Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben
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Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Grundkenntnisse Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat. Vorwort • Dieser Baustein gibt einen Überblick über die Grundbegriffe der Radioaktivität, sowie den sorgsamen Umgang mit radioaktiven Stoffen. • Das komplette Lehrveranstaltungsmodul besteht aus vier Bausteinen. Für die weiteren Bausteine wird dieses Grundlagen-Modul benötigt. Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 2 Inhalt • Atomaufbau • Strahlung • Strahlenarten und Ionisation • Isotope • Radioaktivität • Halbwertszeit • Nuklidkarte • Einheiten • Quadratisches Abstandsgesetz • Strahlenbelastung – Natürliche Quellen – Künstliche Quellen • • • • Energiespektren Wechselwirkung mit Materie Biologische Wirkung Strahlenschäden Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 3 Atomaufbau • Proton – – 1,67.10-27kg positiv geladen • Neutron – – 1,67.10-27kg ungeladen • Elektron – – 9,11.10-31kg negativ geladen © http://www.medienwerkstatt-online.de Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 4 Strahlung • Strahlung: Ausbreitung von Teilchen und Wellen • Auswirkungen auf Atome – nicht ionisierende Strahlung Auswirkung auf Atome oder Moleküle: keine – ionisierende Strahlung Auswirkung: kann aus Atome oder Moleküle Elektronen entfernen: Entstehung von positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation) • direkt ionisierende Strahlung • indirekt ionisierende Strahlung Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 5 Strahlung Elektromagnetische Strahlung • Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich • Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse © Wikimedia Commons 6 Strahlenarten und Ionisierung(1) • Teilchen – Alphastrahlung • Schwere He-Kerne – direkt ionisierend – Betastrahlung Alphazerfall © Wikimedia Commons • Beta-: ein Elektron wird abgegeben – direkt ionisierend • Beta+: ein Elektron wird eingefangen – direkt ionisierend – Protonen • positiv geladen – direkt ionisierend – Neutronen • ungeladen – indirekt ionisierend Betazerfall © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 7 Strahlenarten und Ionisierung(2) Strahlung © Wikipedia Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 8 Strahlenarten und Ionisierung(3) • Elektromagnetische Strahlung – Gammastrahlung • Gamma-Photon – indirekt ionisierend Gammazerfall © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 9 Isotope • Isotop Ein Isotop ist ein Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. • Stabile und instabile Isotope (ca. 2500 Isotope davon 274 stabil) • Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen = radioaktiv • Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe: – – – – Uran-Radium-Reihe: 238U 206Pb Uran-Actinium-Reihe: 235U 207Pb Thorium-Reihe: (244Pu) 232Th 208Pb Neptunium-Reihe – kommt in Natur nicht vor: (241Pu) 237Np 209Bi (205Tl) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 10 Radioaktivität • Radioaktivität ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. • Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 11 Halbwertszeit (HWZ) (1) • Die Halbwertszeit ist abhängig von der Aktivität des Elements. • von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren HWZ © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 12 Halbwertszeit (HWZ) (2) Isotop 131I Halbwertszeit spezifische Aktivität 8 Tage 4.600.000.000.000 Bq/mg 137Cs 30 Jahre 3.300.000.000 Bq/mg 239Pu 24.110 Jahre 2.307.900 Bq/mg 235U 703.800.000 Jahre 80 Bq/mg 238U 4.468.000.000 Jahre 12 Bq/mg 14.050.000.000 Jahre 4 Bq/mg 232Th Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 13 Nuklidkarte (1) • Nuklide nach Protonen- und Neutronenzahl geordnet • Neutronenzahl (N) horizontal aufgetragen • Ordnungszahl = Protonenzahl (Z) vertikal aufgetragen • Farben entsprechen Zerfallsarten – schwarz = stabil • Zerfallsarten Verzweigungsverhältnisse Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 14 Nuklidkarte (2) Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 2006 © European Communities, 2006 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 15 Nuklidkarte (3) Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 2006 © European Communities, 2006 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 16 Einheiten • Aktivität – Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit. – Einheit: Becquerel [Bq] • Energiedosis – in Materie 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 [ ] Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 17 Quadratisches Abstandsgesetz • Dosisleistung nimmt quadratisch zur Entfernung ab. • Strahlungsintensität I 1 I 2 r 2 I 1 r2 2 I 2 r1 r1 I 2 I 1 r2 2 © Wissensportal Kernfragen http://www.kernfragen.de Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 18 Strahlenbelastung Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in mSv pro Jahr) © http://www.ages.at Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 19 Strahlenbelastung Natürliche Strahlungsquellen • 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 40K • Radon (1600 µSv/a) – aus den drei Zerfallsreihen der Elemente Uran und Thorium gibt es 3 verschiedene Radonisotope – 222Rn aus der 238U-Zerfallsreihe: HWZ: 3,8d – 220Rn aus der 232Th-Zerfallsreihe: HWZ: 55s – 219Rn aus der 235U-Zerfallsreihe: HWZ: 4s – 222Rn kann durch die längere Lebensdauer durch Risse in Keller strömen. – Radon ist zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen. Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 20 Strahlenbelastung 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) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 21 Ortsdosisleistung in Österreich Aktuelle Messwerte aus dem Strahlenfrühwarnsystem http://www.lebensministerium.at/umwelt/strahlen-atom/strahlenschutz/strahlen-warn-system/messwerte_aktuell.html Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 22 Bodenbelastung durch Cäsium-137 im Jahr 2000 (Umweltbundesamt) Einheit kBq/m² http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/2001/20_radio.pdf Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 23 Energiespektren (Gamma) Je nach Isotop mehrere verschiedene Energien für Gammaquanten möglich. Gammaspektrum Uranerz © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 24 Energiespektren (Alpha) Die Alpha-Strahlung eines Isotops hat nur eine bestimmte diskrete Energie. © http://dch-cern.blogspot.co.at Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 25 Wechselwirkungen mit Materie (1) • Alpha-Teilchen: He-Kern – – – – – schwer - stärkere Wechselwirkung – Atome werden ionisiert Elektron wird aus der Atomhülle herausgeschlagen nach mehreren 1000 Zusammenstößen mit Atomen abgebremst Eindringtiefe ist gering. Ein Papierblatt kann Alpha-Teilchen abhalten. • Beta-Teilchen: Elektron – – – – – kleine Teilchen geringere Wechselwirkung größere Eindringtiefe entsteht zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen). Einige Millimeter dickes Aluminiumblech schirmt die Betastrahlung ab. Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 26 Wechselwirkungen mit Materie (2) • Gammastrahlung: Elektromagnetische Strahlung – – – – – verschiedene Wechselwirkungen möglich. keine Teilchenstrahlung in Materie exponentiell abgeschwächt keine feste Eindringtiefe nach einer Halbwertsschicht wird die Intensität auf die Hälfte reduziert – Halbwertsschicht ist von der Energie der Gammastrahlung abhängig • (z.B.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm). Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 27 Wechselwirkungen mit Materie (3) Abschirmung von Strahlungsquellen Papierblatt Aluminiumplatte Bleiblock © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 28 Biologische Wirkung von Strahlung • Auswirkung auf Zellen – Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA • Zellmutation, Zelltod – Indirekte Effekte • Radiolyse der Aminosäuren • Wasserradiolyse – Radikale werden gebildet • Alphateilchen: • geringe Eindringtiefe nur bis obere Hautschichten • Inkorporation gefährlich (Lungenkrebs) • Betateilchen: • nur bis in die Haut (Verbrennungen, Hautkrebs, Augenlinsentrübung) • Inkorporation (Schilddrüsenkrebs, Knochenkrebs, Leukämie) • Gammastrahlung: • Ionisierung und freigesetzte Sekundärstrahlung (Zellmutation, Tumor, Metastasen) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 29 Strahlenschäden • Somatische Schäden – Schäden durch Exposition – Deterministische, akute oder kausale Schädigung – Stochastische oder Spätschäden • Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA) pro Zelle • Teratogene Schäden – Schädigung des Embryos • Genetische Schäden – Schäden in der Folgegeneration – 25% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger Bestrahlung einer Keimzelle Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 30 Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung • Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung: 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. • Sorgsamer Umgang mit radioaktiven Stoffen – Lüften von Kellern – Radon (222Rn) – Rauchen – Polonium (210Po) – Kontaminierte Lebensmittel – Wild, Pilze (137Cs) HWZ = 30a Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 31
