Strahlung und Radioaktivitaet

Unter Radioaktivität (von lat. radius, Strahl) oder radioaktivem Zerfall oder Kernzerfall versteht man die
Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende
Energie wird in Form ionisierender Strahlung, nämlich energiereicher Teilchen und/oder Gammastrahlung,
abgegeben.
Radioaktive Strahlung gab es schon immer auf der Erde. Ein Teil dieser sog. terrestrischen Strahlung hat seinen Ursprung in Elementen, die
schon immer auf der Erde vorhanden sind.
Es existieren also gewisse Elemente, wie z.B. das Uran, die radioaktive Strahlung aussenden. Dabei werden Teilchen des jeweiligen Atoms
abgestrahlt und somit dessen Beschaffenheit verändert. So entsteht bei jedem Schritt dieses Kernumwandlungsprozesses ein anderes Element.
Er setzt sich solange fort bis ein Element entstanden ist, welches nicht mehr zerfallen kann (ein stabiles Element wie z.B. Blei).
1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel bei dem
Versuch, die gerade gefundene Röntgenstrahlung durch
Fluoreszenz erklären zu wollen, dass Uransalz
fotografische Platten zu schwärzen vermochte. Allerdings
war die Uranprobe dazu auch ohne Vorbelichtung in der
Lage, was Fluoreszenz als Ursache ausschloss. Wie er
später zeigte, konnte diese neue Strahlung
lichtundurchlässige Stoffe durchdringen und Luft
ionisieren, ohne dabei von Temperaturänderungen oder
chemischen Behandlungen der Probe beeinflusst zu
werden.
Nach ihm wurde die Maßeinheit Becquerel für die
Radioaktivität benannt
Die Bezeichnung radioaktiv wurde 1898 erstmals vom
Ehepaar Marie Curie und Pierre Curie für das zwei Jahre
vorher von Antoine Henri Becquerel entdeckte Phänomen
geprägt. Der Umwandlungsprozess wird auch als
radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall bezeichnet.
Eine Zerfallsreihe ist die Abfolge der Zerfallsprodukte des radioaktiven Zerfalls, die entsteht, wenn ein radioaktives Nuklid
seinerseits in ein anderes Nuklid zerfällt. Dieses Nuklid wird auch Tochternuklid genannt, das dem Tochternuklid folgende
Enkelnuklid, das dem Enkelnuklid folgende Urenkelnuklid usw. Die Zerfallsreihe gibt an, in welche Isotope das
Ausgangsnuklid der Reihe nach zerfällt. Da die natürlichen Zerfallsarten die Massenzahl des Nuklids entweder
unverändert lassen, wie die Gamma- und Betastrahlung (wandelt ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um, die
Massenzahl bleibt gleich, Kernladungszahl wird um 1 erhöht), oder um vier vermindern, wie die Alphastrahlung, gibt es
für schwere natürliche Radionuklide vier verschiedene Zerfallsreihen, die Massenzahlen (links hochgestellt)
charakterisiert diese auch eindeutig:
Thorium-Zerfallsreihe
(4·n)
Uran-Radium-Zerfallsreihe (4·n + 2)
Uran-Actinium-Zerfallsreihe (4·n + 3)
Neptunium-Zerfallsreihe
(4·n + 1)
Der in Klammern angegebene Term beschreibt, wie sich die Massezahl eines Mitglieds der Zerfallsreihe darstellen
lässt. Dabei ist n eine natürliche Zahl. Zum Beispiel sind die Massezahlen der Mitglieder der Thorium-Zerfallsreihe
immer als Vielfache von 4 darstellbar.
Der α-Zerfall führt zu einem Kern, der im N-Z-Diagramm um
zwei Plätze nach links und um zwei Plätze nach unten
gegenüber der Lage des Mutterkerns verschoben ist.
Der β-Zerfall führt zu einem Kern, der im N-Z-Diagramm um
einen Platz nach links und um einen Platz nach oben
gegenüber der Lage des Mutterkerns verschoben ist.
γ-Übergänge führen zu keinem Platzwechsel im N-ZDiagramm.
Die vier Zerfallsreihen:
Uran-RadiumZerfallsreihe (4·n + 2)
Aus einer vorhandenen Menge eines instabilen Nuklids
bildet sich durch Zerfall ein Gemisch der Nuklide, die
ihm in der Zerfallsreihe folgen, bevor irgendwann alle
Atomkerne die Reihe bis zum Endnuklid durchlaufen
haben. In dem Gemisch sind Nuklide mit kurzer
Halbwertszeit nur in geringer Menge vorhanden,
während solche mit längerer Halbwertszeit sich
entsprechend stärker ansammeln.
Warum ist die Neptuniumreihe
nicht mehr in der Natur zu
beobachten? Das Alter der Erde
beträgt ca. 4,5 Milliarden Jahre.
Die längste Halbwertszeit der
Neptuniumreihe ist 2,1 Millionen
Jahre. Daher ist von dieser Reihe
kaum noch ein Mitglied in der
Natur vorhanden.
Die Zerfallsreihen in der Nuklidkarte
Darstellung der Thorium Zerfallsreihe 4n
Gesetz des Radioaktiven Zerfalls
Beim radioaktiven Zerfall wandeln sich instabile Kerne in andere Kerne um.
Bei einem einzelnen instabilen Atomkern kann man allerdings nicht vorhersagen, wann er zerfallen wird – er kann in der
nächsten Sekunde oder aber in Tausenden von Jahren zerfallen. Bei einer großen Anzahl von Atomkernen lässt sich aber
eine statistische Aussage über den Ablauf des Zerfalls machen.
Trägt man die Anzahl der noch nicht zerfallenden Kerne N in Abhängigkeit von der Zeit t auf, so ergibt sich folgender
Verlauf:
Mathematische Beschreibung des radioaktiven Zerfalls:
Anhand der Form dieses Graphen kann man vermuten, dass es sich um
eine Exponentialfunktion mit negativem Exponenten handelt. Eine
allgemeine Form dieser Funktion ist:
Zur genaueren Bestimmung der Gleichung müssen für a und k genauere
Angaben gemacht werden. Da a den Wert angibt, bei dem der Graph die yAchse schneidet, muss hier der Funktionswert zu Anfang des Zerfalls gewählt
werden. Der Faktor k im Exponent gibt die Größe des Zerfalls an, somit die
Zerfallskonstante (λ) des zerfallenden Stoffes. Da die Funktion bestimmten
Zeitpunkten Funktionswerte zuordnet, ist für x hier t zu wählen.
Die Halbwertszeit tH lässt sich aus dem Diagramm
einfach ermitteln: Man schaut, nach welcher Zeit die
mit N0: Anzahl der Teilchen zu Anfang des Zerfalls
Anzahl der ursprünglich vorhandenen Kerne N0 auf
Die Aktivität A gibt die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde an. A= ΔN/Δt
die Hälfte abgenommen hat.
Analog gilt dies auch für die Aktivität, da sie proportional zur Anzahl
Nach zwei Halbwertszeiten ist die Anzahl auf 1/4 des
der radioaktiven Teilchen ist:
Anfangswertes gesunken usw.
mit A0: Aktivität zu Anfang des Zerfalls
Es gilt: A = λ·N
λ ist der Proportionalitätsfaktor für N ~ ΔN/Δt also N = λ·A
Beispielaufgaben zum Zerfallsgesetz
Aufgabe 1
Bei einem radioaktiven Präparat sind ursprünglich 2,88 · 1020 Atomkerne vorhanden.
Die Zerfallskonstante beträgt λ = 0,1 min-1.
a) Wie groß ist die Anzahl der noch nicht zerfallenden Atomkerne nach einer Stunde?
gegeben:
Es gilt:
Das Produkt aus Zerfallskonstante und Zeit im Exponenten ergibt 6
Eingesetzt in das Zerfallsgesetz erhält man N = N0 e-6
Antwort:
Nach einer Stunde sind noch 7,139 · 1017 Atomkerne vorhanden.
b) Berechne die Halbwertszeit!
tH = ln2/λ
Antwort:
Die Halbwertszeit beträgt 6,93 Minuten.
c) Nach welcher Zeit sind 90% der ursprünglich vorhandenen Atomkerne zerfallen?
Vorüberlegung: Zu Beginn (bei t = 0) sind noch alle, also 100% der Kerne vorhanden. Nach der
gesuchten Zeit sind 90% zerfallen, es sind also nur noch 10% der ursprünglichen Anzahl vorhanden.
Es gilt: N = 0,1 N0  0,1N0 = N0 e-λt  0,1 = e-λt  ln(0,1) = -λt  t = 23,02 min
Antwort:
Nach 23,03 Minuten sind 90% der Atomkerne zerfallen.
Aufgabe 2
Radon zerfällt mit einer Halbwertszeit von 3,83 Tagen. Wie groß ist die Zerfallskonstante?
Wir verwenden den o.g. Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und Zerfallskonstante:
tH = ln2/λ  λ = ln2/tH
Antwort:
Die Zerfallskonstante beträgt 0,18 d-1
.
Größen zur Erfassung ionisierender Strahlung
Um zu erfassen, wie stark ein radioaktives Präparat strahlt oder wie viel Strahlung ein Körper
in einer bestimmten Zeit aufnimmt, gibt es verschiedene physikalische Größen:
Die Aktivität
Die Energiedosis
Die Äquivalentdosis
Die Aktivität
Die Aktivität A eines Körpers gibt an, wie viele Kerne in einer bestimmten Zeit zerfallen (also wie groß die Änderungsrate
ΔN/Δt in einer bestimmten Zeitspanne ist) und dabei Strahlung abgeben.
Die Aktivität charakterisiert damit die „Stärke“ einer Strahlungsquelle.
Da die Anzahl der Kerne N abnimmt, ist die Änderungsrate ΔN negativ.
Da die Anzahl der vorhandenen Kerne mit der Zeit abnimmt (s. Zerfallsgesetz), nimmt auch die Aktivität eines Präparats mit
der Zeit ab.
Die Aktivität ist damit proportional zur Anzahl der vorhanden Atomkerne N – je mehr Kerne (noch) vorhanden sind, umso
mehr können in einer bestimmten Zeit zerfallen. Also: A = N ·λ und
Die Einheit der Aktivität ist 1 Becquerel (Bq), benannt nach dem französischen
Physiker Henri Becquerel (1852-1908), dem Entdecker der Radioaktivität.
Also Zerfälle pro Sekunde!
Die Energiedosis
Die Energiedosis D gibt an, wie viel Energie E eine bestimmte Masse m eines bestrahlten Körpers absorbiert (aufnimmt).
D = E/m Einheit : [D] = J/kg oder 1 Gray (Gy)
Info: Eine Energiedosis von ca. 6Gy führt als Ganzkörperbestrahlung zum Tode eines Menschen.
Ein Körper erhält die Energiedosis 1 Gy, wenn er
durch Strahlung eine Energie von 1 Joule je
Kilogramm aufnimmt. Beim Menschen führt eine
Ganzkörperbestrahlung in einer kurzen Zeit mit
einer Energiedosis von über 4 Gy zum Tode. Die
gleiche Energiedosis über einen langen Zeitraum
hinweg führt in der Regel zu keinen erkennbaren
Veränderungen.
Bei der Strahlentherapie wird mit einer relativ
hohen Energiedosis von 40-70 Gy gearbeitet, die in
einzelnen Dosen über einen längeren Zeitraum
hinweg verabreicht wird. Dabei ist allerdings zu
beachten, dass der bestrahlte Bereich nur der des
Tumors ist, die Strahlung also auf einen kleinen und
sorgfältig ausgewählten Bereich konzentriert wird.
Während die Aktivität die "Stärke" einer Strahlungsquelle beschreibt (Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit), führt man zur
Beschreibung der Wirkung der radioaktiven Strahlung auf einen Körper den Begriff der Dosis ein. Dividiert man die Dosis
durch die Zeit, so gelangt man zur Dosisleistung.
Die Energiedosis besagt noch nichts über die Wirkungen, die radioaktive Strahlung in einem
Körper anrichtet. Die biologischen Wirkungen werden mit der Größe Äquivalentdosis
erfasst.
Die Äquivalentdosis H
Die Äquivalentdosis berücksichtigt neben der Energieabgabe an den Körper auch noch die unterschiedliche Wirkung
verschiedener Strahlenarten auf das Zellgewebe eines lebenden Organismus, indem die Energiedosis mit einem
Bewertungsfaktor q multipliziert wird. Für diesen Zusammenhang gilt H=q⋅D.
Radioaktive Strahlung kann verschiedene
biologische Wirkungen haben, insbesondere
Zellen beeinflussen. Dabei hängt die biologische
Wirkung radioaktiver Strahlung auf einen Körper
davon ab, wie viel Strahlung ein Körper aufnimmt,
welche Art der Strahlung aufgenommen wird,
welche Körperteile bzw. Organe bestrahlt werden.
Die biologischen Wirkungen radioaktiver
Strahlung werden durch die physikalische Größe
Äquivalentdosis erfasst.
Die Äquivalentdosis kennzeichnet die von einem
Körper aufgenommene Energiedosis unter
Berücksichtigung biologischer Wirkungen.
Nach gegenwärtigen Erkenntnisse treten bei Menschen bereits bei kurzzeitiger Strahlenbelastung ab 250 mSv Schäden
auf. Eine Bestrahlung mit 5 000 mSv ist tödlich. Für Menschen, die beruflich Strahlung ausgesetzt sind (z.B. in der
Medizin, in der Forschung, in Kernkraftwerken), gilt zur Zeit ein Grenzwert von 50 mSv pro Jahr. Die Strahlenbelastung
solcher Personen wird ständig kontrolliert. Die durchschnittliche Strahlenbelastung von Personen, die nicht beruflich
mit Strahlung zu tun haben, liegt in Deutschland bei etwa 4 mSv im Jahr.
Die effektive Äquivalentdosis
Bei Bestrahlung des Menschen, die von außen oder auch von innen durch aufgenommene radioaktive Stoffe erfolgen
kann, werden Organe und Gewebe unterschiedlich belastet, da ihre Strahlenempfindlichkeit unterschiedlich ist. Man
hat deshalb für die Berechnung des tatsächlichen Strahlenrisikos für Organe und Gewebe Wichtungsfaktoren festgelegt
und kann mit ihrer Hilfe die effektive Äquivalentdosis für ein Organ oder ein bestimmtes Gewebe berechnen. Sie ist das
Produkt aus der Äquivalentdosis und dem entsprechenden Wichtungsfaktor .
Beispiel:
Durch Aufnahme von Iod-131 mit der Nahrung ist die Schilddrüse einer Person mit einer Äquivalentdosis von 100 mSv
belastet worden. Dann erhält man als effektive Äquivalentdosis:
D q ,effektiv = 100 mSv ⋅ 0 ,03 = 3 mSv
Würde man den ganzen Körper mit 3 mSv bestrahlen, so ergäbe sich das gleiche Schadensrisiko.
Die Ionendosis
Die Ionendosis J ist eine physikalische Einheit zur Messung ionisierender Strahlung. Sie bezeichnet die Menge an
ionisierender Strahlung, die beim Durchgang durch ein Kilogramm Luft (T=0°C; p=1013 hPa) eine Ladung (eines Vorzeichens)
von 1 Coulomb erzeugt. Sie hat also die Dimension Ladung/Masse.
J = Q/m
Q ist die elektrische Ladung der Ionen eines Vorzeichen, die in Luft (L) in einem Volumenelement V des Materials durch
Strahlung gebildet wird.
Die SI-Einheit der Ionendosis ist C/kg, alte Einheit ist das Röntgen.
Messgeräte wie Stabdosimeter, Ionisationskammer oder Zählrohr bestimmen die Ionendosis. Darüber kann man die
Energiedosis abschätzen, die Auskunft gibt über die Strahlenbelastung. Um in Luft 1 Coulomb freier Ionen zu erzeugen,
benötigt man die Energie von ca. 35J. Damit gilt:
1 C/kg Ionendosis entspricht ungefähr 35 J/kg Energiedosis
Nachweismethoden und –Geräte für Radioaktivität
Radioaktive Strahlung lässt sich nicht mit unseren Sinnesorganen erfassen. Um sie nachzuweisen, müssen ihre Wirkungen
genutzt werden. Die wichtigste Wirkung ist das Ionisationsvermögen. Wichtige Nachweismöglichkeiten sind
•fotografische Schichten,
•Zählrohre,
•Nebelkammern.
Darüber hinaus gibt es weitere Nachweismöglichkeiten, z.B. Szintillationszähler, Blasenkammern, Ionisationskammern,
Spinthariskope oder Detektoren unterschiedlicher Bauart.
Fotografische Schichten (Filme, Dosimeterplaketten)
Trifft radioaktive Strahlung oder Röntgenstrahlung auf die Dosimeterplakette, so
wird der Messfilm geschwärzt. Durch die verschiedenen Filter gelangt
unterschiedlich viel Strahlung zum Film und bewirkt eine unterschiedliche
Schwärzung der betreffenden Stellen. Damit kann man eine Auswertung der
Schwärzung des Films dahingehend vornehmen,
•welche Arten von Strahlungen aufgetreten sind und
•wie intensiv diese Strahlungen waren.
Die Auswertung des Messfilms erfolgt in der Regel monatlich.
Die Vorteile von Dosimeterplaketten bestehen darin, dass
•sie problemlos an der Kleidung angebracht und ständig getragen werden
können,
•mit ihnen relativ genau die Strahlenbelastung ermittelt werden kann,
•die Filme langjährig für eine Auswertung zur Verfügung stehen.
Die Nachteile von Dosimeterplaketten sind, dass
•die Messunsicherheit bei niedrigen Strahlendosen relativ groß ist und
•erst im Nachhinein festgestellt werden kann, ob eine Person einer höheren
Strahlenbelastung ausgesetzt war
Das Geiger-Müller-Zählrohr
Geiger-Müller-Zählrohre dienen zum Nachweis radioaktiver Strahlung. Sie beruhen auf der ionisierenden Wirkung
radioaktiver Strahlung und auf den Vorgängen, die bei einer Gasentladung vonstatten gehen. Das Geiger-Müller-Zählrohr
wurde im Jahre 1928 von den deutschen Physikern HANS GEIGER (1882-1945) und WALTHER MÜLLER (1905-1979)
entwickelt.
Ein Geiger-Müller-Zählrohr eignet sich zum Nachweis von Beta-Strahlung (Elektronen) und von Gamma-Strahlung
(energiereiche elektromagnetische Strahlung). Allerdings wird die Gamma-Strahlung nicht vollständig, sondern nur zu
einem geringen Prozentsatz registriert.
Es besteht aus einem mit Gas geringer Dichte gefüllten
Metall- oder Glasrohr, in dessen Mitte sich ein langer Draht
als Anode befindet.
Die Kathode wird von der Metallhülse des Zählrohres oder
bei Glasrohren von einem spiralförmig gewickelten Draht
gebildet.
Zwischen Anode und Kathode liegt eine Spannung von
einigen 100V (ca. 500V).
Dringt radioaktive Strahlung durch die Zylinderwand, so löst
sie im Füllgas Ionisierungsvorgänge aus. Die frei gesetzten
Elektronen werden zur Anode beschleunigt und ionisieren
auf ihrem Weg dorthin weitere Atome des Füllgases. Treffen
sie auf die Anode, so wird ein kurzer Stromimpuls ausgelöst,
den man verstärken und registrieren kann.
Geigerzähler von 1932
Nebelkammern
Die Bahnen ionisierender Strahlung können mit einer Nebelkammer sichtbar gemacht werden.
Die Wirkungsweise einer Nebelkammer beruht auf einer Erscheinung, die man häufig am Himmel beobachten kann:
Hinter Flugzeugen bilden sich Kondensstreifen. Sie zeigen die Bahn des Flugzeuges, wobei das Flugzeug selbst
manchmal gar nicht zu erkennen ist. Ähnlich ist das bei einer Nebelkammer:
In ihrem Inneren befindet sich Ethanoldampf. Längs der Bahnen ionisierender Strahlung bilden sich Ionen, an die sich
Dampfmoleküle anlagern und kleine Tröpfchen bilden, die bei seitlicher Beleuchtung als Spuren sichtbar werden.
Durch die Form der Spur kann man die Strahlungsart erkennen.
Schulnebelkammer
Nebelkammeraufnahme
Der Halbleiterdetektor
Ein Halbleiterdetektor ist ein Strahlungs- oder Teilchendetektor, der sich spezielle elektrische Eigenschaften von
Halbleitern zunutze macht, um ionisierende Strahlung nachzuweisen. Die Strahlung erzeugt im Halbleiter freie
Ladungsträger, welche zu Elektroden aus Metall wandern. Dieses Stromsignal wird verstärkt und ausgewertet.
Halbleiterdetektoren werden beispielsweise in der Spektroskopie, Kernphysik und Teilchenphysik eingesetzt.
Der Halbleiterdetektor besteht im Prinzip aus einer
Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird. Dringt
ein Gammaquant in die Sperrschicht, werden in ihr
Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Bei Silizium beträgt die
Energie dafür 3,23 eV, bei Germanium 2,84 eV.
Der dadurch hervorgerufene geringe Strom in Sperrrichtung
führt an einem Arbeitswiderstand zu einem
Spannungsabfall, der sich elektronisch weiter verarbeiten
lässt.
Jedes Gammaquant erzeugt einen Spannungsimpuls, der
gezählt werden kann. Die Amplitude des Spannungsimpulses
ist proportional zur Energie, die das Quant an das
Halbleitermaterial abgegeben hat.
Ausgewählte Anwendungen zur Kernphysik
„Energiegewinnung“
•Kernspaltung
•Kernfusion
•Thermonukleare Batterien
Anwendung in Medizin
und Technik
•Bestrahlung
•Kontrastmittel
•Durchstrahlung
Altersbestimmungen
•C 14 Methode
•Uran-Blei Methode
Die Kernspaltung
Unter Kernspaltung versteht man die durch Beschuss mit Neutronen erfolgende
Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwere Atomkerne. Dabei werden
Neutronen freigesetzt und es wird Energie abgegeben. Kernspaltung ist eine spezielle
Form der Kernumwandlung. Sie wurde 1938 von OTTO HAHN, FRITZ STRASSMANN und
LISE MEITNER entdeckt.
Arbeitstisch von Otto Hahn
Die Ursache der dabei freiwerdenden Energie ist der Massendefekt.
Die Masse der Ausgangsprodukte beträgt 236,0529 u. Die Größe u
ist dabei die atomare Masseeinheit. Die Masse der Spaltprodukte
hat einen Wert von 235,8396 u. Der Massedefekt beträgt
demzufolge:
Δ m = 236,0529 u − 235,8396 u = 0,2133 u
Damit erhält man als frei werdende Energie: E = Δm·c² = 3·10-11 J
Bei der Spaltung eines Urankerns wird eine Energie von etwa 3 ⋅ 10 − 11 J freigesetzt. Das erscheint sehr wenig. Man muss
aber beachten, dass sich diese Energie auf einen Kernzerfall bezieht. Betrachtet man die Anzahl der Atomkerne, die in
einem Kilogramm Uran enthalten sind und nimmt an, dass alle zerfallen, so beträgt die dann frei werdende Energie 8,6 ⋅ 10
12 J . Das ist etwa 290 000-mal so viel, wie bei der Verbrennung von 1 kg Steinkohle freigesetzt wird.
Kettenreaktionen 1
Treffen die bei einer Kernspaltung frei werdenden Neutronen auf weiteres spaltbares
Material und haben sie darüber hinaus die "richtige" Geschwindigkeit, so können sie
weitere Kernspaltungen hervorrufen. Es kommt zu einer Reaktion, die sich von selbst
fortsetzt, zu einer Kettenreaktion. Wird diese Kettenreaktion nicht beeinflusst, so spricht
man von einer ungesteuerten Kettenreaktion. Ungesteuerte Kettenreaktionen erfolgen
bei Atombomben.
Little Boy (englisch für Kleiner Junge) war der
Codename der ersten militärisch eingesetzten
Atombombe, die am 6. August 1945 von dem
B-29-Bomber Enola Gay der USAAF über der
japanischen Stadt Hiroshima abgeworfen
wurde, daher auch der Name
Hiroshimabombe.
Am 6. August 1945 um 08:15:17 Uhr Ortszeit klinkte der
Bombenschütze der Enola Gay die Bombe in 9450 Metern Höhe aus.
Die B-29 unter dem Kommando von Colonel Paul Tibbets flog
daraufhin ein Wendemanöver, um nicht von der Druckwelle erfasst zu
werden.
Die sofortigen Auswirkungen der Atombombe „Little Boy“
In der vorausberechneten Höhe von 580 Metern explodierte die
Bombe mit etwa 13 Kilotonnen TNT-Äquivalent Sprengkraft, tötete
20.000 bis 90.000 Menschen sofort und zerstörte 80 Prozent der Stadt.
Viele Personen wurden schwer verstrahlt und starben kurz darauf. Bis
heute leiden die in Japan als „Hibakusha“ bezeichneten Opfer an den
Folgen der Strahlenbelastung.
Little Boy war die erste von zwei Atomwaffen, die bis zum heutigen
Tage in einem militärischen Konflikt zur Explosion gebracht wurden.
Kettenreaktionen 2
Durch bestimmte Materialien kann man aber auch die Anzahl der Neutronen beschränken und damit die Kettenreaktion
beeinflussen. Eine solche beeinflusste Kettenreaktion wird als gesteuerte Kettenreaktion bezeichnet. Gesteuerte
Kettenreaktionen erfolgen in Kernreaktoren von Kernkraftwerken.
Die prinzipielle Wirkungsweise eines Kernkraftwerkes einschließlich der Energieumwandlungen, die in ihm vor sich gehen, zeigt das untere
Bild. Das Herzstück eines Kernkraftwerkes ist der Kernreaktor, in dem die gesteuerte Kernspaltung vor sich geht. Voraussetzungen für eine
gesteuerte Kernspaltung sind:
Es muss genügend spaltbares Material vorhanden sein. Die notwendige Mindestmasse wird als kritische Masse bezeichnet.
Es müssen Neutronen mit der für die Kernspaltung notwendigen Geschwindigkeit existieren. Dazu müssen die bei der Kernspaltung selbst frei
werdenden Neutronen abgebremst werden. Das geschieht durch Moderatoren.
Die Anzahl der Neutronen, die Kernspaltung hervorrufen, muss reguliert werden. Das geschieht durch Regelstäbe (Steuerstäbe), die
unterschiedlich tief in den Reaktor hineingefahren werden können und die aus Materialien bestehen, die Neutronen absorbieren.
Die Kernfusion 1
Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren Kernen.
Problem: Die abstoßende Coloumbkraft zwischen den Kernen muss überwunden werden.
Eine Kernfusion erfolgt deswegen nur bei großem Druck und hoher Temperatur. Dabei wird Energie freigesetzt, die aus
dem Massendefekt entsteht.
Um die abstoßenden elektrostatischen Kräfte zu überwinden versucht man auf der Erde im wesentlichen zwei Wege zu
gehen:
•Man schießt zwei hochenergetische Teilchenstrahlen gegeneinander. Die Aussichten, auf diese Weise einen
wirtschaftlich arbeitenden Fusionsreaktor zu erhalten, sind eher gering.
•Man erhitzt ein Gas aus leichten Elementen so stark, dass die Atome ihre Hülle verlieren und ein "Ionen- und
Elektronengas" entsteht. Nach außen hin ist dieses Gebilde neutral und wird als Plasma bezeichnet (vgl. Abb. 2). Beim
Plasma wird oft auch vom 4. Aggregatzustand gesprochen (Festkörper - Flüssigkeit - Gas - Plasma).
Die Fusionsreaktion auf der Erde in einem Kraftwerk auszulösen, stellt die Wissenschaftler und Ingenieure vor
grosse Herausforderungen. Denn das Fusionsfeuer zündet erst bei extrem hohen Temperaturen von über 100
Millionen Grad. Materialien für ein Reaktorgefäss, die diese Temperaturen aushalten, gibt es jedoch nicht. Der
Kernbrennstoff muss daher frei in einem Magnetfeld im Reaktorraum schweben und darf die Wände nicht
berühren.
Blick in das Plasma der Fusionsanlage ASDEX Upgrade in Garching.
Seine Form wird durch den magnetischen Käfig bestimmt.
Energie durch die Kernfusion
Verschmelzung von Deuterium und Tritium:
Kernfusion im Weltall
Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu Deuterium. Dabei wird Energie freigesetzt und es werden Positronen abgestrahlt. Anschließend
erfolgt die Verschmelzung zu einem Helium-3-Kern, wobei wieder Energie frei wird. Schließlich verschmelzen zwei Helium-3-Kerne zu
Helium-4, wobei zwei Protonen (Wasserstoffkerne) entstehen und wiederum Energie frei wird.
Bei dem gesamten Prozess wird eine Energie von 4,2 ⋅ 10 − 12 J
freigesetzt. In der Sonne gehen in jeder Sekunde viele Milliarden solcher Prozesse vor sich. In einer Sekunde verschmelzen 567 Mio.
Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Mio. Tonnen Helium. Damit tritt bei der Sonne in jeder Sekunde ein Massendefekt von 4,2 Mio. Tonnen
auf. Das bedeutet: Die Sonne wird in jeder Sekunde 4,2 Millionen Tonnen leichter.
Diesem Massendefekt entspricht eine Energie von 3,8 ⋅ 10 26 J .
Diese Energie gibt die Sonne in jeder Sekunde an den sie umgebenden Weltraum ab. Ein Teil davon gelangt zur Erde.
Bis jetzt hat die Sonne etwa 1/3 ihres Wasserstoffvorrates verbraucht. Der gegenwärtig vorhandene Wasserstoff reicht allerdings noch
einige Milliarden Jahre.
In massereichen Sternen setzt dann, wenn kaum nach Wasserstoff vorhanden ist, die Fusion von Helium ein. Auch bei Stickstoff,
Sauerstoff und Silicium ist eine Kernfusion möglich und tritt bei älteren Sternen auch auf. Energie wird allerdings nur frei bis zur Fusion
von Eisen. Jenseits des Eisens ist die Energiebilanz der Fusionsreaktionen nicht mehr positiv, sondern negativ. Der Umgebung wird dann
also Energie entzogen.
Die Wasserstoffbombe
Die Realisierung einer gesteuerten Kernfusion auf der Erde ist bisher nicht gelungen. An diesem Problem wird aber
intensiv geforscht. Eine ungesteuerte Kernfusion, bei der die Kernenergie schlagartig freigesetzt wird, erfolgt bei
Wasserstoffbomben.
Thermokukleare Batterien
Eine Radionuklidbatterie, auch Radioisotopengenerator oder Atombatterie genannt, wandelt thermische Energie des
spontanen Kernzerfalls eines Radionuklides in elektrische Energie um. Sie gewinnt ihre Energie aus radioaktivem Zerfall und
nicht aus Kernspaltung mit Kettenreaktion und ist daher von Kernreaktoren zu unterscheiden.
Hauptanwendung: Raumfahrt
Prinzip:
Durch den radioaktiven Zerfall eines
Radionuklids entsteht Wärme, die durch einen
thermoelektrischen Generator direkt, d. h.
ohne bewegte Teile, in Elektrizität
umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad beträgt
dabei nur 3 bis 8 %. Die Thermoelemente
benötigen einen möglichst großen
Temperaturunterschied zur Stromerzeugung.
Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive
Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über
eine große, dunkle Fläche Wärmeenergie in
die Umgebung ab und wird so gekühlt.
Weitere Anwendungen:
Radioisotopengenerator der
Raumsonde Cassini-Huygens.
Durch Zerfallsenergie glühendes
Pellet aus Plutoniumdioxid.
Bevor es kleine und langlebige Batterien gab, wurden RTGs auf der
Basis von 238Pu für die Versorgung von Herzschrittmachern eingesetzt.
Zwischen 1971 und 1976 wurden solche Herzschrittmacher auch in
Deutschland implantiert. Sie enthielten 200 mg Plutonium. RTGs
wurden zur Versorgung von Leuchttürmen und Befeuerungen in
entlegenen Regionen der UdSSR eingesetzt. Mit etwa 1000 Stück
wurden am häufigsten 90Sr-Generatoren vom Typ Beta-M eingesetzt.
Sie sind teilweise noch heute in Betrieb.
Anwendung von Radionukliden in Medizin und Technik
Radionuklide werden in verschiedenen Bereichen der Technik und der Medizin eingesetzt. Bei aller Vielfalt der
Nutzungsmöglichkeiten lassen sich die meisten Anwendungen auf drei grundlegende Verfahren zurückführen: das
Bestrahlungsverfahren, das Durchstrahlungsverfahren und das Markierungsverfahren.
Beim Bestrahlungsverfahren wird die Eigenschaft radioaktiver Strahlung genutzt, in Stoffen chemische, biologische oder
physikalische Veränderungen hervorzurufen, insbesondere auch Zellen zu beeinflussen.
•Verbesserung der Lagerfähigkeit von Lebensmitteln
•Strahlentherapie: Radioaktive Strahlung kann genutzt werden, um Zellen nicht nur zu schädigen, sondern sie auch
zu zerstören. Man spricht allgemein von Strahlentherapie. Sie wird u.a. zur Bekämpfung von Tumoren genutzt.
•kann genutzt werden, um die Eigenschaften von Werkstoffen gezielt zu beeinflussen. So lässt sich z. B. die
Reißfestigkeit dünner Folien aus Hochpolymeren (Polystyrol, Polyethylen) durch Bestrahlung mit radioaktiver
Strahlung deutlich verbessern. Bei Halbleitern können durch Bestrahlung gezielt die elektrischen Eigenschaften
verändern werden.
Beim Durchstrahlungsverfahren wird die Durchdringungsfähigkeit radioaktiver Strahlung von Stoffen und ihr
Absorptionsvermögen in Stoffen genutzt. Damit kann man Werkstoffprüfungen durchführen, die Dichte, Konzentration
oder Dicke von Stoffen messen oder Füllstandsmessungen realisieren.
Prinzip der Füllstandsmessung
Beim Markierungsverfahren werden Radionuklide dazu genutzt, um die Anreicherung oder den Weg von Stoffen im
menschlichen Körper, bei Tieren und Pflanzen, in Rohrleitungen, in Maschinen und Anlagen oder im Erdboden zu
verfolgen. Das Grundprinzip des Verfahrens besteht darin, dass an einer geeigneten Stelle ein Radionuklid eingebracht
wird und die Anreicherung dieses Radionuklids an bestimmten Stellen oder sein Weg verfolgt wird. Die Registrierung
erfolgt mithilfe von Strahlungsmessgeräten, die die räumliche Verteilung des Radionuklids erfassen, indem sie die von dem
Radionuklid ausgehende radioaktive Strahlung messen.
Die Szintigraphie, ist ein diagnostisches
Verfahren, bei dem eine radioaktiv markierte
Substanz in den Stoffwechsel des Körpers
eingebracht wird. Mit speziellen
Aufnahmekameras kann man dann
Stoffwechselprozesse im Organismus sichtbar
machen, die Aufschluss über eine
Organfunktion oder eine gestörte
Stoffwechselfunktion geben.
Bild der Schilddrüse
Altersbestimmungen
Die C14-Methode
Trifft ein Neutron der sekundären Höhenstrahlung auf ein Stickstoffatom, so
geschieht manchmal die Umwandlung des Stickstoffatoms in das Kohlenstoffisotop
14C (andere Schreibweise: C14 oder C-14).
Dieses Isotop ist ein radioaktiver Betastrahler mit einer Halbwertszeit von 5730
Jahre. Es mischt sich mit den chemisch identischen und stabilen
Kohlenstoffisotopen 12C und 13C.
Durch das Wettergeschehen werden die C14 – Atome gleichmäßig in der gesamten
Biosphäre der Erde verteilt.
Der Anteil am gesamten Kohlenstoff in der Luft beträgt für 14C etwa 1,2·10-10 %,
während 12C mit etwa 98,9% den mit Abstand größten Anteil ausmacht. Dieses
Verhältnis bleibt während der Lebenszeit des
Organismus konstant. Stirbt der Organismus, so zerfällt das C14-Isotop
mit der Halbwertszeit von 5700 Jahren.
Mit entsprechenden Messgeräten (GeigerMüller-Zählrohr, Massenspektrometer) kann
man die verbliebene Radioaktivität von dem
konserviertem Gewebe messen und damit
auf die verbliebene C14- Menge schließen:
Mit dieser Methode ist es möglich alle organischen,
kohlenstoffhaltigen Materialien in einem Zeitraum von
1.650 bis ungefähr 40.000 v.Chr. relativ exakt zu datieren.
Sie wurde von dem amerikanischen Chemiker und
Geophysiker Willard F. Libby entwickelt und steht seit 1946
der Wissenschaft zur Verfügung und hat die Bezeichnung
Radiokarbon- oder Kohlenstoff-14-Methode.
wobei p der Prozentsatz ist, der die
verbliebenden C14-Atome angibt, th steht
für die Halbwertszeit, in unserem Fall also
5.730 Jahre.
Bei Ötzi, der Gletscherleiche, wurde p = 53% bestimmt. Damit wurde das Alter
der Leiche wie folgt bestimmt:
Also ist Ötzi vor ca. 5200 Jahren zu Tode gekommen.
Die Uran-Blei-Methode
Die Uran-Blei-Datierung ist eine absolute Datierungsmethode, bei der die radioaktiven Zerfallsreihen von Uran
ausgenutzt werden, um Proben zu datieren. Mit dieser Methode werden z. B. irdisches Gestein oder auch Meteoriten
datiert. Das heute angenommene Alter der Erde von 4,55 Milliarden Jahren wurde zuerst 1953 von Fritz Houtermans
und Clair Cameron Patterson mit der Uran-Blei-Datierung bestimmt.
Uran-Radium-Reihe: Uran 238U → … → Blei 206Pb (Halbwertszeit: 4,5 Milliarden Jahre)
Biologische Wirkungen
Strahlenschutz
Dosisgrößen