Radioaktivität - Einführung

Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

  • Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
  • Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
  • Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
  • Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?
  α-Strahlung β--Strahlung γ-Strahlung
Identität Heliumkerne Elektronen elektromagnetische Strahlung
Geschwindigkeit ca. 10% von c ca. 90% von c Lichtgeschwindigkeit c
Ladung +2e -e ---
Ablenkbarkeit im
Magnetfeld
nur schwer ablenkbar
(relativ kleine spez. Ladung)
leicht ablenkbar
(relativ hohe spez. Ladung)
nicht ablenkbar
Spezifisches
Ionisationvermögen 1)
sehr hoch mittel gering
Reichweite in Luft einige Zentimeter einige Meter sehr weit
Abschirmung
möglich durch:
Papier einige Millimeter dickes Aluminium Blei
Energiespektrum

diskret

kontinuierlich

diskret

Vorgang im Kern Zwei Neutronen und zwei Protonen bilden ein α-Teilchen, das emittiert wird Ein Kernneutron wandelt sich in ein Kernproton und ein Elektron das emittiert wird. 2) Kern geht von angeregtem Zustand in einen niederenergetischen Zustand

Beispiel für Zerfallsgleichung

 

\[{}_{88}^{224}{\rm{Ra}} \to {}_{86}^{220}{\rm{Rn}} + {}_2^4{\rm{He}}\]
\[{}_{82}^{214}{\rm{Pb}} \to {}_{83}^{214}{\rm{Bi}} + {}_{ - 1}^0{\rm{e}} + {}_0^0\bar \rm{\nu} \]
\[_{84}^{218}{\rm{P}}{{\rm{o}}^*} \to _{84}^{218}{\rm{Po}} + _0^0{\rm{\gamma }}\;{\;^{3)}}\]

1) Gibt an, wie viel Elektron-Ion-Paare pro Längeneinheit gebildet werden. Das spezifischen Ionisationsvermögen von α-Strahlung, β-Strahlung und γ-Strahlung verhält sich ungefähr wie 104 : 102 : 1.
2) Dabei entsteht noch ein Anti-Neutrino
3) Man spricht besser nicht vom Gammazerfall sondern vom Gammaübergang.

"Spektren sind wie Fingerabdrücke der Atome"

Diese Aussage gilt in der Atomphysik, seit KIRCHHOFF und BUNSEN die Spektralanalyse etabliert haben. Wie kann man aber Objekte der Kernphysik identifizieren, die gar keine Atome sind? Solche Objekte weisen keine Atomhülle auf, in der die charakteristischen Übergänge mit Photonenemission stattfinden.

"Die q/m-Werte sind wie Fingerabdrücke der Teilchen"

Ähnlich eindeutig wie die Emissions- bzw. Absorptionsspektren in der Atomphysik, gibt der präzise Wert der spezifischen Ladung (Verhältnis von Teilchenladung zur Teilchenmasse, kurz: q/m) eines Teilchens in der Kernphysik Auskunft über die Identität der Teilchen.

Identifizierung der β-Strahlung

Bei der negativ geladenen β-Strahlung lag die Vermutung nahe, dass es sich bei dieser Strahlung um schnelle Elektronen handelt. Eine genaue Messung der q/m-Werte der β-Strahlung gelang u.a. Alfred BUCHERER (1863 - 1927). Er stellte fest, dass die spezifische Ladung der β-Teilchen höchst genau mit der spezifischen Ladung der Elektronen übereinstimmt. Er zog daraus den Schluss: β-Teilchen sind Elektronen.

Um die Vorgehensweise von BUCHERER genau verstehen zu können, benötigst du Kenntnisse, die du erst in der Oberstufe erwerben kannst. Es soll hier nur grob die Versuchsanordnung von BUCHERER vorgestellt werden.

Der β-Strahler sitzt im Inneren eines Plattenkondensators, in dem ein elektrisches und ein magnetisches Feld herrscht. Der β-Strahler sendet unterschiedlich schnelle Teilchen aus. Nur Teilchen mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit können den Kondensator unabgelenkt verlassen und die Blenden passieren.

Erläutere, welche Kräfte auf das β-Teilchen β1 im Kondensator wirken und zeichne diese in die Skizze ein.

Nach dem Verlassen des Kondensators gelangen die β-Teilchen in ein homogenes Magnetfeld, welches hier in die Papierebene gerichtet ist.

Erläutere, welche Kraft auf das β-Teilchen β2 wirkt und zeichne diese in die Skizze ein. Gib an, welche Bahnart dieses Teilchen durchläuft.

Aus den Stärken des elektrischen und magnetischen Feldes und den Abmessungen der Anordnung und der Lage des Auftreffpunktes der β-Teilchen am Schirm konnte Bucherer die spezifische Ladung der β-Teilchen bestimmen und die Übereinstimmung mit dem q/m-Wert für Elektronen zeigen. Für langsame bzw. ruhende Elektronen gilt
\[{\left( {\frac{q}{m}} \right)_\beta } =  - 1,8 \cdot {10^{11}}\frac{{{\rm{As}}}}{{{\rm{kg}}}}\]

Identifizierung der α-Strahlung

Aus der Reichweite der α-Strahlung in Luft kann man auf die Energie und damit auf die Geschwindigkeit der α-Teilchen schließen. Misst man zusätzlich den Radius \(r\) der α-Teilchenbahnen in einem starken Magnetfeld bekannter Stärke, so lässt sich die spezifische Ladung der α-Teilchen berechnen:
\[{\left( {\frac{q}{m}} \right)_\alpha } = 4,8 \cdot {10^7}\frac{{{\rm{As}}}}{{{\rm{kg}}}}\]
Für diesen so bestimmten Wert (der vom Betrag her wesentlich kleiner ist als derjenige der Elektronen) kommen nur Ionen wie He++, Li+++ usw. in Frage. Mit den heutigen extrem genauen Messmethoden könnte man klar entscheiden, dass nur He++ in Frage kommt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Messtechnik noch nicht so fortgeschritten. Jedoch konnten RUTHERFORD und ROYDS durch einen trickreichen Versuch eindeutig zeigen, dass es sich bei der α-Strahlung um ("nackte") Heliumkerne handelt.

stark vereinfachte Anordnung

Der Versuch von RUTHERFORD und ROYDS (vereinfachte Darstellung in der nebenstehenden Animation)

In einem hauchdünnen Kapillarrohr (Wandstärke ca. 1/100 mm) befindet sich der gasförmige Alpha-Strahler Radon. Die α-Teilchen durchdringen das Kapillarrohr und gelangen in das Innere eines hochevakuierten Glaskolbens. An der Wand des Kolbens werden die α-Teilchen neutralisiert. Nach einiger Zeit (z.B. nach sechs Tagen) sind genügend Teilchen in dem Volumen, welches durch das verschiebliche Quecksilber noch verkleinert wird. Zündet man zwischen den Elektroden eine Entladung, so kann man mit einem Spektroskop das typische Helium-Spektrum beobachten.

Fazit: Durch einen geschickten Versuch konnten RUTHERFORD und ROYDS die α-Teilchen als ("nackte") Heliumkerne identifizieren.

Hinweis: Wenn du deine Englischkenntnisse erweitern und einen Eindruck darüber bekommen willst, wie neue wissenschaftliche Errungenschaften publiziert werden, kannst du unter der Adresse http://web.lemoyne.edu/~giunta/royds.html die Originalarbeit von RUTHERFORD und ROYDS nachlesen. Dort ist auch die reale Versuchsanordnung skizziert.

Identifizierung der γ-Strahlung

Wie die Röntgenstrahlung ist die γ-Strahlung auch durch stärkste elektrische und magnetische Felder nicht ablenkbar. Dies deutet darauf hin, dass sie nicht Träger einer elektrischen Ladung ist.

Die γ-Strahlung besitzt ähnlich wie die Röntgenstrahlung nur eine geringe spezifische Ionisationsfähigkeit (Aussage darüber, wie viele Elektron-Ion-Paare pro Strecke gebildet werden) und daher eine sehr große Reichweite.

Die direkte Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von γ-Strahlung ergab die Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Diese Befunde lassen den Schluss zu, dass es sich bei der γ-Strahlung um hochenergetische Photonen handelt (extrem kurzwellige elektromagnetische Strahlung).

Zur Charakterisierung der "Stärke" einer Strahlungsquelle verwendet man den Begriff der Aktivität A. Sie beschreibt die Zahl der Zerfälle ΔN in einer radioaktiven Quelle pro Zeiteinheit.

\[A = \frac{{{\rm{Anzahl\;der\;Zerfälle\;in\;der\;Probe}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\]
kurz
\[A = \frac{{\Delta N}}{{\Delta t}}\]

 

Größe SI-Einheit Alte Einheit Umrechnung
Aktivität A 1 Becquerel = 1 Bq = 1 s-1 1 Curie = 1 Ci 1 Ci = 3,7·1010 Bq

Hinweise:

  • Die Aktivität einer radioaktiven Quelle ist umso höher, je mehr unzerfallene Kerne in der Quelle vorhanden sind.
  • Die Aktivität einer bestimmten Zahl unzerfallener Kerne ist umso höher, je größer die Zerfallswahrscheinlichkeit dieser Kerne ist (d.h. je kürzer die Halbwertszeit der Substanz ist).
  • Da die Kerne zeitlich unregelmäßig zerfallen, darf man für die Messung der Aktivität nicht zu kurze Messzeiten wählen (allerdings müssen die Messzeiten deutlich unter der Halbwertszeit liegen).
  • Die Aktivität A einer Quelle macht noch keine Aussage über die emittierte Strahlenart und deren Energie.

Beispiele für einige Aktivitätswerte:

Die Aktivität ist auf 1 kg der jeweiligen Substanz bezogen
Pflanzliche und tierische Nahrungsmittel
ca. 40 Bq
Natururan
12·106 Bq
Uran-235
80·106 Bq
Radium-226
3,7·1013 Bq

Auch der Mensch strahlt. Der Standard-Mensch (70 kg; 20 - 30 Jahre) hat eine Aktivität von 9,1·103 Bq, was einem Mittelwert von 130 Bq/kg entspricht.

In der nebenstehenden Abbildung ist die auf ein Kilogramm bezogene Aktivität (spezifische Aktivität) des Menschen in der BRD, welche nur vom Isotop Cs-137 verursacht wird, in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Man sieht, dass die spezifische Cs-Aktivität zur Zeit der Kernwaffentests in sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts und im Jahr 1986 bei der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl besonders hoch war.

Hinweis:
Neben dem Isotop Cäsium-137 tragen eine Reihe weiterer radioaktiver Nuklide zur Aktivität des Menschen bei.


Bild vom Hamburger Bildungsserver

Herr Schlaumeier möchte mit nebenstehender Anordnung - unter Verwendung des Geiger-Müller-Zählrohrs der Schule - die Aktivität einer radioaktiven Quelle bestimmen.

Untersuche, ob das mit der nebenstehenden Anordnung möglich ist.

Erläutere, was er alles bedenken müsste, wenn er die Aktivität der Quelle nur annähernd abschätzen wollte.

 

Wann ein einzelner Kern in einem radioaktiven Präparat zerfällt, kann nicht vorhergesagt werden. Hat man aber viele noch unzerfallene, radioaktive Kerne vorliegen, so kann man Aussagen über den Verlauf des Zerfalls für die Gesamtheit der Kerne machen. In der Animation wird dies am Beispiel des β--Zerfalls von Fluor-20 dargestellt.

Der zeitliche Verlauf des Zerfalls einer bestimmten radioaktiven Substanz ist weder durch starke Felder noch durch Erwärmung oder irgendwelche andere Maßnahmen zu beeinflussen. Unabhängig von der Zahl der Ausgangskerne ist nach einer Halbwertszeit T1/2 die Hälfte (50%), nach der Zeit 2·T1/2 ein Viertel (25%), nach der Zeit 3·T1/2 ein Achtel (12,5%) der ursprünglich unzerfallenen Kerne vorhanden.

In der Physik nutzt man zeitlich immer gleichartig ablaufende Vorgänge als Uhr. So verwendet man die Schwingungsdauer eines Pendels oder eines Schwingquarzes zum Bau von Uhren. Den zeitlich stets gleich ablaufenden Zerfall radioaktiver Kerne kann man auch für Zeitbestimmungen verwenden wie z.B. die Radiocarbon-Methode zur Altersbestimmung zeigt.

Kennt man den zeitlichen Verlauf des Zerfalls einer Substanz, so kann man mit Hilfe des Prozentsatzes \(\frac{{N(t)}}{{N(0)}} \cdot 100\% \) der zu einem Zeitpunkt \(t\) noch unzerfallenen Kerne die Zeit seit Beginn des Zerfalls bestimmen.

In einer Probe mit der Halbwertszeit \(500{\rm{a}}\) waren zu Zerfallsbeginn \({\rm{1}}{\rm{,0}} \cdot {\rm{1}}{{\rm{0}}^{\rm{3}}}\) unzerfallene Kerne. Zum jetzigen Zeitpunkt sind noch \({\rm{6}}{\rm{,0}} \cdot {\rm{1}}{{\rm{0}}^{\rm{2}}}\) unzerfallene Kerne in der Probe.

Bestimme graphisch die Zeit, die ungefähr seit Zerfallsbeginn verstrichen ist.

 
 

Die Aktivität A (Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit) ist proportional zur Zahl der vorhandenen noch unzerfallenen Kerne N(t) in einer Probe. Daher gilt auch für den zeitlichen Verlauf der Aktivität einer Probe eine analoge Gesetzmäßigkeit wie für die Zahl der noch unzerfallenen Kerne. Kennt man die Aktivität A(0) einer Probe zu Beginn eines Zerfalls und die aktuelle Aktivität A(t), so bestimmt man das Verhältnis \(\frac{{A(t)}}{{A(0)}} \cdot 100\% \) und liest aus der folgenden Kurve die Zeit ab, die seit Beginn des Zerfalls verstrichen ist.

Eine Probe hat die Halbwertzeit von \(3,0\min \). Zum Zeitpunkt \(t = 0\) stellt mit einem Zählrohr die Impulsrate \(400\frac{{{\rm{Imp}}}}{{\rm{s}}}\) fest.

Bestimme graphisch die Impulsrate, die bei gleicher Anordnung von Zählrohr und Präparat nach \(5,0\min \) zu erwarten ist.

 
 

Die Halbwertszeiten radioaktiver Substanzen streuen in einem weiten Bereich. In der folgenden Tabelle sind Isotope mit extrem kurzen und langen Halbwertszeiten aufgeführt. Darüber hinaus findest du die Halbwertszeiten von Isotopen, die im Unterricht von Bedeutung sind.

Isotop
HWZ
Strahlung
\[{}_4^{13}Be\]
2,7·10-21 s
n
\[{}_{86}^{220}Rn\]
56 s
α
\[{}_{43}^{99}Tc\]
6,0 h
γ, β-
\[{}_{53}^{131}I\]
8,0 d
γ, β-
\[{}_{11}^{22}Na\]
2,6 a
β+
\[{}_{27}^{60}Co\]
5,3 a
γ, β-
Isotop
HWZ
Strahlung
\[{}_{38}^{90}Sr\]
29 a
β-
\[{}_{55}^{137}Cs\]
30,1 a
γ, β-
\[{}_{95}^{241}Am\]
4,3·102 a
γ, α
\[{}_{88}^{226}Ra\]
1600 a
γ, α
\[{}_6^{14}C\]
5730 a
β-
\[{}_{93}^{237}Np\]
2,1·106 a
α
Isotop
HWZ
Strahlung
\[{}_{92}^{235}U\]
7,0·108 a
γ, α
\[{}_{19}^{40}K\]
1,3·109 a
β-, β+
\[{}_{92}^{238}U\]
4,5·109 a
γ, α
\[{}_{90}^{232}Th\]
1,4·1010 a
γ, α
\[{}_{52}^{128}Te\]
7,2·1024 a
β-

Hinweise:

Sowohl beim t-N(t)- als auch beim t-A(t)-Diagramm ist es gleichgültig, welchen Zeitpunkt man als Startpunkt wählt. Stets ist die Zahl der unzerfallenen Kerne bzw. die Aktivität nach einer Halbwertszeit auf die Hälfte zurückgegangen.

Wenn Du in der Mathematik fit bist und Du dich für die rechnerische Behandlung des radioaktiven Zerfalls interessierst, so gehe zu der folgenden Seite.

Die Behandlung des zeitlichen Verlaufs des radioaktiven Zerfalls mit dem mathematischen Apparat der Oberstufe ist auf der folgenden Seite dargestellt.

Die Nuklidkarte ist ein Ordnungsschema für die Isotope aller natürlichen und aller künstlich herstellbaren Elemente. Die bei uns meist verwendete Karlsruher Nuklidkarte enthält sämtliche derzeit experimentell bekannten Nuklide - deren Halbwertszeiten, Zerfallsarten sowie die Energien der wichtigsten emittierten Strahlungsarten. Zur Zeit sind 111 Elemente und ca. 2770 Nuklide enthalten. Für Kernphysiker ist die Nuklidkarte ein unverzichtbares Arbeitsmittel. Aber auch in der Nuklearmedizin, wo Radionuklide für diagnostische und therapeutische Zwecke eingesetzt werden, sowie in der Materialforschung, wo sie bei Verschleißmessungen und zur Materialkontrolle Anwendung finden, wird die Nuklidkarte regelmäßig benutzt.

In der Nuklidkarte sind alle Nuklide mit ihren Zerfallsarten, Halbwertzeiten, Zerfallsenergien u.ä. dargestellt. Die Kernladungszahl Z ist senkrecht und die Neutronenzahl N waagerecht aufgetragen. Isotope des selben Elements (gleiche Kernladungszahl Z) liegen auf einer waagerechten Geraden.

Farbgebung:

  • Die stabilen Kerne sind in der Karte schwarz markiert und liegen auf der Linie der Stabilität, die für kleine Nuklidzahlen mit der Winkelhalbierenden des I. Quadranten etwa übereinstimmt, also N = Z. Für größere Nuklidanzahl biegt sie nach unten ab, dort gilt N > Z.
  • Alphastrahler sind gelb markiert.
  • β-- Strahler sind blau markiert.
  • Bei künstlich erzeugten radioaktiven Kernen treten auch noch β+- Strahler. Diese Kerne senden beim Zerfall kein Elektron, sondern ein Positron aus, das die gleiche Masse wie das Elektron trägt, jedoch eine positive Elementarladung besitzt. β+- Strahler sind in der Karte rot markiert.

stark vereinfachte Darstellung!

Beim Alpha-Zerfall sinkt die
Protonenzahl Z um 2
Neutronenzahl N um 2
die Massezahl A um 4

Beim Beta-Minus-Zerfall
steigt die Protonenzahl Z um 1
sinkt die Neutronenzahl N um 1
bleibt die Massezahl A erhalten
Beim Beta-Plus-Zerfall
sinkt die Protonenzahl Z um 1
steigt die Neutronenzahl N um 1
bleibt die Massezahl A erhalten
  • Kerne mit Beta-Minus-Zerfall sind unterhalb der Stabilitätslinie, Kerne mit Beta-Plus-Zerfall oberhalb der Stabilitätslinie angesiedelt. Mit Hilfe der obigen Diagramme erkennt man, dass die Beta-Zerfälle stets in Richtung der Stabilitätslinie erfolgen.
  • Alpha-Zerfälle treten vor allem bei sehr schweren Nukliden auf.
Für den Schutz vor den schädlichen Folgen ionisierender Strahlung gibt es allgemeine Regeln. Etwas vergröbert wird dies mit der Regel der fünf A's zusammengefasst:

Räume und Behälter, in denen radioaktive Substanzen gelagert sind, müssen mit einem Gefahrenschild für Radioaktivität gekennzeichnet sein.

Abstand erhöhen!

Mit zunehmendem Abstand sinkt die Dosis, die bei einer Person durch eine radioaktive Quelle in einer bestimmten Zeit bewirkt wird. Die folgende Animation zeigt dies für einen punktförmig angenommenen Strahler, dessen Strahlung eine sehr hohe Reichweite besitzt.

Hinweis:
Manche Strahlungsarten (z.B. α-Strahlung, energiearme β-Strahlung) haben in Luft eine relativ kurze Reichweite, so dass bei genügend hohem Abstand von einer solchen Strahlungsquelle überhaupt keine Schädigung einer Person zu befürchten ist..

Aufenthaltsdauer verkürzen!

Die folgende Animation veranschaulicht, wie sich die bewirkte Dosis mit der Aufenthaltsdauer erhöht.

Die Arbeitszeit von Beschäftigten in kerntechnischen Anlagen, die erhöhter Strahlung ausgesetzt sind, wird streng überwacht, damit zu lange Aufenthaltsdauern in gefährdeten Bereichen vermieden werden.

Aktivität vermindern!

Die folgende Animation veranschaulicht, wie sich die bewirkte Dosis mit der Aktivität der Quelle erhöht.

Abschirmung verstärken!

Die folgende Animation veranschaulicht, wie eine gute Abschirmung die bewirkte Dosis verringert.


Beispiel: Zahnarzt
Dentalschürze aus Bleigummi zum Schutz
des Körpers bei Zahnaufnahmen.

Beispiel: Heiße Zelle
Bei Manipulieren mit radioaktiven Produkten ist der
Experimentator durch dicke Bleiwände und Bleiglas geschützt.

Aufnahme in den Körper vermeiden!

Durch die Aufnahme radioaktiv verseuchter Nahrung und Luft (Inkorporation) kann es zu erheblichen Strahlenschäden kommen.

Beispiele für Konsequenzen:

  • Bei Versuchen mit radioaktiven Stoffen soll man sich bei Versuchsende sofort die Hände waschen. Essen, Trinken und Rauchen ist während des Versuchs verboten.
  • Obwohl die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl schon Jahrzehnte zurückliegt, zeigen manche Pilzsorten und Wildfleisch noch erhöhte Aktivität. Ihr Verzehr ist jedoch nur bei sehr großen Mengen bedenklich.

Die fünf A's zusammengefasst:

  • Abstand erhöhen!
  • Aufenthaltsdauer verkürzen!
  • Aktivität vermindern!
  • Abschirmung verstärken!
  • Aufnahme in den Körper vermeiden !


Personen, welche in kerntechnischen Anlagen beschäftigt sind, tragen ein sogenanntes Personendosimeter, welches die Dosis, der sie ausgesetzt sind, misst.

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