Untersuchung der Strahlungsarten Zerfallsarten Zerfallsreihen Einteilung der natürlichen Radionuklide Natürliche und künstliche Radioaktivität Zerfallsgesetz (in)stabile Kerne & Radioaktivität Übersicht

Übersicht

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(in)stabile Kerne & Radioaktivität

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Zerfallsgesetz

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Natürliche und künstliche Radioaktivität

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Einteilung der natürlichen Radionuklide

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Zerfallsarten

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Untersuchung der Strahlungsarten

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Zerfallsreihen

(in)stabile Kerne & Radioaktivität

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Nuklide sind entweder stabil oder instabil

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Radioaktivität von lat. radius = Strahl, also Strahlungsaktivität

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Instabile Nuklide sind radioaktiv (Radionuklide)

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(In)Stabilität wird durch das Verhältnis zwischen

Neutronen und Protonen bestimmt

(in)stabile Kerne & Radioaktivität

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Radioaktivität bedeutet:

spontane Umwandlung instabiler Atomkerne unter Energieabgabe (also exotherm)

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Energieabgabe in Form von ionisierender Strahlung

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Ionisierende Strahlung:

Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die

aus Atomen und Molekülen Elektronen

entfernen können (α-, β-, γ-, n-Strahlung)

Zerfallsgesetz

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Betrachte Ensemble von N instabilen Kernen

dN

dt =− N  t =− A  t 

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Wahrscheinlichkeit das pro Zeiteinheit ein bestimmter Kern des Ensemble zerfällt, ist für alle Kerne der gleichen Sorte gleich groß

λ – Zerfallskonstante

A – Aktivität / Zerfallsrate (Kernzerfälle pro Sekunde)

Zerfallsgesetz

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Lösen der Differenzialgleichung liefert:

dN

N =− dt

ln  N  N

' =− t N  t = N

exp − t 

A  t = N

exp − t = A

exp − t 

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Für die Aktivität gilt dann:

SI-Einheit der Aktivität: Becquerel

1Bq entspricht ein Kernzerfall pro Sekunde

Zerfallsgesetz

t_1/2

N t_1/2= N ₀ 2

N ₀exp−t_1/2= N ₀ 2 t_1/2=ln 2



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Halbwertszeit

Die Zeit, nach der die Anzahl an Kerne auf die Hälfte ihres Anfangswertes gesunken ist

Demtröder „Eperimentalphysik 4 Kern-, Teilchen-, und Astrophysik“ Springer

Zerfallsgesetz

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Mittlere Lebensdauer

Die Zeit nach der die Anzahl der Kerne sich um den Faktor 1/e verringert hat



N = N ₀ e

N ₀exp− = N ₀ e

=1



Demtröder „Eperimentalphysik 4 Kern-, Teilchen-, und Astrophysik“ Springer

natürliche und künstliche Radioaktivität

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Künstliche Radioaktivität:

● Vom Menschen angestoßene Zerfallsprozess

● z.B. in Kernreaktoren, Kernwaffenexplosionen, für wissenschaftliche und medizinische Zwecke

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Natürliche Radioaktivität

● Bei der Entstehung des Universums wurden alle Nuklide erzeugt

● werden in sehr massereichen Sternen und durch Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre ständig gebildet

Einteilung der natürlichen Radionuklide

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Primordial (lat. „von erster Ordnung“)

schon bei der Entstehung der Erde vorhanden, aber noch nicht vollständig Zerfalle

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Kosmogen

entsteht kontinuierlich durch Wechselwirkungen hochenergetischer kosmischer Strahlung mit den Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre

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Radiogen

● entsteht als Zerfallsprodukt der ersten Gattung radioaktiver Nuklide

=> ungefähr insgesamt 75 Radionuklide

Natürliche und künstliche Radiaktivität

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Drei „Urnuklide“ mit genügend langer Halbwertszeit sind jetzt noch auf der Erde vorhanden:

232 Th, 235U, 238U

besitzen also Halbwertszeiten in der Größenordnung des

Alters der Erde

(Alter der Erde: 4,6 10^9 a)

Demtröder „Eperimentalphysik 4 Kern-, Teilchen-, und Astrophysik“ Springer

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„Folgenuklide“ sind ebenfalls radioaktiv =>„Zerfallsketten“

Zerfallsreihen

http://j-grzesina.de/radioakt/zerfall/uaz.htm

Zerfallsarten

Zerfallsarten lassen sich in drei Kategorien einteilen:

● Zerfälle unter Aussendung von Nukleonen

also Aussendung von Protonen, Neutronen und leichten Kernen

Bsp.: Alpha-Zerfall (Helium-Kern) 238

92 U  234

90 Th4

2 He

Zerfallsarten

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Beta-Zerfälle

Beim Zerfall sind Elektronen oder Positronen (Antiteilchen des Elektron) beteiligt

Bsp.: Beta-Minus-Zerfall (Elektronen) 14

6 C 14

7 N e _e

ν - Anti-Elektronneutrino

Zerfallsarten

● Übergänge zwischen Zuständen eines Kerns Es wird keine Materieteilchen abgestrahlt,

somit findet keine Kernumwandlung statt

Kerne geben überschüssige Energie in Form von

hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung ab

→ Gammastrahlung 60

27 N i^a60

27 N i

Untersuchung der Strahlungsarten

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Qualitative Untersuchung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung auf:

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Reichweite

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Eindringtiefe

Untersuchung der Strahlungsarten

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Ergebnisse:

● Alpha-Strahlung:

Geringe Reichweite, ca. 10 cm Papier reicht zur Abschirmung

● Beta-Strahlung:

Einige Meter

Einige mm-dickes Aluminiumblech reicht zur Abschirmung

● Gamma-Strahlung

Theoretisch unendlich, Intensität nimmt quadratisch ab

Abschirmung nicht möglich, nur Abschwächung (hängt vom Material ab, gute Absorber: Elemente mit hoher Ordnungszahl → Blei

Benutzte Quellen

● Demtröder, „Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik“, Springer Verlag

● L. Herforth und H. Koch, „Praktikum der Radioaktivität und Radiochemie“, Johann Abrosius Barth Verlag

● Werner Stolz, „Radioaktivität Grundlagen, Messungen, Anwendungen“, Carl Hanser Verlag

● http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivit

● http://de.wikipedia.org/wiki/Ionisierende_Strahlung