Referat - Versuch 12 PDF

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RADIOAKTIVER ZERFALL Eigenschaft einer Reihe von Atom-Kernen, sich ohne äußere Einwirkung spontan in einen anderen Atomkern umzuwandeln. Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von elektromagnetischer Strahlung (-Strahlung) und / oder Teilchen (-, +-, –- oder Neutronenstrahlung) abgegeben.

PHYSIKAL. GRUNDLAGEN: Das wichtigste und empfindlichste Erkennungszeichen der radioakt. Elemente ist ihre Strahlung, mit der sich schon geringste Spuren von radioakt. Stoffen nachweisen lassen – auf dieser Eigenschaft beruhen die analytischen Anwendungen in der Kernchemie und als markierte Verbindungen. Die vor allem anhand von Radium-Präperaten frühzeitig untersuchte Strahlung hat folgende Eigenschaft: 1. Sie schwärzt die Photoplatte. 2. Sie kann bestimmte Stoffe (Szintillatoren) zur Aussendung von Licht anregen; diese Erscheinung nutzte man in radioakt. Leuchtstoffen und im Spinthariskop. 3. Die vom Radium u.a. radioakt. Elementen ausgehenden Strahlen rufen in der umgebenden Luft starke Ionisation hervor. Die von Radium ausgehende Strahlung ist nicht einheitlich, sondern ein Gemisch aus drei verschiedenen Strahlensorten, die man als -, - und -Strahlen bezeichnete; als Oberbegriff dient heute die Bezeichnung „ionisierende Strahlung“. Der Schluß auf die 3 verschiedenen Strahlungen ergab sich aus dem in Abb. 1 dargestellten Experiment, bei dem die Strahlung nur durch eine röhrenartige Öffnung geradlinig austreten konnte: Photo - Platte Pluspol

Minuspol  - Strahl

(+)

(-)

(+)

(-)

(+)

(-)

(+)

(-)

 - Strahl

(+)

 - St rahl

( -) Elektronen

(-) (-)

(+)

(+) geladene Helium - Kerne Blei Radium

Beim Anlegen eines magnet. od. elektr. Feldes in der Wilson-Kammer zeigte sich, daß ein Teil der Radium-Strahlung unverändert geradeaus geht (-), während andere Teile zum Pluspol (-) od. Minuspol (-) abgelenkt werden.

DIE VERSCHIEDENEN STRAHLUNGSARTEN 1.

-Strahlen (Alphastrahlen): Alpha-Teilchen sind positiv geladene Kernteilchen; sie bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Man kann sie also als vollständig ionisierte Helium-Atome ansehen. Alpha-Teilchen sind daher sehr stabil, sie besitzen nur eine kurze Reichweite (in Luft wenige cm, in Festkörpern oft nur mm); d.h. durch Abschirmung kann man sich leicht vor ihnen schützen. Ist allerdings alphastrahlendes Material im Körper aufgenommen, ist die Strahlung hochschädigend, denn sie ionisiert die unmittelbare Umgebung. Diese Tatsache wird durch die Definition der Äquivalentdosis berücksichtigt. A Z

2.



X

A 4 Z 2

4 Y  2 He ; z.B.



226 88

Ra

222 86

Rn 24He  Emmision von He-Kernen

 -Strahlen (genau: –-Strahlen od. +-Strahlen): Diese bestehen aus Elektronen bzw. Positronen, die vom entgegengesetzt geladenen Pol angezogen werden. Die -Strahlen kommen aus dem Atomkern, nicht aus der Elektronenhülle des radioakt. Elements, in dem sie im Augenblick der Aussendung aus einem Neutron entstehen: Man unterscheidet zwei Arten: –-Zerfall tritt bei Kernen mit Neutronen-Überschuß auf. Es wandelt sich ein Neutron n in ein Proton p, ein Elektron e- und ein elektr. Antineutrino  um; e- und  verlassen den Kern. Die Massenzahl des Kerns bleibt unverändert, während sich die Kernladungszahl um eins erhöht. +-Zerfall tritt bei Protonenüberschuß auf, wobei sich ein Proton p (plus das Massenäquivalent an Kernenergie) in ein Positron e+ und ein elektr. Neutrino  umwandelt; e+ und  verlassen den Kern. Die Massenzahl bleibt unverändert, die Kernladungszahl erniedrigt sich um eins. Die Elektronen bzw. Positronen haben eine breite Geschwindigkeitsverteilung (kontinuierliches Energiespektrum). Die Reichweite der -Strahlen in Luft liegt etwa im Meter-Bereich. Ihr Durchdringungsvermögen ist wesentlich größer als das der -Strahlen; während diese schon durch eine 0,05 mm dicker Aluminium-Folie zur Hälfte zurückgehalten werden, braucht man bei den -Strahlen zur gleichen Strahlungsschwächung schon eine Al-Folie von 0,5 mm Dicke. Zur Abschirmung verwendet man Stoffe wie Blei und Eisen. Energiearme (stark abgebremste) +-Teilchen wandeln sich mit Elektronen in je zwei Quanten um (Vernichtungsstrahlung). Beta-minus-Zerfall: A Z









X  Z A1Y  e    ; z.B. 1 He  23 He  e     Emission von Elektronen 3

Beta-plus-Zerfall: A Z



X 

Y  e    ; z.B.

A Z 1

22 11





Na  1022 Ne  e     Emission von Positronen

3.  -Strahlen (Gammastrahlen): Bei der elektr. und magnet. nicht ablenkbaren - handelt es sich um eine elektromagnet. Strahlung aus Photonen (Gammaquanten), die z.T. vom

Atomkern beim Übergang aus einem angeregten Kernzustand in einen Zustand geringerer Energie emittiert werden. Ein anderer Anteil der -Strahlung entstammt der Bremsstrahlung, d.h. der Wechselwirkung von -Strahlen mit den Elektronen der Atomhülle eines anderen Atoms. Im Prinzip unterschieden sich Gammastrahlen nicht von Röntgenstrahlen. Die Unterschiede ergeben sich nur aus der Strahlungsquelle: Während Röntgenstrahlung von einem Quantensprung in einer Elektronenhülle herrührt, stammt ein Gamma-Photon von einem Quantensprung im Atomkern. A Z

*



X  ZA X  

ZERFALL VON RADIOAKTIVEN STOFFEN Bei allen natürlichen radioakt. Vorgängen treten im wesentlichen nur -, –- und -Strahlen auf, während bei der künstlichen Radioaktivität von Elementen ein spontaner Zerfall in zwei Kerne eintreten kann und außerdem auch Neutronen, Positronen (+), in seltenen Fällen Protonen und mittelschwere Teilchen wie 14C od. 24Ne entstehen können und den Kern verlassen. Elektronen, die durch direkt ionisierende Strahlung aus Atomen herausgestoßen werden und ihrerseits weiter ionisieren können, nennt man manchmal -Strahlen (DeltaStrahlen). Die gesamte Energie der radioakt. Strahlung wird schließlich in Wärme umgewandelt. Wenn sich ein Mol (226,01 g) Radium vollständig in Radiumblei (205,97 g) und Helium (20,01 g) umgewandelt hat – was etwa nach der 10fachen HWZ (rund 16000 Jahren) der Fall ist –, so sind hierbei insgesamt rund 2,1 TJ frei geworden; dies entspricht etwa dem Heizwert von 100 t Kohle. Diese Energie ist durch Massendefekte zu erklären: die genaue Gewichts-Differenz (etwa 30 mg!) zwischen den in g ausgedrückten durchschnittlichen Atomgewichten von Radium, Radiumblei und 5 He-Kernen wurde nach der Gleichung m 

E (Einsteins Masse-Energie-Gleichung) in Energie umgewandelt. c²

Beim Zerfall eines natürlichen Radionuklids entsteht im allgemeinen ein Kern, der wieder radioaktiv ist und weiter zerfällt. Man kann daher für die natürlich radioaktive Elemente (ab Ordnungszahl 81) sog. „Zerfallsreihen“ aufstellen, d.h. Folgen (radioakt. Familien) der jeweils auseinander hervorgehenden Radionuklide. Die Glieder der Zerfallsreihen haben die Massenzahlen A=4n+0 (Thorium-Familie), A=4n+2 (Uran-Radium-Familie) und A=4n+3 (Uran-Actinium-Familie). Die Endglieder der Familien sind jeweils stabile Blei-Isotope. Die Uran-Radium-Zerfallsreihe beginnt mit 238Uran und endet nach mit dem stabilen Radium G (Radiumblei, Atomgew. rund 206). Die 13 dazwischenliegenden instabilen Atomsorten gehen unter Aussendung von - od. -Strahlen in die nächstleichtere Atomsorte über. Dabei können Nebenwege („Verzweigungen“) beschritten werden. Die Geschwindigkeit dieser Umwandlungen, die zum Teil um mehrere Größenordnungen verschieden ist, wird durch die Halbwertszeit (T½ ) angegeben, die für das einzelne Radioelement eine charakteristische Größe ist: ln 2  ln 2 T1  2



Schließlich ergibt sich das Zerfallsgesetz. Die Form der Zerfallskurve ist mathematisch durch eine Exponentioalfunktion darzustellen. Allerdings kann das Zerfallsgesetz nur verallgemeinern – der Zerfall eines einzelnen Atomkerns ist ein Zufallsereignis. Für alle Atome N, die nach einer bestimmten Zeit t noch da sind, gilt:

t

N N 0 e   t  N 0 e 

 = Zerfallskonstante  = mittlere Lebensdauer N0 = Anzahl der Atomkerne zur Zeit t = 0

AKTIVITÄT VON RADIOAKTIVEN STOFFEN Das Maß für die Intensität oder Stärke einer radioaktiven Quelle ist ihre Aktivität, d.h. die Anzahl der radioaktiven Umwandlungen in den betrachteten radioaktiven Präparat pro Zeiteinheit. Einheit der Aktivität ist das Becquerel [Bq]. Als radioaktives Gleichgewicht bezeichnet man den Zustand einer Zerfallsreihe, bei dem in einer Zeitspanne ebenso viele Atome eines Gliedes zerfallen, wie durch den Zerfall des vorhergehenden Radionuklids wieder nachgebildet werden. Ein stationäres Gleichgewicht kann sich nur dann einstellen, wenn die HWZ der Muttersubstanz sehr groß gegenüber der aller Folgeprodukte ist. Alle Glieder einer unverzweigten Zerfallsreihe haben in diesem Falle die gleiche Aktivität. Ist die HWZ des Mutternuklids nicht sehr groß, sondern nur merklich größer als alle übrigen HWZ, so stellt sich ein laufendes Gleichgewicht ein, bei dem die Aktivitäten aller Glieder der Zerfallsreihe in zeitlich konstanten Verhältnissen zueinander stehen. Die Aktivität eines Stoffes kann folgendermaßen berechnet werden: A 

dN    N 0 e  t   N dt

NATÜRLICHES VORKOMMEN VON RADIOAKTIVITÄT Radioaktivität ist in einem bestimmten Maß in der Natur vorhanden; die natürliche Radioaktivität hat einen Dosismittelwert von 2 mSv pro Jahr. Der Wert hängt stark von der geologischen Struktur und von Höhe über dem Meeresspiegel ab: In erhöhtem Maße ist Radioaktivität anzutreffen u.a. in radioaktiven Mineralien, in Rückständen, im Abraum des Uran-Bergbaus, ggf. aber auch in Brillengläsern (enthalten Thorium), in Baustoffen, in der Abluft von Kohlekraftwerken, etc. Eine merkliche Erhöhung der radioaktiven Kontamination ergab sich in den 60er Jahren durch den Fallout aus Kernwaffen-Versuchen in der Atmosphäre. Größere Mengen an Radioaktivität können auch bei Vulkanausbrüchen wie z.B. dem des Mount St. Helens im Mai 1980 (1017 Bq) oder bei Reaktorunfällen (Tschernobyl/Ukraine, April 1986) frei werden. Radioaktive Präparate zeigen interessante chemische Wirkungen. So können z.B. der Sauerstoff der Luft in Ozon umgewandelt uund Chlorwasserstoff, Ammoniak, Kohlenoxid, Kohlendioxid usw. in ihre Elemente zerlegt bzw. aus ihnen aufgebaut werden. Mit den biologischen Wirkungen der Radioaktivität beschäftigen sich die Radiobiologie, mit ihrer medizinischen Anwendung (z.B. als Strahlentherapie) in der Nuklearmedizin und Radiologie. Ein großen Anwendungsgebiet ist auch die Verwendung als Tracer, bei der stabile Isotope eins Elementes im Körper durch radioaktive Isotope ersetzt werden, wodurch sich Körperfunktionen besser nachvollziehen lassen, wie z.B. die Untersuchung der Photosynthese mit 14C oder die Schilddrüsenszintigraphie mit 131I....