Was ist Radioaktivität und, kann sie mir schaden?

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1 Was ist Radioaktivität und, kann sie mir schaden?
Dr. rer. nat. Corinna Melchert Freitag, 04. November 2011

2 (4) Kann Radioaktivität mir schaden?
Übersicht (1) Das Atom (2) Der Atomkern (3) Die Radioaktivität (4) Kann Radioaktivität mir schaden? 2

3 (4) Kann Radioaktivität mir schaden?
Übersicht (1) Das Atom (2) Der Atomkern (3) Die Radioaktivität (4) Kann Radioaktivität mir schaden? 3

4 Sonnensystem Atommodell
Das Atom Sonnensystem Atommodell 4

5 Das Atom; Beispiel: Helium
Elektronenhülle Elektron m = 0,9•10-31 kg x Atomkern Neutron m = 1,7•10-27 kg Proton m = 1,7•10-27 kg 10-15m 4He Ordnungszahl 2 Massezahl 4 2 x 10-10m 5

6 Bohr-Sommerfeld'sches Atommodell
M- Schale L- K- 28Si Ordnungszahl 14 Massezahl 28 6

7 Energieniveaus 5 Tisch Stuhl Fußboden 7

8 Energieniveaus 5 Tisch E2 E1 Stuhl Fußboden 8

9 Energieniveaus Tisch 5 Stuhl E3 Fußboden 9

10 Energieniveaus e- M-Schale L-Schale K-Schale 10

11 Energieniveaus e- M-Schale E2 E1 L-Schale K-Schale 11

12 Energieniveaus M-Schale e- L-Schale E3 K-Schale 12

13 Energieniveaus M-Schale E2 E1 L-Schale E3 e- K-Schale 13

14 Atome sind elektrisch neutral negative Ionen
gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen negative Ionen durch Anlagerung von Elektronen mindestens ein Elektron zuviel positive Ionen durch Abspaltung von Elektronen mindestens ein Elektron zu wenig 14

15 (4) Kann Radioaktivität mir schaden?
Übersicht (1) Das Atom (2) Der Atomkern (3) Die Radioaktivität (4) Kann Radioaktivität mir schaden? 15

16 trägt die positive elektrische Ladung
Der Atomkern trägt die positive elektrische Ladung liefert fast die gesamte Masse des Atoms besteht aus Nukleonen Protonen Neutronen 16

17 Periodensystem der Elemente
Anzahl der Protonen = Ordnungszahl Ort im Periodensystem der Elemente chemischen Eigenschaften Anzahl der Neutronen kann für ein Element verschieden sein Isotope haben den gleichen Ort im Periodensystem 17

18 Periodensystem der Elemente
18

19 Periodensystem der Elemente
Anzahl der Protonen = Ordnungszahl Ort im Periodensystem der Elemente chemischen Eigenschaften Anzahl der Neutronen kann für ein Element verschieden sein Isotope haben den gleichen Ort im Periodensystem 19

20 Isotope Wasserstoff 1H Deuterium 2H Tritium 3H 20

21 (4) Kann Radioaktivität mir schaden?
Übersicht (1) Das Atom (2) Der Atomkern (3) Die Radioaktivität (4) Kann Radioaktivität mir schaden? 21

22 Atome emittieren Teilchen:
Die Radioaktivität Atome emittieren Teilchen: zu viele Neutronen oder Protonen  die Atome senden Teilchen aus bei angeregten Kernen g-Quanten (elektromagnetische Strahlung)  a, b, g, n - Strahlung 22

23 Anzahl der Zerfälle pro Sekunde Einheit: Becquerel Bq
Aktivität Anzahl der Zerfälle pro Sekunde Einheit: Becquerel Bq alte Einheit: Curie Ci 1 Ci = 3,7 · 1010 Bq = Bq 23

24 Definition: Nt = N0·e-l·t
Zerfallsgesetz gibt an, welche Menge N eines radioaktiven Stoffes nach einer bestimmten Zeit t noch vorhanden ist Definition: Nt = N0·e-l·t Nt ist die Anzahl der Kerne zur Zeit t N0 ist Anzahl der Kerne zur Zeit t=0 l ist die Zerfallskonstante t ist die Zeit 24

25 gibt an, wann die Hälfte der vorhandenen Kerne zerfallen ist
Halbwertszeit T½ gibt an, wann die Hälfte der vorhandenen Kerne zerfallen ist ist das Zeitintervall, in dem die Aktivität eines radioaktiven Stoffes um die Hälfte abnimmt. aus dem Zerfallsgesetz 0,5  N0 = N0  e-l·T½ 0,5 = e-l·T½ ln(0,5) = -l  T½ folgt T½ = ln(2) / l = 0,693 / l Einheit: Sekunde s 25

26 Abnahme von 131I durch b--Zerfall, T½ = 8 Tage
Masse / Gramm Zeit / Tagen 26

27 Radionuklide sind Atomkerne die zeigen. radioaktiver Zerfall.
a-Zerfall, b-Zerfall, K-Einfang oder Kernspaltung zeigen. Der Vorgang heißt radioaktiver Zerfall. 27

28 Korpuskularstrahlung aus
Radioaktiver Zerfall min. ein anderes Nuklid Korpuskularstrahlung aus a-Teilchen (He-Kerne) b--Teilchen (Elektronen) b+-Teilchen (Positronen) Kernbruchstücke und Neutronen bei angeregten Kernen g-Quanten (elektromagnetische Strahlung) 28

29 Radioaktiver Zerfall Ausgangskern Neues Atom Strahlung
Mutternuklid mit hohem Energiegehalt Neues Atom Tochternuklid mit niedrigem Energiegehalt Strahlung Abgabe der Energiedifferenz 29

30 Teilchen relativ kleiner Masse aus dem Kern zu emittieren
Radioaktivität ist die Eigenschaft, Teilchen relativ kleiner Masse aus dem Kern zu emittieren a-Zerfall b-Zerfall nach Einfang eines Hüllenelektrons Röntgenstrahlung auszusenden K-Einfang sich spontan zu spalten Kernspaltung 30

31 a-Teilchen (He-Kern) wird aus dem Kern hinausgeschleudert
a-Zerfall (1896) a-Teilchen (He-Kern) wird aus dem Kern hinausgeschleudert Massenzahl sinkt um 4 Ordnungszahl sinkt um 2 Häufigste Zerfallsart der natürlichen Radionuklide 31

32 a-Zerfall (1896) Beispiel: Uran-238 32

33 b-Zerfall Zwei b-Zerfälle: b--Zerfall b+-Zerfall
Elektronen werden aus dem Kern geschleudert Antineutrinos werden emittiert b+-Zerfall Positronen werden aus dem Kern geschleudert Neutrinos werden emittiert 33

34 Kerne mit Neutronenüberschuss
b--Zerfall (1896) Kerne mit Neutronenüberschuss durch Spaltung schwerer Kerne durch Neutronenbeschuss Umwandlung eines Neutrons in ein Proton Massenzahl bleibt konstant Ordnungszahl steigt um 1 34

35 b--Zerfall (1896) Beispiel: Kobalt-60 35

36 Kerne mit Protonenüberschuss
b+-Zerfall (1934) Kerne mit Protonenüberschuss durch Spaltung schwerer Kerne durch Protonenbeschuss Umwandlung eines Protons in ein Neutron Massenzahl bleibt konstant Ordnungszahl sinkt um 1 36

37 Teilchen relativ kleiner Masse aus dem Kern zu emittieren
Radioaktivität ist die Eigenschaft, Teilchen relativ kleiner Masse aus dem Kern zu emittieren a-Zerfall b-Zerfall nach Einfang eines Hüllenelektrons Röntgenstrahlung auszusenden K-Einfang sich spontan zu spalten Kernspaltung 37

38 Kerne mit Protonenüberschuss
K-Einfang (1937) Kerne mit Protonenüberschuss Einfang eines Hüllenelektrons durch den Kern Umwandlung eines Protons in ein Neutron Massenzahl bleibt konstant Ordnungszahl sinkt um 1 Röntgenstrahlung wird abgegeben 38

39 b+-Zerfall und K-Einfang
Beispiel: Beryllium-7 39

40 Teilchen relativ kleiner Masse aus dem Kern zu emittieren
Radioaktivität ist die Eigenschaft, Teilchen relativ kleiner Masse aus dem Kern zu emittieren a-Zerfall b-Zerfall nach Einfang eines Hüllenelektrons Röntgenstrahlung auszusenden K-Einfang sich spontan zu spalten Kernspaltung 40

41 Spontane Kernspaltung (1940)
Nur bei sehr schweren Kernen Zerfall in Bruchstücke Aussenden von Neutronen Sehr große kinetische Energie der Bruchstücke Selten im Vergleich zum a- und b-Zerfall 41

42 Doppelter b--Zerfall (1967)
Weitere Zerfälle Doppelter b--Zerfall (1967) Single Proton-Zerfall (1981) Cluster-Zerfall (1984) Double Proton-Zerfall (2002) 42

43 (4) Kann Radioaktivität mir schaden?
Übersicht (1) Das Atom (2) Der Atomkern (3) Die Radioaktivität (4) Kann Radioaktivität mir schaden? 43

44 Röntgenstrahlen 8. November 1895: Entdeckung der Röntgenstrahlen
C. W. Röntgen Hand mit Schrotkugeln 44

45 Elektromagnetische Strahlung
Spektrum Wellenlänge in m opt. Wellen Gammastrahlung Radio / Funk / TV Röntgenstrl. Frequenz in Hz Langwellen Mittelwellen Kurzwellen UKW Mikrowellen UHF Elektro-Smog Infrarot Ultraviolett Röntgernstrl. Gammastrl. Höhenstrl. Energie in eV 45

46 Kann Radioaktivität mir schaden ?
JA !!! 46

47 Strahlenschaden Es dürfte noch nicht allgemein bekannt sein, dass die
so viel besprochenen X-Strahlen die Eigenschaft besitzen, ähnlich den Sonnenstrahlen, die Haut zu verbrennen. Deutsche Medicinische Wochenschrift, 9. Juli 1896 47 47

48 Strahlenwirkung auf biologisches Gewebe
Erste Strahlenschäden: Haarausfall, Hautschäden  1896 erste therapeutische Einsätze Der Zelltod im Tumor ist als zelluläre Strahlenwirkung das Ziel der Strahlentherapie. 48

49 Biologische Strahlenwirkung
49

50 Biologische Strahlenwirkung
50

51 Phasen der Strahlenwirkung
Dauer Phase Ort 10-16s physikalische Phase Atom (Anregung, Ionisation) Molekül s phys.-chem. Phase Atom (Bildung von Radikalen) Molekül s - h biochemische Phase Zellorganelle (Veränderungen der Biomoleküle Zelle Veränderung bzw. Verlust der speziellen Zellfunktion) min - a biologische Phase Gewebe (somatischer Strahlenschaden Organ genetischer Strahlenschaden) Organismus 51 51

52 Strahlenschaden Indirekter Strangbruch Elektron Direkter Strangbruch
2nm 52

53 Biologische Phase: Minuten bis Jahre
Ausbildung eines klinisch manifesten Effekts Einflussfaktoren Höhe der Dosis Zeitliche Dosisverteilung Geschwindigkeit und Umfang der Repopulierung Zeitpunkt im Zellzyklus Dauer des Zellzyklusses Funktionelle Reserve Größe des bestrahlten Volumens Physikalische und chemische Bedingungen 53 53

54 Biologische Strahlenwirkung
100 80 60 40 20 Appetitlosigkeit Erythem Schwindel Linsentrübung Erbrechen Durchfall 0, Gesamtdosis/Gy (davon 80% als kurzzeitige und 20% als protahierte Bestrahlung) 54

55 Natürliche Strahlenbelastung
Mittelwert der natürlichen Strahlenbelastung in Deutschland: 2,1 mSv/a 55

56 Radonkonzentration in Deutschland
Radonkonzentration in der Bodenluft in 1 m Tiefe (Daten aus 2001) 56

57 Nuklidkarte 57

58 Terrestrische Strahlung: Zerfallsreihe 238U
4 d 58

59 Terrestrische Strahlung
Innenluft der Häuser: mal höhere Radonkonzentration Einfluss: Porosität der Außenwände Lüftungsgewohnheiten Grenzwert: 400 Bq/m3 Neubauten: 200 Bq/m3 Mittelwert in Deutschland: Bq/m3 59 138

60 Kosmische Strahlung Meeresspiegel: 0,3 mSv/a = 0,03 Sv/h 60

61 Kosmische Strahlung = 5,7 mSv Flughöhe:
m: 44 mSv/a = 0,005 mSv/h m: 52 mSv/a = 0,006 mSv/h Transatlantik Hin- und Rückflug je ca. 10 h  100 Sv = 0,1 mSv  Thoraxaufnahme Fliegendes Personal: 3,5 Tage/Monat  40 Tage/Jahr 52 mSv  40 365 Überwachung als beruflich strahlenexponierte Personen: Dosis > 1 mSv/a = 5,7 mSv 61

62 Beruflich Strahlenexponierte
Das Höchstmass der zulässigen Strahlenbelastung wird nicht ausgeschöpft: 2 mSv/a = 12,5 – 25 Tote pro Mio Personen und Jahr (= Einzelhandel, Verwaltung) Bei Ausschöpfung des zulässigen Höchstmaßes: 20 mSv/a = 120 – 240 Tote pro Mio Personen und Jahr (= Landwirtschaft, > Bau) 50 mSv/a = 300 – 600 Tote pro Mio Personen und Jahr (> Bergbau) 62 62

63 Arbeitsunfälle in der BRD 1988
Unfallstatistiken Arbeitsunfälle in der BRD 1988 63 63

64 Beruflich Strahlenexponierte
Das Höchstmass der zulässigen Strahlenbelastung wird nicht ausgeschöpft: 2 mSv/a = 12,5 – 25 Tote pro Mio Personen und Jahr (= Einzelhandel, Verwaltung) Bei Ausschöpfung des zulässigen Höchstmaßes: 20 mSv/a = 120 – 240 Tote pro Mio Personen und Jahr (= Landwirtschaft, > Bau) 50 mSv/a = 300 – 600 Tote pro Mio Personen und Jahr (> Bergbau) 64 64

65 Arbeitsunfälle in der BRD 1988
Unfallstatistiken Arbeitsunfälle in der BRD 1988 65 65

66 Beruflich Strahlenexponierte
Das Höchstmass der zulässigen Strahlenbelastung wird nicht ausgeschöpft: 2 mSv/a = 12,5 – 25 Tote pro Mio Personen und Jahr (= Einzelhandel, Verwaltung) Bei Ausschöpfung des zulässigen Höchstmaßes: 20 mSv/a = 120 – 240 Tote pro Mio Personen und Jahr (= Landwirtschaft, > Bau) 50 mSv/a = 300 – 600 Tote pro Mio Personen und Jahr (> Bergbau) 66 66

67 Arbeitsunfälle in der BRD 1988
Unfallstatistiken Arbeitsunfälle in der BRD 1988 67 67

68 Was ist Radioaktivität, und kann sie mir schaden?
Dr. rer. nat. Corinna Melchert Freitag, 04. November 2011