Upload
dangkhuong
View
213
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Hohe Landesschule Hanau – Strahlenschutzarbeit
Dezember ´10
Untersuchung von
Zirkonoxid enthaltenden
Materialien auf
Radioaktivität mit Hilfe
eines Gamma-
Spektrometers Zirkonsand – Schleifpapier - Zahnersatz
Lara Schmidt
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
2
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ............................................................................................................................................ 4
2 Zirkon .................................................................................................................................................. 6
3 Radioaktivität ....................................................................................................................................... 8
3.1 Was ist Radioaktivität? .................................................................................................................. 8
3.2 Eigenschaften und Arten radioaktiver Strahlung .......................................................................... 9
3.2.1 α – Strahlung .......................................................................................................................... 9
3.2.2 β – Strahlung ........................................................................................................................ 10
3.2.3 γ – Strahlung ........................................................................................................................ 11
3.2.4 Kennzeichnende Größen ...................................................................................................... 11
3.2.5 Energie .................................................................................................................................. 13
3.2.6 Durchdringungsvermögen, Absorption, Ablenkung ............................................................. 14
3.2.7 Wechselwirkungen mit Materie ........................................................................................... 15
3.2.8 Tabellarische Übersicht ........................................................................................................ 19
3.3 Natürliche Radioaktivität ............................................................................................................. 20
3.3.1 Die Uran – Actinium – Zerfallsreihe...................................................................................... 21
3.3.2 Die Uran – Radium – Zerfallsreihe ........................................................................................ 22
3.3.3 Die Thorium – Zerfallsreihe .................................................................................................. 22
3.4 Wie wirkt Radioaktivität auf den menschlichen Körper? ............................................................ 23
4 Messmethode – Gammaspektroskopie ............................................................................................ 25
4.1 Funktionsweise des Gammaspektrometers ................................................................................ 26
4.2 Abschirmung ................................................................................................................................ 29
4.3 Beispiel eines Gammaenergie-Spektrums ................................................................................... 30
4.4 Charakteristische Energiewerte für Nuklide ............................................................................... 31
4.5 Übergangswahrscheinlichkeit ..................................................................................................... 31
4.6 Qualität von Gammaspektren ..................................................................................................... 32
4.6.1 Zählausbeute ........................................................................................................................ 32
4.6.2 Untergrundrauschen ............................................................................................................ 34
4.7 Versuchsdurchführung ................................................................................................................ 36
5 Auswertung der Messergebnisse ...................................................................................................... 37
5.1 Übersicht der Proben .................................................................................................................. 37
5.2 Vorgehensweise qualitative Analyse ........................................................................................... 38
5.2.1 Die Arbeit am Computer ...................................................................................................... 38
5.2.2 Die gefundenen Nuklide ....................................................................................................... 40
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
3
5.3 Vorgehensweise quantitative Analyse ........................................................................................ 44
5.4 Ergebnisse aller Proben ............................................................................................................... 47
5.5 Bewertung der Ergebnisse .......................................................................................................... 48
6 Fazit ................................................................................................................................................... 49
7 Anhang ................................................................................................................................................ 51
8 Literaturverzeichnis ........................................................................................................................... 52
9 Danksagung und Schlusswort ............................................................................................................. 55
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
4
1 Einleitung
Es gibt überraschend viele Materialien, mit denen wir im Alltag konfrontiert sind, die natürlich
radioaktiv strahlen. Nachdem ich an der Technischen Universität Darmstadt das Vergnügen hatte,
den Schülerbeauftragten Herrn Dr. Wannowius kennenzulernen, der von seinen Untersuchungen
erzählte, die die Radioaktivität von ganz normaler Schulkreide betrafen, war mein Interesse geweckt.
Ich hatte das Glück, dass Herr Dr. Wannowius Schülern die Möglichkeit gibt, Untersuchungen für
Schülerarbeiten durchzuführen, denn für Messungen, die einer solchen Arbeit würdig sind, benötigt
man ein Gamma-Spektrometer.
Der Schülerbeauftragte konnte mir bereits einige Dinge nennen, die man untersuchen könnte. Nach
weiterer Recherche habe ich mich für Materialien entschieden, die aus Zirkon(ZrSiO4) hergestellt
werden. Zirkon ist ein natürlich vorkommendes Mineral und enthält unterschiedliche Mengen an
Thorium und/oder Uran. Ich habe mir folgende Frage gestellt: „Wie groß ist bei den verschiedenen
Materialien die Strahlenbelastung, der der Mensch ausgesetzt ist?“ Gemessen habe ich das
Rohmaterial, sprich den Zirkonsand, Schleifpapier, auf das der Zirkonsand fast ungereinigt
aufgetragen wird und Zahnersatzstoffe aus Zirkonoxidkeramik, bei denen ein hoher Reinheitsgrad
vorliegen müsste. Ich habe mich auf den Zahnersatz spezialisiert, denn Zahnersatz befindet sich
innerhalb des Körpers und dies über Jahrzehnte. Die Untersuchungen sind somit besonders
spannend, da die entsendeten Strahlen direkt auf das Gewebe treffen.
Außerdem hat mich diese Untersuchung interessiert, weil es sich bei der Gamma-Spektroskopie um
eine hochfeine Messmethode handelt und sie in jedem Fall Ergebnisse liefert. Radioaktivität, im
Speziellen die natürliche Radioaktivität, ist ebenfalls ein spannendes Thema, da sie zum Teil ein
Überbleibsel der Kernreaktionen im Inneren von Sternen ist, die vor Milliarden von Jahren zur
Entstehung der Elemente führten und immer noch vorhanden ist.
Im Rahmen dieser Arbeit zum Thema Strahlenschutz habe ich folglich Zirkonsand, Schleifpapier und
im Besonderen Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik mit Hilfe eines Gamma-Spektrometers auf
Radioaktivität untersucht und möchte meine Ergebnisse in dieser Ausarbeitung vorstellen sowie
einen Einblick in die spannende Chemie und die ebenso spannende Physik, die hinter Radioaktivität,
der Messmethode und den Zahnersatzstoffen stecken, geben.
Leider hatte ich von Anfang an mit Problemen zu kämpfen, da es sich als schwierig herausstellte,
Zahnersatz für meine Messungen zu bekommen. Viele Firmen, bei denen ich anrief, sagten nur, sie
hätten keine Proben für mich, und als ich nachfragte, ob ich welche kaufen könnte, erhielt ich oft
Absagen. Die für die Arbeit verwendeten Proben erhielt ich nach vielem Herumfragen und
weitreichender Recherche von Mitschülern, die Zahntechniker in der Familie haben.
Diese Strahlenschutzarbeit beginnt mit einem Kapitel über Zirkon, in dem ich einen kleinen Einblick in
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
5
die Welt der Mineralienkunde gebe. Es folgen die Grundlagen, die dazu benötigt werden, um meine
Ergebnisse zu verstehen. Bei den Grundlagen handelt es sich als Erstes um die Radioaktivität selbst:
Was strahlt? Wie strahlt es? Welche Wirkung haben die Strahlen auf den menschlichen Körper? Das
zweite behandelte Thema ist die verwendete Messmethode, die Gamma-Spektroskopie. Hier erkläre
ich die Funktionsweise eines solchen Gerätes und was meine Aufgabe an der TU Darmstadt war. Im
Anschluss an diese Grundlagen folgen meine Messergebnisse, die aus der qualitativen und der
quantitativen Analyse bestehen. Die Vorgehensweise bei den Analysen ist an einem Beispiel jeweils
genau beschrieben. Zum Abschluss gibt es ein Fazit, das wichtige Aspekte noch einmal
zusammenfasst und die Messergebnisse noch einmal kritisch begutachtet sowie bewertet.
Hinter dem Fazit habe finden sich die Literaturstellen nach Kapiteln geordnet übersichtlich
aufgelistet.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
6
2 Zirkon
Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik enthält, wie der Name schon sagt, Zirkonoxid (dies ist der
Trivialname für Zirkoniumdioxid: ZrO2). Dieses Zirkonoxid wird aus Zirkon (dem Silikat des Elementes
Zirkonium, ZrSiO4, Abb. 2.1) gewonnen. Im Rahmen der Strahlenschutzarbeit habe ich das
Ausgangsmaterial, in Form von Zirkonsand auf Radioaktivität überprüft, eine Verwendung dessen,
Schleifpapier, untersucht und Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik, bei dem der höchste Reinheitsgrad
vorliegen müsste, ebenfalls untersucht.
Zirkon ist die häufigste in der Natur vorkommende Verbindung des Elementes Zirkonium.
Der Zirkon war lange Zeit im Altertum unter dem Namen Hyazinth bekannt. Man fand ihn oft in
Tollhäusern (Irrenanstalten), in denen er als Heilstein eingesetzt wurde. So meinte man, dass der
Hyazinth alias Zirkon, Wahnsinn heilen sollte. Der Name Zirkon stammt entweder vom persischen
„zargun“ (goldfarben) oder vom arabischen „zarqun“ (Zinnober) ab.
Der Zirkon gehört zu den ältesten bekannten Mineralien der Welt. So wurde ein 4,404 Milliarden
Jahre alter Zirkon in Narryer Gneiss Terrane, Yilgarn Craton, Westaustralien gefunden.
Die chemische Formel des Zirkons ist ZrSiO4. Zirkone (s. Abb. 2.2) können farblos, gelblich, rosa, rot
oder braun, aber auch grün oder blau sein. Die Dichte beträgt abhängig von den Verunreinigungen
und Einschlüssen verschiedener Elemente (wie z.B. Thorium und/oder Uran) und Mineralien 3,9 bis
4,8 g/cm3.Finden kann man Zirkon unter anderem in Madagaskar, Deutschland, USA, Australien,
Kambodscha und Sri Lanka. Zirkon kann durch die enthaltenen Mengen an Thorium und/oder Uran
einschließlich deren Zerfallsprodukte als eine der Hauptquellen der natürlichen Radioaktivität
angesehen werden.
Abbildung 2.1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines Zirkons, der Kristall ist
etwa 250 m lang.
Abbildung 2.2: Sammlung von vier Zirkon-Typen, die sich in der Farbe und ihrer Spurenzusammensetzung unterscheiden.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
7
Das Mineral Zirkon findet seine Hauptanwendung in der Schmuckindustrie (Abb. 2.3), weil ein Kristall
aussieht, wie ein echter Brillant (er kann beispielsweise zum Aufwerten von Trauringen benutzt
werden).
Außerdem wird Zirkonf als Schlefmittel auf Schleifpapier verwendet, da es eine besondere
Kristallstruktur besitzt. Diese bewirkt, dass, wenn eine Spitze eines Kristalls abbricht, eine neue Spitze
gebildet wird.
Abbildung 2.3: Ring mit einem Stein aus Zirkon.
Wie zuvor bereits erwähnt, wird das Zirkonoxid aus Zirkon gewonnen. Der Zirkonsand (bestehend aus
kleinen Zirkonkristallen) wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozessen1 von
Verunreinigungen getrennt und in Zirkonoxid überführt.
Dadurch kam ich zu der Annahme, dass in den Zahnersatzstoffen (Abb. 2.4), welche eines der
Hauptverwendungsgebiete des Zirkonsandes ist, die Verunreinigung durch Uran/Thorium und deren
Zerfallsprodukte nicht so hoch sein dürfte. Dies gilt es zu überprüfen. Außerdem wird Zirkonoxid zur
Herstellung von Schmelztiegeln verwendet, da es einen Schmelzpunkt von etwa 3000°C besitzt.
1 Erhitzen eines Materials mit dem Ziel, dieses zu entwässern, zu entfärben oder zu zersetzen.
Abbildung 2.4: Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
8
3 Radioaktivität
In diesem Kapitel möchte ich kurz erklären, worum es sich bei Radioaktivität handelt und wie sie auf
den menschlichen Körper wirkt.
Zuvor müssen allerdings noch ein paar Begriffe geklärt werden. Beim Ersten handelt es sich um den
Begriff des Nuklids. Ein Nuklid ist ein Atomkern, der durch Massenzahl und Kernladungszahl
eindeutig charakterisierbar ist. Die Schreibweise eines Nuklids:
Ein Beispiel: Das C-12 Atom
12 ist hier die Anzahl der Nukleonen (Kernteilchen – Protonen und Neutronen), was auch der
Massenzahl entspricht, und 6 ist die Anzahl der Protonen im Kern (= Anzahl Elektronen) bzw. die
Ordnungszahl. Die Anzahl der Neutronen, die sich aus der Differenz von der Massezahl zur
Kernladungszahl ergibt, wäre hier sechs.
Der zweite zu klärende Begriff ist der des Isotops. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl,
aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen. Ein Beispiel hierfür wäre das C-13-Atom, das ein
Isotop des oben dargestellten C-12-Atoms ist. Es besitzt genauso viele Protonen und Elektronen,
jedoch ist die Massenzahl um eine Einheit höher, da dieses Atom ein Neutron mehr im Kern besitzt.
3.1 Was ist Radioaktivität?
Radioaktivität ist, wie bereits angeführt, ein interessantes Thema. Man kann sie weder sehen, fühlen,
riechen noch hören. Antoine Henri Becquerel sah im Jahre 1896 auch nur Folgen der Strahlung. Er
bemerkte, dass Uransalze eine unsichtbare Strahlung aussandten, die lichtdicht verpackte
Fotoplatten schwärzte und ein Elektroskop entladen konnte. In der weiteren Forschung untersuchten
die Eheleute Marie und Pierre Curie die Materialien genauer, die solche Strahlen aussandten, dabei
entdeckten sie im Jahre 1898 in diesen Materialien die Elemente Polonium und Radium. G.C.
Schmidt wies im selben Jahr die Strahlung bei Thorium nach.
Die neu entdeckten Strahlen waren weder durch physikalische Einwirkungen auf den Stoff noch
durch chemische Prozesse beeinflussbar. Dadurch kam man zu dem Schluss, dass die
Strahlenaussendung nicht durch chemische Vorgänge verursacht wird. Heute weiß man, dass die
Strahlung aus den Kernen instabiler Atome ausgesandt wird. Diese Gesamterscheinung nennt man
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
9
Radioaktivität. Die Kerne dieser radioaktiven Atome schleudern Energieportionen mit hoher
Geschwindigkeit aus (Vorgang des radioaktiven Zerfalls).
Die Kerne radioaktiver Atome nennt man Radionuklide. Handelt es sich um in der Natur
vorkommende Radionuklide, so spricht man von natürlicher Radioaktivität, handelt es sich um durch
künstliche Kernumwandlung erzeugte Radioaktivität, spricht man von künstlicher Radioaktivität.
Von den bisher über 2700 bekannten verschiedenen Nukliden, die Isotope der 118 Chemischen
Elemente sind, sind nur 249 stabil, alle anderen zerfallen spontan.
Die Haupteigenschaft der Strahlung ist, dass sie ionisierend wirkt, weshalb sie auch ionisierende
Strahlung genannt wird.
3.2 Eigenschaften und Arten radioaktiver Strahlung
Radioaktive Strahlung besitzt eine Reihe von besonderen Eigenschaften. Zum einen besitzt sie
Energie und zum anderen kann sie Stoffe durchdringen, wird durch Stoffe teilweise absorbiert und
breitet sich von einer Strahlungsquelle geradlinig aus. Bevor ich jedoch auf einige der Eigenschaften
genauer eingehe, möchte ich auf die drei verschiedenen Arten von Strahlungen eingehen, die bei
Zerfallsreaktionen entstehen können.
3.2.1 α – Strahlung
Alphastrahlen (Abb. 3.2.1) bestehen aus Heliumkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen), sie
besitzen eine Geschwindigkeit von ca. 15000 km/s und 20000 km/s.
wird häufig auch als geschrieben.
Diese Beispielszerfallsreaktion (als Kernreaktionsgleichung
geschrieben) zeigt den Zerfall des Kerns von Radium-226, das 88
Protonen und 138 Neutronen (Massenzahl abzüglich der Anzahl der
Protonen) besitzt. Dieser Kern ist nicht stabil, da die abstoßenden
Kräfte der Protonen untereinander größer als die Kernkräfte sind.
Der Kern hat das Bestreben, in einen stabileren Zustand
überzugehen.
Dies geschieht in mehreren Stufen, von denen oben nur eine
dargestellt ist. Der Kern schleudert einen Heliumkern heraus (Abb.
3.2.1), wodurch die Kernladungszahl um zwei, die Massenzahl um vier sinkt. Es entsteht das neue
Abbildung 3.2.1: Alphazerfall schematisch dargestellt.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
10
Element Radon (Rn). Wenn man Kernreaktionsgleichungen schreibt, müssen auf beiden Seiten die
Summe der Kernladungszahlen und die Summe der Massenzahlen übereinstimmen.
Die abgegebenen Heliumkerne nehmen aus der Umgebung Elektronen auf, wodurch Heliumatome
entstehen.
3.2.2 β – Strahlung
Diese Strahlung unterteilt sich in zwei verschiedene Untergruppen.
β - - Strahlung: Es handelt sich hierbei um Elektronen mit sehr hoher
Geschwindigkeit (etwa 99 % der Lichtgeschwindigkeit c).
Diese Strahlung entsteht, wenn sich im Kern ein Neutron in ein
Elektron und ein Proton umwandelt. Das Elektron wird
„herausgeschleudert“ (s. Abb. 3.2.2).
Wie in folgender Gleichung dargestellt, wandelt sich Blei-214 unter
Aussenden eines Elektrons in Bismuth-214 um.
Nach dem Aussenden eines Betateilchens besitzt der Kern ein Proton mehr, was man an der um eins
höher liegenden Kernladungszahl erkennt. Die Anzahl der Kernteilchen hat sich nicht verändert, die
Massenzahl bleibt demnach gleich.
β + - Strahlung: Bei natürlich und künstlich hergestellten Radionukliden tritt eine Strahlung auf, bei
der Teilchen von der Masse eines Elektrons mit einer positiven Ladung ausgeschleudert werden. Es
handelt sich hierbei um Positronen.
Diese Strahlung entsteht, wenn sich ein Proton im Kern in ein Neutron und ein Positron umwandelt .
An der folgenden Beispielszerfallsreaktion, bei der sich Phosphor-30 unter Aussenden eines Positrons
in Silizium-30 umwandelt, erkennt man, dass die Massezahl gleich bleibt, aber die Kernladungszahl
um eins abnimmt.
Allgemein wird beim Betazerfall außerdem ein weiteres Teilchen ausgesandt, das eine sehr kleine
Ruhemasse (2 eV oder weniger) und keine elektrische Ladung besitzt. Bei der Umwandlung eines
Neutrons entsteht ein Antineutrino, bei der Umwandlung eines Protons ein Neutrino. Neutrinos und
Antineutrinos besitzen ein großes Durchdringungsvermögen und sind deshalb schwer nachzuweisen.
Abbildung 3.2.2: Betastrahlung schematisch dargestellt.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
11
Wie oben bei den Kernreaktionsgleichungen angewendet, werden aus Gründen der Vereinfachung
Neutrino und Antineutrino nicht mit angegeben.
Da der Beta+-Zerfall hauptsächlich bei künstlich erzeugten Radionukliden auftritt, ist er für diese
Ausarbeitung nicht relevant.
3.2.3 γ – Strahlung
Bei Gammastrahlen handelt es sich um eine
elektromagnetische Strahlung (Abb. 3.2.3), vergleichbar der
Röntgenstrahlung, jedoch mit größerer Energie (kürzerer
Wellenlänge). Da die Gammastrahlung in vielen
Wechselwirkungsprozessen Teilchencharakter hat, spricht man
auch von Gammaquanten. Diese bewegen sich mit
Lichtgeschwindigkeit und treten häufig begleitend bei einem
Alpha- oder Betazerfall auf. Der Atomkern gibt noch
vorhandene überschüssige Energie in Form eines oder mehrere
Gammaquanten ab und geht dabei von einem höheren
(angeregten) zu einem niedrigeren (stabileren) Energieniveau über. Gammaquanten sind also
„Portionen“ elektromagnetsicher Energie.
Diese Gleichung zeigt, dass sich bei einem Gammazerfall Kernladungszahl und Massenzahl nicht
ändern.
Nach der Einsteinschen Gleichung kann man einem Gammaquant eine Masse zuordnen (E = mc2).
Den ausgesandten Quanten lassen sich so Massen zuordnen, die ungefähr der Elektronenmasse
entsprechen, jedoch besitzen die Gammaquanten weder eine elektrische Ladung noch eine
Ruhemasse.
3.2.4 Kennzeichnende Größen
Halbwertszeit
Ein Kern zerfällt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, man kann jedoch nicht vorhersagen,
wann er genau zerfällt. Hat man jedoch viele dieser instabilen Nuklide, kann man Vorhersagen
treffen, die die Abnahme der Anzahl dieser speziellen Kerne betreffen.
Abbildung 3.2.3: Gammstrahlung schematisch dargestellt.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
12
Die Halbwertszeit ist für jedes radioaktive Nuklid eine charakteristische Größe. Sie gibt an, in welcher
Zeit jeweils die Hälfte der vorhandenen instabilen Atomkerne zerfällt. Die Halbwertszeit
verschiedener radioaktiver Stoffe schwankt zwischen Bruchteilen von Sekunden und Milliarden
Jahren.
Aktivität (A)
Diese Größe ist für diese Ausarbeitung von großer Bedeutung. Die Aktivität eines „Körpers“ gibt an,
wie viele Kerne N in einer bestimmten Zeit t zerfallen und dabei radioaktive Strahlung abgeben.
Die Einheit der Aktivität in ein Becquerel (1 Bq): 1 Bq = 1/s.
Die Aktivität wird immer im Bezug auf eine Masse angegeben. Zum Beispiel hat 1 g Radium eine
Aktivität von 3,7*1010 Bq. Das bedeutet: In jeder Sekunde zerfallen 37 Mrd. Kerne.
Da ich bei der quantitativen Auswertung (Kap. 5.3) die Aktivitäten der einzelnen gefundenen
radioaktiven Nuklide in meinen Proben ausrechne, werde ich dort noch einmal genauer auf die
Rechnung mit der Aktivität eingehen.
Energiedosis (D)
Die Energiedosis gibt an, wie viel Energie eine bestimmte Masse m eines bestrahlten Stoffes
aufnimmt. D = E/m.
Die Einheit der Energiedosis ist ein Gray (1 Gy): 1 Gy = 1 J/kg.
Eine Energiedosis von ca. 6 Gy führt als Ganzkörperbestrahlung zum Tod eines Menschen.
Äquivalentdosis (Dq)
Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung und
Strahlenbelastung. Auf die biologische Wirkung gehe ich unter Punkt 2.3.4 näher ein. Dort gibt es
auch Beispiele für die Strahlenbelastung, der ein Mensch das Jahr über ausgesetzt ist.
Das Maß wird berechnet, indem man die Energiedosis mit einem Qualitätsfaktor q multipliziert, der
von der Art der Strahlung abhängt. Für Alphastrahlung ist dieser 20, für Beta- und Gammastrahlung
eins. Alphastrahlung wäre für Zellen demnach am schädlichsten, aber da Alphastrahlung kein großes
Durchdringungsvermögen (vgl. Kap. 3.2.6) hat, gelangt diese Strahlung meist nicht an Zellen, die
wichtig für den Organismus sind.
Die Einheit der Äqiuvalentdosis ist ein Sievert (1 Sv): 1 Sv = 1 J/kg.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
13
3.2.5 Energie
Radioaktive Strahlung besitzt Energie, dadurch können Gase ionisiert, Filme geschwärzt und
biologische Zellen verändert werden.
Da bei Kernumwandlungen sehr kleine Energiebeträge auftreten und somit die Einheiten Joule,
Nanometer und Wattsekunde, die sonst zur Messung von Energien gebraucht werden, unpraktisch
sind, wurde die Einheit Elektronenvolt (eV) eingeführt. Die Definition lautet: „1 eV ist die Energie, die
ein Elektron aufnimmt, wenn es beim freien Durchlaufen einer Spannung von 1 V beschleunigt
wird“2. Je größer also die Spannung wird, desto größer wird die Bewegungsenergie der Teilchen.
Beim radioaktiven Zerfall eines bestimmten Stoffes wird eine charakteristische Energie frei.
Alphateilchen besitzen bestimmte diskrete Energien in einer Größenordnung von 1MeV bis 10 MeV.
Wie hoch sie letztendlich sind, hängt von der Strahlungsquelle und der Wahrscheinlichkeit, dass
genau dieser Energiebetrag vom Kern abgegeben wird, ab. Hat das Teilchen die Maximalenergie
erhalten, ist der Kern in den Grundzustand übergegangen. Ist die Energie des Alphateilchens kleiner,
befindet sich der Kern noch in einem angeregten Zustand und die restliche Energie des Kerns wird in
Form eines Gammaquants frei.
Bei Betateilchen gibt es stets ein kontinuierliches Energiespektrum mit einer maximalen Energie, die
meist im Bereich von 1 MeV liegt. Alle auftretenden Elektronen oder Positronen, die in meinem Fall
nicht relevant sind, besitzen unterschiedliche Energien. Die größte Häufigkeit einer Energie liegt für
jedes Radionuklid bei einem bestimmten Wert. Die kontinuierliche Energieverteilung rührt daher,
dass beim Betazerfall auch Neutrinos oder Antineutrinos frei werden (s.o.). Die frei werdende
Zerfallsenergie verteilt sich dann nach Zufall auf Positron und Neutrino bzw. auf Elektron und
Antineutrino. Neutrino und Antineutrino besitzen weder Ladung noch Ruhemasse, man kann sie als
Portion besonderer Energie bezeichnen. Durch ihr großes Durchdringungsvermögen sind sie auch
schwer nachzuweisen.
In Kernreaktionsgleichungen, Umwandlungsschemata und Tabellen wird nur die Maximalenergie
angegeben. Wird durch Elektron und Antineutrino bzw. Positron und Neutrino nicht die gesamte
Zerfallsenergie verbraucht, entstehen zusätzlich noch ein Gammaquant oder mehrere
Gammaquanten.
Gammastrahlen besitzen bestimmte diskrete Energien wie die Alphateilchen, jedoch handelt es sich
hier nicht um Teilchenstrahlung, sondern um elektromagnetische Wellenstrahlung. Der Betrag der
Energie kann einen Wert zwischen 0,003 und etwa 17 MeV betragen. Die Energie kann über die
2 Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie. S. 14.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
14
Wellenlänge bzw. die Frequenz bestimmt werden. Je höher die Frequenz bzw. je kürzer die
Wellenlänge desto mehr Energie besitzt ein Gammaquant. Gammaquanten sind unter anderem eine
Begleiterscheinung des Alpha- oder Betazerfalls, wenn der Kern noch überschüssige Energie besitzt
(s.o.). Die Energieabgabe kann in einer oder mehreren Stufen erfolgen, jedoch besitzen die Quanten
jeder einzelnen Stufe alle den gleichen Energiebetrag.
3.2.6 Durchdringungsvermögen, Absorption, Ablenkung
Das Durchdringungsvermögen radioaktiver Strahlung ist abhängig von
- der Art der Strahlung
- der Energie der Strahlung
- der Art des durchstrahlten Stoffes
- der Dicke des durchstrahlten Stoffes
Das Durchdringungsvermögen von Alphastrahlung ist am kleinsten, das von Gammastrahlung am
größten.
Radioaktive Strahlung wird durch Stoffe teilweise absorbiert. Das Absorptionsvermögen hängt von
den gleichen Faktoren ab wie das Durchdringungsvermögen. Alphastrahlung wird bereits durch
Papier vollständig absorbiert, Betastrahlung von einer 1 mm dicken Aluminiumschicht und
Gammastrahlung wird zu 50 % von einer 13 mm dicken Bleischicht absorbiert (Abb. 3.2.6).
Abbildung 3.2.5: Zerfall eines Radium-Nuklids.
In dieser Abbildung ist dargestellt, dass Radium auf zwei
verschiedene Arten zu Radon zerfallen kann. Die grünen
Linien geben Energieniveaus an: Je weiter oben sie sich
befinden, desto höher ist die Energie, die das Nuklid
enthält. Zu 94,4 % zerfällt das Nuklid unter ausschließlicher
Aussendung eines Alphateilchens. Wird nicht die gesamte
Energie, die bei diesem Zerfall frei wird, an das
Alphateilchen abgegeben, entsteht zusätzlich ein
Gammaquant mit der restlichen Energie. Auf die
Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Zerfälle wird in
dem Abschnitt „Übergangswahrscheinlichkeit“ (Kap. 4.5)
näher eingegangen.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
15
Alpha- und Betastrahlung werden durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt,
Gammastrahlung dagegen nicht, da sie ungeladen ist. Betateilchen werden stärker abgelenkt als
Alphateilchen, da sie eine geringere Masse besitzen.
3.2.7 Wechselwirkungen mit Materie
Welche Wechselwirkungen stattfinden, ist von der Art der Strahlung, der Energie der
Strahlungsteilchen bzw. Quanten und der Art des Wechselwirkungsmaterials abhängig. Häufig treten
Wechselwirkungen gleichzeitig auf, wobei meist eine überwiegt.
Alphateilchen verlieren ihre Energie vor allem dadurch, dass sie Atome oder Moleküle der
durchstrahlten Materie ionisieren oder anregen. Bei der Ionisierung (Abb. 3.2.7.1) eines Atoms wird
ein Elektron aus seiner Hülle abgetrennt, dafür ist ein bestimmter Energiebetrag notwendig. Wird
mehr Energie zugeführt, erhält das Elektron dies in Form von Bewegungsenergie. Diese kann so groß
sein, dass das Elektron nun seinerseits ein weiteres Atom ionisiert.
Abbildung 3.2.7.1: Vorgang der Ionisierung schematisch dargestellt.
Abbildung 3.2.6 Schema für die Absorption der verschiedenen Strahlen.
Abbildung 3.2.7.2: Anregung eines Valenzelektrons durch ein Alphateilchen schematisch dargestellt.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
16
Bei der Anregung (Abb. 3.2.7.2) eines Atoms wird ein Hüllenelektron vom Kern weiter entfernt und
damit auf ein höheres Energieniveau gehoben. Beim Zurückspringen auf das Ausgangsenergieniveau
wird Energie in Form eines Photons wieder abgegeben. Durch die Energieabgabe wird das
Alphateilchen immer langsamer. In Luft unter Normalbedingungen kann es nach 4 bis 7 cm keine
Veränderungen mehr herbeiführen und ist somit in ausreichender Entfernung für Organismen
ungefährlich. Ein abgebremstes Alphateilchen nimmt zwei freie Elektronen auf und wandelt sich
dadurch in ein Heliumatom um.
Treffen Betateilchen auf Materie, treten Ionisation, Anregung, Streuung und Erzeugung von
Bremsstrahlung auf. Ionisation und Erzeugung von Bremsstrahlung sind hierbei die wichtigsten
Prozesse. Betateilchen ionisieren pro Wegstrecke weniger Teilchen als Alphateilchen, daher müssen
sie einen längeren Weg zurücklegen, um ihre Energie durch Ionisationen abzugeben, dadurch
besitzen sie auch eine größere Reichweite. Da die Betateilchen keine einheitlichen Energien
besitzen, kann allerdings keine einheitliche Reichweite angegeben werden, sie liegt in der Luft
zwischen einigen Zentimetern bis zu einigen Metern. Reicht die Energie eines Betateilchens nicht aus,
um ein Atom zu ionisieren, kommt es zu einer Anregung.
Betateilchen können auch an Bewegungsenergie verlieren,
wenn sie im elektrischen Feld eines Atoms abgebremst
werden. Die dabei verlorene Energie wird in Form eines
Photons abgegeben (Röntgenbremsstrahlung, Abb.
3.2.7.3). Betateilchen werden aufgrund ihrer geringen
Masse bei Wechselwirkungen mit Atomhüllen (Ionisation,
Anregung) oder Atomkernen (Strahlungsbremsung) aus
ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung stark abgelenkt,
sie werden gestreut. Die Ablenkung wird desto
wahrscheinlicher, umso geringer die Energie des Elektrons
ist. Sind die Betateilchen weitgehend abgebremst, werden sie entweder von positiven Ionen
eingefangen oder sie lagern sich an neutrale Atome an und bilden dadurch negative Ionen.
Die Wechselwirkung von Gammastrahlung ist von besonderer Bedeutung bei der Nutzung eines
Gammaspektrometers, wie in Kapitel 4 dargestellt ist, da ionisierende Strahlung nicht mit den Sinnen
des Menschen direkt wahrgenommen werden kann. Erst wenn die Strahlung (hier die
Gammastrahlung) eine nachweisbare Veränderung hervorruft, kann diese erfasst werden. Abhängig
von der Quantenenergie können im Wesentlichen drei Wechselwirkungsprozesse auftreten: der
Abbildung 3.2.7.3: Erzeugung von Bremsstrahlungf schematisch dargestellt.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
17
Photoeffekt, der Comptoneffekt und der Paarbildungseffekt. Diese drei Effekte überlagern sich im
Wechselwirkungsmaterial, wobei in einzelnen Energiebereichen einer der Prozesse überwiegt.
Photoeffekt:
Dieser Effekt tritt vor allem bei kleineren Quantenenergien und großen Kernladungszahlen des
Absorbermaterials auf. Es kommt zu einer Wechselwirkung zwischen den Quanten und den
Elektronen der Atomhülle. Die Energie eines von der Hülle aufgenommenen Quants führt dazu, dass
ein Elektron (oder mehrere) abgespalten wird (Abb. 3.2.7.4). Die überschüssige Energie wird wieder
in Bewegungsenergie des Elektrons umgewandelt. Der Photoeffekt führt also zu einer Ionisation.
Abbildung 3.2.7.4: Photoeffekt in einer schematischen Darstellung.
Beim Photoeffekt verschwindet das Gammaquant und das austretende Teilchen wird Photoelektron
genannt, dieses kann wiederum durch Energieabgabe andere Atome anregen oder ionisieren.
Dadurch, dass der Photoeffekt vor allem an kernnahen Schalen stattfindet, besitzt das Atom dort
dann eine Lücke. Durch den Sprung eines weiter außen liegenden Elektrons wird diese gefüllt. Die
dabei frei werdende Energie wird als Röntgenquant emittiert (Abb. 3.2.7.4). Diese Strahlung wird
Röntgen-Fluoreszenzstrahlung genannt. Sie kann entweder das Wechselwirkungsmaterial verlassen
oder weitere Photoeffekte hervorrufen.
Abbildung 3.2.7.5: Modelldarstellung der Entstehung der Röntgenfluoreszenzstrahlung.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
18
Comptoneffekt:
Dieser Effekt wird vor allem durch Gammaquanten
mittlerer Energie hervorgerufen. Das Quant überträgt
dabei einen Teil seiner Energie auf ein in der äußeren
Schale der Atomhülle sitzendes Elektron, das dadurch
abgetrennt wird (Comptonelektron). Das Quant besitzt
danach eine geringere Energie und bewegt sich mit
veränderter Flugrichtung weiter. Auch der Comptoneffekt
führt somit zu einer Ionisation des Atoms (Abb. 3.2.7.6).
Das gestreute Gammaquant kann weitere Effekte hervorrufen, bis seine Energie so niedrig geworden
ist, dass es durch einen Photoeffekt ganz aufgezehrt wird. Das Comptonelektron kann im
Welchselwirkungsmaterial zu Ionisationen und Anregungen führen.
Paarbildung:
Dieser Effekt tritt vor allem bei höherer Quantenenergie auf. Das Quant wird im elektrischen Feld
eines Atomkerns vernichtet und in ein Elektron und ein Positron umgewandelt. Dafür ist aber eine
bestimmte Energie notwendig (> 1,022 MeV), ab einer Energie von 2,044 MeV können auch zwei
Teilchenpaare erzeugt werden. Überschüssige Energie wird wieder in Bewegungsenergie der beiden
Teilchen umgewandelt. Der Paarbildungseffekt spielt vor allem bei Elementen mit hoher
Ordnungszahl eine Rolle. Das entstandene Positron hat nur eine relativ geringe Lebensdauer. Nach
der Übertragung der Bewegungsenergie auf das Wechselwirkungsmaterial vereinigt es sich mit
einem Elektron und zerstrahlt dabei in zwei Gammaquanten von je 0,511 MeV. Dieser Vorgang stellt
die Umwandlung von Materie in Energie dar.
Abbildung3.2.7.6: Schematische Darstellung des Comptoneffekts.
Abbildung 3.2.7.7: Schematische Darstellung der Paarbildung.
Abbildung 3.2.7.8: Elektron und Positron vereinigen sich und zerstrahlen (Modelldarstellung).
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
19
Besitzen die bei Photoeffekt, Comptoneffekt oder Paarbildung erzeugten Elektronen genügend
Energie und finden die Wechselwirkungen in einem Material mit höherer Ordnungszahl statt, kann
dabei wieder Bremsstrahlung erzeugt werden (Abb. 3.2.7.9). Der primären Umwandlung von hoher
Quantenenergie in kinetische Teilenergie folgt dann eine teilweise Rückumwandlung in Quanten
niedrigerer Energie.
Abbildung 3.2.7.9: Der Photoeffekt, durch den ein Elektron aus der Hülle herausgelöst wurde, führt zur Erzeugung von Bremsstrahlung.
3.2.8 Tabellarische Übersicht
Bezeichnung Alphastrahlung Beta- - Strahlung Gammastrahlung
Zusammensetzung Heliumkerne Elektronen Photonen, elektromagnetische Wellen
Ladungszahl + 2 - 1 0
Massenzahl 4 0 0
Geschwindigkeit bis zu 10 % der Lichtgeschwindigkeit
bis zu 99 % der Lichtgeschwindigkeit
Lichtgeschwindigkeit
Reichweite in Luft bis ca. 10 cm bis ca. 10 m sehr groß
Durchdringungs-vermögen
gering Mittel groß
Ionisationsvermögen hoch Mittel gering
Abschirmung Blatt Papier Metallbleche Bleiplatten Tabelle 3.2.8: Übersicht über die Strahlungsarten mit ihren wichtigsten Eigenschaften.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
20
3.3 Natürliche Radioaktivität
Bei meinem Versuchsmaterial, den Materialien, für deren Herstellung Zirkon verwendet wird,
handelt es sich um natürliche Radioaktivität, da keine künstlich erzeugten Radionuklide vorliegen.
Im Folgenden möchte ich die natürliche Radioaktivität ein wenig genauer beleuchten.
Wie zuvor bereits erwähnt wandeln sich bei natürlicher Radioaktivität in der Natur vorkommende
Radionuklide spontan unter Aussendung von radioaktiver Strahlung um. Die entstehenden
Folgekerne sind meistens wieder radioaktiv, sodass ganze Zerfallsreihen existieren, die jeweils bei
einem stabilen Kern enden. Es gibt vier natürliche Zerfallsreihen, ein Isotop einer Zerfallsreihe tritt
auch nur in dieser einen Zerfallsreihe auf. Sie existieren bereits seit der Entstehungszeit der Erde (vor
ca. 4,6 Mrd. Jahren). Die sogenannten Urnuklide haben eine extrem große Halbwertszeit von
teilweise einigen Millionen Jahren und höher. Drei dieser Zerfallsreihen bestehen heute noch, die
Thorium-Reihe, die Uran-Actinium-Reihe sowie die Uran-Radium-Reihe. Eine dagegen ist bereits
„ausgestorben“, die Neptunium-Reihe. Sie ist ausgestorben, weil das langlebigste Nuklid nur eine
Halbwertszeit von 2,14*106 Jahren hat. Die jeweiligen Nuklide senden meistens Alpha- und Beta—-
Strahlen sowie die meist damit verbundenen Gammastrahlen.
Zwischen einem Radionuklid und seinem Zerfallsprodukt (Tochternuklid) besteht ein radioaktives
Gleichgewicht. Zu Beginn des Zerfalls ist die Bildungsgeschwindigkeit des Tochternuklides größer als
dessen Zerfallsgeschwindigkeit, bis schließlich nach ca. sieben Halbwertszeiten des Tochternuklides
ein Gleichgewicht entsteht.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
21
3.3.1 Die Uran – Actinium – Zerfallsreihe
Abbildung 3.3.1: Die Nuklide der Uran – Actinium – Zerfallsreihe.
In dieser Abbildung (3.3.1) sind die verschiedenen Nuklide der Uran – Actinium – Zerfallsreihe
dargestellt. Sie sind eindeutig bestimmt durch die Nukleonenzahl (Massenzahl) und die Protonenzahl
(Kernladungszahl). Die Zerfallsreihe beginnt oben rechts beim Uran-235. An den jeweiligen Pfeilen
lässt sich ablesen, um welche Art der Strahlung es sich bei den jeweiligen Zerfallsreaktionen handelt.
Gammastrahlung ist nicht eingezeichnet, da sich bei ihr weder die Nukleonenzahl noch die
Kernladungszahl ändert. Aber wie oben bereits beschrieben, ist sie meistens eine Begleiterscheinung
bei den anderen beiden Zerfallsarten. Die Zerfallsreihe endet hier bei dem stabilen Blei-207. Da bei
manchen Nukliden (z.B. Actinium-227) sowohl der Betazerfall als auch der Alphazerfall in Frage
kommen, gibt es verschiedene Wege, die zu diesem stabilen Zustand führen können.
An dieser Übersicht erkennt man auch, dass nur Nuklide mit einer Massenzahl bzw. Nukleonenzahl
von 4n+3 vorkommen. Bei n handelt es sich hier um eine natürliche Zahl. Dies kann man erklären,
indem man sich die Zerfälle anschaut. Nur beim Alphazerfall nimmt die Nukleonenanzahl ab und
zwar um vier Nukleonen.
Die verschiedenen natürlichen Zerfallsreihen überschneiden sich nicht und gehen auch nicht
ineinander über. In der Uran – Radium – Zerfallsreihe findet man nur Nuklide mit der Massenzahl
4n+2, in der Thorium – Reihe Nuklide mit der Massenzahl 4n und in der heute nicht mehr
vorhandenen Neptunium – Reihe Nuklide mit der Massenzahl 4n + 1.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
22
3.3.2 Die Uran – Radium – Zerfallsreihe
Abbildung 3.3.2: Die Nuklide der Uran – Radium – Reihe.
Die oben (Abb. 3.3.2) dargestellte Uran – Radium – Zerfallsreihe beginnt beim Uran-238 und endet
beim stabilen Blei-206. Auch hier sind wieder verschiedene Wege möglich. Die Nukleonenanzahl
beträgt hier, wie oben bereits beschrieben, 4n+2.
3.3.3 Die Thorium – Zerfallsreihe
Abbildung 3.3.3: Die Nuklide der Thorium – Zerfallsreihe.
Die Thorium – Zerfallsreihe beginnt beim Thorium-232 und endet beim stabilen Blei 208. Wie oben
angeführt, erkennt man an der Abbildung, dass die Nukleonenzahl der verschiedenen Nuklide ein
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
23
Vielfaches von 4, also 4n, beträgt. Auch hier gibt es instabile Nuklide, die sowohl Betastrahlung als
auch Alphastrahlung abgeben können.
3.4 Wie wirkt Radioaktivität auf den menschlichen Körper?
Aufgrund der natürlichen Radioaktivität sowie durch technische Geräte sind wir alle ständig einer
Strahlenbelastung ausgesetzt. Der natürlichen Strahlenbelastung sind alle Lebewesen sogar seit
Jahrtausenden ausgesetzt.
Die folgende Tabelle (3.4) zeigt eine Übersicht über die mittlere Strahlenbelastung in der
Bundesrepublik Deutschland.
Art der Strahlung Äquivalentdosis
Von der Umgebung (Erde) ausgehende Strahlung Kosmische Strahlung Strahlung durch aufgenommene Nahrung/Luft
0,4 mSv/Jahr 0,3 mSv/Jahr 1,7 mSv/Jahr
Medizinische Untersuchungen einschließlich Röntgenuntersuchungen Strahlung durch Kernkraftwerke, Kernwaffenversuche Strahlung durch Bildschirm des Fernsehapparates und des Computers
1,5 mSv/Jahr 0.01 mSv/Jahr 0.02 mSv/Jahr
Gesamtbelastung 4 mSv/Jahr Tabelle 3.4: Übersicht über die mittlere Strahlenbelastung in der BRD
Die durchschnittliche Strahlenbelastung beträgt in Deutschland also im Mittel 4 mSv/Jahr. Sie kann
jedoch von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein.
Der Grenzwert für Menschen, die beruflich radioaktiver Strahlung ausgesetzt sind, liegt bei 50
mSv/Jahr. Ab 250 mSv/Jahr können Schäden auftreten, eine kurzzeitige Strahlenbelastung von über
5000 mSv ist tödlich.
Radioaktive Strahlung kann Veränderungen an Zellen hervorrufen und bei hoher Dosierung zu
Strahlenschäden bis hin zum Tode führen.
Bei organischem Gewebe, vor allem bei hoch entwickelten Säugetieren und beim Menschen, können
zwei Arten von Strahlenschäden auftreten: somatische Schäden und genetische Schäden.
Im Folgenden möchte ich genauer darauf eingehen, was in den Zellen passieren kann. Treffen
ionisierende Strahlen auf einen Organismus (z.B. den Menschen), treten in den einzelnen Zellen
physikalische und unter Umständen in der Folge chemische und biologische Effekte auf. In der
sogenannten „physikalischen Phase“ treffen Strahlen auf Atome im Inneren der Zelle, was zu
Ionisation und Anregung von Atomen und Molekülen führt. Die gebildeten Ionen können entweder
das Elektron wieder einfangen (Rekombination), oder aber es werden Bindungen zwischen Atomen
gespalten und somit die Zellen verändert. Dies passiert in der sogenannten „chemischen Phase“. Es
kann zur Bildung von Peroxiden (z.B. Wasserstoffperoxid aus Wasser), zur Veränderung von
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
24
Aminosäuren und Enzymen oder zu dem Zerbrechen von Makromolekülen, DNS-Schäden und
Chromosomeneinbrüchen kommen. Diese Schäden können grundsätzlich vom Körper repariert
werden oder die entstandenen Stoffe können über den Stoffwechselkreislauf aus der Zelle entfernt
werden. Ist dies nicht der Fall, führen die physikalischen Primäreffekte und die daraus folgenden
chemischen Sekundäreffekte zu einem biologischen Bestrahlungseffekt: Die Zelle zeigt ein
verändertes biologisches Verhalten oder ist nicht mehr funktionsfähig. Das führt jedoch nicht in
jedem Fall dazu, dass der Schaden auch nach außen hin erkennbar wird. Die geschädigten oder nicht
mehr funktionsfähigen Zellen könnten erkannt und mit Hilfe des Immunsystems bekämpft und
abgebaut werden. Somit gäbe es dann keine gesundheitlichen Konsequenzen. Versagt jedoch das
Abwehr- bzw. Reparatursystem oder wird es überfordert, kommt es zu einem „Strahlenschaden“. Er
kann sofort oder nach einer längeren Zeit offenbar werden. Strahlenschäden können, wie oben
bereits genannt, somatische (innerhalb des Körpers) Schäden, genetische Schäden und eben auch
Zelltod sein. Das folgende Diagramm (3.4) bietet noch einmal eine kleine Übersicht.
Diagramm 3.4: Wirkung der radioaktiven Strahlung auf den menschlichen Körper.
Somatische Schäden wirken sich auf den Gesundheitszustand des betreffenden Lebewesens aus. Sie
unterteilen sich noch einmal in Frühschäden, wie Veränderungen des Blutbildes, Unwohlsein, Fieber
etc., und Spätschäden, die erst nach Jahren oder Jahrzehnten auftreten (der Schaden ist zwar bei der
Bestrahlung entstanden, aber die Symptome treten erst später auf). Diese Spätschäden unterteilt
man noch einmal in nicht bösartige (keine Metastasen bildende) Schäden wie Sterilität und Trübung
der Augenlinse und bösartige Spätschäden wie Leukämie/Krebs.
Genetische Schäden wirken sich erst bei den Nachkommen aus.
Die durch die natürliche Strahleneinwirkung hervorgerufenen Mutationen sind zahlenmäßig so
gering, dass sie aus den zeitlichen Schwankungen der natürlichen Mutationsraten nicht hervortreten.
Absorption radioaktiver Strahlung
Veränderung in den Zellen
Körperzellen Keimzellen
Somatische Schäden:
- Organschäden
- Krebs
Genetische Schäden:
- Sterilität
- Erbkrankheiten
- Missbildungen
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
25
Besonders gefährlich ist eine kurzzeitige hohe Strahlenbelastung. Über Schäden durch geringe
Strahlenbelastung über einen längeren Zeitraum hinweg liegen keine eindeutigen Erkenntnisse vor.
Ob Strahlenschäden eintreten oder nicht, ist vor allem abhängig von
- der Art der Strahlung, der Energiedosis und der Dauer der Einwirkung
- der Empfindlichkeit der bestrahlten Organe besonders empfindlich sind Knochenmark,
Lymphknoten und Keimzellen
Auf den Strahlenschutz, also wie man sich schützen kann, gehe ich bei der Beurteilung der
Ergebnisse (Kap. 5.5) ein, wo ich gleichzeitig die Gefährlichkeit der untersuchten Stoffe für den
menschlichen Körper beurteile.
4 Messmethode – Gammaspektroskopie
Es gibt verschiedene Messmethoden zur Bestimmung der Gesamtaktivität der Proben. Da die
einzelnen Radionuklide aber für den Menschen unterschiedlich gefährlich sind, muss man sie aus
Gründen des Strahlenschutzes einzeln bestimmen.
Fast alle Radionuklide senden Gammaquanten einer charakteristischen Energie aus. Durch
Bestimmung der Gammaenergien lassen sich die Radionuklide identifizieren.
Es gibt verschiedene Arten von Gammaspektrometern. Zur Bestimmung der Gammaenergien
verwendet man heute bevorzugt Halbleiterdetektoren. Die TU-Darmstadt besitzt einen Low Level
Ge(Li) – Halbleiterdetektor.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
26
4.1 Funktionsweise des Gammaspektrometers
Abbildung 4.1.1: Schematischer Aufbau eines Gammaspektrometers.
Diese Abbildung (4.1.1) zeigt einen stark vereinfachten Aufbau des Versuchsaufbaus zur
Gammaspektroskopie. Alle Messung beginnt mit dem Halbleiterdetektor, auf den die
Gammaquanten treffen.
Bevor ich aber auf diesen Halbleiterdetektor zu sprechen komme, müssen der Begriff des Halbleiters
und andere wichtige Fachbegriffe geklärt werden.
Als Halbleiter werden kristalline Stoffe bezeichnet, die keine metallische Bindung aufweisen, typische
Beispiele hierfür sind Germanium und Silizium. Beim Halbleiter sind die Bindungselektronen nicht
wie beim Metall delokalisiert, sondern lediglich lockerer gebunden als die Rumpfelektronen. Verlässt
ein Elektron seinen Platz in der Bindung, so entsteht eine Fehlstelle, die als Defektelektron oder Loch
bezeichnet wird. Den Vorgang der Entstehung eines beweglichen Elektrons und eines Loches nennt
man Paarbildung, den umgekehrten Vorgang Rekombination. In einem reinen Halbleiter halten sich
Paarbildung und Rekombination die Waage. Die Leitung in einem reinen Halbleiter wird als
Eigenleitung bezeichnet. Sie erfolgt durch Elektronen und Löcher.
Für die technische Nutzung spielt die Eigenleitung nur eine geringe Rolle. Praktisch bedeutsam
wurden Halbleiter erst, als es gelang, ihr Leitvermögen durch den Einbau von Fremdatomen in
hochreines Halbleitermaterial (Vorgang des Dotierens) einzubauen. Durch das Dotieren lässt sich die
Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt erhöhen. Nach Art der dann dominierenden Leitung
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
27
unterscheidet man zwischen n-Leitung (Elektronenleitung) und p-Leitung (Löcherleitung). Wird z.B.
ein Phosphoratom (5-wertig) in Silicium dotiert, kann ein Außenelektron des Phosphors nicht
gebunden werden und steht als freies Elektron für eine n-Leitung zur Verfügung. Wird in einen
Siliciumkristall ein Boratom (3-wertig) eingebaut, kann ein Außenelektron eines Siliciumatoms nicht
gebunden werden. Es bleibt ein Loch, das für eine p-Leitung zur Verfügung steht. Die n- und p-
Leitung wird auch als Störstellenleitung bezeichnet, da die Grundlage dieser Leitung der gezielte
Einbau von Fremdatomen (Störstellen) ist.
Dioden (Abb. 4.1.2) bestehen aus einer Kombination von p- und n- leitenden Halbleitern. Für ihre
Wirkungsweise spielt der Übergang zwischen dem p-leitenden und dem n-leitenden Gebiet, kurz als
pn - Übergang eine entscheidende Rolle. Im Bereich zwischen dem p-Leiter und dem n-Leiter kommt
es zur Diffusion von Elektronen in den p-Leiter und von Löchern in den n-Leiter. Es entsteht eine
Grenzschicht mit speziellen Eigenschaften. Für diese Grenzschicht gilt, dass aufgrund von
Rekombination in dieser keine Elektronen und Löcher vorhanden sind, d.h. der pn-Übergang wirkt
wie eine Sperrschicht. Im pn-Übergang existiert ein elektrisches Feld, das vom n-Leiter zum p-Leiter
gerichtet ist. Aufgrund seiner Entstehung durch Diffusion wird es auch als Diffusionsfeld bezeichnet.
Es verhindert das weitere Eindringen von Elektronen in den p-Leiter und von Löchern in den n-Leiter.
Abbildung 4.1.2: Der schematische Aufbau einer Halbleiterdiode.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
28
Eine Halbleiterdiode besteht aus p-und n- leitenden Halbleitern mit einem dazwischen liegenden
pn-Übergang. Untersucht man experimentell die Stromstärke in Abhängigkeit von einer außen
liegenden Spannung (vgl. Abb. 4.1.3), dann zeigt sich:3
- Liegt am p-Leiter der Pluspol der Spannungsquelle, so fließt bei geringer Spannung zunächst
kein Strom, das Diffusionsfeld wirkt dem äußeren Feld entgegen.
- Ab der Schwellenspannung US überwiegt das äußere Feld. Der pn-Übergang wird mit
Ladungsträgern überschwemmt. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet.
- Liegt am p-Leiter der Minuspol der Spannungsquelle, so wirken Diffusionsfeld und äußeres
Feld in gleiche Richtung. Der an Ladungsträgern verarmte pn-Übergang wird breiter. Die
Diode ist in Sperrrichtung geschaltet.
Der Halbleiterdetektor des Gammaspektrometers besteht im Prinzip aus einer Halbleiterdiode, die in
Sperrrichtung betrieben wird. Oben in der Abbildung (4.1.2) sind p-Leiter, n-Leiter und Sperrschicht
eingezeichnet.
Abbildung 4.1.3: Unterschiedlich geschaltete Halbleiterdioden (Modelldarstellung)
Die verwendete Diode ist aus einer positiv geladenen p-Schicht, die aus Germanium mit darin
eindiffundiertem Lithium besteht, und einer negativ geladenen n-Schicht, die aus Bor oder
Aluminium besteht, zusammengesetzt. Um die Diffusion von Lithium und die unkontrollierte
Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren durch Umgebungswärme zu verhindern, wird der Messkopf
mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Tritt ein Gammaquant in die Sperrschicht ein, gibt es bestenfalls
seine gesamte Energie an ein Elektron ab (Photoeffekt). In der Sperrschicht wird ein Elektronen-
Loch-Paar erzeugt. Die Ladungstrennung führt zum Aufbau einer elektrischen Spannung. Dieser
Spannungsimpuls kann gemessen werden. Da die Energie dieses Spannungsimpulses proportional zur
Energie des Gammaquants ist, kann seine Energie bestimmt werden. Die nachgeschaltete Elektronik
braucht also nur die Spannungsimpulse nach ihrer Amplitude zu sortieren und zu zählen. Das Resultat
der Messung wird durch einen Bildschirm bzw. Drucker wiedergegeben.
3 Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 271 – 275.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
29
4.2 Abschirmung
Um den Detektor gegen äußere Einflüsse wie Terrestrische Strahlung und Höhenstrahlung zu
schützen, wird der Spektrometer durch mehrere Schichten verschiedenen Materials geschützt(s.
Anhang 2). Die äußerste Schicht der Apparatur ist eine 5 cm starke Bleiburg (Abb. 4.2.1). Diese
schützt die Messvorrichtung zwar vor Strahlung der natürlichen Zerfallsreihe, aber nicht vor der
Röntgenstrahlung, die von hochenergetischen Gammaquanten der Höhenstrahlung im Blei erzeugt
wird und immerhin noch bis 85 keV betragen kann. Aus diesem Grund ist die nächste Abschirmung
eine Eisenschicht, die die Röntgenstrahlung von Blei absorbiert und selbst nur noch 7 keV emittiert.
Bei der Wahl des Eisens ist jedoch darauf zu achten, dass es vor 1960 produziert sein sollte, da seit
1960 Cäsium 137 für die Füllstandskontrolle bei der Herstellung von Stahl benutzt wird und somit
auch in den Stahl gelangen kann. Um das Messgerät vor Neutronen zu schützen, die durch
Spontanspaltung von Uran oder Thorium entstehen, verwendet man Cadmium, da es einen hohen
Einfangsquerschnitt besitzt. Schließlich muss noch eine Schicht eingebaut werden, die für β-Strahlung
undurchlässig ist. Diese Aufgabe übernimmt eine Plexiglasschicht. Die folgenden Abbildungen (4.2.1,
4.2.2, 4.2.3, 4.2.4) verdeutlichen die Abschirmung des Gammaspektrometers. Es dauert ein wenig,
bis der Detektor (Abb. 4.2.3) freigelegt ist, damit man eine Probe in einem Probendöschen (Abb.
4.2.4) platzieren kann.
Abbildung 4.2.1: Versuchsaufbau an der TU – Darmstadt.
Auf diesem Bild erkennt man rechts die „Bleiburg“
mit dem 1,8 Tonnen schweren Deckel (roter Pfeil),
der auf Rollen gelagert ist, sowie links den Computer,
auf dem die gemessenen Daten gespeichert werden.
Abbildung 4.2.2:Die verschiedenen Schichten der Abschirmung..
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
30
4.3 Beispiel eines Gammaenergie-Spektrums
Auf der x-Achse des Diagramms sind die Gammaenergien in Form schmaler Kanäle angegeben, auf
der y-Achse die Anzahl der Impulse, die von Gammaquanten bestimmter Energie erzeugt worden
sind. Über das gesamte Spektrum sind Ausschläge, die sogenannten Photopeaks, zu erkennen. Im
Weiteren werden die Photopeaks der Einfachheit halber als Peaks bezeichnet. Die einzelnen Peaks
können den zerfallenen Radionukliden zugeordnet werden, da die Gammaenergie eine spezifische
Größe ist.
Abbildung 4.3: Beispiel eines Gammaspektrums.
Abbildung 4.2.3: Nach dem Entfernen der weiteren Schichten liegt der Detektor (mit Schutz) frei.
Abbildung 4.3.4.: Probendöschen. In dieses kommt die Probe zum Messen.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
31
Häufig wird der Logarithmus der Impulse auf der Ordinatenachse des Diagramms eingetragen, da
sonst nicht viel auf dem Spektrum zu sehen und es nicht gut auf einer Seite darstellbar wäre.
4.4 Charakteristische Energiewerte für Nuklide
Jedem Nuklid werden ein oder mehrere bestimmte Energiewerte zugeordnet. Diese Energiewerte
treten in Form von Gammaquanten auf, die als Peaks auf den Spektren zu sehen sind. Bei einem
Nuklid, bei dem nur ein Energiewert auftritt, wird die Strahlung monoenergetisch genannt. Tritt der
charakteristische Energiewert bzw. die charakteristischen Energiewerte auf, ist das Nuklid, zu dem
dieser Energiewert bzw. Energiewerte gehören, mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit im Präparat
enthalten. Es kann das Problem auftreten, dass ein Gammaquant mehreren Nukliden zugeordnet
werden kann. Aus diesem Grund gibt es die Übergangswahrscheinlichkeit.
4.5 Übergangswahrscheinlichkeit
Die Übergangswahrscheinlichkeit ist sehr wichtig für den Fall, dass einem Peak zwei oder mehrere
Nuklide zugeordnet werden könnten. Bedingt durch die Tatsache, dass nicht bei allen Zerfällen
Gammaquanten ausgesendet werden, gibt es eine unterschiedliche Gewichtung bei der Zuordnung
der Nuklide mit den Gammaquanten. Infolgedessen gibt es für jeden Energiewert eines Nuklids eine
so genannte Übergangswahrscheinlichkeit, die die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit für das
Auftreten eines speziellen Gammaquants bei einem speziellen Nuklid angibt. Mit Hilfe der
Übergangswahrscheinlichkeit können somit Nuklide besser auseinandergehalten werden, falls ein
Gammaquant mehreren zugeordnet werden kann. Außerdem kann so mit mehr Sicherheit gesagt
werden, dass ein bestimmtes Nuklid vorliegt. Die jeweilige Wahrscheinlichkeit, dass bei diesem
Nuklid dort ein Peak vorliegen muss, muss proportional zur Höhe des Peaks sein. Ein Beispiel: Wenn
ein Nuklid mit 50%iger Wahrscheinlichkeit Gammaquanten der Energie 600 keV aussendet und mit
10%iger Wahrscheinlichkeit Gammaquanten mit der Energie von 1300 keV, so muss der Peak bei 600
keV viel größer sein, aber dennoch muss der bei 1300 keV zur eindeutigen Bestimmung des Nuklids
auch vorhanden sein.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
32
Abbildung 4.5: Tabelle aus einem Nuklidexplorer. Links sind die jeweiligen Energien in keV angegeben, rechts die Übergangswahrscheinlichkeiten zu den jeweiligen Energiewerten.
In dieser Beispieltabelle (4.5), die vom Nuklid Cs – 134 (vgl. auch Beispieldiagramm – Abbildung 4.3)
stammt, kann man die Übergangswahrscheinlichkeiten zu den jeweiligen Energien ablesen. Man
müsste in dem Spektrum also mit 97,5%iger Wahrscheinlichkeit einen Peak bei 604 keV finden (er
muss auf jeden Fall vorhanden sein). Ebenfalls müsste man bei den anderen Energiewerten auch
Peaks angezeigt bekommen, da auch dort die Übergangswahrscheinlichkeiten sehr hoch sind.
4.6 Qualität von Gammaspektren
Zu der Arbeit mit einem Gammaspektrometer gehört auch die Diskussion der Qualität von
Gammaspektren. Grundsätzlich ist die Gammaspektroskopie eine hochfeine Messmethode, die sogar
einzelne Photonen nachweisen kann. Allerdings muss man bei der Auswertung der
Gammaenergiespektren ein paar Aspekte berücksichtigen. Bei der Qualität der Gammaspektren gibt
es zwei wichtige Punkte: die tatsächlich gemessene Strahlung und die immer vorhandenen
Störfaktoren.
4.6.1 Zählausbeute
Wie dieser Begriff schon sagt, handelt es sich hierbei um die Messausbeute an Gammaquanten, die
von dem Präparat (z.B. ein Zahn aus Zirkonoxidkeramik) ausgesandt werden. Es können keinesfalls
alle Zerfälle gemessen werden. Es wird angenommen, dass Gammaquanten vom Präparat aus in alle
Richtungen gesendet werden. Da das Präparat auf dem flachen Ge(Li)-Detektor liegt, ist es
unmöglich, alle Gammaquanten und somit alle Zerfallsereignisse zu messen.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
33
Abbildung 4.6.1.1: Zählausbeute bei einer kleinen Masse schematisch dargestellt.
In dieser Grafik (4.6.1.1) ist das oben Genannte theoretisch dargestellt. Der Abstand zwischen Probe
und Detektor ist in Realität größer durch einen Schutz des Detektors, wodurch die Zählausbeute
ebenfalls verringert wird.
Es gibt einen weiteren Faktor, wodurch die Zählausbeute geringer wird, nämlich die Selbstabsorption
des Präparates, durch die einige Gammaquanten schon von der Probe selbst absorbiert werden. Bei
größerer Masse nimmt die Selbstabsorption zu und es wird auch mehr von der Strahlung in den
Raum abgegeben, da verhältnismäßig weniger von der Probe direkt auf dem Detektor aufliegt (Abb.
4.6.1.2).
Abbildung 4.6.1.2: Zählausbete bei einer größeren Masse schematisch dargestellt.
Basierend auf diesen Erkenntnissen wird für Zahnersatz, bei dem es sich um einzelne Zähne handelt,
folgendes Diagramm (Abb. 4.6.1.3) benutzt, um die Zählausbeute zu bestimmen. Dies wird später in
der quantitativen Analyse wichtig. Auf der Ordinate ist die Zählausbeute in % aufgetragen, auf die
Abszisse die Energie in keV.
nicht messbare Gammaquanten
Ge(Li)-Detektor
messbare Gammaquanten
Substrat
nicht messbare Gammaquanten
Substrat
Ge(Li)-Detektor
messbare Gammaquanten
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
34
Abbildung 4.6.1.3: Diagramm – Zählausbeute in Abhängigkeit von der Gammaenergie für eine Probe mit geringer Masse.
4.6.2 Untergrundrauschen
Bei einer Messung, bei der kein Präparat im Detektor war, stellt man fest, dass auch in diesem
Spektrum einige Peaks zu erkennen sind. Diese Untergrundmessung ist notwendig, um in Erfahrung
zu bringen, welche Gammalinien nicht von den Präparaten stammen und somit das Messergebnis
verfälschen werden. Außerdem lässt sich bei dieser Messung das Untergrundrauschen erkennen,
welches ebenfalls in der späteren Auswertung verrechnet werden muss.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
35
In folgendem Leerspektrum (Abb. 4.6.2) ist sogar ein Photopeak bei 511 keV eindeutig zu erkennen.
Abbildung 4.6.2: Spektrum der Untergrundmessung des Ge(Li)-Gammaspektrometers der TU-Darmstadt. Mit Vergrößerung des Peaks bei 511 keV.
Das Untergrundrauschen wird vor allem vom Comptoneffekt verursacht (vgl. Kap 3.2.6). Dadurch,
dass immer kleinere Energiebeträge abgegeben werden und das mehrmals hintereinander, entsteht
ein kontinuierliches Energiespektrum, was zum Teil das Untergrundrauschen ausmacht.
Die zweite Komponente dieses Rauschsignals ist die Bremsstrahlung (vgl. Kap 3.2.6), bei der auch
Gammaquanten niedrigerer Energie entstehen.
Der gut erkennbare Peak bei 511 keV ist auf Vernichtungsstrahlung zurückzuführen (vgl. Kap 3.2.6 –
„Paarbildungseffekt“), bei der es sich um Gammaquanten der Energie von 511 keV handelt.
Um die Aktivität der Nuklide zu berechnen (quantitative Analyse), muss man später das
Untergrundrauschen vom untersuchten Peak abziehen. Dieser Arbeitsschritt ist bei der
quantitativen Analyse näher beschrieben.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
36
4.7 Versuchsdurchführung
Nachdem ich nun die Funktionsweise des Gammaspektrometers erläutert und wichtige Punkte, die
man beachten muss, erklärt habe, möchte ich mich nun der Ausführung des Experiments widmen
(also der Messung mit dem Gammaspektrometer). Wie in dem Kapitel über die Abschirmung des
Gammaspektrometers (Kap. 4.2) beschrieben, ist die äußere Schicht der Apparatur eine 5 cm starke
Bleiburg. Der auf Rollen gelagerte Deckel wiegt 1,8 Tonnen. Um diesen aufzuziehen, ist einige
Muskelkraft notwendig. Danach entfernt man eine Deckelschicht nach der anderen, bis man zum
Kopf des Detektors vorgestoßen ist. Nun platziert man die Probe direkt auf dem Detektor, sodass so
viele γ-Strahlen wie möglich auf den Detektor auftreffen und somit der Wirkungsgrad der
Messapparatur so hoch wie möglich ist. Jetzt werden alle Deckel wieder platziert und zu guter Letzt
mit dem Bleideckel abgedeckt, um daraufhin über den am Spektrometer angeschlossenen Computer
die Messung zu starten. Abwarten und den Mitarbeitern der Technischen Universität Darmstadt zu
danken, dass sie alle drei Tage den Spektrometer mit neuem flüssigen Stickstoff befüllen, um den
Detektor auf Temperatur zu halten, ist das Einzige, was man während der Messzeit machen kann.
Aufgrund der später beschriebenen eher geringen Radioaktivität der Zahnersatzstoffe, mussten diese
Proben mindestens jeweils zwei Wochen gemessen werden, um auswertbare Ergebnisse zu erhalten.
Das Messergebnis wird in einer Datei ausgegeben, die man mit dem speziell für Gammaspektrometer
entwickelten Programm MAESTRO öffnen kann.
Abbildung 4.7: Das Programm „Maestro“
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
37
5 Auswertung der Messergebnisse
Die Auswertung der Messergebnisse erfolgte zu Hause vor dem Computer. Hierfür waren ein paar
Computerprogramme notwendig, die ich im Einzelnen später noch kurz vorstelle.
Ich möchte hier als Erstes die Proben vorstellen, die ich für die Strahlenschutzarbeit gewählt habe. Es
folgen die qualitative und die quantitative Analyse, die ich am Beispiel des Zirkonsandes, des
Ausgangsmaterials für das Schleifpapier und der Zahnersatzstoffe, durchführe. Ich habe mich für das
Ausgangsmaterial entschieden, weil dies die größte Aktivität zeigt und die Spektren sehr
aussagekräftig sind. Außerdem kann man die folgenden Proben sehr gut mit dem Ausgangsmaterial
vergleichen und Unterschiede erklären.
5.1 Übersicht der Proben
In folgender Tabelle (Tab. 5.1) ist eine Auswahl an verwendeten Proben aufgelistet. Wie bereits
erwähnt, war es mir nicht möglich, direkt von Firmen Zahnersatzproben zu erhalten. Ich habe
ausschließlich Proben von Bekannten meiner Mitschüler bekommen. Das Schleifpapier, auf das
Zirkon aufgetragen ist, kann man im ganz normalen Baumarkt kaufen und den Zirkonsand (also das
Mineral Zirkon) habe ich über die TU-Darmstadt bzw. von der Firma Alroko in Hamburg erhalten. Ich
habe für diese Ausarbeitung eine Auswahl an Proben getroffen, da es bei den verschiedenen
Messungen ähnliche Ergebnisse gab. Die Proben sind demnach repräsentativ für die einzelne
„Probengruppe“. Eine größere Anzahl an Proben hätte den Rahmen der Strahlenschutzarbeit
gesprengt und würde an der allegmeinen Aussage dieser Arbeit nichts ändern.
Probe Probenkürzel Bild
Zirkonsand;
Firma Alroko
Hamburg
ZS
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
38
Schleifpapier,
Körnung 604
SP
Zahnersatz aus
Zirkonoxidkeramik:
Zähne
ZE1
Zahnersatz aus
Zirkonoxidkeramik:
Rohplättchen
ZE2
5.2 Vorgehensweise qualitative Analyse
Nun komme ich zur quantitativen Analyse. Wie zuvor bereits erwähnt, werde ich sie am Beispiel des
Zirkonsandes genauer beschreiben.
5.2.1 Die Arbeit am Computer
Für die quantitative Analyse habe ich zwei Computerprogramme verwendet. Zum einen das bereits
erwähnte Programm MAESTRO und ein weiteres Programm namens „Nuclides2000“.
Mit dem Programm Maestro kalibriert man das Messergebnis als Erstes, denn es kann immer einmal
ein Stromausfall etc. geschehen und das Gammaspektrometer ist nicht mehr geeicht, was bedeutet,
dass Kanälen eine höhere oder eine niedrigere Energie zugeordnet wird. Dazu markiert man zwei
Peaks, die man Nukliden zuordnen kann, und sagt dem Programm, bei welchem Kanal bzw.
4 Maß für die Korngröße bzw. die Feinheit des Schleifpapiers. 60 entspricht einer mittleren Korngröße.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
39
Energiewert diese Peaks eigentlich liegen müssten. Es dauert einige Zeit, in der man sich mit den
Spektren und der Messmethode beschäftigen muss, um zwei Peaks Nukliden nur durch „anschauen“
zuordnen zu können. Am genauesten wird das Kalibrieren, wenn man Peaks auswählt, die möglichst
weit voneinander entfernt sind, da so die Fehlerwahrscheinlichkeit, z.B. durch nicht genaues
Auswählen der Peaks, möglichst gering ist.
Wenn man das Spektrum kalibriert hat, kann man sich der Auswertung des Spektrums widmen. Man
kann ablesen, bei welchen Energiewerten Peaks vorliegen und nun kann man diese Peaks Nukliden
zuordnen. Dazu benötigt man das Programm Nuclides2000. Bei diesem Programm handelt es sich im
Grunde um eine Datenbank, in der alle Werte für die verschiedenen Nuklide gespeichert sind. Man
kann hier Halbwertszeit, Zerfallsart, Wahrscheinlichkeit der Zerfallsart usw. nachschauen. Außerdem
kann manherausfinden, bei welchen Energien man Ausschläge in einem Gammaenergiespektrum
erwarten kann und mit welcher Wahrscheinlichkeit (Übergangswahrscheinlichkeit, Kap. 4.5) die
Zerfälle passieren, bei denen Gammaquanten dieser Energie ausgesendet werden. Diese
Wahrscheinlichkeit müsste man auch in der Höhe der Peaks wiederfinden.
Um nicht bei jeder Energie nachschauen zu müssen, um was für ein Nuklid es sich handeln könnte,
kann man in dem Programm Maestro eine Bibliothek, „Library“ genannt, erstellen. Da bei meinen
Proben nur die natürliche Radioaktivität in Frage kommt, habe ich nur alle Nuklide eingetragen, die in
den drei heute noch vorhandenen natürlichen Zerfallsreihen (vgl. Kap. 3.3) vorkommen. Man muss
jeweils Nuklidname, die Energien einschließlich der Übergangswahrscheinlichkeiten und die
Halbwertszeit angeben. Obwohl es im Verhältnis zu der sehr großen Anzahl an vorstellbaren
Nukliden nur wenige einzutragene Nuklide waren, hat es sehr lange gedauert, für die in Frage
kommenden Nuklide alle Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten einzutragen. Sobald man
diesen Schritt aber geschafft hat, kann man viel einfacher und effektiver mit dem Programm Maestro
arbeiten, da man nur einen Peak markieren muss und schon angezeigt bekommt, um welches Nuklid
es sich handeln könnte. Nun muss man nur noch die anderen Energien des Nuklids mit hoher
Übergangswahrscheinlichkeit überprüfen, da diese auch in Form von Peaks im Spektrum angezeigt
werden müssen, und man kann sagen, welches Nuklid in der Probe auf jeden Fall enthalten ist.
Manchmal, so zum Beispiel bei Uran-238, kann man nur durch Nachweis von Tochternukliden auf die
Anwesenheit des Nuklides schließen, wenn zum Beispiel beim Zerfall keine Gammaquanten oder
Gammaquanten mit einer nicht detektierbaren Energie ausgesendet werden. Außerdem muss
beachtet werden, dass nicht alle Energien gemessen werden können, da das Gammaspektrometer
erst ab einer Energie von ca. 35 keV detektieren kann, wodurch ein paar Peaks, die erwartet werden
können, nicht im Diagramm auftreten.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
40
5.2.2 Die gefundenen Nuklide
Es folgt jetzt die etwas ausführlichere qualitative Analyse des Zirkonsandes. Die folgende Abbildung
(5.2.2) zeigt das zu untersuchende Spektrum.
Abbildung 5.2.2: Gammaenergienspektrum des untersuchten Zirkonsandes
Diese Darstellung des Spektrums ist nicht sehr aussagekräftig, außer dass man erkennt, dass es sich
wohl um eine radioaktive Probe handelt. Aber mit dem Programm Maestro kann man Bereiche
vergrößern und die Energien der verschiedenen Peaks genauer bestimmen und diese identifizieren.
Im Folgenden habe ich die markantesten Peaks analysiert und aufgeführt.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
41
a) Pb – 214
Dieses Nuklid (Blei-214) gehört zu der Zerfallsreihe von Uran-238. Es ist also ein Tochternuklid
dessen. In der folgenden Abbildung (5.2.3) sind die Peaks in dem zu untersuchenden Spektrum rot
markiert, die diesem Nuklid zuzuordnen sind.
Abbildung 5.2.3: Die Peaks, die durch den Zerfall von Blei-214 verursacht wurden, rot markiert.
Die Peaks, die gefunden wurden, befinden sich von links nach rechts bei den Energien 74,81 keV,
241,92 keV, 295,22 keV, 351,99 keV, 785,95 keV. Schaut man sich nun die wichtigsten Energien an,
also die Energien mit den höchsten Übergangswahrscheinlichkeiten, die in der folgenden Tabelle
(Abb. 5.2.4) dargestellt sind, erkennt man, dass vier der fünf Peaks gefunden wurden und die Höhen
der Peaks proportional zu den Übergangswahrscheinlichkeiten ist (Peak bei 351,9 keV ist am
höchsten).
Abbildung 5.2.4: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Blei-214.
Somit kann man bestätigen, dass das Nuklid Blei-215 in der Probe vorliegt sowie die Nuklide, die über
Blei-214 in der Zerfallsreihe stehen, da ein radioaktives Gleichgewicht besteht (vgl. Kap. 3.3).
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
42
b) Bi – 214
Auch dieses Nuklid (Bismuth-214) gehört zu der Zerfallsreihe vom Uran-238, es kann z.B. als
Zerfallsprodukt von Blei-214 entstehen. In der folgenden Abbildung (Abb. 3.2.5) ist wieder das
Spektrum dargestellt. Dieses Mal sind die Peaks, die dem Bismuth-214 zugeordnet werden können,
rot markiert.
Abbildung 5.2.5: Die Peaks, die durch den Zerfall von Bismuth-214 verursacht wurden, rot markiert.
Es wurden sehr viele Peaks gefunden, die Bismuth-214 zugeordnet werden können. Die
verschiedenen Energien hier aufzuzählen, wäre etwas unübersichtlich. Deshalb schauen wir uns
zuerst die Tabelle mit den Energien und den dazugehörigen Übergangswahrscheinlichkeiten an
(Abb. 5.2.6).
Abbildung 5.2.7: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Bismuth-214.
Bei allen aufgeführten Energien wurden Peaks gefunden. Somit kann man mit einer sehr hohen
Sicherheit sagen, dass Bismuth-214 in der Probe vorhanden ist.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
43
c) Ac – 228
Weitere markante Peaks konnten dem Nuklid Actinium-228 zugeordnet werden. Dieses gehört zur
Zerfallsreihe von Thorium-232. Im Folgenden ist das untersuchte Spektrum dargestellt (Abb. 5.2.8).
Die zu dem Nuklid gefundenen Peaks sind wieder rot markiert.
Abbildung 5.2.8: Peaks, die durch den Zerfall von Actinium-228 verursacht wurden, rot markiert.
Die markanten Peaks, die markiert sind, liegen bei den Energien 911,21 keV und 966 keV. Schaut ma
sich nun wieder die Tabelle mit den Energien und den dazugehörigen
Übergangswahrscheinlichkeiten an (Abb. 5.2.9), so fällt auf, dass den beiden gefundenen Peaks die
höchste Übergangswahrscheinlichkeit zugeordnet wird.
Abbildung 5.2.9: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Actinium-228.
Somit lässt sich auch bestätigen, dass Actinium-228 in der Probe vorhanden ist und auch hier kann
man wieder mit Hilfe des radioaktiven Gleichgewichts sagen, dass auch alle anderen Nuklide, die
über dem Actinium-228 in der Zerfallsreihe stehen (vgl. Kap. 3.3), in der Probe enthalten sind.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
44
Hiermit sind die markantesten Peaks, die in dem Spektrum vorliegen, ausgewertet. Es gibt natürlich
auch noch andere Linien in diesem Spektrum, die man Stoffen zuordnen kann. Allerdings
funktionierte das nicht so genau, wie bei den drei angeführten Beispielen. Das Prinzip, das hinter der
qualitativen Analyse steckt, dürfte nun aber klar sein.
5.3 Vorgehensweise quantitative Analyse
Nun, da bekannt ist, welche Nuklide in der Probe vorhanden sind, muss man die Aktivität dieser
bestimmen, um nach der quantitativen Analyse bewerten zu können, ob die Probe nun mehr strahlt
als die anderen Stoffe in unserer Umgebung oder nicht. Hierzu müssen einige der schon erwähnten
Aspekte berücksichtigt werden und es wurde an der TU-Darmstadt ein Programm für die Auswertung
der Gammaspektren entwickelt, das die Strahlungsintensität der vorhandenen radioaktiven Nuklide
bestimmt. Um dieses Programm benutzen zu können, muss man sowohl die Messzeit als auch die
Energie und Intensität der Peaks als Datei speichern. Dafür gibt es eine Funktion im Programm
Maestro. Das entwickelte Programm mit dem Namen „Repgamma“ öffnet die Datei und wertet sie
unter Berücksichtigung des Gewichts der Probe aus. Als Resultat dieser Rechnung erhält man die
Aktivität in Becquerel. Da es sich bei „Repgamma“ um ein Programm handelt, das von einem
Studenten speziell für dieses Gammaspektrometer geschrieben wurde, gab es leider bei dessen
Verwendung einige Probleme. Letztendlich musste ich mich in die Programmiersprache „Basic“
einlesen und das Programm auf meinen Computer anpassen. Die Theorie, die hinter der von
„Repgamma“ ausgeführten Rechnung steckt, erläutere ich im Folgenden.
Zur quantitativen Analyse, also zur Bestimmung der Aktivität der einzelnen Nuklide, muss man die
Nettofläche des Peaks, das heißt, die Fläche des Peaks abzüglich der Untergrundstrahlung (Abb. 5.3)
kennen.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
45
Abbildung 5.3: Ein schematisch dargestellter Photopeak mit markiertem Untergrundrauschen.
Der grau markierte Teil des Peaks ist das Untergrundrauschen, welches auch in einem Leerspektrum
(vgl. Kap. 4.6.1) vorhanden ist. Das Programm Maestro besitzt die Funktion, die Nettofläche
auszurechnen. Hat man einen Peak markiert und sagt dem Programm, es solle die Nettofläche
ausrechnen, liest das Programm anschließend jeweils die letzten drei Kanäle auf der linken und der
rechten Seite des Spektrums, um auf beiden Seiten einen Mittelwert für das Untergrundrauschen
unterhalb des Peaks aufzustellen. Mit diesen Werten rechnet es das Untergrundrauschen unterhalb
des Peaks aus. Den dabei erhaltenen Wert zieht es dann von Bruttowert (dem gesamten Peak) ab
und erhält den Nettowert. Der nun erhaltene Wert entspricht den Zerfällen, die der Ge(Li)-Detektor
von den Zerfällen in der Probe gemessen hat.
Des Weiteren muss man die Übergangswahrscheinlichkeit (vgl. Kap. 4.5), die Messzeit und die
Zählausbeute (vgl. Kap. 4.6.1) bei der Berechnung berücksichtigen. Letztendlich kann man folgende
Gleichung anwenden:
In dieser Gleichung gibt A die Zählausbeute in Prozent an und H die Übergangswahrscheinlichkeit in
Prozent. Ausgerechnet wird mit Hilfe der Gleichung die Aktivität des einzelnen Nuklids, zu dem der
Peak gehört. Das Programm „Repgamma“ macht im Grunde nichts anderes, als diese Gleichung
anzuwenden und noch das Gewicht der Probe zu verrechnen. Das Praktische an diesem Programm
ist, dass es die verschiedenen Übergangswahrscheinlichkeiten für die Proben bereits gespeichert hat,
sodass man diese in den vielen verschiedenen Tabellen nicht heraussuchen muss. Außerdem muss
man so nicht ungenau die Zählausbeute aus massenspezifischen Diagrammen ablesen, sondern man
sagt dem Programm, ob es sich um eine große oder kleine Masse handelt, und es verrechnet dies
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
46
ebenfalls automatisch. Dennoch wäre es aufgrund der Probleme mit dem Programm sicherlich
schneller gegangen, alles in Handarbeit zu machen.
Als Ergebnis erhält man eine Übersicht mit den Nukliden, den Peaks, die es zu diesem Nuklid gibt,
und die Aktivitäten (in bq), die aus den einzelnen Peaks ausgerechnet wurden. Zu jedem Peak wird
eine Aktivität mit möglicher Fehlerspanne () angegeben. Eigentlich müsste bei jedem Peak eines
Nuklides die gleiche Aktivität herauskommen. Um das Ergebnis so genau wie möglich zu machen,
rechnet man anschließend den Mittelwert der Aktivität des Nuklids aus.
In der folgenden Tabelle (5.3.0) ist aufgelistet, was das Programm für meine Zirkonsandprobe
ausgegeben hat.
Nuklid Energie
(keV)
Übergangs-
wahrschein-
lichkeit
Aktivität (Bq) Gesamtaktivität
(Bq/kg)
Blei-214 352,92
295,21
0,37
0,19
535,17 2,10
577,65 2,84
Mittelwert:
566,41
2131,92 13,78
Bismuth-214 609,31
1120,29
1764,49
768,36
1238,11
934,06
2204,21
665,45
1729,60
1661,28
2447,86
0,47
0,15
0,16
0,05
0,06
0,03
0,05
0,02
0,03
0,01
0,02
499,44 2,27
438,38 7,10
555,02 8,73
520,52 12,55
543,30 13,56
481,92 19,16
527,56 19,70
488,50 27,70
641,04 25,43
489,03 55,68
633,25 40,37
Mittelwert:
528,91
2063,62 105,94
Actinium-228 911,21
966,00
85,22 2,45
41,31 3,23
Mittelwert:
63,27
246,84 15,82
Tabelle 5.3.0: Übe3rsicht der quantitativen Analyse der Zirkonsandprobe.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
47
Anhand der angegebenen Gesamtaktivitäten der Nuklide erkennt man, dass Blei-214 und Bismuth-
214 am aktivsten sind.
Aktivitäten nicht detektierter Nuklide (z.B. Uran-238) könnte man mit Hilfe des radioaktiven
Gleichgewichts (vgl. Kap. 3.3) bestimmen. Beim Beispiel des Urans-238 muss man die
Halbwertszeiten vom Uran selbst und dessen Tochternuklid Thorium-234 betrachten. Durch die lange
Halbwertszeit von Uran-238 ist die Teilchenanzahl dieses Nuklids praktisch konstant. Andererseits
bewirkt die kurze Halbwertszeit von Thorium-234, dass nach Ablauf einer bestimmten Zeit die
Aktivität des Thoriums so weit gestiegen ist, dass genauso viele Thoriumatome zerfallen wie gebildet
werden. Dann ist die Aktivität des Tochternuklids gleich der des Mutternuklids.
So kann man auch erklären, dass Blei-214 und Bismuth-214 ähnliche Aktivitäten besitzen. Sie
gehören beide zur Uran-Radium-Reihe und stammen vom Uran-238 ab. Und das Blei-214 ist ein
Tochternuklid des Bismuths-214.
5.4 Ergebnisse aller Proben
Probe Radionuklid Aktivität des Nuklids (Bq/kg)
ZS Blei-214 Bismuth-214 Actinium-228
2131,92 13,78
2063,62 105,94
246,84 15,82
SP Blei-214 Bismuth-214 Actinium-228
1466,16 66,31
1301,28 75,33
204,38 43,59
ZE1 Blei-214 Bismuth-214 Actinium-228
314,22 90,83
368,60 56,41 nicht ausreichend detektiert
ZE2 Blei-214 Bismuth-214 Actinium-214
206,56 26,08
264,57 38,29 Nicht ausreichend detektiert
Tabelle 5.4: Übersicht über die Ergebnisse aller Proben
Die Spektren der drei anderen Proben sind im Anhang beigefügt.
Dass das Nuklid Actinium – 228 bei den Zahnersatzproben nicht detektiert würde, hätte man schon
erahnen können wenn man die Aktivität dieses Nuklids beim Zirkonsand betrachtet, denn auch hier
ist diese schon sehr gering.
Beim Schleifpapier muss man beachten, dass das Schleifpapier nicht nur aus dem Schleifmittel Zirkon
besteht, sondern unter anderem auch aus dem Papier. Daher lässt sich erklären, dass die Aktivität
schon um einiges niedriger ist als die des Zirkonsandes.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
48
5.5 Bewertung der Ergebnisse
Anhand der obigen Tabelle (Tab. 5.4) erkennt man, dass Schleifpapier und Zahnersatz tatsächlich
radioaktiv sind, wobei die Radioaktivität des Zahnersatzes viel geringer ist als die des
Ausgangsmaterials und die des Schleifpapiers. Somit kann man sagen, dass die Reinigungsprozesse,
die am Zirkonsand bei der Herstellung der Zahnersatzstoffe durchgeführt werden, erfolgreich sind.
Es werden alle drei Arten von Strahlungen durch Zerfallsprozesse erzeugt. Alphastrahlen stellen zwar
eine größere Gefahr für Zellen dar, wie bereits in Kapitel 3.2.4 angesprochen, da sie pro Wegstrecke
mehr fremde Atome anregen, aber um ihre Wirkung entfalten zu können, muss der strahlende Stoff
erst in den Körper gelangen, da Alphastrahlen kaum durch die Haut dringen. Hier ist das
Schleifpapier besonders hervorzuheben, denn beim Schleifen entsteht Staub, der aus dem
Schleifmittel besteht, bei dem es sich in diesem Fall um Zirkon handelt. Dieser Staub kann ganz leicht
eingeatmet werden und so in den Körper bzw. direkt in die Lungen gelangen. Außerdem ist hier
anzuführen, dass der Verbraucher beim Kauf zwar sieht, dass das Schleifmittel Zirkon ist, jedoch ist
kaum jemandem bekannt, dass es sich hierbei um eine übernatürlich stark strahlende Substanz
handelt. Um die Höhe der Radioaktivität der untersuchten Proben beurteilen zu können, wende ich
mich jetzt den gesetzlichen Richtlinien (den Freigrenzen) zu, die in Deutschland gelten. Diese sind in
einem Bundesgesetzblatt von 2001 festgelegt. Da die Aktivitäten der Tochternuklide aufgrund des
radioaktiven Gleichgewichtes denen der Startnuklide der Zerfallsreihen entspricht, betrachten wir
hier Uran-238 (Tochternuklide: Blei-214 und Bismuth-214) und Thorium-234 (Tochternuklid:
Actinium-228).
Nuklid Probe Enthalten Erlaubt
Uran-238 ZS
SP
ZE1
ZE2
ca. 2000 Bq/kg
ca. 1400 Bq/kg
ca. 350 Bq/kg
ca. 250 Bq/kg
10000 Bq/kg
Thorium-234 ZS
SP
ca. 250 Bq/kg
ca. 200 Bq/kg
100000 Bq/kg
Da die Nuklide der Uran-Radium-Reihe nicht detektiert werden konnten, werden deren Aktivitäten
ebenfalls unter der Freigrenze, die bei diesem Nuklid bei 10000 Bq/kg liegt, liegen.
Anhand dieser Tabelle erkennt man, dass sich das Strahlen der Proben im Rahmen der gesetzlichen
Richtlinien bewegt, sogar eher weit darunter, und die entsandte Strahlung somit für den
menschlichen Organismus nicht bedrohlich wirken sollte. Dennoch sollte man sich einmal Gedanken
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
49
über den Strahlenschutz machen. Beim Zahnersatz, der sich Jahrzehnte lang im Körper befindet, sehe
ich keine Gefahr, denn er ist nicht überdurchschnittlich radioaktiv. Aber wenn jemand beruflich
täglich mit Schleifpapier arbeitet, sollte er sich zum Beispiel durch einen Mundschutz schützen, damit
er den radioaktiven Staub nicht pausenlos einatmet.
6 Fazit
„Zahnersatz ist radioaktiv!“ Wenn Menschen diesen Satz lesen, die sich noch nie über Radioaktivität
Gedanken gemacht haben, bekommen sie bestimmt ein wenig Angst vor Zahnersatz aus
Zirkonoxidkeramik. Mit dieser Arbeit habe ich aber versucht zu erklären, dass Radioaktivität überall
vorhanden ist und nicht unbedingt Schäden hervorruft. Außerdem habe ich nachgewiesen, dass sich
alles im Rahmen der gesetzlichen Richtlinien befindet und bestimmt keine Gefahr von dem
Zahnersatz ausgeht. An den Messergebnissen erkennt man ebenfalls, dass das Zirkonoxid, das für die
Zahnersatzstoffe verwendet wird, einen sehr hohen Reinheitsgrad besitzt im Gegensatz zu dem
gemessenen Zirkonsand oder dem gemessenen Schleifpapier.
Die Arbeit an der Strahlenschutzarbeit hat mir sehr gut gefallen, da ich eine begeisterte Naturwissen-
schaftlerin bin. Mir hat es Spaß gemacht, mich über Dinge zu informieren und mir Fähigkeiten
anzueignen, die weit über den Unterricht in den naturwissenschaftlichen Fächern hinausgehen und
mich interessieren. Die Untersuchungen waren eine gelungene Abwechslung zum doch eher
theoretischen Unterricht an der Schule, haben aber auch sehr viel Zeit in Anspruch genommen.
Besonders hat mich die Messmethode interessiert, da sie kleinste Energieportionen nachweisen
kann und sehr genau ist. Leider hat, wie ich bereits erwähnt habe, nicht alles so geklappt, wie ich mir
das vorgestellt habe. Zum einen war es nicht leicht, über einen ehrlichen Weg an Zahnersatzproben
zu gelangen, und zum anderen hat das Programm „Repgamma“ nicht so funktioniert, wie es sollte,
weshalb ich auch noch einige Zeit benötigt hatte, mich in die Programmiersprache „Basic“ einzulesen
und das Programm auf meinen Rechner und meine Verzeichnisse anzupassen. Aber genau diese
Probleme, die es zu überwinden gilt, sind es, die Naturwissenschaften für mich ausmachen, denn
würde alles sofort funktionieren, würde ich eine gewisse Langeweile verspüren und die
Untersuchungen wären sicherlich nicht spannend. Meine Arbeit an vergangenen Wettbewerben hat
mir sehr viel geholfen, da ich so schon ein paar Erfahrungen im Erstellen von Zeitplänen, Planen von
Messungen, Überwinden von Problemen, Analysieren von Messungen und Auswerten von
Messungen sammeln konnte.
Grundsätzlich würde ich eine Strahlenschutzarbeit nur Schülern empfehlen, die ein Thema haben,
das sie wirklich interessiert und für das sie auch sehr viel Zeit aufwenden würden. Außerdem sollte
man beachten, ob es genug Literaturstellen zu den Grundlagen des bearbeiteten Themas gibt. Es war
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
50
nicht einfach, für diese Ausarbeitung gute Literaturstellen zu finden.
Diese Ausarbeitung habe ich in abgeänderter Form im März 2010 im Rahmen des Abiturs als
besondere Lernleistung in der Schule eingereicht. Sie wurde, was mich besonders erfreut, mit 15
Punkten bewertet. Anschließend habe ich meine Untersuchungen fortgeführt und weitere Proben
gemessen. Insbesondere hätte ich gerne noch Schmucksteine aus Zirkon untersucht, doch leider
wurden diese Untersuchungen als eigenes Thema an eine weitere Schülerin vergeben. Da ich
begeisterte Hobby-Informatikerin bin, habe ich noch vor, eine Internetseite zu dem Thema zu
gestalten, da ich finde, dass zu wenig über Radioaktivität diskutiert und informiert wird.
Ich hoffe ebenfalls, dass ich ein wenig meiner Begeisterung, die ich beim Bearbeiten dieses Themas
verspürt habe, auf Sie übertragen konnte, und ich bin auch nicht abgeneigt, die Leser dieser
Strahlenschutzarbeit auf dem Laufenden zu halten, was meine Untersuchungen betrifft.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
51
7 Anhang
Gammaenergienspektrum des untersuchten Schleifpapiers.
Gammaenergienspektrum des untersuchten Zahnersatzes Nr.1.
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
52
Gammaenergienspektrum des untersuchten Zahnersatzes Nr.2.
8 Literaturverzeichnis
Alle angegebenen Internetseiten waren am 23.03.2010 um 21.30 Uhr auf dem Stand, der zur
Erarbeitung des Themas verwendet wurde. Außerdem habe ich alle Seiten, die für den Inhalt
verwendet wurden, abgespeichert und kann sie jeder Zeit zur Einsicht zur Verfügung stellen.
2. Kapitel (Zirkon)
http://www.mineralienwissen.de/zirkon.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Zirkon
Abbildung 2.1: http://www.mineralienwissen.de/zirkon.html
Abbildung 2.2: http://www.uni-tuebingen.de/en/news/pressemitteilungen/archiv/archivfullview-
pressemitteilungen/select_category/1/article/was-zirkone-aus-dem-erdmantel-berichten-
koennen/1449.html?tx_ttnews[pS]=1257030000&tx_ttnews[pL]=2591999&tx_ttnews[arc]=1&cHash
=dea47505ed
Abbildung 2.3: http://www.bandorfer.de/?cat=11&paged=3
Abbildung 2.4: http://www.elixierzahn.at/zahnersatz-zirkon-zahnkrone-stiftzahn.html
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
53
3. Kapitel (Radioaktivität)
Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH.
Ekbert Hering, R. M. (1997). Kernumandlungen. In Physik für Ingenieure, 6. Auflage (S. 573-589).
Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag.
Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie.
Keller, C. (1975). Radiochemie. Karlsruhe: Gesellschaft für Kernforschung.
http://fmsg.bildung-rp.de/infoschul/infoschul/html/zerfallsreihe.html
Abbildung 3.2.1, Abbildung 3.2.2, Abbildung 3.2.3:
http://www.fz-juelich.de/gs/genehmigungen/glossar-strlsch/
Abbildung 3.2.5: Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis
KernEnergie. S.14.
Abbildung 3.2.6: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 406.
Abbildung 3.2.7.1, Abbildung 3.2.7.2, Abbildung 3.2.7.3, Abbildung 3.2.7.4, Abbildung 3.2.7.5,
Abbildung 3.2.7.6, Abbildung 3.2.7.7, Abbildung 3.2.7.8, Abbildung 3.2.7.9:
Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie. S. 18-
24.
Tabelle 3.2.8: http://www.super-nowa.de/Physik/33._Natuerliche_Radioaktivitaet.pdf
Abbildung 3.3.1: http://www.seilnacht.com/Lexikon/zuran.html
Abbildung 3.3.2: http://www.seilnacht.com/Lexikon/zradium.html
Abbildung 3.3.3: http://www.seilnacht.com/Lexikon/zthori.html
Tabelle 3.4: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 409.
Abbildung 3.4: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 409.
(eigenes Layout)
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
54
4. Kapitel (Messmethode)
Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH.
Ekbert Hering, R. M. (1997). Kernumandlungen. In Physik für Ingenieure, 6. Auflage (S. 573-589).
Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag.
Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie.
http://www1.tu-
darmstadt.de/fb/ch/akplenio/Teaching/Skripte_FGP_Vorlagen/2005/1c_KernchemieLow%20Level1.
Abbildung 4.1.1: Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis
KernEnergie. S. 30.
Abbildung 4.1.2: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 275.
Abbildung 4.1.3: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 275.
Abbildung 4.2.1, Abbildung 4.2.2, Abbildung 4.2.3, Abbildung 4.2.4: private Fotos.
Abbildung 4.3: Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis
KernEnergie. S. 31.
Abbildung 4.5: Tabelle aus dem Computerprogramm „Nuclides2000“. European Communities. 1999.
Abbildung 4.6.1.1, Abbildung 4.6.1.2: Eigene Anfertigung.
Abbildung 4.6.1.3:
http://www1.tu-darmstadt.de/fb/ch/akplenio/Teaching/Skripte_FGP_Vorlagen/2005/
Abbildung 4.6.2.: Eigene Messung.
Abbildung 4.7: Screenshot des Programmes „Maestro“
5. Kapitel (Auswertung der Messergebnisse)
Richtlinien: http://www.fz-juelich.de/gs/doku/SSV_Bundegesetzblatt_38.pdf, S. 1797
Abbildung 5.2.2, Abbildung 5.2.3, Abbildung 5.2.5, Abbildung 5.2.8: Spektrum angezeigt mit dem
Programm „Winplot“
Abbildung 5.2.4, Abbildung 5.2.7, Abbildung 5.2.9: Tabelle aus „Nuclides 2000“
Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers
55
9 Danksagung und Schlusswort
Ich bedanke mich bei meinen Betreuern Frau A. Obkircher von der Hohen Landesschule Hanau und
Herrn Dr. K. Wannowius von der TU-Darmstadt. Herrn Dr. Wannowius möchte ich ganz besonders
danken, da er mir nicht nur die Messapparatur zur Verfügung stellte, sondern mir auch eine
Einführung in das komplexe Thema „Gammaspektroskopie“ gegeben hat und mir bei Problemen, die
sich häufig ergaben, häufig mit Rat zur Seite stand.
Hiermit versichere ich, dass ich die schriftliche Ausarbeitung selbstständig erarbeitet und ohne
fremde Hilfe erstellt habe und dass ich alle benutzten Quellen und Hilfsmittel korrekt und vollständig
angegeben habe. Ggf. in der schriftlichen Ausarbeitung verwendete Zitate habe ich entsprechend
kenntlich gemacht.
Hanau, den 07.01.2010 Lara Schmidt
(Original folgt)
Ort, Datum Unterschrift