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Aufbau der Atomkerne |  |
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Radioaktive Strahlung | |
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Radioaktiver Zerfall | |
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Gefahren und Nutzen der radioaktiven Strahlung | |
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Ein Atom besteht aus einem Kern (positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen; Durchmesser: ca. 10-15 m; ungefähr gleiche Masse) und einer Elektronenhülle (Durchmesser: ca. 10-10 m). Auf ihr bewegen sich negativ geladene Elektronen (Masse: ca. der Masse eines Protons; gleiche Ladung) auf kreisförmigen Bahnen um den Kern. Jedes elektrisch neutrale Atom besitzt genauso viele Protonen wie Elektronen.
Zwischen den Kernteilchen wirken die anziehenden Kernkräfte, die den Kern, also die Nukleonen zusammenhalten. Sie haben nur eine sehr geringe Reichweite (Wirkungsbereich: 10 -15m). Diesen entgegen wirken die abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen den Protonen mit verhältnismäßig großer Reichweite. Die Energie, die den Kern zusammenhält und somit in ihm gespeichert ist, bezeichnet man als Kernenergie oder Bindungsenergie der Kernteilchen.
Beispiele für zweidimensionale Modelle der ersten 10 Elemente:
Beispiel für ein dreidimensionales Modell des Elements Natrium:
Maße eines mittelgroßen Atoms im Original und in modellhafter Vergrößerung:
1.2 Die Nuklidschreibweise
Im Periodensystem wird jedes Element in einer bestimmten Schreibeweise
angegeben.
Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen bzw. Elektronen an,
die Massenzahl die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen.
Die Masse wird in der atomaren Einheit 1u = 1,661· 10-27 kg angegeben.
1.3. Isotope, Isobare, Isomere
a) Isotope
Besitzen Atome des gleichen chemischen Elements eine unterschiedliche
Anzahl von Neutronen, so bezeichnet man diese Atome als Isotope.
| 206 | 207 | 208 | ||||
| z.B.: | Pb; | Pb; | Pb | |||
| 82 | 82 | 82 |
b) Isobare
Atome mit gleicher Massenzahl besitzen eine unterschiedliche Anzahl
von Protonen. Es handelt sich also um verschiedene chemische Elemente.
| 214 | 214 | 214 | ||||
| z.B.: | Pb; | Bi; | Po | |||
| 82 | 83 | 84 |
c) Isomere
Sie unterscheiden sich weder in der Masse, noch in der Ordnungszahl.
Ihre Atomkerne befinden sich in energetisch verschieden angeregten Zuständen.
| 234 | ||
| z.B.: | Pa | |
| 91 |
Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen beobachtete der Franzose Becquerel 1896 eine Schwarzfärbung einer Photoplatte, die in der Nähe von Uransalz lag. Marie und Piere Curie erforschten die neue Strahlung und entdeckten hierbei als strahlende Substanzen die Elemente Polonium und Radium.
2.2. Die Eigenschaften der natürlichen radioaktiven Strahlung
Radioaktive Strahlung wird nur vom Atomkern emittiert. Sie ist also unabhängig von der chemischen Bindung des strahlenden Elements. Beim Zerfall von Atomen wandeln sich diese spontan in andere Atomarten um. Man unterscheidet drei Arten der Strahlung.
Die Strahlenarten
a) Alpha-Strahlen
Es sind Heliumkerne, also 2 Neutronen verbunden mit 2 Protonen.
Energiereiche Alpha-Teilchen besitzen eine Reichweite bis zu 8 cm |
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b) Beta-Strahlen
Es sind Elektronen mit Geschwindigkeiten bis zu 99% der Lichtgeschwindigkeit.
Sie entstehen bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton:
| 1 | 1 | 0 | 0 | ||||||||
| n |  |
p | + | e | + |  |
( Antineutrino ) | ||||
| 0 | 1 | -1 | 0 |
Die Reichweite der Beta-Strahlen beträgt in Luft bis zu 1 m. |
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c) Gamma-Strahlen
Es sind hochenergetische, elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie treten meistens in Begleitung von Alpha- und Beta-Strahlen auf, um das hierbei, von der Elektronenhülle erreichte erhöhte Energieniveau wieder auszugleichen. Gamma-Strahlen besitzen eine große Reichweite. Zu ihrer Abschirmung benötigt man dicke Bleiplatten.
Die Reichweite der Strahlenarten:
2.3 Nachweisgeräte für radioaktive Strahlung
a) Das Geiger-Müller-Zählrohr
Tritt eine Strahlung in die, mit einem Edelgas unter geringem Druck gefüllte Röhre, so erzeugt sie Elektronen, welche wegen der Beschleunigung eine Ionenlawine auslösen, deren Stromimpuls registriert werden kann. Das Geiger-Müller-Zählrohr ist das am häufigsten benutzte Nachweisgrät für radioaktive Strahlung. Bei Messungen mit dem Zählrohr ist der sogenannte "Nulleffekt" zu berücksichtigen. Er gibt die Anzahl der Impulse an, die nur durch die ständig vorhandene natürliche Strahlung verursacht werden.
| b) Die Nebelkammer
Die Nebelkammer beinhaltet ein wasserdampftgesättigtes Gas (meist Luft). Treten Strahlen in das Kammerinnere ein, so erzeugen diese auf ihrer Bahn Ionen und es kondensieren Nebeltröpfchen daran. Somit läßt sich die Bahn eines radioaktiven Teilchens fotographieren und aus ihrer Bahnablenkung können wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. |
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Die Halbwertszeit gibt die Dauer an, in welcher die Anzahl der am Anfang
vorhandenen strahlenden Kerne auf die Hälfte reduziert wurde. Die
Palette der Halbwertszeiten reicht von 10-7 sec bis 5·1014
a. Man nutzt sie zur Bestimmung extrem hoher Alter von Gesteinen.
| Beispiel für T 1/2: | 238 | |||
| U : | 4,5·109 a ; | Jod 131 : 8 d | ||
| 92 |
Die C-14-Methode zur Altersbestimmung (Radiokarbonmethode)
Ein kleiner Anteil des Kohlenstoffs im Kohlendioxid der Luft, das C-14-Isotop,
ist radioaktiv und bleibt in seiner Konzentration durch Neubildung gleich.
Es wird von allen organischen Stoffen bis zu deren Ableben aufgenommen.
Ab dann zerfällt es mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Mißt
man die Radioaktivität von organischen Fundstücken, so läßt
sich dadurch deren Alter bestimmen.
| 14 | 1 | 14 | 1 | |||||||
| N | + | n | |
C | + | p | ||||
|
7
|
0 |
6
|
1 |
3.2 Die Aktivität
Die Aktivität einer radioaktiven Substanz drückt aus, wieviele
Zerfallsakte in einer Zeiteinheit stattfinden:
| Anzahl der Zerfälle | 1 | ||||
| A = | ——————— | ; | [A] = | —— | = 1 Bq (Becquerel) |
| Zeit | sec |
1 Bq bedeutet 1 Zerfallsakt pro Sekunde.
Die Aktivität wird in der Regel auf die Masse (Bq/kg), die Fläche (Bq/m²) und bei Gasen und Flüssigkeiten auf das Volumen (Bq/m3 ; Bq/l) bezogen.
3.3 Das Zerfallsgesetz
Ein Zeitpunkt für den Zerfall eines Atomkerns läßt sich nicht angeben. Jedoch für sehr viele Atome kann man eine Gesetzmäßigkeit mit statistischem Charakter feststellen, das Zerfallsgesetz:
| N0: | Anzahl der Atome zur Zeit t | |||
| Nt: | Anzahl der noch nicht zerfallenen Atome zur Zeit t | |||
| T: | Halbwertszeit |
Berechnungsbeispiel:
Das Caesium 137-Isotop hat eine Halbwertszeit von 30,1 a. Nach wievielen
Jahren sind nur noch 1% der ursprünglichen Menge vorhanden?
| (t : 30,1 a) | ||||
| 0,01 = 1·0,5 | ; t : 30,1 a = log 0,5 0,01 | ; | t = 200 a |
3.4. Zerfallsreihen
In der Regel ist das Produkt bei einem radioaktiven Zerfall selbst radioaktiv, so daß bis zu einem stabilen Endprodukt eine Kette, eine Zerfallsreihe, ensteht.
Beispiel: (Alle Alpha- und Beta-Strahlen werden von Gamma-Strahlen begleitet)
3.5 Die künstliche Radioaktivität
3.5.1 Die Kernspaltung
Beschießt man Uran 235 mit langsamen Neutronen, so spaltet sich
der Kern in den von Krypton 89 und Barium 144 und 3 schnellen Neutronen.
Hierbei wird auch Enegie frei.
| 235 | 1 | 89 | 144 | 1 | ||||||||||||
| U | + | n | |
Kr | + | Ba | + | 3 | n | + | E | |||||
| 92 | 0 | 36 | 56 | 0 |
3.5.2 Die Kettenreaktion
Liegt genügend spaltbares Material vor, so bewirken die bei der Kernspaltung frei gewordenen Neutronen selbst eine Kernspaltung, wobei wieder jeweils 3 Neutronen abgegeben werden. Es setzt eine Kettenreaktion ein (Beispiel: Atombombe). Wählt man eine bestimmte Menge an Uran ("kritische Masse"), so daß nur jeweils ein freiwerdendes Neutron eine weitere Kernspaltung hervorruft, so läßt sich der Prozess kontrollieren und die freigesetzte Energie nutzen (Beispiel: Kernkraftwerk). Unterschreitet man die kritische Masse, so kommt die Kettenreaktion zum Stillstand.
3.5.3 Erzeugung künstlicher radioaktiver Elemente
Durch den Beschuß von in der Natur vorkommenden Elementen mit
hochenergetischen Teilchen (Sie werden in Linearbeschleunigern, Zyklotronen
und Synchrotronen oder bei radioaktiver Strahlung erzeugt) lassen sich
neue, sowohl kurz- als auch langlebige Elemente (Transurane) erzeugen,
die wegen ihrer Unbeständigkeit zu radioaktiven Strahlern werden.
| Beispiel: | 238 | 4 | 241 | 1 | 241 | 0 | |||||||||||
| U | + | He | |
Pu | + | n | |
Am | + | e | |||||||
| 92 | 2 | 94 | 0 | 95 | -1 | ||||||||||||
| (Alpha) | (Plutonium) | (Americum) | (Beta) |
3.5.4 Die Kernfusion
Treffen ein Deuteriumkern (schwerer Wasserstoff mit 1 Neutron) und ein Tritiumkern (Wasserstoff mit 2 Neutronen) von sehr großer kinetischer Energie aufeinander, so verschmelzen sie unter Abgabe eines Neutrons zu einem Heliumkern, der eine geringere Masse besitzt, als die Massen der Ausgangsprodukte. Die Massendifferenz wird hierbei in Energie umgewandelt.
Dieser Prozess der Kernverschmelzung wird auf der Erde unter Aufbringung immenser Mittel versucht. Er findet im Innern der Sterne ständig statt.
4.
Gefahren und Nutzen der radioaktiven Strahlung
Radioaktive Strahlung ist ständig präsent. Kosmische Strahlen erzeugen in der Lufthülle Beta- und Gamma-Strahlung, terrestrische Strahlung findet man u.a. in allen Gesteinen und Pflanzen. Treffen radioaktive Strahlen auf Materie, so werden einzelne Elektronen aus den Atomhüllen herausgeschlagen, es entstehen somit Ionen. Diese ionisierende Strahlung kann zu Veränderungen von Körperzellen und damit zu Erbschäden, Mißbildungen oder Krebs führen.
Bei der Wirkung der Strahlung auf den Menschen unterscheidet man zwischen der inneren Strahlung, die durch die Nahrungsaufnahme oder die Atemluft in den Körper gelangt und sich dort in den Organen oder Knochen ablagert, und der äußeren Strahlung, die vor allem in Form von Gamma-Strahlen tief in das Gewebe eindringt und dort Beta-Strahlen erzeugt.
Die Wirkung der Strahlung auf den menschlichen Körper hängt ab von der Art und Energie der Strahlung, der Dauer der Strahlung und ihre zeitliche Verteilung (eine kurzzeitige Bestrahlung ist gefährlicher als die gleiche Strahlungsenergie über längere Zeit verteilt) sowie der Empfindlichkeit des Organs (Organe sind anfälliger als Muskeln und Knochen).
4.2 Energiedosis
Den Quotienten aus der vom Körper aufgenommenen Strahlungsenergie
und seiner Masse bezeichnet man als Energiedosis.
| E | J | ||||||||
| D | = | — | ; | [D] | = | 1 | — | = | 1 Gy (Gray) |
| m | kg |
4.3 Äquivalentdosis
Die biologische Wirkung hängt auch von der Art der Strahlung ab.
Jede Strahlungsart hat einen Bewertungsfaktor (Qualitätsfaktor),
der durch biologische Experimente ermittelt wurde.
| J | ||
| H = q · D ; [H] = 1 | — | = 1 Sv (Sievert) |
| kg |
| q = 1 | : | Beta-Strahlung, Gamma-Strahlung, Röntgenstrahlung, UV-Strahlung |
| q = 10 | : | Neutronenstrahlung |
| q = 20 | : | Alpha-Strahlung |
4.4 Strahlenschutz
Beim Umgang mit radioaktiven Präparaten sollte auf den richtigen Abstand, eine geeignete Abschirmung (dicke Bleiplatten sind am besten) und auf den Schutz der Atemwege sowie der Haut geachtet werden. Die Dauer der Bestrahlung muß möglichst gering sein.
4.5 Anwendungen radioaktiver Stoffe
In der Medizin benutzt man radioaktive Stoffe zur Behandlung von Krankheiten und zur Diagnose. Krebszellen werden durch ionisierende Strahlung zerstört. Durch Zufuhr von radioaktiven Stoffen (z.B. Jod 131) in den Körper kann von einem Organ (z.B. Schilddrüse) ein Bild (Szintigramm) zur Krankheitserkennung erstellt werden.
In Industrie und Technik nutzt man die Strahlung zur gezielten Veränderung der Eigenschaften von Materialien und zur Qualitätsprüfung (z.B. Schweißnähteüberprüfung).
Die umstrittene Konservierung von Lebensmitteln durch Bestrahlung ist ein weiteres Anwendungsbeispiel.
4.6 Kernkraftwerke
Im Reaktorkern werden die, beim radioaktiven Zerfall freiwerdenden schnellen Neutronen beim Druckwasserreaktor von dem Moderator Wasser abgebremst und die Anzahl der Neutronen, die weitere Zerfälle verursachen, durch die Regelstäbe gesteuert, so daß eine kontrollierte Kettenreaktion stattfindet.
Das Wasser im Druckbehälter nimmt die, bei der Kettenreaktion entstehende Wärme (300°C bei 150 bar) auf und gibt sie im Wärmetauscher an weiteres Wasser ab, welches hierbei zu Wasserdampf wird und somit die Wärmeenergie über eine Turbine in elektrische Energie im Generator umgewandelt werden kann. Der erzeugte Wasserdampf kondensiert im Kondensator und das entstehende Wasser kann wieder erhitzt werden.
Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor:
Bei der Kernspaltung entstehen auch stark radioaktive Spaltprodukte,
welche auch das umgebende Material bestrahlen und somit von all diesen
Stoffen die große Gefahr der Radioaktivität ausgeht. Aufwendige
Sicherheitsmaßnahmen sind demnach notwendig, um ein Austreten von
radioaktiver Strahlung in die Umwelt zu verhindern.
| Die Brennstoffhüllen sollen verhindern, daß Spaltprodukte
austreten. Der Druckbehälter muß einem Druck von mehr als 150 bar standhalten. Die Betonmauer schirmt das weitere Gebäude vor Strahlung ab. Der Sicherheitsbehälter aus Stahl, der noch zusätzlich von einer Blechhaut umgeben ist, schützt zusätzlich vor dem Austritt von Strahlung. Das Reaktorgebäude aus Stahlbeton bietet einen Schutz vor Gefahren von außen. Die Filter für Abwässer und Abluft sondern radioaktive Partikel aus. |
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Die in Kernkraftwerken anfallenden Spaltprodukte, sowie durch Bestrahlung selbst zu Strahlern gewordene Materialien müssen so entsorgt werden, daß sie nach Möglichkeit keine Gefahr mehr darstellen.
Möglichkeiten der Entsorgung:
| - | Lagerung im Wasserbecken des Reaktorgebäudes bis die Aktivität stark abgenommen hat |
| - | Transport der Brennelemente und anderer radioaktiver Stoffe in Spezialbehältern mit Kühl- rippen und druck- und feuerfesten und 0,5 m dicken Wänden |
| - | Zwischenlagerung oder Wiederaufbereitung der Brennelemente |
| - | Endlagerung in Salzstöcken |
Das Konzept der Wiederaufbereitung:
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Erstellt von Peter Hausladen, RS-Vöhringen (eMail: Peter.Hausladen@T-Online.de) |
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