Als Radioaktivität bezeichnet den spontanen Zerfall von Radionukliden unter Emission ionisierender Strahlung. 1803 John Dalton, Atomtheorie 1869 D.I. Mendelejev, Periodensystem 1888 H. Hertz, experimenteller Nachweis elektromagnetischer Wellen 1895 W.C. Röntgen, X-rays 1896 H. Becquerel, Radioaktivität von Uran, eine Art unsichtbarer Phosphoreszenz 1896 P. Zeeman, radioaktive Strahlung im Magnetfeld 1898 M. und P. Curie, Polonium und Radium 1899 M. und P. Curie, induzierte Radioaktivität Als Atom bezeichnet man das kleinste Teilchen eines chemischen Elementes, das mit chemischen Verfahren nicht mehr zerlegbar ist. Das Atom besitzt einen positiv geladene Atomkern und eine negative Elektronenhülle. mk m e = 1836 d K 10 17 kg/m 3 Atome sind ihrerseits aus kleineren Bausteinen wie Elektronen, Protonen und Neutronen aufgebaut. 1
Die Atomkerne werden auch Nuklide genannt. Die Anzahl der Protonen ist gleich der Anzahl der Elektronen in der Elektronenhülle. Die positive Ladung von Protonen ist gleich der Ladung von Elektronen (aber mit umgekehrte Vorzeichen) m proton = 1,673 10-27 kg Die Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen. Freie Neutronen wandeln sich in ein Elektron und ein Proton um. m neutron = 1,675 10-27 kg Eigenschaften der Elementarteilchen Tab. 6.4 Teilchen Proton Neutron Elektron Masse m in g 1,673 10-24 1,675 10-24 9 10-28 Energieäquivalent 938,28 939,57 0,511 der Masse in MeV Ladung in C +1,602 10-19 0-1,602 10-19 Spin ½ ½ ½ 1 ev = 1,602 10-19 J Ein Elektronvolt ist die Energie, die einem Elektron zugeführt wird, wenn es durch eine Potentialdifferenz von einem Volt beschleunigt wird. 2
Die Kernbausteine Protonen und Neutronen bezeichnet man als Nukleonen. Die Protonen werden in dem Atomkern zusammengehalten mit dem zwischen Nukleonen wirkende Kräfte besonderer Art, Kernkräfte. In einem Abstand von etwa r<10-15 m sind die Kernkräfte etwa 35 mal größer als die Coulombwechselwirkungen. Bei Nukleonenabständen r>10-14 m werden die Kernkräfte wirkungslos. r K = r A 3 0 r r K Kernradius r 0 1,3*10-15 A r Atommasse Die Zahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Kernladungszahl Z oder Ordnungszahl. Die Massenzahl A gibt die Gesamtzahl der Nukleonen im Atomkern, also die Zahl der Protonen Z plus der Zahl der Neutronen N an. A = Z + N Nuklide gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl bezeichnet man als Isotope oder isotope Nuklide. Elemente, deren Atome aus identischen Nukliden aufgebaut sind, bezeichnet man als Reinelemente. Elemente, die aus verschieden Isotopen zusammengesetzt sind, nennt man Mischelemente. 3
Wichtige natürliche Isotope ------------------------------------------------------------------------------ Isotop Stabilität rel. Mengenverhältnis -------------------------------------------------------------------------------- 1 1H 2 1H 3 1H 10 5 B 11 5 B stabil 1 stabil 1,6 x 10-4 radioaktiv 10-18 stabil 1 stabil 4,3 12 6C 13 6C 14 6C 14 7 N 15 7 N stabil 99 stabil 1 radioaktiv (β) Spuren stabil 272 stabil 1 Isotopeneffekte Physikalische Eigenschaften von H 2 O und D 2 O. -------------------------------------------------------------------------------- Verbindung Siedepunkt Gefrierpunkt Temperatur des Dichtemaximums -------------------------------------------------------------------------------- H 2 O 100 0 3,8 D 2 O 101,2 3,8 11,6 4
Kernreaktionen Die Summe der Einzelmassen der Nukleonen eines bestimmten Kerns ist größer, als die betreffende Kernmasse. Massendefekt entspricht die Bindungsenergie des Atomkerns, der nach der Einstein-Gleichung berechnet werden kann: E = m c 2 E = Energie; m = Massendifferenz; c = Lichtgeschwindigkeit. Bestimmte Zahlen von Protonen oder Neutronen scheinen eine bevorzugte Stabilität von Atomkernen mit sich zu bringen. Sie werden die magischen Zahlen genannt (2, 8, 20, 28, 50,...). Kernreaktionen 5
Durch Verschmelzung leichter Kerne (Kernfusion) und durch Spaltung schwerer Kerne (Kernspaltung) lässt sich Energie gewinnen. Kernreaktionen Radioaktiver Zerfall ist ein Prozeß, bei dem ein instabiler (radioaktiver) Atomkern durch Aussendung von Strahlung umgewandelt wird. Kernumwandlung (Transmutation) ist ein Prozeß, bei dem sich Atomkern nach Beschuß mit subatomaren Teilchen in einen anderen umwandelt Kernspaltung ist ein Prozeß, bei dem ein schwerer Atomkern in leichtere gespalten wird. Kernfusion ist ein Prozeß, bei dem leichte Atomkerne zu einem schweren Kern verschmilzen. 6
Kernreaktionen Die im Atomkern auftretenden Veränderungen können in einer kernchemischen Gleichung wiedergegeben werden. z.b. die erste Transmutations-Reaktion durchgeführt bei Rutherford in 1919. 4 14 1 17 He+ N H O 2 7 1 + 8 Bei jeder freiwillig ablaufenden Kernreaktion ist die Gesamtmasse der Produkte kleiner als die der Reaktanden. Die freigesetzte Energie E entspricht der Massendifferenz m und kann nach E = m c 2 berechnet werden. In der Kernphysik und Kernchemie wird die Energie in MeV (Megaelektronvolt, 1 ev = 1,602 10-19 J) angegeben. Radioaktive Strahlung α-strahlen: Heliumkerne β-strahlen: Elektronen γ-strahlen: elektromagnetische Strahlung (Welle) 7
Radioaktive Strahlung Bild der Wissenschaft Dossier 1/97, S. 22 Nachweis radioaktiver Strahlung Ionisation von Atomen der Moleküle (Geiger-Müller- Zählrohr, Wilson sche Nebelkammer, Elektroskop). Hier werden Gase ionisiert. Vogt/Schulz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, 2. Aufl. 8
Nachweis radioaktiver Strahlung Szintilation: Absorption von radioaktiver Strahlung und Umwandlung in sichtbares Licht (Zinksulfid, Anthracen, NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Eu) ) Vogt/Schulz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, 2 Aufl. Nachweis radioaktiver Strahlung Ionisation von Atomen der Moleküle (Geiger-Müller- Zählrohr, Wilson sche Nebelkammer, Elektroskop). Hier werden Gase ionisiert. Szintilation: Absorption von radioaktiver Strahlung und Umwandlung in sichtbares Licht Schwärzung photographischer Platten (Autoradiographie): Durch die Einwirkung der Strahlen wird aus dem AgBr des Films elementares Silber abgeschieden. 9
Radioaktiver Zerfall Von den Elementen mit der Ordnungszahl Z=1 bis Z=83 existieren über 260 stabile Nuklide, es sind aber ca. 1200 instabile, radioaktive Nuklide bekannt. Die Elemente mit den Ordnungszahlen Z=43 (Tc) und Z=61 (Pm) und alle mit Z>83 besitzen nur instabile Isotope. Der bei einer Umwandlung, unter Aussendung von radioaktiver Strahlung, neugebildeter Kern (Tochterkern) kann entweder stabil oder ebenfalls instabil sein und sich dann weiter umwandeln Radioaktive Zerfallsreihen ----------------------------------------------------------------------------- Name der Reihe Ursprung Mutterkern T 1/2 Endkern ----------------------------------------------------------------------------- Thorium natürlich 209 Bi 1,4 10 10 206 Pb 83 82 Uran-Radium natürlich 238 U 4,5 10 9 92 Aktnium natürlich U 7,1 10 8 235 Neptunium künstlich 237 93 Np 2,2 10 6 92 206 82 Pb 206 82 Pb 209 83 Bi 10
Radioaktiver Zerfall α-zerfall α-zerfall findet man für Ordnungszahlen Z 60 und Massenzahlen A 144 und vor allem für die schwere Kerne mit Z 83. A Z X M α + A 4 Z 2 X T Beispiele: 238 210 206 U α 84 Po α+ 82Pb 234 92 + 90 Th U α 238 234 92 + 90 Th Die von Radionukliden emittierten α-teilchen haben eine Energie zwischen 4-6 MeV. α- Strahlung energiereiche Teilchenstrahlung, die aus Heliumkernen besteht kann aufgrund ihrer Ladung und Masse in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt werden. Reichweite in Luft nur wenige Zentimeter. Beim Zusammenstoß mit Luftmolekülen verlieren sie an Geschwindigkeit, fangen zwei Elektronen ein und werden so zu He-Atomen. werden aus einer radioaktiven Substanz mit Geschwindigkeiten zwischen 10 000 und 30 000 km/s emittiert. 11
β - -Zerfall β - -Zerfall tritt bei solchen Kernen auf, die im Vergleich zu ihrer Protonenzahl zu viele Neutronen besitzen. Dieser Neutronenüberschuß wird durch den β - -Zerfall abgebaut und es entsteht ein (Tochter)Nuklid X T mit gleicher Massenzahl A, jedoch mit einer um eins erhöhten Ordnungszahl Z. Beispiele sind: A Z X M 218 84 214 82 Z + Po β Pb β A 0 1 X + 1e+ T + + 218 85 214 83 At Bi 0 0 v β - -Strahlen β - -Strahlen sind hochenergetische Elektronen, die aus dem Kern stammen. n p+β - + v e entstehen aufgrund der Umwandlung eines Neutrons zu einem Proton und einem Elektron bewegen sich in einigen Fällen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit kinetische Energie zwischen 0.02 und 4 MeV Reichweite von β - -Strahlen in Luft beträgt 3.9 m, in Wasser 5 mm. 12
β + -Zerfall Der β + -Zerfall tritt bei solcher Kernen auf, die im Vergleich zur Neutronenzahl zu viele Protonen enthalten. Der zugrundliegende Prozeß ist die Umwandlung eines Protons des Kerns in ein Positron β + und ein Neutrino v e. p n + b + +v e Diese Umwandlung ist nur durch Energiezufuhr möglich, weil die Masse des Protons kleiner als die des Neutrons ist. Beim β + -Zerfall entsteht ein Nuklid mit gleicher Massenzahl A, aber mit einer um eins geringerer Ordnungszahl Z. A Z X X e A 0 0 M Z 1 T + 1 + 0 β + -Teilchen sind hochenergetische Positronen. Das Positron ist positiv geladen und besitzt dieselben Masse und Eigenschaften wie das Elektron, es ist Antiteilchen zum Elektron. v e γ-zerfall Als allgemeine Darstellung für γ-zerfall kann man Schreiben: A A ( X ) X + γ Z * Z Massen- und Ordnungszahl bleiben unverändert. Die Energien der γ-quanten liegen zwischen 0,1 MeV und 20 MeV. γ-strahlen werden weder in einem elektrischen noch in einem magnetischen Feld abgelenkt. elektromagnetische Wellen von außergewöhnlich großem Durchdringungsvermögen und hoher Energie. 13
Zerfallsgesetz Der radioaktive Zerfall erfolgt spontan und kann weder mit chemischen noch physikalischen Methoden beeinflußt werden. ist eine Eigenschaft des Atomkerns und gehorcht rein statistische Gesetzen. Die Zahl der zerfallenden Kerne dn ist proportional zur Zeit dt und zur Zahl der noch nicht zerfallenen Kerne N: dn N dt 6.1 Daraus ergibt sich ein exponentiales Zerfallsgesetz: N = N 0 e -λt 6.2 N: Anzahl der zur Zeit t noch nicht zerfallenen Kerne N 0 : Anzahl der zur Zeit t=0 vorhandenen Kerne λ: Zerfallskonstante 14
Zerfallskonstante λ für jede Kernart charakteristisch. Wahrscheinlichkeit mit der ein Kern innerhalb einer Sekunde zerfällt Einheit s -1 Zerfallswahrscheinlichkeit ist konstant, d.h. hängt nicht vom Alter des radioaktiven Kernes ab Halbwertszeit T 1/2 Zeitspanne, nach der die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Kerne zerfallen ist N H λ T 1 / 2 = Zerfallskonstante und Halbwertszeit N = N0 e 2 e ln 2 ln 2 T 1 / 2 = λ 1 ln λt1 / 2 0 2 ln 2 = = N0 e = N0 Mittlere Lebensdauer Die mittlere Lebensdauer τ eines radioaktiven Kernes entspricht der Zeitspanne, nach der 1 = 0,367... e der ursprünglich vorhandenen Kerne noch vorhanden sind λτ N0 1 Nτ = N0 e = = N0 e e λ τ = 1 1 τ = λ T 1/2 = τ ln2 = τ 0,693 0,7 τ 15
Aktivität A = Anzahl Sekunde Einheit: Becquerel (Bq) 1Bq = 1 s -1 A = N λ = N 0 λ e - λt = A 0 e - λt Zahl der aktiven Kerne N multipliziert mit der Zerfallswahrscheinlichkeit Aktivität Alte Einheit: Curie (Ci) 1 Ci entspricht derjenigen Menge einer Substanz, bei der 3,7 10 10 Zerfälle pro Sekunde stattfinden. 1Ci = 3,7 10 10 Bq 1 Gramm Radium besitzt die Aktivität von 1Ci, denn m=1 g Radium (M=226 g/mol) enthält N A m 6 10 N = = M 226 23 = 22,6 10 radioaktive Kerne. Bei einer Zerfallswahrscheinlichkeit von λ =1,42 10-11 s -1 ergibt sich eine Aktivität von: 21 A = N λ = 22,6 10 21 1,42 10-11 =3,7 10 10 Bq 16
Gewinnung radioaktiver Nuklide, künstliche Elementumwandlungen Erste künstliche Kernumwandlung (E. Rutherford, 1919): N + He H 14 4 1 17 7 2 1 + 8 O 7 N(α, p) 14 17 8 O + Q Q=-1,2 MeV Erste Kernreaktion, die zur Bildung eines künstlich radioaktiven Nuklids führte (F.Joliot und I.Curie): 27 13 Al(α, n) 30 15 30 15 P + Q 30 + P Si + ß + 14 Q=-2,69 MeV v e Kernumwandlungen unter dem Beschuß mit Heliumkernen α,p-prozeß 14 4 17 7 N + 2He 8O+ α,n-prozeß 9 4 1 4 Be+ 2He 0n+ 1 1 12 6 H C 17
Kernspaltung Entstehen bei Kernreaktionen mit schweren Kernen neben einer bestimmten Anzahl von Neutronen auch noch zwei radioaktive Kerne mittelgroßer Masse, dann hat eine Kernspaltung stattgefunden. Die Kernspaltung wurde von Hahn und Strassmann entdeckt. 235 92 236 [ U ] X + Y + n Wärme 1 U + n 3 + 0 92 Bei gesteuerte Kernreaktionen muß der Neutronen- Reproduktionsfaktor nahe 1 gehalten werden. Das ist der Fall in der kontrollierte Kernreaktoren, welche zur Gewinnung elektrischer Energie benutzt werden. Anwendungen 18
Anwendungen (II) Stromerzeugung Energiegewinnung an schlecht zugänglichen Orten Konservierung von Nahrungsmitteln Analytik (Isotopenmarkierung) Diagnostik Onkologische Therapie Altersbestimmung von organischem Material 1 14 7 N + 0p 6C+ 14 1 1 H Gewinnung von Nukliden für pharmazeutische Anwendungen Kernreaktor Zyklotron Nuklidreaktor 19
Nuklidgenerator 99 Mo 99m Tc + β +γ t 1/2 = 67 h t 1/2 = 6 h Emrich D: Nuklearmedizin; Funktionsdiagnostik, Thieme 1971 Nuklidgenerator: Aktivitätsverlauf Emrich D: Nuklearmedizin; Funktionsdiagnostik, Thieme 1971 20
Biologische Effekte der radioaktiven Strahlung Bildung freier Radikale DNA-Schäden Zelltod Funktionsstörungen Mutationen Biologische Effekte der radioaktiven Strahlung (II) Absorbierte Energiedosis D: D= E/m Einheit Gray (Gy) [J/kg], früher rad 1 Gy= 100 rad Äquivelentdosis H: H=D*Q Q=Qualitätsfaktor Einheit Sievert (Sv) [J/kg], früher rem 1 Sv = 100 rem Q für α-strahlung 20, für β, γ, und Röntgen-Strahlen 1 Natürliche Strahlenbelastung 2-5 msv/a mehr als 7,5 Sv sind tödlich 21
Aufgaben Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls wird durch folgende Gleichung dargestellt: 1. 2. 3. 4. N=N 0. e -λt N=N 0. e +λt N=(N 0 N = N 0 ) -1. e λt e -λt A. nur 1. ist richtig; B. 2. Und 3. Sind richtig; C. 1, 4. Und 6. Sind richtig; D. nur 5. Ist richtig; E. 4. Und 5. Sind richtig; 5. 6. N =ln(-λt) N 0 N ln =-λt N 0 22
Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls wird durch folgende Gleichung dargestellt: 1. 2. 3. 4. N=N 0. e -λt N=N 0. e +λt N=(N 0 N = N 0 ) -1. e λt e -λt A. nur 1. ist richtig; B. 2. Und 3. Sind richtig; C. 1, 4. und 6. sind richtig; D. nur 5. Ist richtig; E. 4. Und 5. Sind richtig; 5. 6. N =ln(-λt) N 0 N ln =-λt N 0 23