Radioaktivität Prüfungsfrage

Radioaktivität

den$4$Oktober$2019 Dr.$Emőke Bódis

Prüfungsfrage

Radioaktivität.Zerfallsarten:+entstehende+Teilchen,+die+Änderung+der+Massenzahl,+

Ordnungszahl.+Natürliche+und+künstliche+Isotope.+Das+radioaktive+Zerfallsgesetz.+

Mittlere+Lebenszeit+der+Isotope,+Halbwertszeit,+Zerfallskonstante.+Absolute+Aktivität+

und+gemessene+Intensität.

Unter Radioaktivität (von)lat. radius,)Strahl))

oder radioaktivem Zerfall oder Kernzerfall versteht man)die) Eigenschaftinstabiler Atomkerne,)sich spontanunter

Energieabgabe umzuwandeln.)Die)freiwerdende Energie wird in)Form)energiereicher Teilchen(AlphaE oder BetaE Strahlung) und/oder EM)Strahlung (Gammastrahlung),) abgegeben.

http://www.chemie.de/lexikon/Radioaktivität.html

Szintigraphie

(Gammakamera0detektiert0gamma2Strahlung) ^PETPositron0Emission0Tomographie (Indirekt0Detektion0der0beta⁺2Strahlung)

! Onologie

! Kardiologie

! Neurologie

SPECT0Single0Photon0Emission0Computed Tomographie0(deutsch:0Einzelphotonen2 Emissionscomputertomographie)0

Erreichen(Stabilität:(Kernfusion, Kernspaltung

Alpha&Zerfall

• Diese Teilchen sind0also Heliumkerne.0

• Die0Reichweitein0Luft0beträgt0einige0(ca.04"6)0cm.

• α"Strahlung0wird0von0einem0Blatt0Papier0 vollständig0absorbiert.

• α"Strahlung0besitzt0bestimmte,0diskreteEnergien, von020MeV bis010,50MeV

• Die0Anfangsgeschwindigkeitder0austretenden0α"

Teilchen0liegt0zwischen015.0000km/s0und020.0000 km/s

Beta%Zerfall

Beim β^&&Zerfallgeht ein Neutron+des+Kerns in+ein Proton+

über.+Die+Ordnungszahl des+Kerns erhöht sich um 1.+Dadurch entsteht ein anderes+chemisches Element.

Beim β⁺&Zerfallgeht ein Proton+des+Kerns in+ein Neutron+

über.+Die+Ordnungszahl senkt sich um 1.+auch hier ändert das chemische Element.

• Die$Reichweitein$Luft$beträgt$bis$ca.$10m.

• β6Strahlung$wird$von$einer$4mm$dicken$Aluminiumschicht$vollständig$

absorbiert.

• β6Strahlung$besitzt$ein$kontinuierliches/Energiespektrum,$wobei$das$

Maximum$meist$im$Bereich$von$1$MeV liegt.$Es$gibt$jedoch$eine$

maximale$charakteristischeEnergie$bis$etwa$3$MeV.

• Die$Geschwindigkeitder$β6Teilchen$kann$zwischen$0$und$nahezu$

Lichtgeschwindigkeit$liegen.

Beta%Zerfall

Elektroneneinfang

Da#es#für#Elektronen#aus#der#Atomhülle#(insbesondere#aus#der#

der#K"Schale)#eine#gewisse#Aufenthaltswahrscheinlichkeit#im#

Kern#gibt,#kann#ein#solches#Elektron#mit#einem#Proton#aus#dem#

Kern#reagieren,#wodurch#ein#Neutron#entsteht.#Der#Kern#geht#

dadurch#in#einen#stabileren#Zustand#über.

Wie#beim#β+DZerfall vermindert#sich#die#Kernladungszahl#um#1,#

die#Massenzahl#bleibt#gleich.#Es#wird#ein#Elektronneutrino emittiert.

z.B.:

Gamma$Zerfall

Nach einem α*+ oder β*+Zerfall ist der*Kern*oft*in*einem angeregten Zustand,*

die abgebaut werden sollte.*Dieser Energieabbau erfolgt durch Aussenden elektromagnetischer Strahlung (gamma+Strahlung).

• γ"Strahlung,besitzt,die,größte'Reichweite'aller,Strahlungsarten,und,wird,in,Luft, kaum,abgeschwächt.,Erst,dickere,Bleiplatten,absorbieren,einen,großen,Anteil, der,Strahlung.

• γ"Strahlung,entsteht,mit,bestimmten,diskreten'Energien'in,der,Größenordnung, von,1,MeV (zwischen,0,01,MeV bis,10,MeV).

• Abgesehen,von,der,Art,der,Entstehung,ist,γ"Strahlung identisch,mit, hochenergetischer,Röntgenstrahlung.,

• Geschwindigkeit:,Lichtgeschwindigkeit,(3^.10⁸m/s)

Gamma$Zerfall

Isotope

Isotope'sind'Atomsorten'mit'gleicher'Ordnungszahl' (Kernladungszahl,'Protonenzahl),'aber'

unterschiedlicher'Massenzahl.'Isotope'stehen' eines'und'des'selben'Elements'im'Periodensystem' am'gleichen'Ort.'

Stablie Isotope

Stablie Isotope

5730'y 12.3'y

Radioaktive Isotope Radioaktive Isotope

Stablie Isotope

Stabile(und(radioaktive(Isotope

Bekannt(sind(heute(etwa(300(stabile(und(über(2 400(radioaktive(Isotope.

I)#Stabile(Isotope(zerfallen#nicht.#(¹³C,#¹⁸O...) II)#Radioaktive(Isotope(zerfallen:

1.)#Natürlich#radioaktive#Isotope#:#3H,#14C,#36Cl,#40K,#

alle#chemischen#Elemente#oberhalb#der#Ordnungszahl#Z#=#83#sind#von#Natur#

aus#radioaktiv:#₂₂₀Rn,#₂₃₅U,#₂₃₈U,#⁸⁴Po,#⁹⁴Pu)

2.)#Künstlich#radioaktive#Isotope#eines#Elements#entstehen#z. B.#beim#Beschuss#von#

stabilen#Isotopen#des#Elements#mit#Neutronen.

Stabiles#Isotop Instabiles#Isotop

Einsatzbereiche für Radionuklide in5der5Medizin:

I.)$Tracer in$der$Forschung:$Wirkstoffe oder Metabolite mit5radioaktiver Substanz zu markieren um deren Verbleib oder Abbau im Organismus nachweisen zu können.

12C ¹⁴C

II.)$Einsatz in$der$Diagnostik,$Bildgebung:$^Die5

Substanzen wandern in5bestimmte Organe oder Gewebe,5in5denen diese umgesetzt werden.5

Flutemetamol (¹⁸F)5PETPtracer Moleküle zur Dignose der5AlzheimerPKrankheit.5 Austausch

Beispiele: ³H[12.3 y],¹²⁵I[59.4 d],³²P[14.3 d],³⁵S[87.3 d],¹⁴C[5730 y]

Beispiele: ⁹⁹Tc[2.1 10⁵y],¹²³I [13.3 h]

Beispiele für Diagnostik: ⁶⁰Co[5.3 y],¹³⁷Cs^{[30.1 y],192}Ir^{[73.8 d],131}I

[8.0 d],¹²⁵I [59.4 d],²²⁶Ra[1600 y],³²P[14.3 d],¹⁰³Pd[17.0 d]

Beispiel:(Krebsdiagnostik

Tc5Isotop^99metaTc((kurz:99mTc⁾

Kernreaktionennach Beschuss von+Molybdän (Mo)+mit+Neutronen (n).+Durch ß<Zerfall entsteht^99mTechnetium,+

dann⁹⁹Technetium,+darausstabile Ruthenium<Isotop (Ru).

„Brustkrebs ist bei(Frauen die häufigste Krebserkrankung.(Für(das Jahr 2014(werden die Neuerkrankungen in(Deutschland bei(Frauen auf 75.200(und(bei(Männern auf 600(geschätzt.”(www.deutsche<apotheker<zeitung.de

99mTcgibt ein γ(Quant (Photon)1der1Energie143 keVab1(2,3110⁽¹⁴J).

6(St. 211(100(J.

66(St.

nicht)radioaktiv radioaktiv radioaktiv radioaktiv nicht)radioaktiv

• In(Praxis((Radioonkologie)(kann im Technetium5Generator eine^99mTc5 Lösung(hergestellt werden

• die dem Patienten injizieren

• sich in(Körper(über die organspezifischen Lymphbahnen ausbreitet

• Die(biologische HWZ(des⁹⁹Tc((nicht^99mTc !)(schwankt organabhängig von(0,5(bis 1,6(Tagen

III.)$Strahlentherapie(Onkologische Radiologie zu Therapiezwecken):$

Eine Strahlentherapie wird fast ausschließlich zur Behandlung maligner Neoplasien (Krebs)Aeingesetzt,AoftAinA Kombination mitAchirurgischen oder chemotherapeutischen Maßnahmen.

Beispiele: ⁶⁰Co[5.3 y],¹³⁷Cs[30.1 y],¹⁹²Ir[73.8 d],¹³¹I[8.0 d],¹²⁵I[59.4 d],²²⁶Ra[1600 y],³²P[14.3 d],¹⁰³Pd[17.0 d]

• gutE undAbösartigen Schilddrüsenerkrankungen mitA¹³¹I

• Schmerzbehandlung mitA²²³RabeiAKnochenmetastasen

• Behandlung vonALebermetastasen mitA⁹⁰Y

Jetzt kommt:

1. Zerfallsgesetz 2. Aktivität

3. Mittlere9Lebensdauer 4. Halbwertzeit

5. Durchdringungsvermögen

6. Trennung9radioaktiver9Strahlung

1.#Zerfallsgesetz

N0:$Zahl$der$zum$Zeitpunkt$t=0$vorhandenen$Atome$(noch$nicht$umgewandelt) N(t):$Zahl$der$zum$Zeitpunkt$t$vorhandenen$Atome$(noch$nicht$umgewandelt)

:$Zerfallkonstante(verschiedene$Isotope$unterscheiden$sich$ihre$Zerfallkonstante) Je#größer#lamba ist,#desto#schneller#zerfällt#das#Isotop.#

Exponentialfunktion

100%$$$50%$$$$25%$$$12,5%$$$6,25%$

N(t)$=$N₀ e^J!t

"N/ "t$=$J!N

2.#Aktivität,#A

Der$radioaktive Zerfall is$einzufallsartigesEreignis!

Die$Aktivität$(A)$einer$Strahlungsquelle$gibt$an,$wie$viele$Atomkerne$in$einer$

bestimmten$Zeit$zerfallen.

Formelzeichen:$A Einheit:$Becquerel(1$Bq)

Antoine2Henri4 Becquerel42Er war ein französischer Physiker und$Professor$für Physik in$Paris.

BECQUEREL$entdeckte 1896$die natürliche Radioaktivität.

1$Bq is$die Akitvität des$radioaktiven Präparates,$in$dem pro$Sekunde ein Atomkern zerfällt.

Die$Akitvität ist zu einem gegebenen Zeitpunkt proportional zur Zahl der$nicht zerfallenden Atomkerne:

A$=$!N

Akitvität verändert sich in$Zeit:$

A$=$A₀ e^W!t

3.#Mittlere#Lebensdauer,###

Die$Anzahl$der$radioaktive$Kerne$auf$den$e4ten Teil$des$Anfangswertes$

abfällt,$also$mit$der$Zeit$t,$in$der$N$auf$N0/e absinkt.

Zusammenhang zwischen Lebensdauer und$Zerfallskonstante:$

Zerfallsgesetz$auch$als:

Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und$Zerfallskonstante:$$

Zerfallsgesetz$auch$als:

4.#Halbwertzeit,#T

Uran ²³⁸U 4,5$Mrd.$Jahre

Plutonium ²³⁹Pu 24$Jahre

Radon ²²²Rn 3,8$Tage

Polonium ²¹²Po 0,3$µs

Einige&Beispiele

ln2$=$!T_1/2

N(t)$=$N₀ e$–t$ln2/T1/2

N(t)$=$N₀ e$^–t$/"

5.#Durchdringungsvermögen

Die$Dicke$eines$Stoffes,$durch$die$

Strahlung$um$50%$geschwächt$wird,$

nennt$man$Halbwertsdickedieses$

Stoffs.

6.#Trennung#radioaktiver#Strahlung

Alpha&Strahlung Beta&Strahlung Gamma&Strahlung Identität Heliumkerne Elektronen/Positronen Elektromagnetische7Strahlung

Geschwindigkeit ca. 10%7von7c ca. 90%7von7c c(3x10⁸m/s)

Ladung ++ H/+ keine

Ablenkbarkeit Nur7schwer7ablenkbar Leicht7ablenkbar Nicht7ablenkbar

Ionisationsvermögen Sehr7hoch Mittel Gering7

Reichweiche7im7Luft Einige7Zentimeter Einige7Dezimeter Mehrere7Meter

Abschirmung Papier Einige mm7dickes7Aluminium Blei

Spektrum linear linear

Zusammenfassung