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Radioaktivität - für mündliche Prüfungen - Referat
Radioaktivität
1.Allgemein
1.1 Endeckung
1.2 Aufbau eines Atoms (Kern-Hülle Modell)
1.3 Eigenschaften radioaktiver Stoffe
1.4 Strahlungsarten
1.5 Messgeräte
1.6 Größen (Aktivität)
2. Radioaktivität in der Medizin
2.1 Wirkungen von Strahlungen
2.2 Strahlendosis
2.3 Behandlungsmethoden
2.4 Risiken
2.5 Strahlenschutz
1. Allgemein
Radioaktivität ist eine spontane Umwandlung von Atomkernen bei denen entweder Alpha-, Beta-, Gammateilchen ausgesendet werden.
1.1 Entdeckung
Radioaktivität wurde von Antoine Henri Becquerel (1852 – 1908), durch Zufall an dem Element Uran entdeckt. Das Uran hatte auf einer Photoplatte ein ringähnliches schwarzes Muster hinterlassen. Daraus schloss er, dass eine bislang unbekannte Strahlung von dem Uran ausgehe.
1898 entdeckte Marie Curie (1867 – 1934) zusammen mit ihrem Mann Pierre bei Versuchen mit Pechblende die radioaktiven Elemente Radium und Polonium. Sie prägte den Begriff Radioaktivität. 1903 erhielten Marie Curie, Pierre Curie und Henri Becquerel den Nobelpreis für Physik. Sie starb später an Leukämie, einer durch radioaktive Strahlung hervorgerufene Krebserkrankung des Blutes.
Ernest Rutherford (1871 – 1937) fand bei Experimenten heraus, dass es Alpha und Betastrahlung gibt. Dafür erhielt er 1908 den Nobelpreis für Chemie. Die rutherfordschen Streuversuche (ca. 1910) führten zum damals neuen Kern-Hülle-Modell. Dabei wurden Alphateilchen auf dünne Goldfolien geschossen. Die Ergebnisse ließen Rutherford annehmen, dass Atome zum größten Teil aus leerem Raum bestehen und einen kleinen Kern haben.
1.2 Kern-Hülle-Modell
Das von Ernest Rutherford entwickelte Kern-Hülle-Modell besagt, dass Atome aus einem positiv geladenen Kern, leerem Raum und Elektronen bestehen. Die Elektronen fliegen auf Kreisbahnen um den Kern herum. Der Kern ist sehr klein im Vergleich zum gesamten Atom.
Der Kern enthält fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen haben auch Masse, sind aber wesentlich kleiner und leichter als der Kern. Der Kern besteht aus den so genannten Nukleonen (Kernteilchen), den Protonen und den Neutronen. Neutronen sind elektrisch neutral und Protonen einfach positiv geladen. Beide haben in etwa dieselbe Masse (1,67 • 10−27 kg) Weil jedes Atom genauso viele Elektronen wie Protonen enthält, enthält es gleich viele positive wie negative Ladungen und ist nach außen elektrisch neutral.
Atomkerne unterscheiden sich dadurch, dass sie verschieden viele Protonen und Neutronen enthalten. Jede Kernart (Nuklid) hat eine Nukleonenzahl (A) und eine Kernladungzahl ( Z ).
Die Nukleonenzahl gibt an wie viele Nukleonen der Kern enthält, die Kernladungszahl wie die Anzahl der Protonen.
Die Kernladungszahl legt fest zu welchem Element ein Nuklid gehört. Nuklide desselben Elementes können verschiedene Nukleonenzahlen haben, bzw. unterschiedlich viele Neutronen enthalten. Man nennt sie Isotope.
Die Eigenschaften der Kernarten sind in der Nuklidkarte zusammengefasst.
Schreibweise:
Diese Schreibweise ist recht umständlich und kann vereinfacht werden. Die vereinfachte Schreibweise enthält nur das Elementsymbol und die Nukleonenzahl, z.B. U-235.
Dies ist möglich, da alle Nuklide desselben Elementes dieselbe Kernladungszahl haben, z.B. 92 für Uran.
1.3 Eigenschaften radioaktiver Stoffe
Alpha- und Betazerfall findet spontan, d.h ohne äußeren Einfluss, statt.
Der Mensch hat kein Sinnesorgan für Radioaktivität, deshalb braucht man Messgeräte, um sie zu messen. Radioaktive Strahlung besteht aus einzelnen Teilchen. Radioaktive Kerne zerfallen zufällig.
1.4 Strahlungsarten
Man unterscheidet Alpha- Beta- und Gammastrahlung. Diese drei Strahlungsarten bestehen aus unterschiedlichen Teilchen und haben verschiedene Eigenschaften.
Alphateilchen sind positiv geladene Heliumkerne. Sie sind 2-fach positivgeladen und sehr schnell (d.h. sie haben eine hohe Bewegungsenergie). Alphateilchen kann man daran erkennen, dass sie dickeres Papier nicht durchdringen können.
Betateilchen sind schnelle Elektronen. Sie entstehen, wenn im Kern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umgewandelt wird. Sie durchdringen Papier, werden aber von 5 mm dickem Aluminiumblech absorbiert.
Gammateilchen sind Photonen mit sehr hoher Energie. Sie durchdringen selbst dickere Bleischichten. Das macht sie sehr gefährlich und den Strahlenschutz sehr schwierig.
1.5 Messgeräte
Um radioaktive Strahlung nachzuweisen und zu untersuchen benutzt man unter Anderem das Geiger-Müller-Zählrohr und die Nebelkammer.
Von außen betrachtet ist ein Geiger-Müller-Zählrohr ein Metallrohr mit einem Glimmerfenster und einem Stromanschluss. Wenn radioaktive Strahlung durch das Glimmerfenster in das Innere des Geiger-Müller-Zählrohres gelangt, kommt es zu einem Spannungsabfall, der ein Zählwerk stellen kann.
Auf diese Weise kann man mithilfe eines Geiger-Müller-Zählrohres radioaktive Strahlung nachweisen und zählen.
Eine Nebelkammer besteht aus einem luftdichten, durchsichtigen Glasgehäuse, dessen Boden mit einer angefeuchteten Schaumgummischicht bedeckt ist. Das führt dazu, dass die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist. Unter dem Glasgehäuse befindet sich ein Gummiball. Wird dieser Ball erst langsam zusammengedrückt und dann ruckartig losgelassen, so wird die Luft in der Nebelkammer ausgedehnt, ihre Dichte verringert und deshalb kälter. Da kalte Luft weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme, ist die Luft nach dem Abkühlen übersättigt.
Wenn radioaktive Strahlung in dieser übersättigten Luft Teilchen ionisiert, dann kondensiert das Wasser an den Ionen und es bildet sich eine Nebelspur.
Nebelkammern sind gut geeignet um Alpha- und Betateilchen zu untersuchen, da man sie nicht nur nachweisen sondern auch ihren Flugbahn sehen kann.
1.6 Größen (Halbwertzeit und Aktivität)
Radioaktive Stoffe besitzen eine Halbwertzeit. Die Halbwertzeit gibt an wie lange es dauert bis die Hälfte aller Kerne eines Stoffes zerfallen sind. Wenn zum Zeitpunkt t=0 1g U-238 da ist, dann ist davon nach der Halbwertszeit nur noch die Hälfte übrig, der Rest ist zerfallen.
Nach der doppelten Zeit ist nur noch die Hälfte der Hälfte bzw. ein Viertel übrig.
Wichtig: Die zerfallenden Kerne verschwinden nicht, sie werden nur in Kerne eines anderen Elements umgewandelt.
Ein radioaktives Präparat besitzt eine bestimmte Aktivität. Unter Aktivität versteht man die Anzahl der Kerne, die pro Sekunde umgewandelt werden. Die Einheit der Aktivität wurde nach dem Entdecker der Radioaktivität Becquerel [Bq] benannt.
2. Radioaktivität in der Medizin
Radioaktive Strahlung kann in der Medizin benutzt werden, um Menschen zu untersuchen und um Krankheiten zu heilen.
2.1 Wirkungen von Strahlungen
(Da radioaktive Strahlung Energie abgibt, wenn sie absorbiert wird, kann sie lebendes Gewebe schädigen und abtöten. Durch hohe Geschwindigkeit von Alpha-, Beta- und Gammateilchen kann es zu Stoßionisation von Molekülen kommen. Die neu entstandenen Ionen können mit anderen chemischen Verbindungen reagieren. Das kann dazu führen, dass wichtige Moleküle in den Zellen verändert oder Zerstört werden (z.B. die DNS).
Die biochemischen Abläufe in einer Zelle sind so kompliziert, dass schon geringfügige Änderungen, die Funktionen der Zelle stören oder verändern können. Deshalb können Zellen durch radioaktive Strahlung sterben oder mutieren.
Darüber hinaus erwärmt radioaktive Strahlung das bestrahlte Gewebe, da die Bewegungsenergie letztlich in Wärmeenergie umgewandelt wird. )
Radioaktive Strahlung tötet oder beschädigt lebende Zellen. Sie kann einzelne Moleküle (wie die DNS) verändern und so Mutationen hervorrufen oder die Zelle absterben lassen.
Darüber hinaus wird die Bewegungsenergie absorbierter radioaktiver Strahlung zum großen Teil in Wärmeenergie umgewandelt und erhöht dadurch die Temperatur.
Biologische Wirkungen
Man unterscheidet somatische Frühschäden, somatische Spätschäden und genetische Schäden.
Somatisch bedeutet körperlich und somatische Schäden sind daher körperliche Schäden bzw. Krankheiten.
Wenn ein Mensch bestrahlt wird, dann kann er an vorübergehender oder schwerer Strahlenkrankheit erkranken. Woran er erkrankt hängt von der Strahlendosis ab.
Die vorübergehende Strahlenkrankheit hat folgende Symptome:
- Es sterben mehr Zellen als neue gebildet werden.
- Das Immunsystem wird geschwächt, weil die Zahl der weißen Blutkörperchen abnimmt.
Nach 2- 3 Wochen folgen weitere Symptome:
- Appetitlosigkeit, Haarausfall, allgemeines Unwohlsein, erlahmen der Abwehrkräfte, langsames Verheilen von Verletzungen, stecknadelkopfgroße, purpurfarbene Hautflecken und Entzündungen der Atem- und Speisewege.
Die schwere Strahlenkrankheit hat folgende Symptome:
- Immer mehr Zellen werden können sich nicht mehr teilen.
- Dramatische Blutbildveränderungen
Nach 10-14 Tagen folgen weitere Symptome:
- Schwere Entzündungen und innere Blutungen
- evtl. vorübergehende oder lebenslängliche Sterilität.
Wenn Menschen daran sterben, haben sie meist hohes Fieber, schwere Entzündungen der Speiseröhre und starke innere Blutungen.
Somatische Spätschäden werden durch Mutationen der bestrahlten Zellen hervorgerufen.
Es kann vorkommen, dass mutierte Zellen lebensfähig sind und vom Immunsystem nicht erkannt werden. In diesem Fall kann es zu unkontrollierter Zellteilung kommen. Wenn eine solche mutierte Zelle sich unkontrolliert teilt, entsteht Krebs. Daher kann Krebs eine Folge von radioaktiver Bestrahlung sein. Die Bestrahlung und das Ausbrechen der Krankheit können Jahre wenn nicht Jahrzehnte auseinander liegen.
Wenn die DNS einer Zelle verändert wird und sie infolgedessen mutiert, spricht man von einem genetischen Schaden. Wenn die DNS von Keimzellen beschädigt wird, dann kann das Neugeborene Erbkrankheiten, Missbildungen. Mongolismus und Behinderungen haben.
2.2 Die Strahlendosis
Wenn ein Körper bestrahlt wird, dann nimmt er die Energie der absorbierten Strahlung auf.
Diese Energie heißt Strahlungsenergie. Die Energiedosis gibt an, wie viel Energie ein Körper im Verhältnis zu seiner Masse aufgenommen hat.
 Energiedosis = Absorbierte Energie / Masse des Körpers [Joule/Kilogramm]
Die drei Strahlungsarten sind unterschiedlich wirksam. Die Wirkung von Alphastrahlung ist 20 mal so hoch, wie die von Beta- und Gammastrahlung.
Deshalb muss man die Energiedosis umrechnen, um eine vergleichbare Größe zu errechnen.
Wenn eine Energiedosis durch Alphateilchen übertragen wird rechnet man sie mal 20, wenn sie durch Beta- oder Gammateilchen übertragen wird rechnet man sie mal 1.
Durch diese Rechnung erhält man die so genannte Äquivalenzdosis, die man auch Strahlendosis nennt. Die Einheit J/Kg wird durch Sv (Sievert) ersetzt, um Verwechslungen
zu vermeiden.
Dosis Folgen
0-2,25 Sv kaum akute Beschwerden
0,25 Sv erste Blutbildveränderungen
1 Sv vorübergehende Strahlenkrankheit
4 Sv schwere Strahlenkrankheit
7 Sv tödliche Dosis
Eine Strahlendosis ist umso gefährlicher je kürzer die Bestrahlungszeit.
Nicht alle Organe sind gleich empfindlich. Daher unterscheidet man äußere Strahlung von innerer Strahlung. Äußere Strahlung wird größtenteils von der Haut absorbiert. Innere Strahlung, die z.B. durch Medikamente verursacht werden kann, ist gefährlicher, weil die Störungen der inneren Organe einen größeren Einfluss auf den Körper haben.
2.3 Behandlungsmethoden
Radioaktive Strahlung findet in der Medizin vielfältige Anwendung. Sie wird unter anderem benutzt um zu röntgen, durchleuchten, szintigrafieren und in der Strahlentherapie.
Um innere Verletzungen, wie Knochenbrüche, oder innere Organe abzubilden röntg man sie.
Röntgenstrahlung ist künstlich erzeugte Gammastrahlung, die beim röntgen, eine hinter dem Patienten angebrachte Photoplatte schwärzt. Je besser das Gewebe Röntgenstrahlung absorbiert, desto heller ist der dahinter liegende Teil der Photoplatte. Knochen enthalten mehr schwere Nuklide als normales Gewebe, deshalb absorbieren sie mehr Röntgenstrahlung und erscheinen auf der Photoplatte heller.
Gesundes und krankes Gewebe absorbiert Röntgenstrahlung unterschiedlich gut. Diese Unterschiede kann man mithilfe von Kontrastmitteln weiter verstärken. Dadurch werden Röntgenaufnahmen von Organen möglich.
Wenn sich anstelle der Photoplatte eine Röntgenkamera befindet, ist es möglich das Bild am Bildschirm zu betrachten. Der Nachteil dieser Methode ist, dass sie länger dauert und dadurch mehr belastet.
Beim Röntgen wie beim Durchleuchten werden die Körperteile, die nicht untersucht werden mit Blei abgeschirmt, um sie zu schützen.
Eine weitere Möglichkeit erkrankte Organe zu untersuchen nennt man Szintigrafieren. Man injiziert dem Patienten ein Radiopharmaka. Radiopharmaka enthalten Gammastrahler wie z.B. I-123 oder I-131. Das Iod reichert sich unterschiedlich stark an, je nachdem ob das Gewebe gesund oder krank ist. Mit einem Szintlisationszähler erstellt man ein Szintigramm, auf dem man krankes und gesundes Gewebe erkennen kann.
Die Strahlentherapie wird angewandt, um Tumore zu vernichten. Man versucht die Krebszellen zu zerstören, indem man sehr viel Energie in den Tumor hineinbringt. Dazu benutzt man künstliche Strahlungsquellen mit hoher Aktivität. Das Problem ist, dass immer auch das davor und dahinter liegende Gewebe betroffen ist. Daher hat die Strahlentherapie ähnliche Nebenwirkungen wie unkontrollierte Bestrahlung.
2.4 Risiken
Die Behandlung mit radioaktiver Strahlung birgt dieselben Risiken wie unkontrollierte Bestrahlung. Dadurch dass immer auch gesundes Gewebe bestrahlt wird, wird das Krebsrisiko erhöht. Darüber hinaus können Patienten, die einer intensiven Strahlenbehandlung unterzogen werden, die Symptome der Strahlenkrankheit aufweisen. Dies ist der Grund warum Chemotherapiepatienten unter Haarausfall leiden können und häufig körperlich angegriffen sind obwohl sie von der Behandlung selbst nichts spüren.
2.5 Strahlenschutz
Da radioaktive Strahlung krebserregend ist, gilt dass man möglichst vermeiden sollte bestrahlt zu werden und die unvermeidbaren Dosen möglichst klein sein sollten.
Der effektivste Strahlenschutz besteht darin Strahlungsquellen zu meiden. Deshalb sollte man z.B. möglichst wenig röntgen lassen, bzw. Röntgenaufnahmen behalten, anstatt sie doppelt zu machen.
Darüber hinaus sollte man alle Körperteile, die nicht unbedingt belastet werden müssen, mit Blei abschirmen. Bei Strahlentherapien versucht man die Strahlungsquellen so anzuordnen, dass der Tumor möglichst intensiv und das übrige Gewebe möglichst wenig bestrahlt wird.
Strahlungsquellen, die nicht zur Therapie dienen (z.B. Brennstäbe oder Atommüll), werden mit einem Schutz umgeben. Darüber hinaus sollte man keine belasteten Nahrungsmittel zu sich nehmen und verstrahlte Gebiete meiden.
Aufgrund des Krebsrisikos wurden strenge Obergrenzen für die Strahlungsbelastungen sowohl in der Medizin, als auch für Arbeitplätze geschaffen. Man unterscheidet bei diesen Grenzwerten zwischen Erwachsenen, Schwangeren und Kindern. Man unterscheidet die innere und äußere Strahlung und die einzelnen Organe.
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: Lavazza90
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