Radioaktivität
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Radioaktivität den 7 Oktober 2016 Dr. Emőke Bódis Prüfungsfrage Die Eigenschaften und Entstehung der radioaktiver Strahlungen: Alpha-­‐ Beta-­‐ und Gamma-­‐Strahlungen. Aktivität. Zerfallgesetz. Halbwertzeit. Mittlere Lebensdauer. Durchdringungsvermögen. Radioaktive Isotopen. Biophysik für Mediziner, 150-­‐165 Erreichen Stabilität: Kernfusion, Kernspaltung Erreichen Stabilität: Kernfusion, Kernspaltung Wie erzeugt die Sonne ihre Energie? Materie nicht mehr als Gas (mit Atomen oder Molekülen), sondern als Plasma aus Atomkernen und freien Elektronen besteht. Die Protonen (Wasserstoffatomkerne) besitzen bei Temperaturen oberhalb von 10 Millionen Kelvin eine so große kinetische Energie, dass sie die elektrostatische Abstoßung zwischen ihnen überwinden können. http://www.fakko.de/school/sonne/aufbau_c.htm Wenn sich zwei Protonen auf etwa 10-­‐13cm nähern, beginnen die anziehenden Kernbindungskräfte zu wirken und sie können so zu neuen Atomkernen verschmelzen. Erreichen Stabilität: Kernfusion, Kernspaltung Bei der Kernspaltung von Uran-­‐235 wird durch Einfang eines Neutrons der Urankern zur Spaltung angeregt. Im Urankern sind die Nukleonen mit etwa 7,6 MeV pro Nukleon gebunden. In der Spaltproduktkernen beträgt die Bindungsenergie pro Nukleon etwa 8,5 MeV. Diese Differenz ist die Bindungsenergie von 0,9 MeV pro Nukleon wird bei der Kernspaltung freigesetzt. Energiebetrag: 235 x 0,9 MeV = 210 MeV pro Spaltung http://home.arcor.de/hieberschule/10a-­‐radio/kernsp/kettenr.jpg 1eV ist die Energie, die eine Elementarladung (1.9* 10-­‐19 C) aufnimmt, wenn sie mit Hilfe einer Spannung von 1V beschleunigt wird. 1 eV = 1.9* 10-­‐19 J Alpha-­‐Zerfall α-­‐Teilchen bestehen aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Diese Teilchen sind also Heliumkerne. Die Reichweite in Luft beträgt einige (ca. 4-­‐6) cm. α-­‐Strahlung wird von einem Blatt Papier vollständig absorbiert. α-­‐Strahlung besitzt bestimmte, diskrete Energien von 2 MeV bis 10,5 MeV Die Anfangsgeschwindigkeit der austretenden α-­‐Teilchen liegt zwischen 15.000 km/s und 20.000 km/s Beta-­‐Zerfall Beim β-­‐-­‐Zerfall geht ein Neutron des Kerns in ein Proton über. Die Ordnungszahl des Kerns erhöht sich um 1. Dadurch entsteht ein anderes chemisches Element. Beim β+-­‐Zerfall geht ein Proton des Kerns in ein Neutron über. Die Ordnungszahl senkt sich um 1. auch hier ändert das chemische Element. Die Reichweite in Luft beträgt bis ca. 10m. β-­‐Strahlung wird von einer 4mm dicken Aluminiumschicht vollständig absorbiert. β-­‐Strahlung besitzt ein kontinuierliches Energiespektrum, wobei das Maximum meist im Bereich von 1 MeV liegt. Es gibt jedoch eine maximale charakteristische Energie bis etwa 3 MeV. Die Geschwindigkeit der β-­‐Teilchen kann zwischen 0 und nahezu Lichtgeschwindigkeit liegen. Elektroneneinfang Da es für Elektronen aus der Atomhülle (insbesondere aus der der K-­‐Schale) eine gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Kern gibt, kann ein solches Elektron mit einem Proton aus dem Kern reagieren, wodurch ein Neutron entsteht. Der Kern geht dadurch in einen stabileren Zustand über. Wie beim β+-­‐Zerfall vermindert sich die Kernladungszahl um 1, die Massenzahl bleibt gleich. Es wird ein Elektronneutrino emittiert. z.B.: Gamma-­‐Zerfall Nach einem α -­‐ oder β -­‐Zerfall ist der Kern oft in einem angeregten Zustand, die abgebaut werden sollte. Dieser Energieabbau erfolgt durch Aussenden elektromagnetischer Strahlung (gamma-­‐Strahlung). γ-­‐Strahlung besitzt die größte Reichweite aller Strahlungsarten und wird in Luft kaum abgeschwächt. Erst dickere Bleiplatten absorbieren einen großen Anteil der Strahlung. γ-­‐Strahlung entsteht mit bestimmten diskreten Energien in der Größenordnung von 1 MeV (zwischen 0,01 MeV bis 10 MeV). Abgesehen von der Art der Entstehung ist γ-­‐Strahlung identisch mit hochenergetischer Röntgenstrahlung. Isotope Isotope sind Atomsorten mit gleicher Ordnungszahl (Kernladungszahl, Protonenzahl), aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope stehen eines und des selben Elements im Periodensystem am gleichen Ort. Stabile und radioaktive Isotope Stabile Isotope zerfallen nicht. (13C, 18O...) Radioaktive Isotope zerfallen unter Aussendung radioaktiver Strahlung. Bekannt sind heute etwa 300 stabile und über 2 400 radioaktive Isotope. Alle chemischen Elemente oberhalb der Ordnungszahl Z = 83 sind von Natur aus radioaktiv (natürliche Radioaktivität). Künstlich radioaktive Isotope eines Elements entstehen z. B. beim Beschuss von stabilen Isotopen des Elements mit Neutronen. Stabiles Isotop Instabiles Isotop Künstliche Isotope sind in der Regel radioaktiv und zerfallen mit unterschiedlichsten Halbwertszeiten in stabile Endprodukte. Aktivität, A Der radioaktive Zerfall is ein zufallsartiges Ereignis! Die Aktivität (A) einer Strahlungsquelle gibt an, wie viele Atomkerne in einer bestimmten Zeit zerfallen. 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunden! z.B.: N=17 Atome 0 umgewandelt 17 nicht umgewandelt Formelzeichen: A Einheit: ein Becquerel (1 Bq) N=17 Atome 5 umgewandelt 12 nicht umgewandelt N=17 Atome 10 umgewandelt 7 nicht umgewandelt A=5Bq 0S 1s 2s Achtung! Bei dem radioaktiven Zerfall die Kerne weden nicht verschwinden, sondern umwandeln! Zerfallsgesetz Exponentialfunktion 100% 50% 25% 12,5% 6,25% N0: Zahl der zum Zeitpunkt t=0 vorhandenen Atome (noch nicht umgewangelt) N(t): Zahl der zum Zeitpunkt t vorhandenen Atome (noch nicht umgewangelt) : Zerfallkonstante (verschiedene Isotope unterscheiden sich ihre Zerfallkonstante) Je größer lamba ist, desto schneller zerfällt das Isotop. e: Eulersche Zahl, e=2,71828 Mittlere Lebensdauer, Die Anzahl der radioaktive Kerne auf den e-­‐ten Teil des Anfangswertes abfällt, also mit der Zeit t, in der N auf N0/e absinkt. Hieraus ergibt sich: Zerfallsgesetz auch als: Halbwertzeit, T1/2 Die Zeit, in der ein radioaktives Nuklid zur Hälfte zerfällt. Einige Beispiele Uran 238U 4,5 Mrd. Jahre Plutonium 239Pu 24 Jahre Radon 222Rn 3,8 Tage Polonium 212Po 0,3 µs Trennung radioaktiver Strahlung Ablenkung im elektrischen Feld Ablenkung im magnetischen Feld α-­‐ und β-­‐Strahlung wir sowohl in elektrischen als auch im magnetischen Feldern abgelenkt. Die Richtung der Ablenkung lässt auf die Ladung der Teilchen schließen. http://physikunterricht-­‐online.de/jahrgang-­‐12/arten-­‐und-­‐eigenschaften-­‐radioaktiver-­‐strahlung/ Durchdringungsvermögen Die Dicke eines Stoffes, durch die Strahlung um 50% geschwächt wird, nennt man Halbwertsdicke dieses Stoffs. Alpha-­‐Strahlung Beta-­‐Strahlung Gamma-­‐Strahlung Identität Heliumkerne Elektronen/Positronen Elektromagnetische Strahlung Geschwindigkeit ca. 10% von c ca. 90% von c c(3x108 m/s) Ladung ++ -­‐/+ keine Ablenkbarkeit Nur schwer ablenkbar Leicht ablenkbar Nicht ablenkbar Ionisationsvermögen Sehr hoch Mittel Gering Reichweiche im Luft Einige Zentimeter Einige Dezimeter Mehrere Meter Abschirmung Papier Einige mm dickes Aluminium Blei Spektrum linear linear
