Technische Universität Dresden Physik am Samstag 8.12.2001 Hartwig Freiesleben 1 Radioaktivität - ein ständiger Begleiter der Menschheit

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


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

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