der Sperrschicht wird ein Elektronen- Loch-Paar erzeugt. Die Ladungstrennung führt zum Aufbau einer elektrischen Spannung. Dieser Spannungsimpuls kann gemessen werden. Da die Energie dieses Spannungsimpulses proportional zur Energie des Gammaquants ist, kann seine Energie bestimmt werden. Die nachgeschaltete Elektronik braucht also nur die Spannungsimpulse nach ihrer Amplitude zu sortieren und zu zählen. Das Resultat der Messung wird durch einen Bildschirm bzw. Drucker wiedergegeben. 3 Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S

29 4.2 Abschirmung Um den Detektor gegen äußere Einflüsse wie Terrestrische Strahlung und Höhenstrahlung zu schützen, wird der Spektrometer durch mehrere Schichten verschiedenen Materials geschützt(s. Anhang 2). Die äußerste Schicht der Apparatur ist eine 5 cm starke Bleiburg (Abb ). Diese schützt die Messvorrichtung zwar vor Strahlung der natürlichen Zerfallsreihe, aber nicht vor der Röntgenstrahlung, die von hochenergetischen Gammaquanten der Höhenstrahlung im Blei erzeugt wird und immerhin noch bis 85 kev betragen kann. Aus diesem Grund ist die nächste Abschirmung eine Eisenschicht, die die Röntgenstrahlung von Blei absorbiert und selbst nur noch 7 kev emittiert. Bei der Wahl des Eisens ist jedoch darauf zu achten, dass es vor 1960 produziert sein sollte, da seit 1960 Cäsium 137 für die Füllstandskontrolle bei der Herstellung von Stahl benutzt wird und somit auch in den Stahl gelangen kann. Um das Messgerät vor Neutronen zu schützen, die durch Spontanspaltung von Uran oder Thorium entstehen, verwendet man Cadmium, da es einen hohen Einfangsquerschnitt besitzt. Schließlich muss noch eine Schicht eingebaut werden, die für β-strahlung undurchlässig ist. Diese Aufgabe übernimmt eine Plexiglasschicht. Die folgenden Abbildungen (4.2.1, 4.2.2, 4.2.3, 4.2.4) verdeutlichen die Abschirmung des Gammaspektrometers. Es dauert ein wenig, bis der Detektor (Abb ) freigelegt ist, damit man eine Probe in einem Probendöschen (Abb ) platzieren kann. Abbildung 4.2.1: Versuchsaufbau an der TU Darmstadt. Auf diesem Bild erkennt man rechts die Bleiburg mit dem 1,8 Tonnen schweren Deckel (roter Pfeil), der auf Rollen gelagert ist, sowie links den Computer, auf dem die gemessenen Daten gespeichert werden. Abbildung 4.2.2:Die verschiedenen Schichten der Abschirmung.. 29

30 Abbildung 4.2.3: Nach dem Entfernen der weiteren Schichten liegt der Detektor (mit Schutz) frei. Abbildung : Probendöschen. In dieses kommt die Probe zum Messen. 4.3 Beispiel eines Gammaenergie-Spektrums Auf der x-achse des Diagramms sind die Gammaenergien in Form schmaler Kanäle angegeben, auf der y-achse die Anzahl der Impulse, die von Gammaquanten bestimmter Energie erzeugt worden sind. Über das gesamte Spektrum sind Ausschläge, die sogenannten Photopeaks, zu erkennen. Im Weiteren werden die Photopeaks der Einfachheit halber als Peaks bezeichnet. Die einzelnen Peaks können den zerfallenen Radionukliden zugeordnet werden, da die Gammaenergie eine spezifische Größe ist. Abbildung 4.3: Beispiel eines Gammaspektrums. 30

31 Häufig wird der Logarithmus der Impulse auf der Ordinatenachse des Diagramms eingetragen, da sonst nicht viel auf dem Spektrum zu sehen und es nicht gut auf einer Seite darstellbar wäre. 4.4 Charakteristische Energiewerte für Nuklide Jedem Nuklid werden ein oder mehrere bestimmte Energiewerte zugeordnet. Diese Energiewerte treten in Form von Gammaquanten auf, die als Peaks auf den Spektren zu sehen sind. Bei einem Nuklid, bei dem nur ein Energiewert auftritt, wird die Strahlung monoenergetisch genannt. Tritt der charakteristische Energiewert bzw. die charakteristischen Energiewerte auf, ist das Nuklid, zu dem dieser Energiewert bzw. Energiewerte gehören, mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit im Präparat enthalten. Es kann das Problem auftreten, dass ein Gammaquant mehreren Nukliden zugeordnet werden kann. Aus diesem Grund gibt es die Übergangswahrscheinlichkeit. 4.5 Übergangswahrscheinlichkeit Die Übergangswahrscheinlichkeit ist sehr wichtig für den Fall, dass einem Peak zwei oder mehrere Nuklide zugeordnet werden könnten. Bedingt durch die Tatsache, dass nicht bei allen Zerfällen Gammaquanten ausgesendet werden, gibt es eine unterschiedliche Gewichtung bei der Zuordnung der Nuklide mit den Gammaquanten. Infolgedessen gibt es für jeden Energiewert eines Nuklids eine so genannte Übergangswahrscheinlichkeit, die die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines speziellen Gammaquants bei einem speziellen Nuklid angibt. Mit Hilfe der Übergangswahrscheinlichkeit können somit Nuklide besser auseinandergehalten werden, falls ein Gammaquant mehreren zugeordnet werden kann. Außerdem kann so mit mehr Sicherheit gesagt werden, dass ein bestimmtes Nuklid vorliegt. Die jeweilige Wahrscheinlichkeit, dass bei diesem Nuklid dort ein Peak vorliegen muss, muss proportional zur Höhe des Peaks sein. Ein Beispiel: Wenn ein Nuklid mit 50%iger Wahrscheinlichkeit Gammaquanten der Energie 600 kev aussendet und mit 10%iger Wahrscheinlichkeit Gammaquanten mit der Energie von 1300 kev, so muss der Peak bei 600 kev viel größer sein, aber dennoch muss der bei 1300 kev zur eindeutigen Bestimmung des Nuklids auch vorhanden sein. 31

32 Abbildung 4.5: Tabelle aus einem Nuklidexplorer. Links sind die jeweiligen Energien in kev angegeben, rechts die Übergangswahrscheinlichkeiten zu den jeweiligen Energiewerten. In dieser Beispieltabelle (4.5), die vom Nuklid Cs 134 (vgl. auch Beispieldiagramm Abbildung 4.3) stammt, kann man die Übergangswahrscheinlichkeiten zu den jeweiligen Energien ablesen. Man müsste in dem Spektrum also mit 97,5%iger Wahrscheinlichkeit einen Peak bei 604 kev finden (er muss auf jeden Fall vorhanden sein). Ebenfalls müsste man bei den anderen Energiewerten auch Peaks angezeigt bekommen, da auch dort die Übergangswahrscheinlichkeiten sehr hoch sind. 4.6 Qualität von Gammaspektren Zu der Arbeit mit einem Gammaspektrometer gehört auch die Diskussion der Qualität von Gammaspektren. Grundsätzlich ist die Gammaspektroskopie eine hochfeine Messmethode, die sogar einzelne Photonen nachweisen kann. Allerdings muss man bei der Auswertung der Gammaenergiespektren ein paar Aspekte berücksichtigen. Bei der Qualität der Gammaspektren gibt es zwei wichtige Punkte: die tatsächlich gemessene Strahlung und die immer vorhandenen Störfaktoren Zählausbeute Wie dieser Begriff schon sagt, handelt es sich hierbei um die Messausbeute an Gammaquanten, die von dem Präparat (z.b. ein Zahn aus Zirkonoxidkeramik) ausgesandt werden. Es können keinesfalls alle Zerfälle gemessen werden. Es wird angenommen, dass Gammaquanten vom Präparat aus in alle Richtungen gesendet werden. Da das Präparat auf dem flachen Ge(Li)-Detektor liegt, ist es unmöglich, alle Gammaquanten und somit alle Zerfallsereignisse zu messen. 32

33 nicht messbare Gammaquanten Substrat Ge(Li)-Detektor messbare Gammaquanten Abbildung : Zählausbeute bei einer kleinen Masse schematisch dargestellt. In dieser Grafik ( ) ist das oben Genannte theoretisch dargestellt. Der Abstand zwischen Probe und Detektor ist in Realität größer durch einen Schutz des Detektors, wodurch die Zählausbeute ebenfalls verringert wird. Es gibt einen weiteren Faktor, wodurch die Zählausbeute geringer wird, nämlich die Selbstabsorption des Präparates, durch die einige Gammaquanten schon von der Probe selbst absorbiert werden. Bei größerer Masse nimmt die Selbstabsorption zu und es wird auch mehr von der Strahlung in den Raum abgegeben, da verhältnismäßig weniger von der Probe direkt auf dem Detektor aufliegt (Abb ). nicht messbare Gammaquanten Substrat Ge(Li)-Detektor messbare Gammaquanten Abbildung : Zählausbete bei einer größeren Masse schematisch dargestellt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird für Zahnersatz, bei dem es sich um einzelne Zähne handelt, folgendes Diagramm (Abb ) benutzt, um die Zählausbeute zu bestimmen. Dies wird später in der quantitativen Analyse wichtig. Auf der Ordinate ist die Zählausbeute in % aufgetragen, auf die Abszisse die Energie in kev. 33

34 Abbildung : Diagramm Zählausbeute in Abhängigkeit von der Gammaenergie für eine Probe mit geringer Masse Untergrundrauschen Bei einer Messung, bei der kein Präparat im Detektor war, stellt man fest, dass auch in diesem Spektrum einige Peaks zu erkennen sind. Diese Untergrundmessung ist notwendig, um in Erfahrung zu bringen, welche Gammalinien nicht von den Präparaten stammen und somit das Messergebnis verfälschen werden. Außerdem lässt sich bei dieser Messung das Untergrundrauschen erkennen, welches ebenfalls in der späteren Auswertung verrechnet werden muss. 34

35 In folgendem Leerspektrum (Abb ) ist sogar ein Photopeak bei 511 kev eindeutig zu erkennen. Abbildung 4.6.2: Spektrum der Untergrundmessung des Ge(Li)-Gammaspektrometers der TU-Darmstadt. Mit Vergrößerung des Peaks bei 511 kev. Das Untergrundrauschen wird vor allem vom Comptoneffekt verursacht (vgl. Kap 3.2.6). Dadurch, dass immer kleinere Energiebeträge abgegeben werden und das mehrmals hintereinander, entsteht ein kontinuierliches Energiespektrum, was zum Teil das Untergrundrauschen ausmacht. Die zweite Komponente dieses Rauschsignals ist die Bremsstrahlung (vgl. Kap 3.2.6), bei der auch Gammaquanten niedrigerer Energie entstehen. Der gut erkennbare Peak bei 511 kev ist auf Vernichtungsstrahlung zurückzuführen (vgl. Kap Paarbildungseffekt ), bei der es sich um Gammaquanten der Energie von 511 kev handelt. Um die Aktivität der Nuklide zu berechnen (quantitative Analyse), muss man später das Untergrundrauschen vom untersuchten Peak abziehen. Dieser Arbeitsschritt ist bei der quantitativen Analyse näher beschrieben. 35

36 4.7 Versuchsdurchführung Nachdem ich nun die Funktionsweise des Gammaspektrometers erläutert und wichtige Punkte, die man beachten muss, erklärt habe, möchte ich mich nun der Ausführung des Experiments widmen (also der Messung mit dem Gammaspektrometer). Wie in dem Kapitel über die Abschirmung des Gammaspektrometers (Kap. 4.2) beschrieben, ist die äußere Schicht der Apparatur eine 5 cm starke Bleiburg. Der auf Rollen gelagerte Deckel wiegt 1,8 Tonnen. Um diesen aufzuziehen, ist einige Muskelkraft notwendig. Danach entfernt man eine Deckelschicht nach der anderen, bis man zum Kopf des Detektors vorgestoßen ist. Nun platziert man die Probe direkt auf dem Detektor, sodass so viele γ-strahlen wie möglich auf den Detektor auftreffen und somit der Wirkungsgrad der Messapparatur so hoch wie möglich ist. Jetzt werden alle Deckel wieder platziert und zu guter Letzt mit dem Bleideckel abgedeckt, um daraufhin über den am Spektrometer angeschlossenen Computer die Messung zu starten. Abwarten und den Mitarbeitern der Technischen Universität Darmstadt zu danken, dass sie alle drei Tage den Spektrometer mit neuem flüssigen Stickstoff befüllen, um den Detektor auf Temperatur zu halten, ist das Einzige, was man während der Messzeit machen kann. Aufgrund der später beschriebenen eher geringen Radioaktivität der Zahnersatzstoffe, mussten diese Proben mindestens jeweils zwei Wochen gemessen werden, um auswertbare Ergebnisse zu erhalten. Das Messergebnis wird in einer Datei ausgegeben, die man mit dem speziell für Gammaspektrometer entwickelten Programm MAESTRO öffnen kann. Abbildung 4.7: Das Programm Maestro 36

37 5 Auswertung der Messergebnisse Die Auswertung der Messergebnisse erfolgte zu Hause vor dem Computer. Hierfür waren ein paar Computerprogramme notwendig, die ich im Einzelnen später noch kurz vorstelle. Ich möchte hier als Erstes die Proben vorstellen, die ich für die Strahlenschutzarbeit gewählt habe. Es folgen die qualitative und die quantitative Analyse, die ich am Beispiel des Zirkonsandes, des Ausgangsmaterials für das Schleifpapier und der Zahnersatzstoffe, durchführe. Ich habe mich für das Ausgangsmaterial entschieden, weil dies die größte Aktivität zeigt und die Spektren sehr aussagekräftig sind. Außerdem kann man die folgenden Proben sehr gut mit dem Ausgangsmaterial vergleichen und Unterschiede erklären. 5.1 Übersicht der Proben In folgender Tabelle (Tab. 5.1) ist eine Auswahl an verwendeten Proben aufgelistet. Wie bereits erwähnt, war es mir nicht möglich, direkt von Firmen Zahnersatzproben zu erhalten. Ich habe ausschließlich Proben von Bekannten meiner Mitschüler bekommen. Das Schleifpapier, auf das Zirkon aufgetragen ist, kann man im ganz normalen Baumarkt kaufen und den Zirkonsand (also das Mineral Zirkon) habe ich über die TU-Darmstadt bzw. von der Firma Alroko in Hamburg erhalten. Ich habe für diese Ausarbeitung eine Auswahl an Proben getroffen, da es bei den verschiedenen Messungen ähnliche Ergebnisse gab. Die Proben sind demnach repräsentativ für die einzelne Probengruppe. Eine größere Anzahl an Proben hätte den Rahmen der Strahlenschutzarbeit gesprengt und würde an der allegmeinen Aussage dieser Arbeit nichts ändern. Probe Probenkürzel Bild Zirkonsand; Firma Alroko Hamburg ZS 37

38 Schleifpapier, SP Körnung 60 4 Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik: Zähne ZE1 Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik: Rohplättchen ZE2 5.2 Vorgehensweise qualitative Analyse Nun komme ich zur quantitativen Analyse. Wie zuvor bereits erwähnt, werde ich sie am Beispiel des Zirkonsandes genauer beschreiben Die Arbeit am Computer Für die quantitative Analyse habe ich zwei Computerprogramme verwendet. Zum einen das bereits erwähnte Programm MAESTRO und ein weiteres Programm namens Nuclides2000. Mit dem Programm Maestro kalibriert man das Messergebnis als Erstes, denn es kann immer einmal ein Stromausfall etc. geschehen und das Gammaspektrometer ist nicht mehr geeicht, was bedeutet, dass Kanälen eine höhere oder eine niedrigere Energie zugeordnet wird. Dazu markiert man zwei Peaks, die man Nukliden zuordnen kann, und sagt dem Programm, bei welchem Kanal bzw. 4 Maß für die Korngröße bzw. die Feinheit des Schleifpapiers. 60 entspricht einer mittleren Korngröße. 38

39 Energiewert diese Peaks eigentlich liegen müssten. Es dauert einige Zeit, in der man sich mit den Spektren und der Messmethode beschäftigen muss, um zwei Peaks Nukliden nur durch anschauen zuordnen zu können. Am genauesten wird das Kalibrieren, wenn man Peaks auswählt, die möglichst weit voneinander entfernt sind, da so die Fehlerwahrscheinlichkeit, z.b. durch nicht genaues Auswählen der Peaks, möglichst gering ist. Wenn man das Spektrum kalibriert hat, kann man sich der Auswertung des Spektrums widmen. Man kann ablesen, bei welchen Energiewerten Peaks vorliegen und nun kann man diese Peaks Nukliden zuordnen. Dazu benötigt man das Programm Nuclides2000. Bei diesem Programm handelt es sich im Grunde um eine Datenbank, in der alle Werte für die verschiedenen Nuklide gespeichert sind. Man kann hier Halbwertszeit, Zerfallsart, Wahrscheinlichkeit der Zerfallsart usw. nachschauen. Außerdem kann manherausfinden, bei welchen Energien man Ausschläge in einem Gammaenergiespektrum erwarten kann und mit welcher Wahrscheinlichkeit (Übergangswahrscheinlichkeit, Kap. 4.5) die Zerfälle passieren, bei denen Gammaquanten dieser Energie ausgesendet werden. Diese Wahrscheinlichkeit müsste man auch in der Höhe der Peaks wiederfinden. Um nicht bei jeder Energie nachschauen zu müssen, um was für ein Nuklid es sich handeln könnte, kann man in dem Programm Maestro eine Bibliothek, Library genannt, erstellen. Da bei meinen Proben nur die natürliche Radioaktivität in Frage kommt, habe ich nur alle Nuklide eingetragen, die in den drei heute noch vorhandenen natürlichen Zerfallsreihen (vgl. Kap. 3.3) vorkommen. Man muss jeweils Nuklidname, die Energien einschließlich der Übergangswahrscheinlichkeiten und die Halbwertszeit angeben. Obwohl es im Verhältnis zu der sehr großen Anzahl an vorstellbaren Nukliden nur wenige einzutragene Nuklide waren, hat es sehr lange gedauert, für die in Frage kommenden Nuklide alle Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten einzutragen. Sobald man diesen Schritt aber geschafft hat, kann man viel einfacher und effektiver mit dem Programm Maestro arbeiten, da man nur einen Peak markieren muss und schon angezeigt bekommt, um welches Nuklid es sich handeln könnte. Nun muss man nur noch die anderen Energien des Nuklids mit hoher Übergangswahrscheinlichkeit überprüfen, da diese auch in Form von Peaks im Spektrum angezeigt werden müssen, und man kann sagen, welches Nuklid in der Probe auf jeden Fall enthalten ist. Manchmal, so zum Beispiel bei Uran-238, kann man nur durch Nachweis von Tochternukliden auf die Anwesenheit des Nuklides schließen, wenn zum Beispiel beim Zerfall keine Gammaquanten oder Gammaquanten mit einer nicht detektierbaren Energie ausgesendet werden. Außerdem muss beachtet werden, dass nicht alle Energien gemessen werden können, da das Gammaspektrometer erst ab einer Energie von ca. 35 kev detektieren kann, wodurch ein paar Peaks, die erwartet werden können, nicht im Diagramm auftreten. 39

40 5.2.2 Die gefundenen Nuklide Es folgt jetzt die etwas ausführlichere qualitative Analyse des Zirkonsandes. Die folgende Abbildung (5.2.2) zeigt das zu untersuchende Spektrum. Abbildung 5.2.2: Gammaenergienspektrum des untersuchten Zirkonsandes Diese Darstellung des Spektrums ist nicht sehr aussagekräftig, außer dass man erkennt, dass es sich wohl um eine radioaktive Probe handelt. Aber mit dem Programm Maestro kann man Bereiche vergrößern und die Energien der verschiedenen Peaks genauer bestimmen und diese identifizieren. Im Folgenden habe ich die markantesten Peaks analysiert und aufgeführt. 40

41 a) Pb 214 Dieses Nuklid (Blei-214) gehört zu der Zerfallsreihe von Uran-238. Es ist also ein Tochternuklid dessen. In der folgenden Abbildung (5.2.3) sind die Peaks in dem zu untersuchenden Spektrum rot markiert, die diesem Nuklid zuzuordnen sind. Abbildung 5.2.3: Die Peaks, die durch den Zerfall von Blei-214 verursacht wurden, rot markiert. Die Peaks, die gefunden wurden, befinden sich von links nach rechts bei den Energien 74,81 kev, 241,92 kev, 295,22 kev, 351,99 kev, 785,95 kev. Schaut man sich nun die wichtigsten Energien an, also die Energien mit den höchsten Übergangswahrscheinlichkeiten, die in der folgenden Tabelle (Abb ) dargestellt sind, erkennt man, dass vier der fünf Peaks gefunden wurden und die Höhen der Peaks proportional zu den Übergangswahrscheinlichkeiten ist (Peak bei 351,9 kev ist am höchsten). Abbildung 5.2.4: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Blei-214. Somit kann man bestätigen, dass das Nuklid Blei-215 in der Probe vorliegt sowie die Nuklide, die über Blei-214 in der Zerfallsreihe stehen, da ein radioaktives Gleichgewicht besteht (vgl. Kap. 3.3). 41

42 b) Bi 214 Auch dieses Nuklid (Bismuth-214) gehört zu der Zerfallsreihe vom Uran-238, es kann z.b. als Zerfallsprodukt von Blei-214 entstehen. In der folgenden Abbildung (Abb ) ist wieder das Spektrum dargestellt. Dieses Mal sind die Peaks, die dem Bismuth-214 zugeordnet werden können, rot markiert. Abbildung 5.2.5: Die Peaks, die durch den Zerfall von Bismuth-214 verursacht wurden, rot markiert. Es wurden sehr viele Peaks gefunden, die Bismuth-214 zugeordnet werden können. Die verschiedenen Energien hier aufzuzählen, wäre etwas unübersichtlich. Deshalb schauen wir uns zuerst die Tabelle mit den Energien und den dazugehörigen Übergangswahrscheinlichkeiten an (Abb ). Abbildung 5.2.7: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Bismuth-214. Bei allen aufgeführten Energien wurden Peaks gefunden. Somit kann man mit einer sehr hohen Sicherheit sagen, dass Bismuth-214 in der Probe vorhanden ist. 42

43 c) Ac 228 Weitere markante Peaks konnten dem Nuklid Actinium-228 zugeordnet werden. Dieses gehört zur Zerfallsreihe von Thorium-232. Im Folgenden ist das untersuchte Spektrum dargestellt (Abb ). Die zu dem Nuklid gefundenen Peaks sind wieder rot markiert. Abbildung 5.2.8: Peaks, die durch den Zerfall von Actinium-228 verursacht wurden, rot markiert. Die markanten Peaks, die markiert sind, liegen bei den Energien 911,21 kev und 966 kev. Schaut ma sich nun wieder die Tabelle mit den Energien und den dazugehörigen Übergangswahrscheinlichkeiten an (Abb ), so fällt auf, dass den beiden gefundenen Peaks die höchste Übergangswahrscheinlichkeit zugeordnet wird. Abbildung 5.2.9: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Actinium-228. Somit lässt sich auch bestätigen, dass Actinium-228 in der Probe vorhanden ist und auch hier kann man wieder mit Hilfe des radioaktiven Gleichgewichts sagen, dass auch alle anderen Nuklide, die über dem Actinium-228 in der Zerfallsreihe stehen (vgl. Kap. 3.3), in der Probe enthalten sind. 43

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