Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schubert. Fachkunde im Strahlenschutz Kurs September Naturwissenschaftliche Grundlagen I

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1 Fachkunde im Strahlenschutz Kurs September 01 Naturwissenschaftliche Grundlagen I 1

2 Themen - Aufbau der Materie - Elemente, Nuklide - Radioaktiver Zerfall - Aktivität - Zerfallsarten - Strahlung, Strahlungsarten Experiment von Geiger, Marsden und Rutherford ( ) Streuung von -Teilchen an Goldfolie

3 Größenvergleich Durchmesser: H-Kern, m H-Atom, m 1000 m Vergleich: Tennisball 6,5 cm zu 6000 m Topographische Karte 1: Prof. Dr.-Ing. L 6516; 8. Wolfgang Aufl. Landesverm.-amt Schubert Baden-Württemberg (003) 3

4 Aufbau der Materie Materie Molekül, Atomkern Sub-Elementar- Atom mit Nukleonen teilchen Atombau Elektron (1 ) Beispiel: Magnesium Atomkern (1 + ) 1 Protonen 1 Neutronen Masseverhältnis e (1) / p + (1836) 4

5 Atommodell nach Nils Bohr M-Schale n = 3 L-Schale n = K-Schale n = 1 Maximale Anzahl Elektronen pro Hauptschale = n Energie E = Energie eines Elektrons Z = Ordnungszahl e = Elementarladung r = Radius der Schale 1 Z e E r Die chemischen Eigenschaften eines Elementes werden durch die Elektronenhülle festgelegt. Elemente Anzahl Protonen = Anzahl hlelektronen = Kernladungszahl (Ordnungszahl Z) Anzahl Protonen + Anzahl Neutronen = Kernmassezahl (Massezahl M) Beispiel: Magnesium 1 p + 1 n 1 e 5

6 Nuklide Wasserstoff 1 M = 1 1H Z = 1 Beispiel: Wasserstoff-Isotope - Wasserstoff Z 1 -Deuterium - Tritium Deuterium H 1 M = Z = 1 M = Massezahl Z = Ordnungszahl Tritium H 3 1 M = 3 Z = 1 Nuklide Stabile und radioaktive Nuklide Nuklide mit ausgewogener Anzahl Neutronen (relativ zu den Protonen) sind stabil. Nuklide mit Unterschuss oder Überschuss an Neutronen sind radioaktiv. Darstellung und Einordnung in der Nuklidkarte, z.b. Kohlenstoff 8 C bis 0 C. 6

7 Nuklidkarte Ordnung gszahl Z Neutronenzahl N ne Isoto Isotope = konstante Ordnungszahl Isobare = konstante Nukleonenzahl Isotone = konstante Neutronenzahl Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München 1981 Isotope Kernspaltung 35 U + 1 n Spaltprodukte +,3 n 7

8 Radioaktiver Zerfall... 3 Th 90 8 Ra 88 8 Ac 89 8 Th 90 4 Ra 88 0 Rn 86 Beginn der natürlichen Zerfallsreihe des Thoriums Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München 1981 Natürliche Zerfallsreihen: - Thorium-Reihe - Neptunium-Reihe - Uran-Radium-Reihe - Actinium-Reihe Aktivität Zerfallsfrequenz = Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit Einheit: Bequerel 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde Beispiel: In einem Gramm Radium finden 3, Zerfälle pro Sekunde statt. Die Aktivität beträgt 3, Bequerel (Bq) = 1 Curie (Ci) 8

9 Spezifische Aktivität Bezug der Zerfallsfrequenz auf die Masse Einheit: Bq/kg 1B Bq/kg = 1Zerfall pro Sekunde pro kg Beispiel: Ein einem Kilogramm Pilze aus Süddeutschland (Herbst 1986) finden 000 Zerfälle pro Sekunde statt. Die spezifische Aktivität beträgt 000 Bq/kg auch: Bezug auf ein Volumen Einheit: Bq/m 3 1 Bq/m 3 = 1 Zerfall pro Sekunde pro Kubikmeter Beispiel: Die mittlere Strahlenbelastung von Raumluft liegt bei 50 Bq/m 3 Radon. Zerfallsgesetz Der radioaktive Zerfall läuft mit einer Kinetik erster Ordnung A A 0 da dt A Zeitliche Änderung der Aktivität A = Aktivität [Bq] A 0 = Anfangsaktivität [Bq] t = Zeit [a] (oder [s]) = Zerfallskonstante [a 1 ] (oder [s 1 ]) t A( t ) A 0 e t 9

10 Halbwertszeit Wichtiges Charakteristikum für ein Radionuklid: Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte eines Radionuklids zerfallen. A 0 A 0 1/ A 0 1/4 A 0 t 1/ t 1/ t 1/ t 1/ t 1/ t 1/ t Halbwertszeit t 1/ Zerfallskonstante ln t1 / Zerfallsgleichung fll lih A( t) A 0 e ln t t 1/ Halbwertszeit Beispiel: Das Radionuklid 137 Cs hat eine Halbwertszeit von t 1/ = 30,17 a. Wieviel ist von dem Nuklid nach dem Unfall von Tschernobyl am 6. April 1986 heute noch übrig? Zerfallsgleichung ln t t1/ A( t) A0 e Zahlenwerte A( t) 100 % e (ln ) 6 a 30,17 a 55,03 % Für 131 I (t 1/ = 8,0 d) gilt A (6 a) = e % Für 39 Pu (t 1/ = a) gilt A (6 a) = e 0, ,95 % Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München

11 Halbwertszeit Die Angabe einer Halbwertszeit bezieht sich immer auf ein einziges Nuklid! Beispiel: Zerfall von 8 Ac (HWZ = 6,13 h) zu 8 Th (HWZ = 1,913 a) 8 8 Ac Th Karlsruher Nuklidkarte; Seelmann-Eggebert, W.; Pfennig, G.; Münzel, H.; Klewe-Nebenius, H.; 5. Aufl.; Verlag Jehle; München 1981 Zerfallsarten Nuklide zerfallen auf unterschiedliche Art. Je nach Zerfallart resultieren unterschiedliche Zerfallsprodukte. Zerfallsart Tochternuklid Massezahl Tochternuklid Ordnungszahl Zerfallsprodukt -Zerfall M 4 Z Heliumkern -Zerfall M = const. Z + 1 Elektron + - Zerfall M = const. Z 1 Positron -Zerfall M = const. Z = const. -QuantQ Spontanspaltung ca. 1/ M Z = variabel variiert e -Einfang + M = const. Z 1 X-Quant 11

12 Strahlungsarten Elektromagnetische Strahlung Charakterisierung durch - Wellenlänge [m] - Frequenz [1/s] [Hz] - Wellenzahl ~ [1/m] c ~ c -Energie E [J] ~ E h Lichtgeschwindigkeit c =, ms 1 Plancksches Wirkungsquantum h = 6, Js Strahlungsarten Teilchenstrahlung Zusammenhänge zwischen elektromagnetischer Strahlung und Korpuskularstrahlung über Welle-Teilchen-Dualismus. Charakterisierung durch - Ruhemasse M [kg] - Geschwindigkeit v [m/s] - Ladung Q [As] -Energie E [J] 1

13 Strahlungsarten Ionisierende Strahlung Unterscheidung: direkt ionisierend -Strahlung -Strahlung n-strahlung X-Strahlung -Strahlung indirekt ionisierend -Strahlung X-Strahlung (Photonen) - Ladung - Ruhemasse - keine Ladung - keine Ruhemasse Strahlungsarten, Energien Elektromagnetische Strahlung Korpuskularstrahlung Frequenz [Hz] Wellenlänge [m] T IR UV Rdi/TV Radio/TV X Energie [ev]

14 Strahlungsarten Strahlungsarten: Alpha-Strahlung hl Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Röntgen-Strahlung Neutronen-Strahlung X n Fragestellungen im Strahlenschutz: Teilchenart? Typische Strahler? Energie? Ww mit Materie? Energieverteilung? Reichweite (Luft)? Ende Teil I 14

15 Fachkunde im Strahlenschutz Kurs September 01 Naturwissenschaftliche Grundlagen II Strahlungsarten Strahlungsarten: Alpha-Strahlung hl Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Röntgen-Strahlung Neutronen-Strahlung X n Fragestellungen im Strahlenschutz: Teilchenart? Typische Strahler? Energie? Ww mit Materie? Energieverteilung? Reichweite (Luft)? 15

16 Strahlungsarten Alpha-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: 4 He-Kerne Typische -Strahler: 39 Pu, 6 Ra, Rn, 35 U Energie: ca. 3 MeV - 7 MeV bei künstlichen Nukliden höher Ww mit Materie: Ionisation, Anregung Energieverteilung: diskretes Linienspektrum Reichweite (Luft): ca. 3,5 cm (bei 5 MeV) Reichweite (Gewebe): ca. 50 m Strahlungsarten Beta-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: Elektronen, Positronen Typische -Strahler: v.a. Kerne mit Neutronenüberschuss 3 H, 14 C, 90 Sr, 137 Cs, 60 Co Energie: 18,6 kev - ca. 3 MeV aus Beschleunigern größere Energien Ww mit Materie: Ionisation, Anregung, Bremsstrahlung (Röntgen) Energieverteilung: kontinuierliches Spektrum Reichweite (Luft): ca. 4 m (bei 1 MeV) Kernreaktionen: p n e + -Strahlung n p e -Strahlung 16

17 Strahlungsarten Gamma-Strahlung Eigenschaften: Teilchenart: -Quanten, Photonen, Elektromagnetische Strahlung aus angeregtem Zustand nach Zerfall Typische -Strahler: 41 Am, 60 Co, 131 I, 99 Tc, 133 Ba Energie: ca. 30 kev - 4 MeV Ww mit Materie: Streuung, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung Energieverteilung: Linienspektrum Reichweite: ec e: theoretisch e Kernreaktion: 137m 56 Ba Ba + kev) Strahlungsarten Neutronen-Strahlung Eigenschaften: Tilh Teilchenart: Neutronen n Typische n-quellen: Kernreaktionen durch kosmische Höhenstrahlung, spontane Spaltung schwerer Kerne ( 35 U), Kernreaktionen mit -Strahlung Energie: thermische n: 0,053 ev (bei 93,16 K) langsame n: < 10 ev mittelschnelle n: 10 ev... 0,1 MeV schnelle n: >01MeV 0,1 Ww mit Materie: Kernspaltung, Neutroneneinfang Kernreaktionen: Be + C + n

18 Strahlungsarten Röntgen-Strahlung Eigenschaften: Tilh Teilchenart: X-Quanten, Photonen X Typische X-Quellen: Abbremsung geladener Teilchen in metallischen Werkstoffen Energie: ca. 40 kev kev Ww mit Materie: Photoeffekt Energieverteilung: Kontinuierliches Spektrum (Bremsstrahlung) Linienspektrum (charakteristische Strahlung) ität Intensi L, L K, K Bremsstrahlung = Ablenkung im Coulomb-Feld des Atomkerns E charakteristische Strahlung = Wechselwirkung mit der Elektronenschale Themen - Wechselwirkung Strahlung <=> Materie - Energieübertragung - Abschirmung 18

19 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie - Wirkung auf Materie - Schädigung von Materie - Reichweite - Abschirmung Zeitlicher Ablauf Physikalische Phase s Wechselwirkung eines energiereichen Teilchens z.b. mit einem Wassermolekül Physikochemische h i h Phase s Das ionisierte i i Wassermolekül, zerfällt oder lagert sich zu einer anderen Verbindung um. Es bilden sich freie Radikale. Chemische Phase s Die Radikale reagieren mit benachbarten Molekülen, z.b. mit Biomolekülen Biologische Phase s irreparable molekulare Schäden führen (1 s - 30 a) zu biologischen Effekten. Zelltod, genetische Veränderungen, Missbildungen, Krebs Zeit [s] 9 19

20 Radiolyse des Wassers e kin H e O aq HO HO e H O H O* H n H e H O e O HO aq O H Ionisation Anregung H O OH 3 e aq e H OH aq H H H OH OH H H H H O H O O H O H OH OH H O* H OH O / HO / H O Lebensdauer des hydratisierten e aq -Ions bis in den Millisekunden-Bereich. Während dieser Zeit Diffusion und Schädigung anderer (Bio-) Moleküle. Ionisationsbremsung Energieabnahme eines geladenen Teilchens auf dem Weg durch Materie - Ionisation (wichtigster Vorgang) -Stoß - Anregung 0

21 Spezifische Ionisation = Anzahl der gebildeten Ionenpaare pro Millimeter Wegstrecke durch die Materie Neutrales Atom Ionenpaar Andere Bezeichnungen: - Bremsvermögen - Abbremsvermögen - linear energy transfer LET [ev/m] Spezifische Ionisation Beispiele Strahlenart Energie LET [kev/m] Medium X 50 kev 3,0 X 3 MeV 0,3 Wasser 0,6 kev 5,5 10 kev,3 1 MeV 0,5 scheinbarer Gegensatz!? n,5mev 10 n 19 MeV 7 4 MeV 55,4 1

22 LET verschiedener Strahlungsarten Ionisierungsereignisse beim Eindringen in Materie (Schema) -Strahlung g( 60 Co 1,33 MeV) X-Strahlung (50 kv) X-Strahlung (10 kv) -Strahlung Eindringtiefe Neutrales Atom Ionisationsereignis LET und Eindringtiefe Die Energieübertragung einer Strahlung auf Materie ändert sich mit der Wegstrecke. Langsamere Teilchen haben eine größere Aufenthaltsdauer und folglich einen größeren LET. Anwendung: z.b. gezielte Tumorbehandlung 0,3 LET [MeV/m] 0, 4 MeV 6 MeV 8 MeV Bragg-Kurven 0, Eindringtiefe in Wasser [m]

23 Wechselwirkung mit -Strahlung - Geradlinige Bewegung - Starke Wechselwirkung mit Materie - Starke Ionisation, ca bis 7000 Ionenpaare pro mm Luft - Pro Ionenpaar werden ca. 35 ev benötigt - Folglich entstehen bis Ionenpaare pro -Teilchen Reichweite einer -Strahlung von z.b. 7,77 MeV - Luft: m -Aluminium: 4,1 m - Gold: 1,4 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 3

24 Wechselwirkung mit -Strahlung Reichweite von MeV--Strahlung: - Luft: 700 cm - PMMA: 0,8 cm - Eisen: 0,15 cm Imp.- Rate [1/s] maximale Reichweite 3 P 1,71 MeV Bremsstrahlung I I 0 e 0 d Grundlagen der Radiochemie; Keller, K.; 3. Aufl.; Salle-Verlag FfM (1993) S Schichtdicke Al [mg/cm ] Wechselwirkung mit X- und -Strahlung - Photonen, keine Ladung, keine Masse - nur wenige Ionisationsereignisse in Materie - niedrige LET-Werte - Schwächung abhängig von Materialdichte X - Schwächung streng exponentiell - Angabe einer Reichweite nicht möglich I I 0 e d - Charakterisierung der Schwächung durch Halbwertsdicke d 1/ ln d 1 / 4

25 Wechselwirkung mit X- und -Strahlung Schwächung von 137 Cs--Strahlung durch Blei Imp.- Rate 1000 [1/s] Cs- durch Blei Schichtdicke Pb [g/cm ] Energieabsorption von Photonen 80 Ordnungszahl 60 Verschiedene Mechanismen: - Photo-Effekt niedrige Energie - Compton-Effekt mittlere Energie - Paarbildungseffekt hohe Energie Photo- Effekt Paarbildungs- Effekt Compton- Effekt Energie des -Quants 10 kev 100 kev 1 MeV 10 MeV 100 MeV 5

26 Photo-Effekt Photonen mit niedriger Energie Photo-Elektron -Quant Wirkung auf innere Elektronenhülle Z Photo Compton E Compton-Effekt Photonen mit mittlerer Energie -Quant Compton-Elektron gestreutes -Quant Wirkung auf äußere Elektronenhülle Z Photo Compton Paarbildung Paarbildung E 6

27 Paarbildungs-Effekt Photonen mit hoher Energie -Quant Elektron- Positron- Paar Wirkung auf Atomkern Z Photo Compton Paarbildung E Wechselwirkung mit Neutronen-Strahlung Verschiedene Mechanismen: Elastischer Stoß (E < E a ) 10 kev bis 1 MeV leichte Kerne Inelastischer Stoß (E > E a ) 1 MeV bis 10 MeV schwere Kerne Absorption und Emission (prompte Gamma-Quanten) M+1 Absorption mit Kernspaltung Mehrteilchenprozess und Spallation 7

28 Abschirmung von Neutronen-Strahlung Vielfältige Wechselwirkungen, deshalb mehrere Schichten: - Atome mit hoher Ordnungszahl => Bremsen durch inelastische Streuung - Atome mit niedriger Ordnungszahl => Bremsen durch elastische Streuung - Material mit hohem Einfangquerschnitt für Neutronen => z.b. B, Cd - -Strahlung aus Anregung muss absorbiert werden => Material mit hoher Ordnungszahl, z.b. Pb Praxis: Homogene Mischung der genannten Stoffe Halbwertsdicke Eine Halbwerts-Schichtdicke d 1/ reduziert die Strahlungsintensität auf die Hälfte. Wichtig für Abschirmungsberechnungen! b h Beispiel: Absorption der 66 kev--strahlung von 137 Cs in Blei. Angabe der Absorptionswirkung in [g/cm ] d 1/ = 6,8 g/cm d 1 / d 1 / Umrechnung in die Dicke = 11,34 g/cm 3 3 6,8g cm d1/ 0, 6 cm cm 11,34 g 8

29 Ende Danke für s Zuhören! Ende Teil II 9

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