www.sustainicum.at Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Grundkenntnisse Autor Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs, Bakk.rer.nat. <ewald.grohs@gmx.at> Institution, Month 013 Handout Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Grundkenntnisse Atomaufbau: Bauteile des Atoms: Proton 1,67.10 7 kg positiv geladen Neutron 1,67.10 7 kg ungeladen Elektron 9,11.10 31 kg http://www.medienwerkstatt online.de negativ geladen Kurzbezeichnungen und Symbole im Periodensystem Ordnungszahl entspricht Protonenzahl, Atomgewicht = Protonenzahl + Neutronenzahl (z.b.: C ist Symbol für Kohlenstoff, Ordnungszahl 6, Atomgewicht 1)
Strahlung: Strahlung ist die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Strahlenarten und Ionisierung: Außer Teichen oder Wellen, kann die Strahlung in nicht ionisierende und ionisierende Strahlung unterteilt werden. Nicht ionisierende Strahlung hat keine Auswirkung auf Atome oder Moleküle. Ionisierende Strahlung kann aus Atome oder Moleküle Elektronen entfernen. Dadurch entstehen positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation). Es gibt zwei Ionisierungsarten, direkt und indirekte ionisierende Strahlung. Elektromagnetische Wellen bis zum UV Bereich sind nicht ionisierenden Strahlung, unter einer Wellenlänge von 100 nm beginnt der Bereich der ionisierenden Strahlung. Wikimedia Commons
Strahlenarten: Teilchen: Teilchen und ihre Möglichkeiten zur Ionisierung von Atomen und Molekülen. Strahlung Wikipedia Alpha Teilchen sind Heliumkerne und wirken direkt ionisierend. Alphazerfall Wikimedia Commons 3
Beta Teilchen werden in ß und ß+ eingeteilt. Beta : ein Elektron wird abgegeben und wirkt direkt ionisierend Beta+: ein Elektron wird eingefangen und wirkt direkt ionisierend Betazerfall Wikimedia Commons Es gibt noch andere Zerfallsarten (Elektroneneinfang ohne Teilchenemission, spontane Spaltung Kern zerfällt in zwei andere Kerne, spontane Nukleonenemission Protonen oder Neutronen werden emittiert. Protonen wirken direkt ionisierend und Neutronen indirekt ionisierend Wellen: Elektromagnetische Strahlung Gamma Photon wirkt indirekt ionisierend. Isotope: Gammazerfall Wikimedia Commons Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Jedes natürliche Element hat stabile und instabile Isotope. Es gibt zirka 500 Isotope und davon sind nur 74 stabil. Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen früher oder später und sind daher radioaktiv. 4
Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe: Uran Radium Reihe: 38 U 06 Pb Uran Actinium Reihe: 35 U 07 Pb Thorium Reihe: 3 Th 08 Pb Reihe beginnt eigentlich bei 44 Pu Neptunium Reihe kommt in Natur nicht vor: 37 Np 09 Bi Reihe beginnt eigentlich bei 41 Pu und endet da 09 Bi nicht stabil (HWZ: Trillionen von Jahre) eigentlich bei 05 Tl Radioaktivität: Ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus. Halbwertszeit: Die Halbwertszeit (von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren) ist abhängig von der Aktivität des Elements. Isotop Halbwertszeit spezifische Aktivität 131I 8 Tage 4.600.000.000.000 Bq/mg 137Cs 30 Jahre 3.300.000.000 Bq/mg 39Pu 4.110 Jahre.307.900 Bq/mg 35U 703.800.000 Jahre 80 Bq/mg 38U 4.468.000.000 Jahre 1 Bq/mg 3Th 14.050.000.000 Jahre 4 Bq/mg 5
Nuklidkarte: In Nuklidkarten werden alle Nuklide nach Protonen und Neutronenzahl geordnet. Neutronenzahl wird horizontal, Ordnungszahl wird vertikal aufgetragen. Farben geben die verschiedenen Zerfallsarten an. schwarz = stabil Zerfallsarten Verzweigungsverhältnisse Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 006 European Communities, 006 6
Bei radioaktiven Zerfall: Alpha Zerfall: Radionuklid verliert Protonen und Neutronen Ordnungszahl sinkt um, Neutronenzahl sinkt ebenfalls um Betazerfall: ß Neutronenzahl sinkt um 1, Protonenzahl steigt um 1 ß+ Neutronenzahl steigt um 1, Protonenzahl sinkt um 1 Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 006 European Communities, 006 7
Einheiten: Aktivität Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit. Einheit: Becquerel [Bq] Energiedosis in Materie (Gewebe) abgegebene Energiemenge pro Masse. Einheit: Gray [Gy] Äquivalentdosis Energiedosis gewichtet nach Wirkung auf menschlichen Körper. Einheit: Sievert [Sv] Qualitätsfaktor Äquivalentdosis / Energiedosis. Einheit: Sievert/Gray [Sv/Gy] Dosisleistung Äquivalentdosis pro Zeiteinheit. Einheit: Sievert/Stunde [Sv/h] Dosisfaktor Äquivalentdosis / Aktivität. keine Einheit; dimensionsloser Faktor [ ] Quadratisches Abstandsgesetz: Dosisleistung nimmt quadratisch zur Entfernung ab. Strahlungsintensität I 1 I r I I I 1 r r I 1 1 r r 1 Quadratisches Abstandsgesetz Wissensportal Kernfragen http://www.kernfragen.de 8
Strahlenbelastung: Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in msv pro Jahr) Natürliche Strahlenquellen: http://www.ages.at Kosmische Strahlung Höhenstrahlung (300 µsv/a) hochenergetische Teilchenstrahlung aus All. In großer Höhe erheblich stärker als auf Meeresniveau Terrestrische Strahlung: (300 µsv/a) durch in der Natur vorkommende langlebige Radionuklide (z.b.: Uran und Thorium) Isotope in Nahrung (300 µsv/a) besonders durch 40 K Radon (1600 µsv/a) aus den drei Zerfallsreihen der Elemente Uran und Thorium gibt es 3 verschiedene Radonisotope Rn aus der 38 U Zerfallsreihe: HWZ: 3,8d 0 Rn aus der 3 Th Zerfallsreihe: HWZ: 55s 19 Rn aus der 35 U Zerfallsreihe: HWZ: 4s Rn kann durch die längere Lebensdauer durch Risse in Keller strömen. Radon ist zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen. 9
Künstliche Strahlenquellen: Bildgebende medizinische Untersuchungen (CT, Röntgen) (1300 µsv/a) Kernkraftwerke (<10 µsv/a) Atombombentests (<10 µsv/a) AKW Unfälle: Chernobyl: (<10 µsv/a) Rauchen (300 µsv/a) Die Ortsdosisleistung in Österreich (aktuell) und Cäsium 137 Belastung im Jahr 000 http://www.lebensministerium.at/umwelt/strahlen atom/strahlenschutz/strahlen warnsystem/messwerte_aktuell.html http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/001/0_radio.pdf Energiespektren: Gammaspektrum Je nach Isotop mehrere verschiedene Energien für Gammaquanten möglich. Gammaspektrum Uranerz Wikimedia Commons 10
Alphaspekten: Die Alpha Strahlung eines Isotops hat nur eine bestimmte diskrete Energie. Wechselwirkungen mit Materie Alpha Teilchen: He Kern http://dch cern.blogspot.co.at Die schweren Alpha Teilchen haben eine stärkere Wechselwirkung Atome werden ionisiert, Elektron wird aus der Atomhülle herausgeschlagen und werden nach mehreren 1000 Zusammenstößen mit Atomen abgebremst. Eindringtiefe ist gering. Ein Papierblatt kann Alpha Teilchen abhalten. Beta Teilchen: Elektron Teilchen sind wesentlich kleiner, dadurch geringere Wechselwirkung. Daher haben Beta Teilchen größere Eindringtiefe und es entsteht zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen). Darum verwendet man leichte Materialien zur Abschirmung; z.b.: einige Millimeter dickes Aluminiumblech. Gammastrahlung: Elektromagnetische Strahlung Hier sind verschiedene Wechselwirkungen möglich. Da Gammastrahlung keine Teilchenstrahlung ist, wird die Strahlung in Materie exponentiell abgeschwächt. Es gibt aber keine feste Eindringtiefe. Nach einer Halbwertsschicht wird die Intensität auf die Hälfte reduziert. Die Halbwertsschicht ist von der Energie der Gammastrahlung abhängig (z.b.: bei MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm). 11
Papierblatt Aluminiumplatte Bleiblock Eindringtiefe, Reichweite verschiedener Strahlenarten Wikimedia Commons Biologische Wirkung von Strahlung: Auswirkung auf Zellen Alpha Zerfall: Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA Zellmutation, Zelltod Indirekte Effekte Radiolyse der Aminosäuren Wasserradiolyse Radikale werden gebildet Alphateilchen hat große Masse und hohe Energie und damit eine hohe biologische Wirksamkeit. Obwohl die Reichweite gering ist und nur bis in die oberen Hautschichten eindringen kann, ist die Inkorporation von Alphateilchen sehr gefährlich. Inkorporation ist Einbringen von Teilchen in den Körper durch Einatmen, Essen, Trinken oder Rauchen. Besondere Gefährdung durch Lungenkrebs. Radon stellt den zweithäufigsten Verursacher für Lungenkrebs nach Rauchen dar. Beta Zerfall: Betateilchen sind gut abschirmbar. Betateilchen können nur in die Hautschicht eindringen, können aber Verbrennungen und Hautkrebs verursachen. Bei Bestrahlung des Auges kann es zu Linsentrübung kommen. Betastrahler in den Körper inkorporiert, können zu Schilddrüsenkrebs ( 131 I) und zu Knochenkrebs und Leukämie führen ( 90 Sr). Strontium wird statt Calcium in den Knochen eingelagert. 1
Gamma Zerfall: Die Gammastrahlung wird in Gewebe absorbiert. Es tritt Ionisierung, aber auch im Gewebe freigesetzte Sekundärstrahlung (freigesetzte Elektronen und Röntgenstrahlung) auf, die wiederum chemische Bindungen aufbrechen. Durch Zellmutationen kann es zu Tumoren und darüber zu Metastasen führen (Krebs). Strahlenschäden: Somatische Schäden Schäden durch Exposition Deterministische, akute oder kausale Schädigung (Verbrennungen, Strahlenkrankheit) Stochastische oder Spätschäden (Krebs) Teratogene Schäden Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA) pro Zelle Schädigung des Embryos Genetische Schäden Schäden in der Folgegeneration 5% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger Bestrahlung einer Keimzelle Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung: Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung ist das ALARA Prinzip As Low As Reasonably Achievable = so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist eine Strahlenbelastung von Menschen, Tieren, Pflanzen so gering als möglich zu halten, wie dies mit vernünftigen Mitteln machbar ist, um die Gesundheit nicht zu gefährden. Besonders wichtig ist der sorgsame Umgang mit radioaktiven Stoffen. Das Lüften von Kellern ist besonders wichtig, um das radioaktive Radon durch Frischluftzufuhr zu verdünnen. Beim Rauchen von Tabak wird radioaktives Polonium frei. Weiters ist kontaminierten Lebensmitteln, wie Wild oder Pilzen aus von Cernobyl mit Cäsium 137 besonders kontaminierten Böden mit besonderer Vorsicht zu begegnen. 13