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Technische Universität Dresden Physik am Samstag 8.12.2001 Hartwig Freiesleben
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Radioaktivität
- ein ständiger Begleiter der Menschheit
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Definitionen IChemische Elemente
charakterisiert durch die Ordnungszahl, Z, Z = Anzahl von Protonen im Kern
= Anzahl von Elektronen in der Atomhülle
Isotope
Atome eines chemischen Elementes mit unterschiedlicher Anzahl an Neutronen, N
Nuklide
Ein durch Massenzahl, A, (A = N + Z) und Ordnungszahl, Z, spezifiziertes Atom
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Symbolische Schreibweise: AZChSN
• Beispiel: 23592U143
23692U144
23892U146
• Kurzform: 235U 236U
238U
• oder Uran-235 Uran-236 Uran-238
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Radioaktivität: Eigenschaft mancher Nuklide, spontan durch
Emission von Teilchen oder Energiequanten in andere Nuklide zu zerfallen oder sich in andere Nuklide umzuwandeln
Spontan: ohne Einwirkung äußerer Kräfte
Definitionen II:
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Emission von Teilchen oder Energiequanten
-Strahlung: Emission eines 4He-Kernes: 226Ra 222Rn +
-Strahlung: Emission eines Elektrons: 14C 14N + e- + oder
Emission eines Positrons: 40K 40Ca + e+ +
oder
Elektroneneinfang: 40K + e- 40Ar +
-Strahlung: Emission energiereicher elektromagnetischer Strahlung
(-Quanten oder Photonen)
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A bstand
TochterH e
A bstand
E nerg ie
M utter
E nerg ie
R a226 R n 222 4
Modell für die Emission von - Teilchen
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Emission von - Teilchen
Emission eines Elektrons: 125Sn 125Sb + e- + ¯
Emission eines Positrons: 125Xe 125I + e+ +
Elektroneneinfang: 125I + e- 125Te +
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Emission von - Strahlung
N i
-
C o 60 27
60 28
-
0,15% 99,85%
1,332 M eV
1,173 M eV
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Quellen natürlicher Radioaktivität
Nukleosynthese
in Sternen: Verschmelzen leichter Kerne zu schwereren Kernen (bis ca. A = 60)
in Sternexplosionen: komplizierte Kernreaktionspfade führen zu Kernen mit A > 60
Gemeinsamer Aspekt: es werden instabile Nuklide erzeugt, die durch radioaktive Umwandlung oder radioaktiven Zerfall in stabile Nuklide übergehen
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N /20
t
N /40
N /80
N 0
2T 3TT1/2 1/2 1/2
N /160
N
N = N e0. t
G ese tz des rad ioak tiven Zerfa lls
4T1/20
Anzah l rad ioaktiver Ke rne
: Zerfa llskonstante
T : H a lbw ertze it ( T = )ln 2
1/2 1/2
: A ktiv itä t - A nzah l de r Zerfä lle pro Ze itin te rva ll
= N .
N /20
t
N /40
N /80
N 0
2T 3TT1/2 1/2 1/2
N /160
N
N = N e0. t
G ese tz des rad ioak tiven Zerfa lls
4T1/20
Anzah l rad ioaktiver Ke rne
: Zerfa llskonstante
T : H a lbw ertze it ( T = )ln 2
1/2 1/2
: A ktiv itä t - A nzah l de r Zerfä lle pro Ze itin te rva ll
= N .
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Nuklid Häufigkeit Halbwertzeit
40K 0,0117 % 1,277109 a232Th 100 % 1,4051010 a235U 0,720 % 7,038108 a238U 99,2745% 4,468109 a
Beispiele von primordialen Radionukliden
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Quellen natürlicher Radioaktivität
Kosmische Höhenstrahlung Energiereiche Teilchen aus dem Weltraum ( im wesentlichen Protonen) verursachen beim Zusammenstoß mit Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre Kernreaktionen bei denen u. a. Radionuklide entstehen
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Radionuklide erzeugt durch kosmische Höhenstrahlung
Nuklid Halbwertzeit
14C 5730 a
3H 12,33 a
22Na 2,602 a
7Be 53,29 d
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Der Standardmensch
enthält 140 g Kalium
davon 16,4 mg K-40 A = 4,5 kBq
zum Vergleich: 16,4 mg Ra-226
haben eine Aktivität von A = 0,67 GBq
• Masse: 70 kg• Größe: 170 cm• Oberfläche: 1,8 m2
• Alter: 20-30 Jahre• Lebensdauer: 70 Jahre
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Radionuklide im menschlichen Körper
Radionuklid Aktivität in Bq K - 40 4500 C - 14 3800 Rb - 87 650 Pb-210, Bi-210, Po-210 60 kurzlebige Zerfallsprodukte des Rn-220 30 H-3 25 Be-7 25 kurzlebige Zerfallsprodukte des Rn-222 15 sonstige 7 Summe 9112
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Definitionen III
Energiedosis
= absorbierte Energie/ Masse des absorbierenden Körper (Einheit: Gray, Gy)
Dosisleistung = Energiedosis/Zeit
Äquivalentdosis = Energiedosis Bewertungsfaktor (Einheit: Sievers, Sv)
Äquivalentdosisleistung = Äquivalentdosis/Zeit(häufige Einheiten: Sv/h, mSv/a)
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Aufe ntha ltsze it / h
Ga
mm
a-D
osis
/ Sv
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
0,0 100,0 200,0 300,0 400,0
Hinflug (Am ste rd a m -To kyo )KLM -861
338 h
0,13 Sv / h= 1 ,1 m Sv /a
44
Sv
TNA
TNA
Rüc kflugKLM -862
13.-28.10.1999
Flug hö he 11,5-12 kmBO EIN G 747-400
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20
65,0
70,0
75,0
80,0
85,0
90,0
95,0
360
65,065,065,065,065,0
364 368 372 376
60,0
Aufe ntha ltsze it / h
Ga
mm
a-D
osis
/ Sv
11 h
27
Sv
2,5 Sv / h
Rüc kflugKLM -862
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Gebiete hoher Strahlendosis
GebietMittelwert Maximum
Frankreich / Granitbezirke Brasilien / Atlantikküste Indien / Monazitbezirk
Iran 18 450
Dosisleistung in mSv / a
2,5 4
10 40
8 200
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Geschichte der Radioaktivität
• Entdeckung der Röntgen-Strahlung durch Wilhelm Conrad Röntgen
1898 Entdeckung der natürlichen Radioaktivität durch Henri Antoine Becquerel (Becquerel-Strahlung)
ab 1898 systematische Arbeiten zur natürlichen Radioaktivität durch Marie und Pierre Curie
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Entdeckung von Polonium und Radium1901 Systematische Arbeiten von Otto Hahn zur Radioaktivität, ab1907 zusammen mit Lise Meitner1909 Geiger und Marsden Streuexperimente mit Alpha-Teilchen1911 Interpretation durch Rutherford Atomkern1919 Rutherford: 1. Kernumwandlung N + O + p
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1930 Cockcroft und Walton: 1. Beschleuniger Li + p (1. Kernzertrümmerung)1932 Entdeckung des Neutrons durch Chadwick (Erklärung der Isotopie)1934 Irène Joliot-Curie und Frédéric Joliot Radioaktive Phosphor- und Silicium- Isotope durch KernumwandlungAb 1935 Suche von Hahn und Meitner nach Transuranen
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1938 Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn und Fritz Straßmann1939 Synthetisierung der Elemente Neptunium (Z=93), Plutonium (Z=94)1942 1. Kernreaktor kritisch (Enrico Fermi, Chicago – Manhattan Projekt)1945 1. Atombombe auf Hiroshima und Nagasaki1951 1. Kernreaktor zur Energiegewinnung
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Eintrag aus den Notizbuch von Lise Meitner
• 23892U146 + n 239
92U147
• 23992U147
23993Np146
23994Np145
- -
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Aus einem Brief von Otto Hahn an Lise Meitner
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Radionuklide im menschlichen KörperNuklid Speicherorgan T1/2 (phys.) T1/2 (biol.)
H-3
C-14
K-40
Sr-90
I-131
Cs-137
Ra-226
U-nat.
Gewebe/Wasser
Fett
Muskeln/Körper
Knochen
Schilddrüse
Muskeln/Körper
Knochen
Nieren/Knochen
12,323 a
5730 a
1,277.109 a
28,5 a
8,02 d
30,17 a
1600 a
4,469.109 a
12 d
58 d
49 a
40 – 140 d
140 d / 70 d
45 a
20 d
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in medizinischer Diagnose und Therapie(Lokalisation und Funktionskontrolle, Strahlentherapie)
in technischen Geräten(Leuchtzifferblätter, Rauchmelder, Meßgeräte für Füllstand, Dichte, Feuchte)
zur Prozeßkontrolle und –steuerung(Messung von Strömungen, Verweilzeiten und Verschleiß)
Einsatz von Radionukliden I
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Einsatz von Radionukliden II
zur Sterilisierung im medizinischen Bereich (Gummihandschuhe, Spritzen etc.)
zur Konservierung von Lebensmitteln (Hemmung des Keimens,Abtöten von Bakterien, Sporen, Hefen etc.)
in Archäologie und Kunst (Radiocarbon-Methode,
Aktivierungsanalyse) in der Weltraumforschung
(robotergesteuerte Elementanalysen mit Alpha-Strahlung)
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Zusammenfassung: Strahleneinwirkung in Deutschland
Natürliche Strahleneinwirkung ca. 2,4 mSv/aZivilisatorische Strahleneinwirkung ca. 1,55 mSv/aStrahleneinwirkung durch denReaktorunfall von Tschernobyl ca. 0,04 mSv/a Summe ca. 4 mSv/a
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Literatur
• Weitere Bilder und Texte zum Vortrag unter:http://www.infokreis-kernenergie.org/d/downloads.cfm
• Werner Stolz: RadioaktivitätTeubner Verlag