3) Natürliche und künstliche Radioaktivität (1) 3) Natürliche und ...
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3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (1)<br />
Natürliche Radioaktivität<br />
Kosmische Strahlung<br />
Terrestrische Strahlung<br />
- Protonen (93 %)<br />
- Alpha-Teilchen (6.3 %)<br />
- schwerere Kerne (0.7 %)<br />
- Ohne Zerfallsreihen<br />
- 20 radioaktive Nuklide,<br />
die primordial auf der<br />
Erde vorkommen<br />
- lange Halbwertszeiten<br />
- wichtigstes Isotop:<br />
40<br />
K<br />
- ständige Bildung radioaktiver<br />
Kerne aus Zerfallsreihen<br />
- 232 Th → 208 Pb<br />
- 235 U → 207 Pb<br />
- 238 U → 206 Pb<br />
- 4. Zerfallsreihe:<br />
241<br />
Pu → 209 Bi<br />
zwischenzeitlich „ausgestorben“<br />
<strong>und</strong> durch künstl.<br />
Pu-Produktion „wiederbelebt“<br />
31<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (2)<br />
- Protonen (93 %)<br />
- Alpha-Teilchen (6.3 %)<br />
- schwerere Nuklide (0.7 %)<br />
Natürliche Radioaktivität<br />
Kosmische Strahlung<br />
- Die Energie der Protonen<br />
kann bis zu 10 14 MeV sein<br />
- Initialisierung von Kernreaktionen<br />
- Hauptprodukte:<br />
Tritium, 7 Beryllium,<br />
14<br />
Kohlenstoff, 22 Natrium<br />
14 C:<br />
Bildung<br />
Zerfall<br />
14 1 14 1<br />
7<br />
N +<br />
0n→<br />
6<br />
C+<br />
1p<br />
C→<br />
14 14<br />
6 7 −<br />
0<br />
N +<br />
1e<br />
T 1/2 = 5730 a<br />
3 H:<br />
Bildung<br />
Zerfall<br />
14 1 3 12<br />
7<br />
N +<br />
0n→1H<br />
+<br />
6C<br />
16 1 3 14<br />
N + n→<br />
H N<br />
7 0 1<br />
+<br />
7<br />
3 0<br />
H →<br />
2<br />
He+<br />
1e<br />
T 1/2 =: 12.323 a<br />
3<br />
1 −<br />
32
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (3)<br />
Natürliche Radioaktivität<br />
Terrestrische Strahlung<br />
Radioaktive Nuklide ohne Zerfallsreihen<br />
- 20 radioaktive Nuklide<br />
- aus primordialen Quellen<br />
- sehr lange Halbwertszeiten<br />
- wichtigster Vertreter: 40 K (T 1/2<br />
=<br />
1.28 x 10 9 y)<br />
- Andere Beispiele:<br />
Nuklid T 1/2 Zerfall Natürliche<br />
Häufigkeit<br />
187 Re 5 x 10 10 y ß - 62.60<br />
115 In 4.4 x 10 14 y ß - 95,7<br />
123 Te 1.24 x 10 13 y K 0.908<br />
87 Rb 4.8 x 10 10 y ß - 27.8<br />
113 Cd 9.3 x 10 15 y ß - 12.2<br />
33<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (4)<br />
Natürliche Radioaktivität<br />
Terrestrische Strahlung<br />
Radioaktive Zerfallsreihen<br />
- Serien radioaktiver Zerfälle, die alle von einem bestimmten (radioaktiven) Nuklid<br />
ausgehen <strong>und</strong> bei einem bestimmten stabilen Nuklid (Blei oder Bismut) enden<br />
- Zerfallsreihen schließen α-, ß- <strong>und</strong> γ-Zerfälle ein<br />
- trotz des Auftretens von Verzweigungen enden sie immer bei einem definierten<br />
Nuklid<br />
- Es existieren 4 Zerfallsreihen:<br />
232<br />
Th → 208 Pb(Thorium-Reihe)<br />
235<br />
U → 207 Pb(Actinium-Reihe)<br />
238<br />
U → 206 Pb(Uranium-Reihe)<br />
241<br />
Pu → 209 Bi (Neptunium-Reihe)<br />
- Die Pu/Bi-Reihe war zwischenzeitlich durch die relativ kurze Halbwertszeit von<br />
237<br />
Np ausgestorben, existiert aber seit dem Betrieb von Kernreaktoren wieder<br />
34
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (5)<br />
Natürliche Radioaktivität<br />
Terrestrische Strahlung<br />
Zerfallsreihen<br />
232<br />
Th → 208 Pb<br />
235<br />
U → 207 Pb<br />
238<br />
U → 206 Pb<br />
241<br />
Pu → 209 Bi<br />
Kritisches Element:<br />
Thorium-Reihe<br />
Actinium-Reihe<br />
- Radon<br />
-Edelgas<br />
- kann das Kompartment<br />
verlassen<br />
Uranium-Reihe<br />
Neptunium-Reihe<br />
35<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (6)<br />
Einige Glieder der Uranium-Reihe sind für<br />
ein instruktives Praktikumsexperiment gut<br />
geeignet:<br />
- 238 U (99.27% natürl. Häufigkeit) zerfällt in 234 Th<br />
(Halbwertszeit: 4.4 x 10 9 y, α-Zerfall)<br />
- 234 Th zerfällt unter Bildung von 234 Pa<br />
(Halbwertszeit 24.1 d, ß-Zerfall)<br />
- Dieser Zerfall verläuft über einen Zwischenzustand<br />
mit einer definierten Halbwertszeit (das metastabile<br />
Kernisomer 234m Pa , einen γ -Emitter)<br />
-Dieser γ -Strahler lässt sich sehr gut in einem<br />
Laborversuch messen<br />
234m<br />
91 Pa<br />
kurze Halbwertszeit<br />
γ<br />
Uranium-Reihe<br />
Neptunium-Reihe<br />
-<br />
α<br />
234<br />
β -<br />
238<br />
234 β 234 α 230<br />
92U 4.47 10<br />
90 Th<br />
91 Pa<br />
90 Th<br />
9 a 24.1 d<br />
92<br />
6.7 h<br />
U 2.44 10 5 a<br />
α<br />
7.7 10 4 a<br />
36
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (7)<br />
Zerfallsreihen<br />
232<br />
Th → 208 Pb<br />
235<br />
U → 207 Pb<br />
238<br />
U → 206 Pb<br />
241<br />
Pu → 209 Bi<br />
Kritisches Element:<br />
Thorium-Reihe<br />
Actinium-Reihe<br />
- Radon<br />
-Edelgas<br />
- kann das Kompartment<br />
verlassen<br />
Uranium-Reihe<br />
Neptunium-Reihe<br />
37<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (8)<br />
Natürliche Radioaktivität<br />
Terrestrische Strahlung<br />
Radon als eine der Hauptquellen natürlicher Radioaktivität<br />
Tochterisotope<br />
in den<br />
Wänden<br />
Radon ist ein mobiles Radioelement<br />
- Bildung durch Zerfallsreihen:<br />
228<br />
Rn, 224 Rn, 220 Rn durch Thorium-Reihe<br />
226<br />
Rn, 222 Rn durch Uranium-Reihe<br />
219<br />
Rn durch Actinium-Reihe<br />
Tochterisotope<br />
in der<br />
Luft<br />
Tochterisotope<br />
im Boden<br />
38
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (9)<br />
Radon-Verteilung als Hauptquelle natürlicher Radioaktivität<br />
39<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (10)<br />
Durchschnittliche Strahlenbelastung von Personen in Industrieländern<br />
Durchschnittliche jährliche Strahlenbelastung Strahlenexposition: pro Jahr: 3,2 mSv 3.2 mSv<br />
42%<br />
Röntgenstrahlung<br />
9% kosmische<br />
Strahlung<br />
7% körperinnere<br />
Strahlung<br />
13% terristische<br />
Strahlung<br />
29% Rn-222 im<br />
Mauerwerk<br />
40
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (11)<br />
Künstliche Kernreaktionen<br />
- Erste künstliche Kernreaktion 1919<br />
- Beschuss von Stickstoff mit α-Teilchen<br />
- Umwandlung von Stickstoff in Sauerstoff<br />
4 17<br />
7<br />
N +<br />
2He→<br />
8O+<br />
14<br />
7<br />
N(α,<br />
p)<br />
14<br />
17<br />
8<br />
O<br />
1<br />
1<br />
H<br />
- Andere Teilchen sind ebenfalls als Projektile<br />
denkbar (Neutronen, Protonen, Deuteronen etc.)<br />
41<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (12)<br />
Künstliche Kernreaktionen<br />
Anlagen für künstliche Kernreaktionen :<br />
Cyclotron<br />
Elektroden<br />
Linearbeschleuniger<br />
Quelle<br />
Ionenquelle<br />
Target<br />
Abstand<br />
Target<br />
42
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (13)<br />
Künstliche Kernreaktionen<br />
Neutronen als Projektile:<br />
- Neutrale Teilchen (keine Abstoßung mit<br />
dem positiv geladenen Atomkern)<br />
- wichtige Projektile<br />
Woher kommen die Neutronen:<br />
Kernreaktor:<br />
- Neutronen müssen<br />
abgebremst (moderiert)<br />
werden<br />
- Moderatoren: Wasser,<br />
Wasserstoff, Deuterium<br />
Neutronenquelle<br />
9 4 12 143<br />
4<br />
Be+<br />
2He→<br />
6<br />
C+<br />
0<br />
n<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (14)<br />
Künstliche Kernreaktionen<br />
Neutronen als Projektile:<br />
- Neutrale Teilchen (keine Abstoßung mit<br />
dem positiv geladenen Atomkern)<br />
- wichtige Projektile<br />
- langsame (moderierte, thermische)<br />
Neutronen reagieren mit vielen<br />
Atomkernen<br />
- Neutroneneinfangreaktionen<br />
- radioaktive Isotope nahezu aller<br />
Elemente können auf diesem Weg<br />
hergestellt werden<br />
44
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (15)<br />
Künstliche Elemente<br />
Das schwerste stabile Element ist Bismut<br />
„Löcher“ im Periodensystem: Technetium, Promethium<br />
45<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (16)<br />
Künstliche Elemente<br />
2 97 1<br />
Mo+ H → Tc n (Molybdän → Technetium)<br />
96<br />
42 1 43<br />
+<br />
0<br />
4 211 1<br />
Bi+ He→<br />
At + n (Bismut → Astat)<br />
209<br />
83 2 85<br />
20<br />
1 223 4<br />
Th+ H → Fr + He (Thorium → Francium)<br />
230<br />
90 1 87<br />
22<br />
Transuranium-Elemente<br />
238<br />
92<br />
U + 0<br />
n →<br />
239<br />
92<br />
U + γ (Uran → Uran)<br />
239<br />
U<br />
0 − 1<br />
239<br />
92 → Np<br />
93 + e (Uran → Neptunium)<br />
Np<br />
0 − 1<br />
239<br />
239<br />
93 → Pu<br />
94 + e (Neptunium → Plutonium)<br />
238<br />
92<br />
U + 6<br />
C → Cf<br />
1 0 (Uran → Californium)<br />
244<br />
98 + 6 n<br />
249<br />
98<br />
Cf + 18 263<br />
8<br />
O → 106<br />
Sg + 4 1 0<br />
n (Uran → Seaborgium)<br />
46
Bindungsenergie pro Nukleon / MeV<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (17)<br />
Beispiele für künstliche Kernreaktionen<br />
Reaktionstyp<br />
(α,n)<br />
(α,p)<br />
(p,n)<br />
(p,γ)<br />
(p,α)<br />
(d,p)<br />
(d,n)<br />
(n,γ)<br />
(n,p)<br />
(n,α)<br />
Kernreaktion<br />
As<br />
1 0<br />
33<br />
+ He<br />
75 4<br />
78<br />
2<br />
→ Br<br />
25<br />
+ n<br />
Arsen Brom<br />
Pd<br />
1 1<br />
46<br />
+<br />
2<br />
He<br />
106<br />
4<br />
109<br />
→ Ag<br />
47<br />
+ H<br />
Palladium Silber<br />
Li<br />
1 1<br />
7<br />
→<br />
4<br />
Be<br />
1 0<br />
3<br />
+ H + n<br />
7<br />
Lithium Beryllium<br />
N<br />
1 1<br />
→ 8<br />
O + γ<br />
7<br />
+ H<br />
14<br />
Stickstoff Sauerstoff<br />
Be<br />
1 1<br />
6<br />
→<br />
3<br />
Li<br />
4<br />
+ H +<br />
2<br />
He<br />
9<br />
4<br />
Beryllium Lithium<br />
P<br />
2 1<br />
32<br />
→<br />
15<br />
P<br />
1 1<br />
15<br />
+ H + H<br />
31<br />
Phosphor Phosphor<br />
Bi<br />
2 1<br />
→ Po<br />
1 0<br />
83<br />
+ H<br />
209<br />
210<br />
84<br />
+ n<br />
Bismut Polonium<br />
59<br />
27<br />
Co + 1 0<br />
60<br />
→<br />
27<br />
Co + γ<br />
n<br />
Cobalt Cobalt<br />
45<br />
21<br />
Sc + 1 0<br />
45<br />
→<br />
20<br />
Ca + 1 1<br />
n<br />
H<br />
Scandium Calcium<br />
Al<br />
1 0<br />
24<br />
→<br />
11<br />
Na<br />
13<br />
+ n +<br />
2<br />
He<br />
27<br />
4<br />
Aluminium Natrium<br />
Radioaktivität des Produkts<br />
β +<br />
stabil<br />
Elektroneneinfang<br />
β +<br />
stabil<br />
β -<br />
α<br />
β -<br />
β -<br />
β -<br />
47<br />
3) Natürliche <strong>und</strong> künstliche Radioaktivität (18)<br />
Kernspaltung<br />
Kernbindungsenergie pro Nukleon<br />
Kernbindungsenergie<br />
- Die Summe der Massen der Nukleonen ist größer<br />
als die Masse des Atomkerns<br />
- Differenz: Kernbindungsenergie<br />
- Energie kann durch die Fusion leichter Elemente<br />
oder die Spaltung schwerer Kerne „gewonnen“<br />
werden<br />
Massenzahl<br />
48
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