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Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Grundkenntnisse Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat.

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Präsentation zum Thema: "Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Grundkenntnisse Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat."—  Präsentation transkript:

1 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Grundkenntnisse Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat.

2 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 2 Vorwort Dieser Baustein gibt einen Überblick über die Grundbegriffe der Radioaktivität, sowie den sorgsamen Umgang mit radioaktiven Stoffen. Das komplette Lehrveranstaltungsmodul besteht aus vier Bausteinen. Für die weiteren Bausteine wird dieses Grundlagen-Modul benötigt.

3 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 3 Inhalt Atomaufbau Strahlung Strahlenarten und Ionisation Isotope Radioaktivität Halbwertszeit Nuklidkarte Einheiten Quadratisches Abstandsgesetz Strahlenbelastung –Natürliche Quellen –Künstliche Quellen Energiespektren Wechselwirkung mit Materie Biologische Wirkung Strahlenschäden

4 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 4 Atomaufbau Proton –1, kg –positiv geladen Neutron –1, kg –ungeladen Elektron –9, kg –negativ geladen ©

5 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 5 Strahlung Strahlung: Ausbreitung von Teilchen und Wellen Auswirkungen auf Atome –nicht ionisierende Strahlung Auswirkung auf Atome oder Moleküle: keine –ionisierende Strahlung Auswirkung: kann aus Atome oder Moleküle Elektronen entfernen: Entstehung von positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation) direkt ionisierende Strahlung indirekt ionisierende Strahlung

6 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 6 Strahlung Elektromagnetische Strahlung Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm © Wikimedia Commons

7 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 7 Strahlenarten und Ionisierung(1) Teilchen –Alphastrahlung Schwere He-Kerne – direkt ionisierend –Betastrahlung Beta-: ein Elektron wird abgegeben – direkt ionisierend Beta+: ein Elektron wird eingefangen – direkt ionisierend –Protonen positiv geladen – direkt ionisierend –Neutronen ungeladen – indirekt ionisierend Alphazerfall © Wikimedia Commons Betazerfall © Wikimedia Commons

8 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 8 Strahlenarten und Ionisierung(2) Strahlung © Wikipedia

9 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 9 Strahlenarten und Ionisierung(3) Elektromagnetische Strahlung –Gammastrahlung Gamma-Photon – indirekt ionisierend Gammazerfall © Wikimedia Commons

10 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 10 Isotope Isotop Ein Isotop ist ein Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Stabile und instabile Isotope (ca Isotope davon 274 stabil) Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen = radioaktiv Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe: –Uran-Radium-Reihe: 238 U 206 Pb –Uran-Actinium-Reihe: 235 U 207 Pb –Thorium-Reihe: ( 244 Pu) 232 Th 208 Pb –Neptunium-Reihe – kommt in Natur nicht vor: ( 241 Pu) 237 Np 209 Bi ( 205 Tl)

11 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 11 Radioaktivität Radioaktivität ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus

12 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 12 Halbwertszeit (HWZ) (1) Die Halbwertszeit ist abhängig von der Aktivität des Elements. von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren HWZ © Wikimedia Commons

13 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 13 Halbwertszeit (HWZ) (2) Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität Isotop Halbwertszeitspezifische Aktivität 131 I8 Tage Bq/mg 137 Cs30 Jahre Bq/mg 239 Pu Jahre Bq/mg 235 U Jahre80 Bq/mg 238 U Jahre12 Bq/mg 232 Th Jahre4 Bq/mg

14 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 14 Nuklidkarte (1) Nuklide nach Protonen- und Neutronenzahl geordnet Neutronenzahl (N) horizontal aufgetragen Ordnungszahl = Protonenzahl (Z) vertikal aufgetragen Farben entsprechen Zerfallsarten –schwarz = stabil Zerfallsarten Verzweigungsverhältnisse

15 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 15 Nuklidkarte (2) Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 2006 © European Communities, 2006

16 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 16 Nuklidkarte (3) Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 2006 © European Communities, 2006

17 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 17 Einheiten Aktivität – Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit. –Einheit: Becquerel [Bq] Energiedosis – in Materie abgegebene Energiemenge pro Masse. –Einheit: Gray [Gy] Äquivalentdosis – Energiedosis gewichtet nach Wirkung auf menschlichen Körper. –Einheit: Sievert [Sv] Qualitätsfaktor – Äquivalentdosis / Energiedosis. –Einheit: Sievert/Gray [Sv/Gy] Dosisleistung – Äquivalentdosis pro Zeiteinheit. –Einheit: Sievert/Stunde [Sv/h] Dosisfaktor – Äquivalentdosis / Aktivität. –keine Einheit; dimensionsloser Faktor [ ]

18 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 18 Quadratisches Abstandsgesetz Dosisleistung nimmt quadratisch zur Entfernung ab. Strahlungsintensität I © Wissensportal Kernfragen

19 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 19 Strahlenbelastung Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in mSv pro Jahr) ©

20 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 20 Strahlenbelastung Natürliche Strahlungsquellen Kosmische Strahlung – Höhenstrahlung (300 µSv/a) –hochenergetische Teilchenstrahlung aus All. In großer Höhe erheblich stärker als auf Meeresniveau Terrestrische Strahlung: (300 µSv/a) –durch in der Natur vorkommende langlebige Radionuklide (z.B.: Uran und Thorium) Isotope in Nahrung (300 µSv/a) –besonders durch 40 K Radon (1600 µSv/a) –aus den drei Zerfallsreihen der Elemente Uran und Thorium gibt es 3 verschiedene Radonisotope – 222 Rn aus der 238 U-Zerfallsreihe: HWZ: 3,8d – 220 Rn aus der 232 Th-Zerfallsreihe: HWZ: 55s – 219 Rn aus der 235 U-Zerfallsreihe: HWZ: 4s – 222 Rn kann durch die längere Lebensdauer durch Risse in Keller strömen. –Radon ist zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen.

21 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 21 Strahlenbelastung Künstliche Strahlenquellen Bildgebende medizinische Untersuchungen –(CT, Röntgen) (1300 µSv/a) Kernkraftwerke (<10 µSv/a) Atombombentests (<10 µSv/a) AKW-Unfälle: –Chernobyl: (<10 µSv/a) Rauchen (300 µSv/a)

22 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 22 Ortsdosisleistung in Österreich Aktuelle Messwerte aus dem Strahlenfrühwarnsystem

23 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 23 Bodenbelastung durch Cäsium-137 im Jahr 2000 (Umweltbundesamt) Einheit kBq/m²

24 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 24 Energiespektren (Gamma) Je nach Isotop mehrere verschiedene Energien für Gammaquanten möglich. Gammaspektrum Uranerz © Wikimedia Commons

25 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 25 Energiespektren (Alpha) Die Alpha-Strahlung eines Isotops hat nur eine bestimmte diskrete Energie. ©

26 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 26 Wechselwirkungen mit Materie (1) Alpha-Teilchen: He-Kern –schwer - stärkere Wechselwirkung – Atome werden ionisiert –Elektron wird aus der Atomhülle herausgeschlagen –nach mehreren 1000 Zusammenstößen mit Atomen abgebremst –Eindringtiefe ist gering. –Ein Papierblatt kann Alpha-Teilchen abhalten. Beta-Teilchen: Elektron –kleine Teilchen –geringere Wechselwirkung –größere Eindringtiefe –entsteht zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen). –Einige Millimeter dickes Aluminiumblech schirmt die Betastrahlung ab.

27 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 27 Wechselwirkungen mit Materie (2) Gammastrahlung: Elektromagnetische Strahlung –verschiedene Wechselwirkungen möglich. –keine Teilchenstrahlung –in Materie exponentiell abgeschwächt –keine feste Eindringtiefe –nach einer Halbwertsschicht wird die Intensität auf die Hälfte reduziert –Halbwertsschicht ist von der Energie der Gammastrahlung abhängig (z.B.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm).

28 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 28 Wechselwirkungen mit Materie (3) Abschirmung von Strahlungsquellen © Wikimedia Commons Papierblatt Aluminiumplatte Bleiblock

29 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 29 Biologische Wirkung von Strahlung Auswirkung auf Zellen –Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA Zellmutation, Zelltod –Indirekte Effekte Radiolyse der Aminosäuren Wasserradiolyse – Radikale werden gebildet Alphateilchen: geringe Eindringtiefe nur bis obere Hautschichten Inkorporation gefährlich (Lungenkrebs) Betateilchen: nur bis in die Haut (Verbrennungen, Hautkrebs, Augenlinsentrübung) Inkorporation (Schilddrüsenkrebs, Knochenkrebs, Leukämie) Gammastrahlung: Ionisierung und freigesetzte Sekundärstrahlung (Zellmutation, Tumor, Metastasen)

30 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 30 Strahlenschäden Somatische Schäden – Schäden durch Exposition –Deterministische, akute oder kausale Schädigung –Stochastische oder Spätschäden Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA) pro Zelle Teratogene Schäden –Schädigung des Embryos Genetische Schäden –Schäden in der Folgegeneration –25% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger Bestrahlung einer Keimzelle

31 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse 31 Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung: das ALARA-Prinzip As Low As Reasonably Achievable = = so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist eine Strahlenbelastung von Menschen, Tieren, Pflanzen so gering als möglich zu halten, wie dies mit vernünftigen Mitteln machbar ist, um die Gesundheit nicht zu gefährden. Sorgsamer Umgang mit radioaktiven Stoffen –Lüften von Kellern – Radon ( 222 Rn) –Rauchen – Polonium ( 210 Po) –Kontaminierte Lebensmittel – Wild, Pilze ( 137 Cs) HWZ = 30a


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