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GRUNDLAGEN DER RADIOAKTIVITÄT
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Unter Radioaktivität versteht man den
selbständigen und nicht von außen beeinflussbaren Zerfall von Atomkernen unter
Aussendung von Strahlen. Es gibt zwei Arten von Radioaktivität:
- Natürliche Radioaktivität:
Umfasst die in der Natur
vorkommenden Radionuklide.
- Künstliche Radioaktivität:
Durch künstliche
Kernumwandlungen erzeugte Radionuklide.
Leitet man die
beim natürlichen radioaktiven Zerfall von Uran auftretende Strahlung durch ein
magnetisches Feld, so wird der Strahl in drei Komponenten (Alpha-, Beta-, Gammastrahl)
aufgespaltet. Es gibt mehrere Arten der Strahlung; die
wichtigsten davon sind:
a - Strahlung : Sie
besteht aus zweifach positiv geladenen Heliumkernen. Ihre Reichweite beträgt in der Luft
5-7 cm. Bei der Wechselwirkung mit anderen Atomen spalten sie von diesen Elektronen ab und
es entstehen positive Ionen. Abschirmung erfolgt z.B. schon durch ein Blatt Papier.
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b - Strahlung :
Besteht aus Elektronen, die bei der Umwandlung von Neutronen in Protonen und Elektronen
und weitere Elementarteilchen im Kern entstehen. Die Reichweite in der Luft beträgt
einige Meter. Die Strahlen sind energiereich und werden beim Durchgang
durch ein Magnetfeld im Vergleich zu a - Teilchen in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt. Die
Abschirmung erfolgt durch dünnes Aluminiumblech.
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g - Strahlung: Kurzwellige,
elektromagnetische Strahlung, die durch elektrische oder magnetische Felder nicht
abgelenkt wird. Sie entsteht, wenn ein Atomkern von einem angeregten in einen niedrigeren
Energie-Zustand übergeht. Abschirmung durch dicke Bleiplatten.
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Neutronenstrahlen: Es handelt sich um Neutronen, die aus
dem Atomkern emittiert werden. Sie können durch die Elektronenhülle in den Atomkern
eindringen und so das Element radioaktiv machen. Dabei wird der Kern zu einem Isotop (=
ein Atom, das sich nur durch die Zahl seiner Neutronen von einem Atom desselben Elements
unterscheidet); die Atommasse wird um eins erhöht.
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Die verschiedenen
Strahlungsarten haben auch verschiedene Quellen:
Eine der meistverwendeten Alphaquellen ist das Element Americium 241, weil es einerseits
außer der Alphastrahlung nur niederenergetische Photonen ausstrahlt und andererseits eine
lange Halbwertszeit von 432 Jahren besitzt. Dadurch bleibt die Aktivität in der
Verwendungszeit praktisch konstant.
Aufbau: Das Isotop wird auf eine metallische Unterlage aufgebracht und mit einer
dünnen Folie abgedeckt. Die Abdeckfolie muss dünn genug sein, um den Großteil der
Alpha- Strahlung austreten zu lassen, und muss gleichzeitig stark genug sein, um
mechanische, thermische und chemische Anforderungen zu erfüllen.
b - Quellen:
Bei
niederenergetischen Betaquellen (z.B. C 14) ist der Aufbau ähnlich wie bei
Alphastrahlern. Bei höher energetischen Betastrahlern sollen das aktive Material und die
Abdeckung dicker sein. Als Abdeckung können Aluminium, Kupferfolien oder
Berylliumscheiben verwendet werden.
g - Quellen:
Da die Gamma- Strahlen sich von der Materie nicht so leicht abschirmen lassen, muss das
Hüllenmaterial wesentlich stärker sein. Meist wird dafür Edelstahl verwendet. Quellen
sind zum Beispiel Cobalt 60 und Radium 226.
Neutronenquellen
: Freie Neutronen sind
keine stabilen Teilchen; sie zerfallen zu einem Proton und einem Elektron. In der Natur
entstehen Neutronen durch Spaltung von schweren Atomen (z.B. Uran). Das Prinzip der
künstlichen Neutronenquellen beruht darauf, dass Alpha- und Betastrahlen Neutronen aus leichten
Atomkernen (Beryllium) herausschießen können.
Ein weiterer wichtiger Begriff ist der des "Zerfallsprozesses".
Beim Zerfall gehen instabile Atomkerne in eine stabilere Struktur (d.h. einen tieferen
Energiezustand) eines anderen Kerns über. Dabei tritt ein Masseverlust auf, der in
Energie umgesetzt wird. Es wird Strahlung ausgesandt. Radioaktiv sind alle massereichen
Atome mit einer Kernladungszahl größer als 83 (Bismut). Dabei gibt es analog wieder
mehrere Arten des Zerfalls:
a -Zerfall: Beim Zerfall entstehen neue Atomkerne, die 2 Protonen
und 2 Neutronen weniger enthalten. Die positiven Heliumkerne, die dabei ausgesandt werden,
bezeichnet man als Alpha-Strahlen. Sie sind schwach magnetisch ablenkbar.
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b -Zerfall: Dabei
werden Elektronen aus dem Kern herausgeschleudert; diese Elektronen haben verschiedene
Energien und bilden die Beta- Strahlen. Der daraus entstehende Kern hat ein Proton mehr
als der ursprüngliche. Ein Neutron des Kernes hat sich in ein Proton und
ein Elektron umgewandelt. |
| g
-Zerfall: Dabei werden die Nukleonen (Protonen und Neutronen) des Kerns weder
umgewandelt noch emittiert; das bedeutet, dass vor und nach der Energieabgabe das
gleiche Element vorhanden ist. Der Kern strahlt nur Energie ab. |
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Neutronenzerfall: freie Neutronen sind instabil
und können in ein Proton, ein Elektron und einige andere Elementarteilchen zerfallen.
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Ein weithin bekannter aber nicht immer verstandener
Begriff ist der der "physikalischen Halbwertszeit". Halbwertszeit bedeutet: Der radioaktive Zerfall verläuft bei
verschiedenen Atomen unterschiedlich schnell. Ein Maß dafür ist T1/2;
das ist jene Zeit, nach der jeweils die Hälfte der radioaktiven Atome zerfallen ist. Die
Zerfallsprodukte sind meist selbst wieder radioaktiv. Diese "Tochternuklide"
zerfallen mit anderen Halbwertszeiten zu neuen Nukliden. |
Die Aktivität radioaktiver Stoffe wird in Becquerel angegeben (benannt nach dem französischen Physiker Henri Becquerel), das die mittlere Anzahl der Zerfälle eines
radioaktiven Stoffes in einer Sekunde angibt: 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde. Eine andere,
heute kaum noch gebrauchte Einheit ist das Curie.
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