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

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

3 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 2 Definitionen I Chemische Elemente charakterisiert durch die Ordnungszahl, Z, Z = Anzahl von Protonen im Kern = Anzahl von Elektronen in der Atomhülle Isotope Atome eines chemischen Elementes mit unterschiedlicher Anzahl an Neutronen, N Nuklide Ein durch Massenzahl, A, (A = N + Z) und Ordnungszahl, Z, spezifiziertes Atom

4 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 3 Symbolische Schreibweise: A Z ChS N Beispiel: U U U 146 Kurzform: 235 U 236 U 238 U oder Uran-235 Uran-236 Uran-238

5 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 4 Radioaktivität: Eigenschaft mancher Nuklide, spontan durch Emission von Teilchen oder Energiequanten in andere Nuklide zu zerfallen oder sich in andere Nuklide umzuwandeln Spontan: ohne Einwirkung äußerer Kräfte Definitionen II:

6 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 5 Emission von Teilchen oder Energiequanten -Strahlung: Emission eines 4 He-Kernes: 226 Ra 222 Rn + -Strahlung: Emission eines Elektrons: 14 C 14 N + e - + oder Emission eines Positrons: 40 K 40 Ca + e + + oder Elektroneneinfang: 40 K + e - 40 Ar + -Strahlung: Emission energiereicher elektromagnetischer Strahlung ( -Quanten oder Photonen)

7 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 6 Modell für die Emission von - Teilchen

8 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 7 Emission von - Teilchen Emission eines Elektrons: 125 Sn 125 Sb + e - + ¯ Emission eines Positrons: 125 Xe 125 I + e + + Elektroneneinfang: 125 I + e Te +

9 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 8 Emission von - Strahlung

10 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 9 Quellen natürlicher Radioaktivität Nukleosynthese in Sternen: Verschmelzen leichter Kerne zu schwereren Kernen (bis ca. A = 60) in Sternexplosionen: komplizierte Kernreaktionspfade führen zu Kernen mit A > 60 Gemeinsamer Aspekt: es werden instabile Nuklide erzeugt, die durch radioaktive Umwandlung oder radioaktiven Zerfall in stabile Nuklide übergehen

11 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 10

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13 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 12 NuklidHäufigkeitHalbwertzeit 40 K0,0117 % 1, a 232 Th100 % 1, a 235 U0,720 % 7, a 238 U99,2745% 4, a Beispiele von primordialen Radionukliden

14 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 13 Quellen natürlicher Radioaktivität Kosmische Höhenstrahlung Energiereiche Teilchen aus dem Weltraum ( im wesentlichen Protonen) verursachen beim Zusammenstoß mit Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre Kernreaktionen bei denen u. a. Radionuklide entstehen

15 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 14 Radionuklide erzeugt durch kosmische Höhenstrahlung Nuklid Halbwertzeit 14 C 5730 a 3 H 12,33 a 22 Na 2,602 a 7 Be 53,29 d

16 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 15 Der Standardmensch enthält 140 g Kalium davon 16,4 mg K-40 A = 4,5 kBq zum Vergleich: 16,4 mg Ra-226 haben eine Aktivität von A = 0,67 GBq Masse: 70 kg Größe: 170 cm Oberfläche: 1,8 m 2 Alter: Jahre Lebensdauer: 70 Jahre

17 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 16 Radionuklide im menschlichen Körper

18 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 17 Definitionen III Energiedosis = absorbierte Energie/ Masse des absorbierenden Körper (Einheit: Gray, Gy) Dosisleistung = Energiedosis/Zeit Äquivalentdosis = Energiedosis Bewertungsfaktor (Einheit: Sievers, Sv) Äquivalentdosisleistung = Äquivalentdosis/Zeit (häufige Einheiten: Sv/h, mSv/a)

19 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 18

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22 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 21 Gebiete hoher Strahlendosis

23 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 22 Geschichte der Radioaktivität Entdeckung der Röntgen-Strahlung durch Wilhelm Conrad Röntgen 1898 Entdeckung der natürlichen Radioaktivität durch Henri Antoine Becquerel (Becquerel-Strahlung) ab 1898 systematische Arbeiten zur natürlichen Radioaktivität durch Marie und Pierre Curie

24 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 23 Entdeckung von Polonium und Radium 1901 Systematische Arbeiten von Otto Hahn zur Radioaktivität, ab 1907 zusammen mit Lise Meitner 1909 Geiger und Marsden Streuexperimente mit Alpha-Teilchen 1911 Interpretation durch Rutherford Atomkern 1919 Rutherford: 1. Kernumwandlung N + O + p

25 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben Cockcroft und Walton: 1. Beschleuniger Li + p (1. Kernzertrümmerung) 1932 Entdeckung des Neutrons durch Chadwick (Erklärung der Isotopie) 1934 Irène Joliot-Curie und Frédéric Joliot Radioaktive Phosphor- und Silicium- Isotope durch Kernumwandlung Ab 1935 Suche von Hahn und Meitner nach Transuranen

26 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn und Fritz Straßmann 1939 Synthetisierung der Elemente Neptunium (Z=93), Plutonium (Z=94) Kernreaktor kritisch (Enrico Fermi, Chicago – Manhattan Projekt) Atombombe auf Hiroshima und Nagasaki Kernreaktor zur Energiegewinnung

27 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 26 Eintrag aus den Notizbuch von Lise Meitner U n U U Np Np

28 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 27 Aus einem Brief von Otto Hahn an Lise Meitner

29 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 28 Radionuklide im menschlichen K örper NuklidSpeicherorganT 1/2 (phys.)T 1/2 (biol.) H-3 C-14 K-40 Sr-90 I-131 Cs-137 Ra-226 U-nat. Gewebe/Wasser Fett Muskeln/Körper Knochen Schilddrüse Muskeln/Körper Knochen Nieren/Knochen 12,323 a 5730 a 1, a 28,5 a 8,02 d 30,17 a 1600 a 4, a 12 d 58 d 49 a 40 – 140 d 140 d / 70 d 45 a 20 d

30 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 29 in medizinischer Diagnose und Therapie (Lokalisation und Funktionskontrolle, Strahlentherapie) in technischen Geräten (Leuchtzifferblätter, Rauchmelder, Meßgeräte für Füllstand, Dichte, Feuchte) zur Prozeßkontrolle und –steuerung (Messung von Strömungen, Verweilzeiten und Verschleiß) Einsatz von Radionukliden I

31 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 30 Einsatz von Radionukliden II zur Sterilisierung im medizinischen Bereich (Gummihandschuhe, Spritzen etc.) zur Konservierung von Lebensmitteln (Hemmung des Keimens,Abtöten von Bakterien, Sporen, Hefen etc.) in Archäologie und Kunst (Radiocarbon-Methode, Aktivierungsanalyse) in der Weltraumforschung (robotergesteuerte Elementanalysen mit Alpha-Strahlung)

32 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 31 Zusammenfassung: Strahleneinwirkung in Deutschland Natürliche Strahleneinwirkungca. 2,4 mSv/a Zivilisatorische Strahleneinwirkungca. 1,55 mSv/a Strahleneinwirkung durch den Reaktorunfall von Tschernobylca. 0,04 mSv/a Summeca. 4 mSv/a

33 Technische Universität Dresden Physik am Samstag Hartwig Freiesleben 32 Literatur Weitere Bilder und Texte zum Vortrag unter: kernenergie.org/d/downloads.cfm Werner Stolz: Radioaktivität Teubner Verlag


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