1896: Die Entdeckung der Radioaktivität Inspiriert durch Röntgen-Strahlen Untersuchung der Fluoreszenz von Uran Schwärzung von Fotoplatten in Verpackung Erklärung: Aufladung mit Sonnenlicht Henri Becquerel (1842-1908) Einheit - Aktivität: 1 Bq = 1 Zerfall / Sekunde früher Cu (curie Aktivität des Radiums ) Entdeckung der Radioaktivität 27.2.1896: Bedeckter Himmel Lagerung der Uransteine in Schublade Überraschung: deutliche Kontur der Steine Auch Uranmetall belichtet Woher kommt die Energie? 1
Entdeckung der Radioaktivität durch Henry Becquerel Metallkassette, lichtundurchlässig Film entwickelt Uransalz Marie (1867-1934) und Pierre (1859-1906) Curie Entdeckung von Radium und Polonium 1 Tonne Pechblende 0.1 Gramm Radium 2
Entdeckung von Radium und Polonium 1898: Marie und Pierre Curie extrahieren Zerfallsprodukte des Urans und Thoriums Radiumemanation (Radon) Nobelpreis Physik 1903 gemeinsam mit H. Becquerel Nobelpreis Chemie 1911 Pechblende U 2 O 3 Radiumindustrie Radium: Wellness der 1920er Jahre Giesel 1906: Leuchtziffern Gefahren ionisierender Strahlung seit Selbstversuch von Elihu Thomson 1897 eigentlich bekannt Exzessive Anwendung durch hohen Preis verhindert 3
Arten radioaktiver Strahlung Ernest Rutherford 1898: Magnetfeld 3 Arten von Strahlen: Benennung mit α, β, γ Entdeckung des Atomkerns (1909 mit H. Geiger und E. Marsden) klärt die Natur der Strahlung: α β γ 4
α-zerfall 231 90 Th + α β-zerfall 3 2 He + β 10 α- und β-zerfall Anzahl Anzahl Protonen Protonen Z Z 9 8 7 6 5 4 β-zerfall 4 5 6 7 8 9 10 Anzahl Neutronen N α-zerfall Beim radiokaktiven Zerfall entsteht ein anderes Element, weil sich die Protonenzahl ändert.- Isotope 5
α-zerfall Der Kern sendet 2n o, 2p + aus Ra Rn + 226 222 88 86 α Halbwertszeit 1600 Jahre U Th + 238 234 92 90 Pu U + 239 235 94 92 α α 4.51 10 9 Jahre 24'400 Jahre β-zerfall (n o p + + e - ): H He + 3 3 1 2 β Halbwertszeit 12.3 Jahre C N + 14 14 6 7 I Xe + 131 131 53 54 β β 5730 Jahre 8 Tage Uran-Thorium-Reihe 238U U 234 Th Mutternuklid α β β α α 234 Pa 234 U 230 Th 226 Ra α α α β β 226Ra Ra 222 Rn 218 214 214 Po Pb Bi 214 Po 214Po Po 210 Pb α β β α 210 210 Bi Po 206 Pb stabil 6
Thorium-Reihe Massenzahl A 232 232 Th Mutternuklid 228 228 Th 228 Ac 228 Th 224 224 Ra 220 220 Rn 216 216 Po 212 212 Pb 212 Bi 212 Po 208 208 Tl 208 Pb stabil 204 80 82 84 86 88 90 92 Protonenzahl Z Halbwertszeit von 131 I τ 1/2 = 8 Tage Prozentualer Anteil 131 I 100 90 80 70 60 50 T 1/ 2 1 2 1 t Anzahl T1/2 = T1/ 2 1 Anteil = 100% 2 2 Anzahl T1/2 40 1 1 = 30 4 2 2 1 1 20 = 8 2 3 1 1 = 10 16 2 4 1 1 = 32 2 5 1 0 0 28 16 24 32 40 Zeit (Tage) 0 1 2 Zeit (Tage) 3 4 5 Anzahl τ 1/2 7
Gesetz des radioaktiven Zerfalls N N 0 Anzahl radioaktiver Kerne N = N 0. λt e = N. λ : Aktivität - Anzahl der Zerfälle pro Zeitintervall N 0 /2 ln 2 T 1/2 : Halbwertzeit ( T 1/2 = ) λ λ : Zerfallskonstante N 0 /4 N 0 /8 N 0 /16 0 T 1/2 2T 1/2 3T 1/2 4T 1/2 t Das Zerfallsgesetz beschreibt die Gesetzmäßigkeit, mit der radioaktive Kerne zerfallen. Bei allen Zerfallsarten wandelt sich der instabile, radioaktive Mutterkern N in die stabilen, radiogenen Tochternuklide T um. Die Zerfallsgeschwindigkeit (dn/dt = -λ. N) eines Nuklids ist durch eine charakteristische Zerfallskonstante λ bzw. die Halbwertszeit τ 1/2 (τ 1/2 = 0,693/ λ) gekennzeichnet. Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Zahl der zerfallenden Kerne jeweils auf die Hälfte reduziert ist. Sie ist für jedes Nuklid spezifisch. 8
Aufgabe Iod 131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen. Wieviel Prozent der Nuklide sind nach 80 Tagen noch vorhanden? t 80 Tage Anzahl T 1/ 2 = = = 10 T 8 Tage 1/2 1 1 2 131 Anteil I = 100% = 100% = 0.097% Anzahl T1/2 10 2 Abschwächung radioaktiver Strahlung α- und β - Strahlen sind geladen, endliche Reichweite γ - Strahlung ist ungeladen (elektromagn. Welle) nur Abschwächung 9
Materialprüfung mit starken γ-strahlern: 60 Co 50 150 mm Stahl 192 Ir 12,5 62,5 mm Stahl 169 Yb 2,5 15 mm Stahl Technische Nutzung Quelle wird ferngesteuert ausgefahren Schweißnaht Turbinenschaufel Transport in Uran-Abschirmung Entdeckung des Neutrons 1932 Bothe und Becker 1931: Beschuss von leichten Kernen mit α-teilchen: durchdringende Strahlung Frederic und Irene Joliot-Curie: γ-strahlung schlägt Protonen heraus? Rutherford: Unfug! Chadwick 1932: Messung der Energie des Rückstoßprotons mit Ionisationskammer James Chadwick (1891-1974) Damals modernster Detektor! Kernumwandlungen mit Neutronen: 10
Die falschen Transurane: Kernspaltung! Hahn und Straßmann entdecken 1938 mit chemischen (!) Methoden die Kernspaltung: Wo kommt Barium her? Erklärung von Meitner und Frisch: Der Urankern zerplatzt! Pro Spaltung werden ca. 200 MeV frei: 1g 235 U = 1 MWd Otto Hahn Lise Meitner Fritz Straßmann Moskau 1940: Flerov entdeckt spontane Spaltung des Urans Energiegewinnung durch Kernspaltung Otto Hahn 1879 1968 1938: Spaltung von Uran zusammen mit Assistent Fritz Strassmann 1944: Nobelpreis Lise Meitner 1878 1968 Theoretische Erklärung der Kernspaltung Berechnung der dabei freiwerdenden Energie 11
Eintrag aus den Notizbuch von Lise Meitner 238 92U 146 + n 239 92U 147 239 92U 147 239 93Np 146 239 94Np 145 β - β - Kernspaltung Abstossung 12
13
Kettenreaktion Kettenreaktion 14
Mausefallen-Modell einer Kettenreaktion Atomkern: Neutronen Spaltenergie Spaltquerschnitt Kritische Masse In hochangreichertem 235U (>90%) oder 239Pu kommt es bei genügend großer Masse (möglichst kugelförmig) zu einer unkontrollierten Kettenreaktion. Kritische Masse: U-235 49 kg 23 kg (mit Wasser) Pu-239 10 kg 5.4 kg (mit Wasser) Die Kettenreaktion kann kontrolliert im Atomreaktor und unkontrolliert in der Atombombe verlaufen. 15
Atome für den Frieden : Kernenergie USA 1951: EBR-I produziert auch Strom Hochfliegende Pläne für das Atomzeitalter: UdSSR 1954 Obninsk: 1. Kernkraftwerk weltweit Ford Nucleon Entwicklung der Atombombe 1941-45 L. Szilard, A. Einstein: Brief an Roosevelt, befürchteten deutsche Atombombe Manhattan-Projekt in Los Alamos (2 G$): 16.7.1945: erster Test (Trinity) Pu-Bombe 6.8.1945 Hiroshima (80000 Tote) U-Bombe 9.8.1945 Nagasaki (45000 Tote) Pu-Bombe Beginn des nuklearen Wettrüstens Oppenheimer Groves 16
Atombombe Spaltbares Material wird erst nach Überschreiten einer kritischen Masse explosiv. Kritische Masse von reinem Plutonium 239: 4 kg Kritische Masse von reinem Uran 235: 15 kg Nutzung der Kernenergie Bsp. D: 19 Kernkraftwerke in 5 Bundesländern: 28% der Stromerzeugung in D ohne NRW: 50% in den Ländern mit KKW: Anteil 62 83 % Nur 2 Typen von KKW: Leichtwasser-Druckreaktor Leichtwasser-Siedereaktor angereichertes Uran notwendig Andere Typen stillgelegt (Niederaichbach, Schwerwasserreaktor) oder nicht in Betrieb genommen (Hamm-Uentrop/HTR, Kalkar/Schneller Brüter) Ausstieg bis 2030 geplant Verbot der Wiederaufbereitung ab 2005, kein Endlager 17
Aufbau eines Kernreaktors Moderator Wasser 238 U Brennelement 235 U Regelstab (Cadmium) Kettenreaktion 1. Neutron 18
Atomkraftwerk Aufbau Druckwasserreaktor 19
Aufbau Siedewasserreaktor Thorium-Hochtemperatur-Reaktor: Kugelhaufen-Reaktor 20
Schneller Brüter Turbine Generator Primär- Natriumkreislauf Natriumpumpe Sekundär- Natriumkreislauf Wasserkreislauf Dampferzeuger Kühlung β β Brutreaktion: n 0 + 238 U 239 U 239 Np 239 Pu schnell Spaltreaktion: n 0 + 239 Pu Spaltstücke + Energie + 3 n 0 schnell schnell Brutreaktor 21
Radioaktive Markierung in Chemie, Biologie und Medizin Idee: George de Hevesy (Nobelpreis 1943) Verfolgung radioaktiv markierter Substanzen ( 3 H, 14 C, 32 P, 99m Tc,...) auf ihrem Weg durch chemische Reaktionen Geringe Konzentrationen genügen zum Nachweis in-vitro und in-vivo (kurzlebige Nuklide) möglich Beispiel: Szintigraphie in der medizinischen Diagnostik Aufnahme mit Gammakamera Ganzkörperskelettszintigramm mit 99m Tc, Metastasen Schilddrüsenaufnahme mit 131 I oder 99m Tc Das Geiger-Müller-Zählrohr Funktionsweise Gas (Neon) im Zählrohr durch radioaktive Strahlung ionisiert Positive Ionen wandern zum negativ geladenen Metallstab Negative Ionen wandern zur positiv geladenen Hülle 22
Maßeinheiten Becquerel Bq Einheit radioaktiver Aktivität (Zerfallsereignisse je sec). Das Becquerel löst die alte Einheit Curie ab; Umrechnung: 1 Ci = 3.7E10 Zerfallsereignisse pro Sekunde = 3,7 Milliarden Bq; 1 Bq = 2,7 E-11 Ci Curie Ci Alte Einheit radioaktiver Aktivität, abgelöst durch Becquerel (s.d.). 1 mci = 37 MBq = 3.7 10 Bq Gray Gy (SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab. Es gibt an, wieviel Energie von einem kg Körpermasse aufgenommen wird. 1 Rad = 0,01 Gray; 1 Gray = 100 Rad Rad radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy) Rem roentgen-equivalent men; alte Einheit der Personendosis, abgelöst durch Sievert (Sv) Röntgen alte Einheit der Ionendosis Sievert Sv Einheit der Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung "Rem" ("roentgen-equivalent-men") ab. Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem biologischen Qualitätsfaktor. Für beta- und gamma-strahlung ist dieser Faktor 1, d.h. Sv = Gy. Für alpha-strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt. 1 Sievert = 100 Rem 23
24