27. Vorlesung EP V. STRAHLUNG, ATOME, KERNE

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Lilli Hochberg
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1 27. Vorlesung EP V. STRAHLUNG, ATOME, KERNE 28. Atomphysik, Röntgenstrahlung (Fortsetzung: Röntgenröhre, Röntgenabsorption) 29. Atomkerne, Radioaktivität (Nuklidkarte, α-, β-, γ-aktivität, Dosimetrie) Versuche: Röntgenröhre: Absorption von Röntgenstrahlung in Alufolien Röntgenbild von Knochen Funkenkammer mit α-präparat

2 Röntgenstrahlung: 1895 entdeckt W.C. Röntgen beim Experimentieren mit Elektronenstrahlröhren eine Strahlung, die lichtdurchlässige Materie durchdringt a) kontinuierliches Spektrum: Bremsstrahlung 29. Atomkerne, Radioaktivität Elektronenstrahlen werden im Metallgitter an den Atomkernen abgelenkt und emittieren Bremsstrahlung

3 29. Atomkerne, Radioaktivität a) e (kontinuierlich) e e γ b) (Linienspektrum) e e (n=2 > n=1) (n=3 > n=2) e Durch Elektronenstoß wird ein Elektron aus einer inneren Schale entfernt. Die Lücke wird schnell durch ein darüberliegendes Elektron besetzt und die freiwerdende Linienstrahlung wird beobachtet.

4 Röntgenstrahlung ionisiert Luft (allgemein Materie) schwärzt Photoplatte durchdringt Materie wird nicht durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt maximal mögliche Frequenz, minimal mögliche Wellenlänge: h f max = e U Anode λ min = f c max

5 Spektrum der Röntgenstrahlung: 29. Atomkerne, Radioaktivität (K-Serie) 1 s-elektron noch da, schirmt Kern f. p-elektr. ab Typ. Werte: Energien ~ einige 10 kev Wellenlängen ~ 0.1 nm max. Energie = Elektronenenergie

6 29. Atomkerne, Radioaktivität Anwendung: Streuung von Röntgenstrahlen an Kristallen Konstruktive Interferenz: x=λ -> Röntgenstruktur-Analyse Bei bekannter Gitterkonstante dient die Streuung zur Vermessung des Spektrums bzw. als (schmalbandiges) Filter (Interferenz der Strahlen vieler Schichten -> hohe Auflösung).

7 Absorption von Röntgenstrahlung: Röntgenstrahlung wird in Materie absorbiert. Ihre Intensität nimmt dabei exponentiell ab: 29. Atomkerne, Radioaktivität I = I 0 e µ x Absorptionsmechanismen: 1) Photoeffekt (dominant bis ca kev in weichem Gewebe) 4 3 µ ~ Z / f 2) Compton-Effekt: elastischer Stoß mit Elektron, dabei bleibt ein Röntgenquant mit niedrigerer Energie übrig µ~z 3) Paarbildung: γ -> Elektron + Positron (erst oberhalb ca. 1 MeV) (Absorption in Blei, n. Gerthsen)

Atomkerne Radioaktivität 29. Atomkerne, Radioaktivität Atome sind aus einem positiv geladenen Kern und einer negativen Elektronenhülle aufgebaut.

9 Atomkerne Radioaktivität 29. Atomkerne, Radioaktivität Atome sind aus einem positiv geladenen Kern und einer negativen Elektronenhülle aufgebaut. Der Kern trägt fast die ganze Masse, ist aber nur m groß, das Atom selbst ca m. (Nachweis des Atomkerns durch Rutherford 1911) /c 2 (M p M N = 940 MeV/c 2 ) Die Nukleonen (Protonen, Neutronen) sind im Kern wie in einem Flüssigkeitstropfen trotz der starken Coulombabstoßung durch die kurzreichweitigen anziehenden Kräfte zwischen den Nukleonen gebunden. Schwere Kerne enthalten mehr Neutronen als Protonen.

10 29. Atomkerne, Radioaktivität Nuklidkarte Ordnungszahl Z Neutronenzahl N Massenzahl A Isotope: gleiches Z, versch. N Isobare: gleiche Masse A Isotone: gleiches N A Z X N Element X: 12 6 C C 8

11 Radioaktiver Zerfall 29. Atomkerne, Radioaktivität Die meisten Kerne der Nuklidkarte sind nicht stabil, sie zerfallen exponentiell in andere Kerne (oder in weniger angeregte Zustände). Die Halbwertszeit gibt an, wann die Hälfte der Kerne zerfallen ist. t

12 A(t)

13 Radioaktiver Alpha-Zerfall 29. Atomkerne, Radioaktivität Um aus dem Kern herauskommen zu können, müssen die Alpha-Teilchen Die Coulomb-Potentialbarriere des Kerns überwinden: Sie tunneln durch die Barriere: 4 : α= 2 He n p Dies ist ein quantenmechanischer Effekt, klassisch ist der α-zerfall nicht zu erklären.

14 Radioaktiver Beta-Zerfall 29. Atomkerne, Radioaktivität Man findet ein kontinuierliches Energiespektrum: Wenn nur 2 Teilchen am Zerfall beteiligt wären, würden Energie- und Impulssatz eine scharfe Energie erwarten lassen. Also: es muss ein weiteres Teilchen entstehen -> Neutrino

15 Radioaktiver Gamma-Zerfall 29. Atomkerne, Radioaktivität (Analog zu den optischen Spektren der Atome) Wie auch bei den Atomen ist das Gamma-Spektrum der Kerne charakteristisch für den jeweiligen Kern. -> Identifikation über Gamma- Spektroskopie

19 Abschwächung geladener Strahlung: 29. Atomkerne, Radioaktivität Bragg-Peak: mit abnehmender Energie des eindringenden Teilchens wird der Energieverlust immer größer, maximal kurz vor dem Stoppen. -> Ideal zur Tumortherapie, da tief im Gewebe Energie gezielt plaziert werden kann, um Tumorzellen abzutöten. Typische Reichweiten (5 MeV): Luft Wasser Blei Alpha: 3.5 cm 26 µm 15 µm Beta: 21 m 2.5 cm 3.2 mm

20 Dosimetrie 29. Atomkerne, Radioaktivität (Bq: Becquerel)

21 29. Atomkerne, Radioaktivität

22 10 10 a a Atome 3 min Kerne s Quarks, Elektonen, Neutrinos, Photonen

23 Umweltradioaktivität für Interessierte

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