RADIOAKTIVITÄT. n, p = Nukleonen (= Kernteilchen) n = Neutronen p = Protonen Nuklid = Kern. Atomphysik: befasst sich mit dem Kern und der Hülle

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1 RADIOAKTIVITÄT Atomphysik: befasst sich mit dem Kern und der Hülle Kernphysik: beschäftigt sich mit den Vorgängen im Kern Jeder Kern wird durch zwei Zahlen angegeben:.) Massenzahl... A (Summe aus p und n).) Protonenzahl, Ordnungszahl... Z (nur die p) X n, p = Nukleonen (= Kernteilchen) n = Neutronen p = Protonen Nuklid = Kern.) stabiles Nuklid : ist so zusammengesetzt, dass es einen energetisch (= von der Energie her) günstigen Zustand einnimmt..) instabile Nuklide: (= Radionuklide) = radioaktiv, besitzen Kerne, die wie Radium strahlen

2 Radioaktivität/2 Halbwertzeit (HWZ): sie gibt den zeitlichen Ablauf einer radioaktiven Umwandlung an (= jene Zeit, in der von der Muttersubstanz noch die Hälfte übrig ist.) Isotope: Verwandte eines Elements mit gleichem Namen. Bei den Isotopen besteht nur ein Unterschied in der Massenzahl, da sich nur die Anzahl der Neutronen ändert! Die Protonenzahl bleibt gleich: Isotope des Wasserstoffs: e - e - e - e - Elektron p Proton n Neutronen H H H Wasserstoff Deuterium Tritium Bei den Isotopen besteht nur im Kern (Anzahl der Neutronen) ein Unterschied.

3 Radioaktivität/3 Nachweis der verschiedenartigen Ladung radioaktiver Strahlen: Durch das Magnetfeld werden die Ladungsträger (+/-) in ihrer Richtung beeinflusst; die ungeladenen Teilchen behalten ihre Strahlungsrichtung (~). Ionisierende Strahlung = Strahlung, die, wenn sie mit Materie in Wechselwirkung tritt, Atome und Moleküle ionisieren kann. e - wird aus der Elektronenhülle (= Atomhülle) gelöst, zurück bleibt ein positiver Atomrest (Kern + ): e l e s A + e n

4 Radioaktivität/4 Atom, beschossen durch ein schnelles e -! positiver Atomrest (A + ) + langsames e - und normales e -. a) direkte ionisierende Strahlung wird durch geladene Teilchen (e -, p) verursacht ; geladene Teilchen, die durch Stoß soviel Energie haben, dass sie ionisieren können: 1. α Strahlen: entladen relativ stark (erzeugen auf kurzer Wegstrecke sehr viel Ionen), daher sind Strahlen dicht ionisierend Umgebungsstrahlen:.) aus dem Weltall (Teilchenschauer).) aus dem Boden.) aus der Luft (Radium, Radon).) Mensch strahlt selbst " Reichweite: nie weiter als 10 cm (dabei wird Energie abgegeben) "Abschirmung: bereits durch Papier, Haut hält α Strahlung auf umschlossenes Präparat: Strahlung kommt heraus, nicht aber die Substanz

5 Radioaktivität/5 offenes Präparat: Substanz (z.b. Radium) gelangt in den Körper, legt sich ab und zerstört die umgebenden Zellen 2. β Strahlen: bilden auch Ionenpaare, aber weniger dicht ionisierend (geben weniger Energie ab) # β- Strahlen reichen weiter " Reichweite: zwischen cm " Abschirmung: 1 2 cm starkes Plexiglas, 1 cm Aluminium β- Strahlen dringen selten von außen in die Haut und den Körper (außer: Augen, Verletzungen, offene Wunden) 3. γ Strahlen: kommen fast immer als Mischstrahlen (α + γ, β+ γ ) vor; γ- Strahlen: Wellenstrahlung, keine Teilchenstrahlung " Reichweite: sehr weit strahlend " Abschirmung: Bleiplatten, Erde, Stahlbeton γ- Zerfall ist der einfachste Zerfall, Kern ändert weder seine Masse, noch seine Ordnungszahl

6 b) indirekte ionisierende Strahlung Radioaktivität/6 wird durch ungeladene Teilchen (n) verursacht (= elektromagnetische Strahlung); das ungeladenen Teilchen tritt mit Materie in Wechselwirkung; es besitzt soviel Energie, dass herausgeschlagene Teilchen ionisiert werden können; in der Materie kann es zu Kernumwandlungen kommen; " große Reichweite " fast keine Abschirmung möglich, weil großes Durchdringungsvermögen KERNKRAFTWERKE Kernkraftwerke erzeugen aus der durch Kernspaltung freigesetzten Energie elektrischen Strom. Im normalen Betrieb sind Kernkraftwerke "sauberer" als zum Beispiel kalorische Kraftwerke, bei denen besonders die Freisetzung von Kohlendioxid nicht vermieden werden kann. Neben der Gefahr eines Unfalls in einem Kernkraftwerk liegt der größte Nachteil in der noch ungelösten Frage der Entsorgung, d. h. der Endlagerung des hochradioaktiven Abfalls.

7 Radioaktivität/7 ENERGIEGEWINNUNG: In einem Kernreaktor erfolgt die Kernspaltung in Form einer gesteuerten Kettenreaktion. Die freie Kernenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Die in den Brennelementen erzeugte Wärme wird durch Wasser abgeführt. Ein Teil dieser Energie dient zur Erzeugung von elektrischer Energie. $ Der radioaktive Abfall: Die "abgebrannten" Brennelemente enthalten nur mehr 1% des verwendeten Kernbrennstoffs U-235. Sie müssen unter größten Sicherheitsvorkehrungen ausgetauscht werden. Sie werden zunächst im Reaktorgebäude in Wasserbecken gelagert und nach einigen Jahren in Zwischenlager oder Wiederaufbereitungsanlagen gebracht. Bei der Wiederaufbereitung wird das noch vorhandene spaltbare Uran abgetrennt. Die hochradioaktiven Spaltprodukte werden entfernt und für die Endlagerung vorbereitet. Als Endlager werden aufgelassene Bergwerke benützt. Das Problem, wie man den radioaktiven Müll am besten lagert, ist aber noch nicht gelöst.

8 Radioaktivität/8 Als Kernreaktoren werden hauptsächlich Druckwasserreaktoren verwendet. Ganz selten stehen noch Siedewasserreaktoren in Verwendung. % DRUCKWASSERRAKTOR: Das Kühlwasser wird unter so hohem Druck gehalten, dass es nicht zu sieden beginnt. Es gibt einen Teil der Energie in einem Dampferzeuger auf das Wasser eines zweiten Kreislaufes ab. Der Dampf dieses Kreislaufes treibt, wie in einem Dampfkraftwerk, eine Turbine und erzeugt so elektrische Energie. & Siedewasserreaktor: In diesem Reaktortyp befindet sich nur ein Kreislauf. Durch die große Hitze verdampft ein Teil des Kühlwassers. Dieser Dampf wird auf die Turbinen geleitet.

9 Radioaktivität/9 SCHUTZ VOR STRAHLUNG Die radioaktive Strahlung nimmt mit der Entfernung von der Quelle ab und kann auch durch Abschirmung verringert bzw. gestoppt werden. Dennoch: Radioaktive Bestrahlung sollte möglichst vermieden werden! Kann man sich bei einem Kernkraftwerksunfall schützen? ' Alarmsystem kennen 1. WARNUNG 3 Minuten gleichbleibender Dauerton - HERANNAHHENDE GEFAHR! Radio- oder Fernsehgerät (ORF) einschalten, Verhaltensmaßnahmen beachten. 2. ALARM 1 Minute auf- und abschwellender Heulton - GEFAHR! Schützende Räume (z. B. Keller) aufsuchen, über Radio oder TV durchgegebene Verhaltensmaßnahmen befolgen 3. ENTWARNUNG 1 Minute gleichbleibender Dauerton - ENDE DER GEFAHR Einschränkungen im täglichen Lebensablauf werden über Radio oder TV durchgegeben. ' Kalium-Iodtabletten einnehmen Damit ist die Schilddrüse mit Iod übersättigt und nimmt für einige Zeit kaum zusätzliches Iod auf.

10 Was ist Radioaktivität? Die gesamte Materie unserer Umwelt, auch wir Menschen, sind aus kleinen Bausteinen aufgebaut - diese werden Atome genannt. Ein Atom besteht aus einem Kern und aus Teilchen, die den Kern umkreisen. Diese werden Elektronen genannt. Dieser kleinste Baustein ist ähnlich wie unser Sonnensystem aufgebaut. Die Elektronen, sie würden den Planeten entsprechen, umkreisen den Kern, im Großen die Sonne. Dies ist der Normalzustand bei den meisten Elementen, aus denen unsere Welt zusammengesetzt ist. Nun gibt es aber einige Elemente, deren Atomkern sich dauernd umwandelt und dabei Strahlen aussendet (z. B. Uran, Radium...). Das nennt man natürliche Radioaktivität. Sie stammt teilweise aus dem Inneren der Erde (Erdstrahlung) und aus dem Weltall (kosmische Strahlung). Die Umwandlung im Atomkern ist vielleicht vergleichbar mit einem Holzscheit, das verbrennt und dabei Wärmeund Lichtstrahlen aussendet. Nur ist der Vorgang bei der Radioaktivität viel langsamer und für unsere Sinne nicht feststellbar. Der Mensch lebt seit Beginn seiner Entwicklung mit dieser natürlichen Radioaktivität und ist sicherlich auch von ihr mitgeformt. Der Mensch kann aber auch seit einiger Zeit künstliche Elemente und deren Abkömmlinge herstellen, die auch Strahlen aussenden. Dies ist die künstliche Radioaktivität. Diese Elemente werden in Kernreaktoren und Beschleunigern hergestellt und werden zu friedlichen und kriegerischen Zwecken verwendet. Die ausgesendeten Strahlen sind wesentlich energiereicher als Licht und Wärme und können von keinem Organ des Menschen wahrgenommen werden. Es gibt verschiedene Arten von Strahlen, die von den Atomkernen ausgesendet werden und zumeist gleichzeitig auftreten: 1. Alpha-Strahlen Es sind kleinste Teilchen aus Atomkernen, die nur eine geringe Reichweite in der Luft haben (nur einige Zentimeter, max. 10 cm). Ihre Eindringtiefe in die Haut beträgt nur Bruchteile eines Millimeters. Sie werden größtenteils bereits von der Kleidung abgefangen, können intakte Haut nicht durch dringen und können bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden. Alphastrahlen bestehen aus positiven Heliumkernen ( 4 2 He ).

11 2. Beta-Strahlen Dabei handelt es sich ebenfalls um kleinste Teilchen aus Atomkernen und sie haben eine Reichweite von einigen Metern (max. 10 m). Auch sie werden größtenteils durch Kleidung und Haut aufgehalten, können aber besonders dort in den Körper eindringen, wo keine Kleidung vorhanden ist (Kopf, Hände). Beta-Strahlen bestehen aus Elektronen (e - ), die bei der Umwandlung von Neutronen in Protonen entstehen. Nach dem Bohr schen Atommodell besteht jedes Atom aus einem positiv geladenen Atomkern und einer Hülle aus negativ geladen Elektronen. Atomkerne bestehen aus positiven Protonen und ungeladenen Neutronen. Bei der Beschreibung eines Atomkernes gibt man vor dem Elementsymbol links oben die Massenzahl (= Protonen + Neutronen) und unten die Kernladungszahl (= Anzahl der Proto- nen) an, z.b U oder 4 2 He. Diese Angabe bedeutet, daß der Atomkern dieses Uranatoms aus insgesamt 238 Teilchen besteht. Von diesen 238 Teilchen sind 92 Protonen, die anderen 146 Teilchen sind Neutronen. 238 ist in diesem Fall die Massenzahl, 92 die Kernladungszahl oder Ordnungszahl. Vereinfacht schreibt man auch Uran Gamma-Strahlen Sie bestehen aus einer besonders kurzwelligen elektromagnetischen Wellenstrahlung und sind der Röntgenstrahlung ähnlich, nur wirken sie stärker. Sie haben theoretisch eine unendliche Reichweite, können Beton und Blei durchdringen, ebenso natürlich auch den menschlichen Körper. Man kann die Wirkung einer bestimmten Strahlenmenge messen - die gemessene Menge wird Dosis genannt. Hier betrachten wir nur die biologische Wirkung, die Folgen für den Körper. Als Vergleich für die Wirkung von Strahlen wird die Wirkung einer Röntgenstrahlung herangezogen. Diese wurde durch Tierexperimente festgestellt. Die Dosis wird mit einer Einheit bezeichnet: 1 rem (= radiation equivalent man) Sie gilt für alle Strahlenarten. Die höchstzulässige Jahresdosis beträgt 5 rem. Im Vergleich dazu beträgt die natürliche Radioaktivität ca. 0,1 rem pro Jahr. Die kritische Dosis bei einer einmaligen, kurzfristigen Ganzkörperbestrahlung, bei der es zu Schäden kommen kann, liegt bei 100 rem. Die tödliche Dosis liegt bei 800 rem.

12 Wie kann es zu Schäden am Körper kommen? Die Strahlen treffen auf Zellen des Körpers, schädigen oder vernichten sie. Wir können das mit Hitzeeinstrahlung vergleichen. Bei dieser kann es auch zu Rötungen, Verbrennungen und Verkohlung kommen. Wir können aber Hitze mit unseren Organen bemerken und uns rasch schützen, sofern es möglich ist. Radioaktive Strahlen wirken ähnlich, nur können sie vom Menschen nicht bemerkt werden. Den größten Schaden richten radioaktive Strahlen an, wenn sie in den Körper eindringen und von innen her die Organe schädigen oder zerstören. Der Mensch kann auf verschiedene Arten radioaktiver Strahlung ausgesetzt werden: 1) Kontamination Darunter versteht man die Verunreinigung einer Oberfläche mit radioaktiven Substanzen (Haut, Boden, Pflanzen...). Auf der menschlichen Haut können sich staubförmige, flüssige, oder gasförmige Substanzen absetzen. Sie können mit der Zeit durch die Poren der Haut in den Körper eindringen. Wesentlich rascher geschieht dies aber durch Wunden. Für normal werden diese Substanzen aber von der ca. 7 mm dicken, strahlungsunempfindlichen Haut abgefangen. Daraus ergibt sich, da ss durch gründliche Reinigung des Körpers die Gefahr verringert werden kann. Diese Reinigung wird Dekontamination genannt. Bei längeren Aufenthalten auf Wiesen, also auch beim Wandern, können strahlende Substanzen besonders an unbekleideten Stellen in den Körper eindringen, weil scharfe Gräser oder Insekten kleine Wunden verursachen können. 2) Inkorporation Darunter wird die Aufnahme radioaktiver Substanzen in offener Form in den Körper verstanden. Besonders gefährlich sind hier die Teilchenstrahlung, also die Alpha- und Betastrahlen. Diese sind wie winzige Staubteilchen auf allen Oberflächen anzutreffen. Die Strahlen können im wesentlichen auf drei Arten in den Körper gelangen: a) durch den Mund i n Magen und Darm (Essen und Trinken) b) durch den Mund in die Lungen (Einatmen) c) durch die Haut bei längerer Einwirkung und durch Wunden 3) Äußere Bestrahlung Bei der äußeren Bestrahlung sind die Gamma-Strahlen gefährlich. Diese Strahlen sind durch keine Schutzmaßnahmen, wie Haut, Blei oder Beton, aufzuhalten. (Röntgenstrahlen sind zwar ähnlich, können aber durch Bleischürzen abgeschirmt werden). Vor den Gamma-Strahlen kann man sich nur durch Vergrößerung des Abstandes von der Strahlungsquelle schützen.

13 Wie kann man sich nun vor Strahlenschäden schützen? Die radioaktiven Substanzen lagern sich im allgemeinen im Körper in mehreren Organen ab. Jenes Organ, das durch eine Strahlenwirkung den größten Schaden erleidet, ist das kritische Organ :.) die Schilddrüse durch Einwirkung von radioaktiven Jod (Jod 131).) das Knochenmark durch Einwirkung hoher Dosen von Radium oder Strontium... Besonders gefährdet sind Kinder und ältere Menschen. Grundsätzlich erreicht man den größten Schutz dadurch, da ss keine radioaktiven Substanzen in den Körper eindringen können. Was soll vermieden werden? * längeres Einatmen von radioaktiven Staub (Sport, Spiel, langes Arbeiten in staubreicher Umgebung wie Straßen, Wiesen) * Genuss von radioaktiven Nahrungsmitteln * Arbeiten mit bloßen Händen oder Füßen an Pflanzen oder in der Erde Es soll immer an gründliche körperliche Reinigung gedacht werden, auch an schwer zugänglichen Körperstellen (Fingernägel, Zehenzwischenräume...) Es ergeben sich aber auch Schutzmechanismen, die sich aus den Eigenschaften der strahlenden Substanz erklären lassen. Der wichtigste Schutzmechanismus ist die Zeit. Jede radioaktive Substanz zerfällt nach einer gewissen Zeit. Man nennt die Zeit, in der die Hälfte der radioaktiven Substanz zerfällt, die Halbwertzeit. Nach einer Halbwertzeit ist nur noch die Hälfte der Strahlung vorhanden, nach zwei Halbwertzeiten nur noch ein Viertel, nach drei Halbwertzeiten nur noch ein Achtel der ursprünglichen Strahlung, usw. Es drängt sich natürlich die Frage auf, wie lange die Halbwertzeiten dauern. Sie liegen zwischen Milliarden von Jahren und Bruchteilen einer Sekunde: Beispiel: Uran ca. 1,5 Milliarden Jahre Jod 131 ca. acht Tage Strontium, Cäsium ca. 30 Jahre Polonium 0,00016 Sekunden

14 Allerdings treten bei Kernwaffendetonationen oder bei Reaktorunfällen meist Gemische verschiedener radioaktiver Substanzen auf. Jeder dieser Strahlen zerfällt nach ihrer eigenen Halbwertzeit. Glücklicherweise sind die meisten dieser Strahlen kurzlebig und verlieren bald an Gefährlichkeit. Aus Atomwaffentests und anderen Experimenten hat sich ein Zerfallgesetz ergeben. Es handelt sich um die sogenannte Siebenerregel : 1 Stunde nach dem Ereignis beträgt die Dosis 1 z. B. 200 rem 7 Stunden 1/10 z. B. 20 rem 7x7 Stunden (zwei Tage) 1/100 z. B. 2 rem 7x7x7 Stunden (zwei Wochen) 1/1000 z. B. 0,2 rem Das bedeutet, da ss nach zwei Wochen die Hauptgefahr vorbei ist. Außerdem lässt sich aus diesen Angaben die Wichtigkeit von Schutzräumen ableiten. Als Vergleich sei noch erwähnt, da ss die natürliche Strahlenbelastung in Österreich ca. 0,1 rem beträgt. Aus dem vorher Erwähnten ergeben sich auch Angaben über die Verwendbarkeit von Lebensmitteln, die einer Strahlung ausgesetzt sind oder waren. Beispiele: Wenn eine Kuh Gras von einer verseuchten Wiese frisst, so gelangt das Gras in den Körper der Kuh. Die produzierte Milch, aber auch das Fleisch der Kuh, enthalten ebenfalls strahlende Substanzen. Die strahlenden Substanzen verbleiben aber nicht ewig in der Milch bzw. im Fleisch. Herauskochbar oder herausbratbar sind sie nicht. Sie zerfallen von selbst nach einiger Zeit, die durch die Halbwertzeit bestimmt ist. Im Fall von Jod 131 ist nach ca. einer Woche die Hälfte der strahlenden Substanzen zerfallen (HWZ ca. 1 Woche), nach zwei Wochen (2 HWZ) ist noch 1/4 vorhanden, nach 3 Wochen (3 HWZ) noch 1/8 usw. Je nach Intensität der Ausgangsstrahlung, die ja laufend gemessen wurde, ist also die Milch (getrocknet oder eingefroren) wieder verwendbar. Das gleiche gilt für das Fleisch jeder Tierart, auch des freilebenden Wildes. AUF DIE DOSIS KOMMT ES AN! Im Waldboden halten sich radioaktive Stoffe besonders. Zum Beispiel ergaben Messungen 10 Jahre nach Tschernobyl, da ss sich im Boden von Nadelwäldern noch bedeutende Mengen von Cäsium befanden. Dementsprechend waren auch

15 Pilze aus solchen Wäldern kontaminiert. Aber auch das Fleisch von Wildschweinen, deren Nahrung hauptsächlich bis ausschließlich im Waldboden zu finden ist, ist noch immer verstrahlt. Doch wenn man einmal im Monat Pilze oder Fleisch von Wildschweinen isst, lauft man überhaupt nicht Gefahr, radioaktiv verseucht zu werden. Sammeln von Kräutern/Schneiden von Gemüse Der Sofortgenu ss ist logischerweise untersagt, da sich strahlende Substanzen auch im Inneren der Pflanze befinden. Nach Trocknen der Kräuter oder nach dem Einfrieren des Gemüses sind diese, wenn die strahlenden Substanzen zerfallen sind, wieder verwertbar. Strahlende Substanzen zerfallen auch im tiefgefrorenen Zustand! Auch auf den Wiesen, im Staub oder auf anderen Oberflächen zerfällt jede strahlende Substanz, gemessen an der zugehörigen Halbwertzeit.

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17 Arbeitsblatt: Radioaktivität.) Womit befasst sich die Atomphysik?.) Womit befasst sich die Kernphysik? mit den im.) Durch welche zwei Zahlen wird jeder Kern angegeben? Durch die und die.) Woraus setzt sich die Massenzahl zusammen? aus und.) Wie kann die Protonenzahl noch genannt werden?.) Woraus setzt sich die Ordnungszahl zusammen? aus nur den.) Was versteht man unter Nukleonen? und.) Was versteht man unter dem Begriff Nuklid?.) Welches Nuklid ist radioaktiv? Das stabile oder das instabile Nuklid? Nuklid.) Was versteht man unter Halbwertzeit? den einer radioaktiven jene Zeit, in der von der noch die übrig ist

18 .) Was ist ein Isotop? Verwandte eines bleibt gleich, das sich nur in der unterscheidet; die Anzahl der ändert sich - die.) Welche Arten der ionisierenden Strahlung kennst Du? ionisierende Strahlung ionisierende Strahlung.) Wir haben drei verschiedene Strahlungen kennengelernt; welche Reichweite haben sie, und wodurch können sie abgeschirmt werden? α-strahlen β-strahlen γ-strahlen

19 Arbeitsblatt: Radioaktivität Auflösung.) Womit befasst sich die Atomphysik? mit Kern und Hülle.) Womit befasst sich die Kernphysik? mit den Vorgängen im Kern.) Durch welche zwei Zahlen wird jeder Kern angegeben? Durch die Massenzahl und die Protonenzahl.) Woraus setzt sich die Massenzahl zusammen? aus Protonen und Neutronen.) Wie kann die Protonenzahl noch genannt werden? Ordnungszahl.) Woraus setzt sich die Ordnungszahl zusammen? aus nur den Protonen.) Was versteht man unter Nukleonen? Neutronen und Protonen.) Was versteht man unter dem Begriff Nuklid? Kern.) Welches Nuklid ist radioaktiv? Das stabile oder das instabile Nuklid? instabile Nuklid.) Was versteht man unter Halbwertzeit? den zeitlichen Ablauf einer radioaktiven Umwandlung; jene Zeit, in der von der Muttersubstanz noch die Hälfte übrig ist.) Was ist ein Isotop? Verwandte eines Elements, das sich nur in der Massenzahl unterscheidet; die Anzahl der Neutronen ändert sich - die Protonenzahl bleibt gleich.) Welche Arten der ionisierenden Strahlung kennst Du? direkte ionisierende Strahlung indirekte ionisierende Strahlung.) Wir haben drei verschiedene Strahlungen kennengelernt; welche Reichweite haben sie, und wodurch können sie abgeschirmt werden? α-strahlen β-strahlen γ-strahlen maximal 10 cm cm sehr weit Papier, Haut Plexiglas, Bleiplatten, Erde, Aluminium Stahlbeton