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Radioaktivität - 3.Version - Referat
Radioaktivität
Inhalt
1. Grundlagen Seite 2
1.1. Was ist ein Atom? Seite 2
1.2. Geschichte Seite 3
1.3. Strahlungsarten Seite 3
2. Vorgang der Kernspaltung Seite 5
3. Künstliche Radioaktivität Seite 5
4. Isotope......................................................................................................................................... Seite 6
4.1. Einsatz radioaktiver Isotope............................................................................................ Seite 7
5. Gesundheitsgefährdung Seite 7
1.Allgemeine Grundlagen
1.1. WAS IST EIN ATOM?
In der antiken griechischen Philosophie benutzte man den Begriff „Atom“ für das kleinste Stück, in das man einen Körper zerlegen könnte. Nach der Vorstellung von Leukipp und insbesondere seinem Schüler Demokrit sollten diese Atome unteilbar sein. Erst gute 2 000 Jahre später griff John Dalton diese Theorie wieder auf und entwickelte sie weiter. Nach seiner Hypothese setzt sich Materie aus unteilbaren Atomen zusammen. Dabei sind alle Atome des entsprechenden Elements hinsichtlich ihrer Masse und ihrem chemischen Verhalten gleich. Atome können sich im Verhältnis einfacher, ganzer Zahlen zu Verbindungen zusammensetzen. Zersetzt man diese Verbindungen, so gehen die Atome unverändert aus dieser Reaktion hervor. Ein Atom ist eine kleine, elektrisch neutrale Einheit eines chemischen Elements, die für sich existieren kann. Stabile Atome lassen sich mit rein chemischen Mitteln nicht teilen. Dies gelingt nur mit Hilfe besonderer physikalischer Methoden, z. B. in einem Teilchenbeschleuniger. Dort lassen sich Atome in ihre Elementarteilchen aufspalten. Nichtstabile Atome, z. B. die von radioaktiven Elementen, zerfal-len spontan nach ganz bestimmten Gesetzmäßigkeiten. Die Atome setzen sich grob betrachtet aus einem Atomkern und der Atomhülle zusammen. Der Kern ist positiv geladen und besteht im Wesentlichen aus Protonen und Neutronen. Die Atomhülle enthält die negativ geladenen Elek-tronen und bestimmt im Wesentlichen die chemischen Eigenschaften des Atoms (z. B. das Ver-halten bei chemischen Reaktionen). Die verschiedenen Atomarten werden durch die Anzahl der Protonen im Atomkern gekennzeichnet. Diese Anzahl bezeichnet man als Ordnungs- oder Kernladungszahl.
1.2. GESCHICHTE
Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden mehrere Entdeckungen gemacht, die nahe legten, dass das Atom kein festes Stück Materie ist, das nicht weiter zerteilt werden kann. 1895 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Wilhelm Conrad Röntgen die von ihm so genannten X-Strahlen (die später ihm zu Ehren Röntgenstrahlen genannt wurden), die verschiedene Stoffe durchdrin-gen und nur durch Blei abgeschirmt werden; dafür erhielt er 1901 den ersten Nobelpreis für Phy-sik. 1897 entdeckte der Physiker Joseph John Thomson das Elektron, ein Teilchen mit einer we-sentlich geringeren Masse als die Atome (Nobelpreis für Physik 1906). Und 1896 fand der fran-zösische Physiker Antoine Henri Becquerel heraus, dass bestimmte Substanzen, z. B. Uransalze, eine durchdringende Strahlung emittieren, deren Ursprung man sich nicht erklären konnte. Dies zufällige Entdeckung machte A.H. Becquerel, als er versehentlich einen uranhaltigen Stein über Nacht auf einer eingepackten Fotoplatte liegen liess und am nächsten morgen entdeckte, dass sich die Platte geschwärzt hatte obwohl sie verschlossen war. Die französischen Wissenschaftler Marie Curie und ihr Mann Pierre Curie trugen wesentlich zum Verständnis dieser „radioaktiven“ Substanzen bei. Alle drei wurden 1903 gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Nach den Forschungsergebnissen des britischen Physikers Ernest Rutherford (Nobelpreis für Chemie 1908) und seiner Zeitgenossen wußte man, dass Uran und andere schwere Elemente wie Thorium und Radium drei verschiedene Arten von Strahlung aussenden; sie wurden anfänglich Alpha- (), Beta- () und Gamma- () Strahlen genannt.
1.3. STRAHLUNGSARTEN
Rutherford erkannte, dass radioaktive Strahlung mindestens zwei Bestandteile enthalten muss: Alphateilchen, die nur wenige Hundertstel Millimeter in Aluminium eindringen, und Betateil-chen, die eine etwa hundertfach stärkere Durchdringungswirkung haben. Folgende Experi-mente, in denen radioaktive Strahlung elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt wur-de, legten eine dritte Strahlungsart offen, die Gammastrahlung; diese erwies sich im Vergleich zur Betastrahlung als erheblich durchdringender. In einem elektrischen Feld wird die Bahn ei-nes Betateilchens stark in Richtung des positiv geladenen Pols abgelenkt, die Bahn eines Al-phateilchens wird weniger stark auf den negativen Pol hin abgelenkt, während Gammastrahlen überhaupt keine Ablenkung erfahren. Daraus läßt sich ableiten, dass Betateilchen negativ gela-den sind, Alphateilchen sind positiv geladen und im Verhältnis zur Ladung schwerer als Beta-teilchen, Gammastrahlen tragen keine Ladung. Trifft Strahlung auf Widerstand, wird sie ge-schwächt, die Teilchen werden gebremst und von den Atomen, auf die sie treffen, aufgenom-men. Die Energie der Strahlung wird dabei auf das Material übertragen, handelt es sich zum Beispiel um Blei oder Wasser, wird dies ein wenig wärmer, ist es die Haut oder die Lunge eines Menschen, werden dadurch Zellen beschädigt.
-Strahlung :
Beim Zerfall von Radium entsteht Radon – diese Entdeckung war der schlüssige Beweis, dass mit dem radioaktiven Zerfall eine Veränderung der chemischen Natur des zerfallenden Ele-ments einhergeht. Versuche zur Ablenkung von Alphateilchen in einem elektrischen Feld zeig-ten, dass deren Verhältnis der elektrischen Ladung zur Masse ziemlich genau der Hälfte des Verhältnisses beim Wasserstoffion entspricht. Physiker nahmen an, dass es sich bei diesen Teil-chen um doppelt positiv geladene Heliumionen (Heliumatome, denen zwei Elektronen fehlen) handeln könnte. Die Masse eines Heliumions beträgt relativ exakt das Vierfache der Masse ei-nes Wasserstoffions, was das Verhältnis der Ladungen zu den Massen erklärt. Diese Annahme erwies sich als zutreffend, als Rutherford einen radioaktiven Alphastrahler unmittelbar neben ein luftleer gepumptes Gefäß aus sehr dünnem Glas stellte. Die Alphateilchen konnten die Ge-fäßwand von außen her durchdringen und blieben in dessen Innerem gefangen. Nach einigen Tagen zündete Rutherford in diesem Gefäß eine Gasentladung und konnte mittels spektrosko-pischer Messungen die Existenz elementaren Heliumgases zweifelsfrei nachweisen. -Strahlung hat eine Reichweite von nur wenigen Zentimetern und wird bereits durch dünne Schichten, wie etwa durch ein Blatt Papier, vollständig abgeschirmt. Bei Bestrahlung von außen tritt keine Gefährdung auf, gefährlich jedoch kann die Aufnahme von Radionukliden durch die Nahrung oder Luft werden.
-Strahlung:
Auch bei der -Strahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung, welche aus schnellfliegenden Elektronen besteht. Mit einer Reichweite von maximal einem Meter kann auch sie einfach abge-schirmt werden, allerdings ist hierbei schon ein Material mit einer Dicke von einigen Zentimetern vonnöten. Bei Bestrahlung von außen tritt eine Gefährdung von außen auf, eventuell kommt es zu Hautrötungen und / oder Hautverbrennungen bei höheren Dosen, so müssen die Augen bei entsprechenden Bestrahlungsintensität geschützt werden. Diese Strahlung stellt also für die von außen kommende externe Bestrahlung auch kein Problem dar. Aber auch -aktive Radonuklide sind bei der Aufnahme durch Nahrung oder Luft gefährlich, zum Beispiel lagert sich Strontium-90 in den Knochen ab.
-Strahlung:
Die höchste Reichweite hat die -Strahlung. Wie weit genau diese Strahlung reicht ist nicht be-kannt.
Ihre Durchdringbarkeit ist nochmals höher, als die der -Strahlung. Man benötigt schon starke Betonwände, um die -Strahlung wirkungsvoll einzudämmen.
Für die -Strahlung lässt sich keinerlei Zerfallsgleichung aufstellen. Zu begründen ist dies damit, dass es sich hierbei nicht um eine Teilchenstrahlung, wie bei der - und -Strahlung handelt. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine elektromagnetische Wellenstrahlung. Das heißt, dass so gesehen auch nicht von einem „-Zerfall“ gesprochen werden kann.
Es gibt zwei verschiedene Ansichten, woraus die -Strahlung besteht.
Eine davon stellt diese Strahlung als „Welle“ dar. Die andere zeigt, dass die -Strahlung aus soge-nannten Photonen (= Lichtquant) besteht. Diese Photonen haben eine Ruhemaße von 0 und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.
Das bedeutet, dass sich auch die -Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, beziehungsweise verbreitet.
Die -Strahlung lässt sich nicht magnetisch ablenken. Dies liegt daran, dass ein Photon keine elektrische Ladung besitzt.
Auch in der zweiten Ansichtsweise der -Strahlung (Wellenform) ist keine elektrische Ladung vorhanden. Auch dies bedeutet, dass eine magnetische Ablenkbarkeit nicht vorhanden ist. -Strahlen verlieren ihre Energie beim Durchdringen von Materie, beziehungsweise durch Zusam-menstöße mit Elektronen oder ganzen Atomkernen
Diese Strahlungsart besitzt eine Reichweite von vielen Kilometern und besteht aus elektroma-gnetischen Wellen, durchdringt alle Substanzen wie auch den menschlichen Körper und kann nur von Beton abgeschirmt werden. Darum sind bei entsprechender Strahlungsintensität Schutzmaß-nahmen notwendig. Die Strahlenbelastung wird durch Abstand halten, Beschränkung der Auf-enthaltsdauer und durch die Verwendung von Absorben in Grenzen gehalten.
2. Vorgang der Kernspaltung
Unter Kernspaltung versteht man die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwe-re Kerne und zwei oder drei Neutronen. Zur Kernspaltung ist die Zufuhr einer gewissen Energie, der Aktivierungsenergie, erforderlich, die für die einzelnen Kernarten verschieden groß ist. Sie kann durch Beschuß mit Neutronen, Protonen, Deuteronen, -Teilchen oder Gammaquanten zugeführt werden. Als besonders geeignet haben sich Neutronen erwiesen, weil sie durch die Coulombschen Kräfte des Atomkernes nicht abgestoßen werden und deshalb leichter in den Kern eindringen können, als Geschosse mit positiver Ladung.
Betrachten wir den Kern 235 U als einen kugelförmigen Tropfen, so ist es diejenige Gestalt, die die kleinstmögliche Oberflächenenergie hat. Um ihn in die Länge zu ziehen oder gar in zwei Hälften zu teilen, muß Arbeit aufgewandt werden, weil dies auf eine Vergrößerung seiner Oberfläche hinausläuft. Ein in den Kern eindringendes Neutron bringt nun so viel Energie mit, daß sich die-ser verformt und wie eine elastische Masse Deformationsschwingungen ausführt. Dabei nimmt der Zwischenkern 236 U vorübergehend eine hantelförmige Gestalt an. Weil aber der Kern als Ganzes positiv geladen ist, entstehen dadurch zwei getrennte Ladungsschwerpunkte, die sich wegen ihrer gleichnamigen Ladung gegenseitig abstoßen. Der Kern schnürt sich ein, zerreißt in zwei Teile, und die z.B. neugebildeten Ba-143- und Kr-90-Kerne fliegen unter Abgabe von drei Neutronen auseinander.
Ein Kern zerfällt bei einer Spaltung im allgemeinen nicht in zwei gleich schwere, sondern in zwei verschieden schwere Spaltfragmente, die meist radioaktiv sind; sie besitze einen erheblichen Neutronenüberschuss, den die durch mehrfachen -Zerfall abgeben.
3. Künstliche Radioaktivität
Alle in der Natur vorkommenden Elemente oberhalb vom Wismut im chemischen Periodensy-stem haben nur radioaktive Isotope. Darüber hinaus gibt es natürlich radioaktive Isotope der Elemente Wismut, Thallium, Vanadium, Indium, Neodym, Gadolinium, Hafnium, Platin, Blei, Rhenium, Lutetium, Rubidium, Kalium, Wasserstoff, Kohlenstoff, Lanthan und Samarium. Rutherford führte 1919 die erste künstlich angeregte Kernreaktion herbei: Er nahm gewöhnli-chen gasförmigen Stickstoff 14 mit Alphateilchen unter Beschuss und stellte fest, dass die Stickstoffkerne Alphateilchen einfingen und sehr schnell Protonen ausstießen, wobei sich das stabile Sauerstoffisotop Sauerstoff 17 gebildet hatte. Diese Reaktion lässt sich symbolisch dar-stellen:
N + He O + H
Nach einer weltweit üblichen Konvention werden die chemische Ordnungszahl des Elements links unten und die Massenzahl des jeweiligen Isotops links oben an das internationale Ele-mentsymbol geschrieben. Das Alphateilchen wird in der obigen Notation als Heliumkern, das Proton als Wasserstoffkern identifiziert.
Bis 1933 konnte nicht gezeigt werden, dass bei derartigen Kernreaktionen auch neue Kerne ge-bildet werden können. In diesem Jahr aber gelang den französischen Chemikern Irène und Frédéric Joliot-Curie erstmals die Herstellung eines künstlich radioaktiven Stoffes, indem sie Aluminium heftigem Beschuss mit Alphateilchen aussetzten. Die Aluminiumkerne fingen Al-phateilchen ein, und unter Aussendung eines Neutrons entstand ein Phosphorisotop, das über Protonenemission mit kurzer Halbwertszeit zerfiel. Die Joliot-Curies erzeugten weiterhin ein Stickstoffisotop aus Bor und ein Aluminiumisotop aus Magnesium. Seit dieser Zeit wurden sehr viele Kernreaktionen entdeckt, und die Kerne aller Elemente des Periodensystems wurden mit den verschiedensten Teilchen bombardiert, wie z. B. Alphateilchen, Protonen, Neutronen und Deuteronen (Kerne des Deuteriums, also des Wasserstoffisotops mit Massenzahl zwei). Als Ergebnis dieser intensiven Forschung sind inzwischen über 400 verschiedene künstlich ra-dioaktive Substanzen bekannt. Dieser Forschung kam vor allem die Entwicklung der Teilchen-beschleuniger zugute, welche die Projektile auf große Geschwindigkeit bringen, so dass sie von den Targetkernen leichter eingefangen werden.
4. Isotope
Jedes chemischen Element hat einen bestimmten Platz im Periodensystem der Elemente. Dieser Platz entspricht seiner Ordnungzahl ( Kernladungszahl ). Alle Atomkerne eines Elementes haben die gleiche Ordnungszahl. Eisenkerne enthalten immer 26 Protonen. Die Neutronenzahlen kön-nen sich bei Kernen eines Elementes unterscheiden. So hat der Eisen 28, 30 oder 31 Neutronen ( Fe-54, Fe-56, Fe-57 ).
Atome gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl heißen Isotope. Isotop bedeutet \" gleicher Platz \". Also Isotope stehen an gleicher Stelle im Periodensystem und sind chemisch gleichwertig. Man kann Isotope mit chemischen Methoden nicht trennen. Das natürlich vor-kommende Isotopengemisch eines Elementes ist in seiner Zusammensetzung konstant ( z.B. : Chlor besteht immer zu 74,4% aus Cl-35 und zu 24,6% aus Cl-37. ) In einem Diagramm wird die Isotopenhäufigkeit der Elemente deutlicher
4.1 EINSATZ RADIOAKTIVER ISOTOPE
- Energiegewinn: „Kernspaltung“ – U235 Kerne werden gespalten, dabei wird Energie frei
- Medizin: Therapien und Diagnostik (z. B.: Jod in der Schilddrüse, Che-motherapie zur Krebsbehandlung…)
- Technik: Messen von Schichtdicken (z. B. von Pipelines) Überprüfen von Schweißnähten
- Wissenschaft + Forschung: Untersuchung biochemische Vorgänge (z. B.: Photosynthese, Nährstoffaufnahme bzw. Verteilung in Pflanzen und Tieren)
- LM-Bestrahlung: z. B.: Kartoffel, Zwiebel (gegen Austreiben), Obst (Erdbeeren, tropisches Obst) = in Österreich verboten!
- Altersbestimmung: von Fossilien (C14-Methode)
3. Gesundheitsgefährdung
Sehr starke Strahlung führt zu Strahlenschäden, diese Veränderungen bzw. Zerstörungen werden durch Strahlung in Körperzellen hervorgerufen. Die Folge sind Strahlenkrankheiten, die durch Zerstörung der blutbildenden Zellen zum Tod führen kann. Radioaktive Nuklide werden in Spei-cherorganen (im Körperwasser, Schilddrüse, Muskulatur, Knochen, Niere, Skelett, Leber …) oder auf den ganzen Körper verteilt abgelagert. Gleichzeitig zerfallen die Radionuklide im Körpe-rinneren und verursachen die Bestrahlung von innen. Radioaktive Strahlung ist zellschädigend, krebserregend (Leukämie, Lungenkrebs), schwächt das Immunsystem, verursacht Erbschäden (Mutationen), Tod- und Mißgeburten. Veränderungen in den Keimzellen sind nicht mehr rück-gängig zu machen – Noch heute tragen neugeborene Babys die grauenhaften Zeichen der Miß-bildungen an ihren Körpern, noch als Erinnerung an Tschernobyl.
Begriffserklärungen:
-Teilchenbeschleuniger: Anlagen zum Beschleunigen von geladenen Elementarteilchen oder Ionen auf hohe Geschwindigkeiten. Teilchenbeschleuniger zählen zu den größten und teuer-sten in der Physik verwendeten Vorrichtungen. Sie bestehen im Wesentlichen aus drei Teilen: einer Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen, einer weitgehend evakuierten röhrenförmigen Bahn, in der sich die Teilchen frei bewegen können, und einer Einheit zum Beschleunigen der Teilchen.
-Emission: Aussendung, Ausstrahlung
Quellen: \"Der grosse Knaur\" Knaur Verlag ; \"Chemie heute\" Schroedel Verlag
\"Brockhaus\" Brockhaus Verlag ; www.zum.de (Anschauungsmaterial)
www.physik.de ; www.strahlung.foru.de
www.kernphysik.com
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