Institut für Physikalische Chemie und Radiochemie Strahlenphysikalische Grundlagen

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1 Institut für Physikalische Chemie und Radiochemie Strahlenphysikalische Grundlagen Fachkundekurs Strahlenschutz S2.2 und S4. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schubert Mannheim 9. September 206 Hochschule Mannheim University of Applied Sciences Aufbau der Materie Materie, z.b. Kristall Molekül, Atom Atomkern mit Nukleonen Sub-Elementarteilchen 2 47

2 Experiment von Geiger, Marsden und Rutherford (906-93) Streuung von -Teilchen an Goldfolie, Wichtig zum Verständnis der Wirkung von Abschirmungen 3 47 Aufbau des Atoms Größenvergleich

3 Aufbau des Atoms Größenvergleich Durchmesser: H-Kern 2,6 0 5 m H-Atom 2,4 0 0 m Vergleich: Tennisball 6,5 cm zu 6000 m Topographische Karte : L 656; 8. Aufl. Landesverm.-amt Baden-Württemberg 5 47 (2003) Aufbau der Materie, Atommodell nach Nils Bohr M-Schale n = 3 L-Schale n = 2 K-Schale n = Maximale Anzahl Elektronen pro Hauptschale = 2n 2 Energie Masseverhältnis e () / p + (836) E = Energie eines Elektrons Z = Ordnungszahl e = Elementarladung r = Radius der Schale 2 Z e E 2 r Die chemischen Eigenschaften eines Elementes werden durch die Elektronenhülle festgelegt

4 Chemische Elemente, Molmasse Anzahl Protonen = Anzahl Elektronen = Kernladungszahl (Ordnungszahl Z) Anzahl Protonen + Anzahl Neutronen = Kernmassezahl (Massezahl M) Beispiel: Magnesium 2 p + 2 n 2 e Z = 2 M = Nuklide, stabil / radioaktiv Wasserstoff H M = Z = Beispiel: Wasserstoff-Isotope - Wasserstoff - Deuterium -Tritium Deuterium 2 H M = 2 Z = M = Massezahl Z = Ordnungszahl Tritium 3 H M = 3 Z =

5 Nuklidkarte Ordnungszahl Z Neutronenzahl N Isotone Isotope= konstante Ordnungszahl Isobare = konstante Nukleonenzahl Isotone= konstante Neutronenzahl Isotope Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe- Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München Nuklide, stabil / radioaktiv 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. Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München

6 Kernspaltung Experimente: Otto Hahn und Fritz Straßmann (938) Deutung: Lise Meitner und Otto Frisch (939) 235 U + n Spaltprodukte + 2,3 n 47 Radioaktiver Zerfall Natürliche Zerfallsreihen Th Ra Ac Th Ra Rn 86 Beginn der natürlichen Zerfallsreihe des Thoriums Natürliche Zerfallsreihen: - Thorium-Reihe - Neptunium-Reihe - Uran-Radium-Reihe - Actinium-Reihe

7 Arten von radioaktivem Zerfall Radioaktive Nuklide zerfallen auf unterschiedliche Art. Je nach Art des Zerfalls resultieren unterschiedliche Zerfallsprodukte und Strahlungsarten. Zerfallsart Tochternuklid Massezahl Tochternuklid Ordnungszahl Zerfallsprodukt -Zerfall M 4 Z 2 Heliumkern -Zerfall M = const. Z + Elektron + - Zerfall M = const. Z Positron -Zerfall M = const. Z = const. -Quant Spontanspaltung ca. /2 M Z = variabel variiert e -Einfang + M = const. Z X-Quant 3 47 Strahlungsarten, Übersicht Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Röntgen-Strahlung Neutronen-Strahlung X n Fragestellungen im Strahlenschutz: Teilchenart? Typische Strahler? Energie? Ww mit Materie? Energieverteilung? Reichweite (Luft)?

8 Strahlungsarten, Eigenschaften -Strahlung Teilchenart: 4 He-Kerne Typische -Strahler: v.a. Kerne mit sehr großer Masse 239 Pu, 226 Ra, 222 Rn, 235 U Energie: ca. 3 MeV - 7 MeV bei künstlichen Nukliden höher Ww mit Materie: direkt und dicht ionisierend, Anregung Energieverteilung: diskretes Linienspektrum Reichweite (Luft): ca. 3 cm - 7 cm Faustformel: Reichweite [cm] Energie [MeV] Reichweite (Gewebe): ca. 50 mm 5 47 Strahlungsarten, Eigenschaften + -Strahlung, -Strahlung Teilchenart: Elektronen, Positronen Typische -Strahler: v.a. Kerne mit Neutronenüberschuss 3 H, 4 C, 90 Sr, 37 Cs, 60 Co Energie: 8,6 kev - ca. 3 MeV aus Beschleunigern größere Energien Ww mit Materie: direkt und locker ionisierend, Anregung, Bremsstrahlung (Röntgen) Energieverteilung: kontinuierliches Spektrum Reichweite (Luft): ca. 4 m (bei E max = MeV) Faustformel: Reichweite [cm] Energie [MeV] / (2 [g/cm³]) Kernreaktionen: p n e + -Strahlung n p e -Strahlung

9 Strahlungsarten, Eigenschaften -Strahlung Teilchenart: -Quanten, Photonen, elektromagnetische Strahlung aus angeregtem Zustand nach Zerfall Typische -Strahler: 24 Am, 60 Co, 3 I, 99 Tc, 33 Ba Energie: ca. 30 kev - 4 MeV Ww mit Materie: indirekt und locker ionisierend Streuung, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung Energieverteilung: Linienspektrum Reichweite: theoretisch Kernreaktion: 37m 56 Ba Ba + (662 kev) 7 47 Strahlungsarten, Eigenschaften Röntgen-Strahlung (X-Strahlung) X Teilchenart: X-Quanten, Photonen Typische X-Quellen: Abbremsung geladener Teilchen in metallischen Werkstoffen Energie: ca. 40 kev kev Ww mit Materie: indirekt und locker ionisierend, Photoeffekt Energieverteilung: Kontinuierliches Spektrum (Bremsstrahlung), Linienspektrum (charakteristische Strahlung) Intensität La, Lb Ka, Kb E Bremsstrahlung = Ablenkung im Coulomb-Feld des Kerns charakteristische Strahlung = Wechsel der Elektronenschale von e

10 Strahlungsarten, Eigenschaften Neutronen-Strahlung n Teilchenart: Neutronen Typische n-quellen: Kernreaktionen durch kosmische Höhenstrahlung, spontane Spaltung (sf) schwerer Kerne ( 235 U), Kernreaktionen mit a-strahlung Energie: thermische n: 0,0253 ev (bei 293,6 K) langsame n: < 0 ev mittelschnelle n: 0 ev... 0, MeV schnelle n: > 0, MeV Ww mit Materie: indirekt und dicht ionisierend, Kernspaltung, Neutroneneinfang Kernreaktion: Be + C + n Strahlungsarten, Energien Elektromagnetische Strahlung, Korpuskularstrahlung Frequenz [Hz] Wellenlänge [m] T IR UV Radio/TV X Energie [ev]

11 Aktivität Zerfallsfrequenz = Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit Einheit: Bequerel Bq = Zerfall pro Sekunde Beispiel: In einem Gramm reinem Radium finden 3,7 0 0 Zerfälle pro Sekunde statt. Die Aktivität beträgt 3,7 0 0 Bequerel (Bq) = 37 GBq = Curie (Ci) 2 47 Spezifische Aktivität Bezug der Zerfallsfrequenz auf die Masse Einheit: Bq/kg Bq/kg = Zerfall pro Sekunde pro kg Probe Beispiel: Ein einem Kilogramm Pilze aus Süddeutschland (Herbst 986) finden 2000 Zerfälle pro Sekunde statt. Die spezifische Aktivität beträgt 2000 Bq/kg. auch: Bezug auf ein Volumen Einheit: Bq/m 3 Bq/m 3 = Zerfall pro Sekunde pro Kubikmeter Fluid Beispiel: Die mittlere Strahlenbelastung von Raumluft durch natürliches Radon liegt bei 50 Bq/m

12 Zerfallsgesetz Der radioaktive Zerfall folgt einer Kinetik erster Ordnung Differentialgleichung des Zerfallsgesetzes: A da A dt A 0 t Zeitliche Änderung der Aktivität A = Aktivität [Bq] A 0 = Anfangsaktivität [Bq] t = Zeit [a] (oder [s], [min], [h], ) = Zerfallskonstante [a - ] Integriertes Zerfallsgesetz A( t ) A 0 e N( t) N 0 e t t Aktivität Stoffmenge Halbwertszeit Wichtiges Charakteristikum für ein Radionuklid: Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte des Nuklids zerfallen. A A 0 /2 A 0 Halbwertszeit t /2 Zerfallskonstante ln 2 t / 2 /4 A 0 Zerfallsgleichung 0 t /2 t /2 t /2 t /2 t /2 t /2 t A( t) A e 0 ln 2t t /

13 Halbwertszeit, Beispiel Beispiel: Das Radionuklid 37 Cs hat eine Halbwertszeit von t /2 = 30,7 a. Wie viel ist von dem Nuklid nach dem Unfall von Tschernobyl am 26. April 986 heute noch übrig? Zerfallsgleichung A( t) A 0 e ln 2t t / 2 Zahlenwerte A( t) 00 % e (ln 2) 30,5 a 30,7 a 49,62 % Für 3 I (t /2 = 8,02 d) gilt A (30,5 a) = e 962,8 0 % (8,02 d 365,25 d/a = 0,02958 a) Für 239 Pu (t /2 = 24.0 a) gilt A (30,5 a) = e 0, ,924 % Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München Halbwertszeit, Beispiel Die Angabe einer Halbwertszeit bezieht sich immer auf ein einziges Nuklid! Beispiel: Zerfall von 228 Ac (HWZ = 6,3 h) zu 228 Th (HWZ =,93 a) Ac Th Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München

14 Strahlungsfelder Strahlungsquellen erzeugen Strahlungsfelder Teilchenflussdichte [/m 2 s] (phi) Energieflussdichte [W/m 2 ] (Psi) Quelle Feld Feld Senke Quelle emittiert ionisierende Strahlung Feld durchsetzt den Raum mit Strahlung Senke ändert Energie und Raumverteilung Abstandsquadratgesetz Isotrope Punktquelle mit kugelförmigem Strahlungsfeld H Quelle Intensität, Teilchenzahl und Energiedichte nehmen mit zunehmendem Abstand quadratisch ab. hohe Bedeutung für Strahlenschutz! H H A 2 r H H 2 r r / 4 H / 4 H / 4 H / 4 H H H A r = Äquivalentdosisleistung [Sv/h] = Gammadosisleistungskonstante [Svm 2 /hgbq] = Aktivität [GBq] = Abstand [m]

15 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Energieübertragung von Strahlung auf Materie Wirkung von Strahlung, v.a. biologische Wirkung Dosis und Dosisermittlung Abschirmung Spezifische Ionisation Ionenpaare pro Weglänge Neutrales Atom Ionenpaar Linear Energy Transfer Größe zur Darstellung der Wechselwirkung: Linear Energy Transfer, LET auch: Bremsvermögen, Abbremsvermögen LET = Energieabgabe pro durchstrahlte Weglänge Einheit [kev/m] Locker ionisierend < 3,5 kev/m Dicht ionisierend > 3,5 kev/m

16 Ionisationsbremsung Energieabnahme eines geladenen Teilchens auf dem Weg durch Materie Ionisation Stoß Anregung 3 47 LET und Eindringtiefe Die Energieübertragung einer Strahlung auf Materie ändert sich mit der Geschwindigkeit. Langsamere Teilchen haben eine größere Aufenthaltsdauer und einen größeren LET. Anwendung: gezielte Tumorbehandlung, Moderation von Neutronen 0,3 LET [MeV/m] 0,2 4 MeV 6 MeV 8 MeV Bragg-Kurven 0, Eindringtiefe in Wasser [m]

17 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 bis Ionenpaare pro -Teilchen Reichweite einer -Strahlung von z.b. 7,7 MeV - Luft: m - Aluminium: 4, m - Gold:,4 m 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 der -Teilchen

18 Wechselwirkung mit -Strahlung Reichweite von 2 MeV--Strahlung: - Luft 700 cm - PMMA 0,8 cm (Polymethylmetacrylat, Plexiglas ) - Eisen 0,5 cm Imp.- Rate [/s] maximale Reichweite 32 P,7 MeV Bremsstrahlung I I 0 e d Grundlagen der Radiochemie; Keller, K.; 3. Aufl.; Salle-Verlag, FfM (993) S Schichtdicke Al [mg/cm 2 ] Wechselwirkung mit - und Röntgen-Strahlung Photonen, keine Ladung, keine Masse nur wenige Ionisationsereignisse in Materie niedrige LET-Werte X Schwächung abhängig von Materialdichte Schwächung streng exponentiell Angabe einer Reichweite nicht möglich Charakterisierung der Schwächung durch Halbwertsdicke d /2 I I 0 e d ln2 d /

19 Wechselwirkung mit - und Röntgen-Strahlung Schwächung von 37 Cs--Strahlung durch Blei Imp.- Rate [/s] Cs- durch Blei Schichtdicke Pb [mg/cm 2 ] Energieabsorption von Photonen Verschiedene Mechanismen: - Photo-Effekt niedrige Energie - Compton-Effekt mittlere Energie - Paarbildungseffekt hohe Energie Ordnungszahl Photo- Effekt Paarbildungs- Effekt Compton- Effekt 0 kev 00 kev MeV 0 MeV 00 MeV Energie des -Quants

20 Photoeffekt Photonen mit niedriger Energie Photo-Elektron -Quant Wirkung auf innere Elektronenhülle Z Photo Compton E Comptoneffekt Photonen mit mittlerer Energie -Quant Compton-Elektron gestreutes -Quant Wirkung auf äußere Elektronenhülle Z Photo Compton Paarbildung Paarbildung E

21 Paarbildungseffekt Photonen mit hoher Energie -Quant Elektron-Positron-Paar verlässt Atomkern im 80 -Winkel Rekombination von e + mit e ergibt Vernichtungsstrahlung 2 x 5 kev Wirkung auf Atomkern Z Photo Compton Paarbildung E 4 47 Wechselwirkung mit Neutronen Verschiedene Mechanismen: Elastischer Stoß (leichte Kerne) n Inelastischer Stoß (schwere Kerne) Absorption und Emission (prompte Gamma-Quanten) M+ Absorption mit Kernspaltung Mehrteilchenprozess und Spallation

22 Abschirmung von Neutronen 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 aus Spänen der genannten Stoffe Abschwächungsgesetz Exponentielles Abschwächungsgesetz I I 0 e d Schwächungsgrad I0 S I Örtliche Änderung der Aktivität I = Zählrate [/s] I 0 = Anfangszählrate [/s] d = Schichtdicke [cm] (oder [m], [mm], [cm], ) = Abschwächungskoeffizient [cm - ] S = Schwächungsfaktor [-]

23 Halbwertsschichten Halbwertsschichtdicke Anzahl der Halbwertsschichten Gesamte Schichtdicke der Abschirmung n ln2 d /2 / 2 logs log2 d n d / 2 / 2 Abschirmungsdicke d /2 = Halbwertsschichtdicke [cm] n /2 = Anzahl von Halbwertsschichten [-] = Abschwächungskoeffizient [cm - ] d = Schichtdicke [cm] (oder [m], [mm], [cm], ) S = Schwächungsfaktor [-] Literatur Birgit Dörschel, Volkmar Schuricht, Joachim Steuer: Praktische Strahlenschutzphysik; Spektrum Akademischer Verlag; Heidelberg, Berlin, New York, 992 Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes, 2. Aufl., Teubner-GWV-Verlage, Wiesbaden, 2007 Hans-Gerrit Vogt, Heinrich Schultz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes; 6. Aufl., Hanser-Verlag, München,

24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Fachkundekurs Strahlenschutz S2.2 und S4. Naturwissenschaftliche Grundlagen Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schubert Mannheim, 9. September

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