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

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

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

Sonnensystem Atommodell Das Atom Sonnensystem Atommodell 4

Das Atom; Beispiel: Helium Elektronenhülle Elektron m = 0,9•10-31 kg x 20 000 Atomkern Neutron m = 1,7•10-27 kg Proton m = 1,7•10-27 kg 10-15m 4He Ordnungszahl 2 Massezahl 4 2 x 100 000 10-10m 5

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

Energieniveaus 5 Tisch Stuhl Fußboden 7

Energieniveaus 5 Tisch E2 E1 Stuhl Fußboden 8

Energieniveaus Tisch 5 Stuhl E3 Fußboden 9

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

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

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

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

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

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

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

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

Periodensystem der Elemente 18

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

Isotope Wasserstoff 1H Deuterium 2H Tritium 3H 20

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

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

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 = 37 000 000 000 Bq 23

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Spontane Kernspaltung (1940) Nur bei sehr schweren Kernen Zerfall in 2 - 3 Bruchstücke Aussenden von 2 - 3 Neutronen Sehr große kinetische Energie der Bruchstücke Selten im Vergleich zum a- und b-Zerfall 41

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

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

Elektromagnetische Strahlung Spektrum Wellenlänge in m 102 100 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14 10-16 10-18 10-20 opt. Wellen Gammastrahlung Radio / Funk / TV Röntgenstrl. Frequenz in Hz 101 103 105 107 109 1011 1013 1015 1017 1019 1021 1023 1025 Langwellen Mittelwellen Kurzwellen UKW Mikrowellen UHF Elektro-Smog Infrarot Ultraviolett Röntgernstrl. Gammastrl. Höhenstrl. 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 1010 Energie in eV 45

Kann Radioaktivität mir schaden ? JA !!! 46

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

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

Biologische Strahlenwirkung 49

Biologische Strahlenwirkung 50

Phasen der Strahlenwirkung Dauer Phase Ort 10-16s physikalische Phase Atom (Anregung, Ionisation) Molekül 10-11-10-2s 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

Strahlenschaden Indirekter Strangbruch Elektron Direkter Strangbruch 2nm 52

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

Biologische Strahlenwirkung 100 80 60 40 20 Appetitlosigkeit Erythem Schwindel Linsentrübung Erbrechen Durchfall 0,5 1 5 10 Gesamtdosis/Gy (davon 80% als kurzzeitige und 20% als protahierte Bestrahlung) 54

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

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

Nuklidkarte 57

Terrestrische Strahlung: Zerfallsreihe 238U 4 d 58

Terrestrische Strahlung Innenluft der Häuser: 5 - 8 mal höhere Radonkonzentration Einfluss: Porosität der Außenwände Lüftungsgewohnheiten Grenzwert: 400 Bq/m3 Neubauten: 200 Bq/m3 Mittelwert in Deutschland: 50 - 60 Bq/m3 59 138

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

Kosmische Strahlung = 5,7 mSv Flughöhe: 10.000 m: 44 mSv/a = 0,005 mSv/h 12.000 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

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

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

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

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

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

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

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