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Fachkunde im STRAHLENSCHUTZ. Die Inhalte dieser Vorlesung + Praktikum wurden vom Ministerium für Umwelt des Landes Rheinland-Pfalz als Basis für den Fachkundekurs für LehrerInnen offiziell anerkannt. Die Fachkunde-Bescheinigung ist bundesweit gültig. Dr. Hans-Jochen Foth Fachbereich Physik

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Fachkunde

im

STRAHLENSCHUTZ

Die Inhalte dieser Vorlesung + Praktikum wurden vom Ministerium für Umwelt des Landes Rheinland-Pfalz als Basis für den Fachkundekurs für LehrerInnen offiziell anerkannt.

Die Fachkunde-Bescheinigung ist bundesweit gültig.


Dr. Hans-Jochen Foth

Fachbereich Physik

Büro: 56/259

Tel.: 205-4983

E-Mail: [email protected]


1.Vorlesung Termin

Do 17.00 / 17.15 Uhr

ggf. Alternative??

Zur Organisation

2. Praktikum: Physikalisch-messtechnisches Praktikum,

ab Mitte Februar, 1 Nachmittag (4 h), nach Vereinbarung

3. Anwesenheit: Anwesenheitspflicht!! (Anwesenheitsliste)

für Studierende, die eine offizielle Fachkunde-

bescheinigung benötigen!

Anwesenheit + erfolgreicher Abschlusstest

= Fachkundebescheinigung

4. Abschlusstest: MC-Klausur (mindestens 2/3 der erreichbaren Punkte!)


Zur Organisation

5. Inhalt: s. Verzeichnis

(ausführliche Information über naturwissenschaftliche Grundlagen,

rechtliche Aspekte, praktische Auswirkungen u.a.m.)

Problem: unterschiedliche Voraussetzungen

6. Ziele: Vermittelung der für die Tätigkeit im Strahlenschutz erforderlichen

Fachkenntnisse und Fähigkeiten sowie des einschlägigen Gesetzes-

wissens =Fachkunde im Strahlenschutz

Aber auch: Realistische Einschätzung diverser Strahlen-Expositios-

Gefährdungen, Möglichkeiten des Strahlenschutzes sowie der

Genauigkeit kernphysikalischer Messmethoden!!

7. Weiterführung: Grundkurse im StrlSch nach StrlSchV bzw. RöV

(z.B. TAS-Kurs im März 2007)


Fachkunde im Strahlenschutz für Lehrer

Lehrer, die im Unterricht selbständig mit Quellen ionisierender

Strahlung (radioaktive Präparate mit A > FG oder Röntgen-

strahlquellen umgehen wollen, müssen gemäß Richtlinien der

StrlSchV (Fachkundegruppe 6) und RöV (Fachkundegruppe 4)

fachkundig sein!

  • einschlägiges Gesetzes-

  • wissen sowie der Tätig-

  • keit entsprechende

  • Fachkenntnisse

  • Anwesenheit + erfolg-

    reicher Abschlusstest

geeignete

Berufsausbildung

=

Lehrer-Staatsexamen

Fachkunde

=

+


Literaturhinweise

 Verordnungen, kommentierte Verordnungen

 Allgemeine, ausführliche Monographien

 Taschenbücher

 Ständig aktualisierte „Loseblatt“-Sammlungen

 Spezial-Literatur

Literaturliste


Inhaltsverzeichnis

1.Allgemeine physikalische und biologische Grundlagen

2.Grundlagen der Strahlenphysik

3.Strahlenmesstechnik

4.Abschirmung ionisierender Strahlung

5.Strahlenbiologische Grundlagen (Dr. Möhlmann)

6.Natürliche und zivilisationsbedingte Strahlenbelastung des Menschen

7.Kurze Risikobetrachtung zur Strahlenexposition

8.Strahlenschutzrecht

8.1Rechtliche Grundlagen

8.2 Anzeige und Genehmigung des Umgangs mit radioaktiven Material

8.3 Verordnung über den Schutz vor Schäden durch ionisierende Strahlen (Strahlenschutzverordnung –StrlSchV–)

8.4 Die Röntgenverordnung –RöV–

8.5Stellung und Pflichten des Strahlenschutzverantwortlichen und –

beauftragten

9.Praktische Auswirkungen der Strahlenschutz– und Röntgenverordnung


Voraussichtliche Termine

09.11.06 Einführung, Grundlagen, Atomkerne und ihre Strahlung

16.11.06 Röntgenstrahlung, Größen und Einheiten der Strahlenschutzmesstechnik

30.11.06 Aufbau und Funktion von Strahlungsmessgeräten

14.12.06 Abschirmung ionisierender Strahlung

11.01.07 Strahlenbiologie (Dr. Torsten Möhlmann, FB Bologie)

25.01.07 Risikobetrachtungen

08.02.07 Strahlenschutzrecht


Strahlenschutz

Strahlenschutz

gegenüber

nichtionisierender

Strahlung

Strahlenschutz

gegenüber

Ionisierender Strahlung

UV-Strahlung

Photonen

E = h    15 eV

(harte UV-, Röntgen-

und -Strahlung

LASER

Mikrowellen

Teilchen

(-, -, n-

Strahlung u.a.m)

VHF (Mobilfunk)

niederfrequente

Strahlung

Verhinderung von

Schäden und Funktionsstörungen



2. Historische Dokumentation von Strahlenschäden Grundlagen

  • 1898Erste Berichte über Hautschädigungen (Rötungen, Verbrennungen 1. Grades)

  • nach intensiver Röntgenbestrahlung. Typischer Fokussiertest für Röntgen-

  • Bestrahlungsanordnungen: Kleiner oder großer roter Fleck auf der Handrück-

  • seite

  • 1901Becquerel berichtet über die Bildung eines Hautgeschwüres nach langem

  • Tragen eines Radiumpräparates

  • 1902Berichte über die Bildung bösartiger Geschwüre als Folge zu hoher

  • Bestrahlungs dosen

  • 1903Schädigung von Keimzellen für Strahlungsdosen nachgewiesen, die noch

  • nicht zur Rötung der Haut führen

  • SPÄTER: Berichte über die sogenannte „Bergkrankheit“ im erzgebirgischen

  • Uranbergbau (Lungenkrebs durch Einlagerung von radioaktivem Staub)

  • Berichte über typische Erkrankungen im Bereich des Mundes, Kehl-

  • kopfes und der Lunge in der Leuchtstoffindustrie (Strahlenkrebs)


2. Historische Dokumentation von Strahlenschäden Grundlagen

1949-5442 gemeldete Strahlenschäden in Deutschland (100% Röntgenstrahlung)

1942-5549 gemeldete Strahlenunfälle (2 Tote) aus dem Bereich der

Kernspaltung, Kernindustrie – „Manhattan-Projekt“

1950-895300 als Berufserkrankung anerkannte Lungenkrebserkrankungen bei

der DSAG „Wismut“.

1950-90342 zugeordnete Strahlenkrebstote als Spätschäden der

Kernwaffeneinsätze in Hiroshima/Nagasaki

1986 20 direkte Strahlenopfer Tschernobyl

HEUTE:> 95% der zivilisatorisch bedingten Strahlenbelastung der gesamten

Bevölkerung resultiert aus der Röntgendiagnostik


Lange Zeit nur Verhaltensregeln beim Umgang mit Strahlung Grundlagen

durch nationale Berufsverbände

3. Gesetzliche Regelung zur Beschränkung der Strahlenbelastung

  • 1920 Forderung der Ärzte nach einer gesetzlichen Regelung für

  • den Umgang mit Röntgenstrahlen

  • Erste berufsgenossenschaftliche Strahlenexpositionsbegrenzung:

  • 250 mR/Tag = Schwellwert, Toleranzdosis

  • 1941 1. Röntgenverordnung(RöV) für den nichtmedizinischen Bereich

  • 1950 Strahlenexpositionsbegrenzung: 300 mR/Woche

  • Maximale Strahlenexposition für beruflich strahlenexponierte

  • Personen Kat. A:5 R/a  50 mSv/a

  • 19601. Strahlenschutzverordnung (StrlSchV)


3. Gesetzliche Regelung zur Beschrän- Grundlagen

kung der Strahlenbelastung 2

1965 Neue Fassung der 1. StrlSchV

1967 (inkl. Regelung für Schulen)

Erkenntnis: Es gibt keinen Schwellwert für

absolut unschädliche Strahleneinwirkung,

bereits ein - Quantkann Schäden hervorrufen!

Maximal zulässige Dosis = Dosis, die toleriert werden

kann, ohne größeren Schaden zu befürchten

300 SV – Konzept für die unkontrollierte Bevölke-

rung, höher zulässige Dosiswerte nur bei Überwachung

1973 (RöV), erstmals auch

gültig für Mediziner (mit 10jähriger Anpasszeit!)

1965 Neue StrlSchV: Grundsatz: Die Strahlenexposition ist

„so gering wie möglich“ zu halten

2. Strahlenschutzverordnung

Allgemeine Röntgenverordnung


1986 Grundlagen

Neue Röntgenverordnung (RöV)

(noch heute mit Änderungen gültig!)

1989

Neue Strahlenschutzverordnung (StrlSchV)

Konzept der effektiven Äquivalent-Dosis nach (ICRP 1979)

3. Gesetzliche Regelung zur Beschrän-

kung der Strahlenbelastung 3

1986 Strahlenschutzvorsorgegesetz (StrlSchVG)

Gesetz

1990/1991 Ausführliche ICRP-Studie (Grundsatzempfehlung Nr. 60!)

zur 40-jährigen Nachuntersuchung der Kernwaffenopfer von Hiroshima

und Nagasaki; neue Erkenntnisse über die Langzeitwirkung der Strahlen-

exposition (nur für E, Heff > 300 mSv)

Ständige Zunahme des Alterskrebses nach einem Strahlungstrauma

 neue Rechenmodelle, Vorschlag zur Reduzierung/Begrenzung der

„Berufslebens “ – Dosis.


2001 Grundlagen

Neue Strahlenschutzverordnung (StrlSchV)

Viele Neuerungen/Änderungen durch Vorgaben der EU (z.B. EU-

Grundnormen-Richtlinie EURATOM 96/29)

Begrenzung der Lebenszeitdosis, reduzierte Jahresexpositionen,

reduzierte Genehmigungsgrenzen, 5-jährige FK-Erneuerung , Be-

rücksichtigung der Exposition aus natürlichen Strahlungsquellen u.a.m.

Neufassung/wesentliche Änderung der Röntgenverordnung (RöV)

2002

Viele Neuerungen/Änderungen durch Vorgaben der EU (z.B. EU-

Patienten-Richtlinie EURATOM 97/43), zum großen Teil Über-

nahme der neuen Regelungen der StrlSchV von 2001

 Rechtfertigungsprinzip, Genehmigungserweiterungen u.v.a.m.

3. Gesetzliche Regelung zur Beschrän-

kung der Strahlenbelastung 4


Praktischer Strahlenschutz Grundlagen=Schutz des Menschen


2. Grundlagen der Strahlenphysik Grundlagen

2.1 Vorbemerkungen

  • Die der Strahlenphysik zugrundeliegenden physikalischen Phänomene,

  • Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge sind äußerst vielfältig und

  • teilweise sehr kompliziert.

  • Im Rahmen dieser Vorlesung kann nur auf die wesentlichen physikalischen

  • Grundlagen der Strahlenschutz-relevanten Kernphysik eingegangen werden.

  • Es wird deshalb trotz der angestrebten Selbstkonsistenz eventuell notwendig

  • sein, ein etwas ausführlicheres Lehrbuch zur Hand zu nehmen.

In den „Grundlagen der Strahlenphysik“ soll erklärt werden:

 Ursache der Strahlung  natürliche oder künstliche Radioaktivität

 Wechselwirkung von hochenergetischen Teilchen mit

Materie ( Röntgenstrahlung, Störstrahlung u. a. m.),

 Welche Arten gibt es  verschiedene Arten von Teilchenstrahlung,

 elektromagnetischer Wellenstrahlung)

 Welchen Gesetzmäßigkeiten unterliegt sie?

Die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie, d. h. die Absorption

der Strahlung und ihre Folgen wird in den Kap. 4-7 behandelt.


2.2 Radioaktivität Grundlagen

Was ist Radioaktivität?

1896 Becquerell: Uransalzkristalle senden unsichtbare Strahlung aus!

1898 Marie und Pierre Curie: Entdeckung von „Radium“ = „das Strahlende“

„Radioaktivität“ = Strahlungsaktivität

= (statistische) physikalische Eigenschaft von

von bestimmten Elemente/Atomen (Kernen)

 sog. „Radionukliden“

1899 Rutherford: α-, β- und γ-Strahlung durch Streuversuche identifiziert

Radioaktivität ist ein physikalischer Prozess, der in bestimmten, instabilen

Atomkernen stattfindet! Die Instabilität kann entweder noch von der Entstehung

unseres Sonnensystems herrühren  “natürliche Radioaktivität“ oder

durch zivilisatorisch bedingte Kernumwandlungsprozesse (Kernreaktor, Be-

schleuniger) erzeugt werden  sog. „künstliche Radioaktivität“


Die Instabilität der Kerne führt durch Aussendung von radioaktiver Strahlung

zu einer Kernumwandlung, die radioaktiver Zerfall genannt wird.

Der radioaktive Zerfall ist ein physikalischer Prozess, der mit statistischer

Gesetzmäßigkeit abläuft. Für die Wahrscheinlichkeit W des Zerfalls gilt:

WZerfall  t

WZerfall = l ·  t

wobei ldie Proportionalitätskonstante, die sog. Zerfallskonstante ist.

Sie ist ein Maß für die relative Häufigkeit des radioaktiven Zerfalls.

Für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kern nicht zerfällt, gilt dann:

1 – WZerfall = 1 –  ·  t

Die Überlebenswahrscheinlichkeit eines Kerns nach n Zeitintervallen ist gegeben durch:

(1 – WZerfall) n = (1 –  · Δ t) n

Ist n t = t die Gesamtzeit, so gilt als Grenzwert für die Wahrscheinlichkeit,

dass ein Kern nicht in dieser Zeit t zerfällt:

lim (1 - ·t/n) n= e - ·t

n ∞


Werden radioaktiver StrahlungN0 radioaktive Kerne betrachtet, so gilt für den

Bruchteil N(t), der nicht in der Zeit t zerfallenen Kerne:

N(t) / N0 = e– ·t oder N(t) = N0e–  ·t

Diese Gesetzmäßigkeit wird als Zeitgesetz des radioaktiven

Zerfalls oder kurz als Zerfallsgesetz bezeichnet.  = Zerfallskonstante

Ist gerade die Hälfte der Ausgangskerne zerfallen, d. h. N(t) = N0/2, so gilt:

t1/2 = TH = ln 2/= 0,693/ TH = Halbwertszeit

Das Maß für die Radioaktivität einer Strahlungsquelle ist die sog. Aktivität A

(oder Präparatstärke), das sind die Anzahl der radioaktiven

Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit, die in der Quelle stattfinden.

Es gilt: A = – dN/dt = N

Die Aktivität wird in der Einheit Bq (Becquerel) = sec–1 gemessen.

Wann ist nur noch 1/1000 der Aktivität (Ausgangskerne) eines Nuklids vorhanden?

d. h. A = N(t) = A0/1000 = N0/1000  t ≈ 10 TH (210 = 1024!)


Rechenbeispiel: radioaktiver StrahlungAktivitätsabgabe

Das Kernforschungszentrum Karlsruhe darf gemäß Genehmigungsauflage

bei den dort stattfindenden Forschungsarbeiten maximal die Aktivitätsmenge

A = 185 MBq (5 mCi) des Jod–Isotopes 131J = J131

pro Jahr an die Umgebung abgeben. Wieviel Gramm sind das?

TH (J131) = 8 Tage

 = ln 2/TH = 0,693 / 8  24  60  60 = 10–6 sec–1

N = A /  = 185  106 / 10–6 = 1,85  1014 Atome

1 Gramm-Atom J131 = 131 g  6  1023 Atome

Abgabemenge J131 = 1,85  1014 131 / 6  1023 = 4  10–8 g

Das ist zwar eine sehr geringe Menge, aber mit den äußerst empfindlichen

kernphysikalischen Messtechniken können Aktivitäten von wenigen

Becquerel, d. h. weniger als 10–14 g J131 noch nachgewiesen werden.


2.3 Eigenschaften der Atomkerne radioaktiver Strahlung

Das Atom,das aus dem kleinen, positiv geladenen Kern und der umgebenden

Elektronenhülle besteht, hat einen Durchmesser von einigen 10–10 m.

Der Kern besteht aus sog. Nukleonen, er ist nur ca. 10–15 m groß. Bei den Nukleonen

unterscheidet man positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen.

Die Massen mund Ladungenqvon Elektronen, Protonen und Neutronen betragen:

Elektron: qe = – 1,6  10–19 C, me = 9,109  10–31 kg

Proton: qp = + 1,6  10–19 C, mp = 1,67239  10–27 kg

Neutron: qn = 0 C mn = 1,67470  10–27 kg

Aus dem Verhältnis der Massen von Proton und Elektron mp / me = 1836 folgt,

dass quasi die gesamte Atommasse im Kern konzentriert ist.

Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die Massen von Nukleonen

und Atomkernen in atomaren Masseneinheiten(AME) auszudrücken.

Eine atomare Masseneinheit ist definiert durch:

1 AME = 1 a.u. = 1 u = 1/12 x Masse des Kohlenstoffatoms 12C

1 u = 1,66044  10–27 kg


Durch die Einsteinsche Äquivalenzbeziehung ( radioaktiver StrahlungMasse–Energie–Äquivalent)

E = mc2

kann die Masse m mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit c in Energie E

ausgedrückt werden. Es entspricht:

1 AMU = 1 u = 931,478 MeV

wobei die Energieeinheit 1 MeV = 106 eV = 106 1,6  10–19 J beträgt


Nukleonenzahl radioaktiver StrahlungA, Massenzahl M:

Die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern (Protonen und Neutronen) wird Nukleonenzahl

A = Z + N genannt. Da die Masse eines Protons ungefähr gleich der eines Neutrons, ungefähr eine atomare Masseneinheit u ist, wird A auch als Massenzahl M bezeichnet.

Die Beschreibung eines Atomkernes erfolgt über die Abkürzung A X,

wobei X die Kurzform des chemischen Elementes ist.

Z

Zur Beschreibung eines Atomkerns werden folgende Größen/Zahlen verwendet :

Ordnungszahl Z: Da das Atom elektrisch neutral ist, muss die Anzahl

der Protonen im Kern gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle sein.

Diese Zahl, die Ordnungszahl Z, bestimmt das chemische Verhalten.

Neutronenzahl N: Die Anzahl der Neutronen N erhält man durch N = A – Z.

Die Atomkerne/ Nuklide in Nuklide gleicher Charakterisierungszahlen einteilen:

·      Isotope: Nuklide gleicher Kernladungszahl bzw. Ordnungszahl Z

·      Isobare: Nuklide gleicher Massenzahl/Nukleonenzahl A = N + Z

·      Isotone: Nuklide gleicher Neutronenzahl N

·      Isomere: Nuklide mit gleichen A und Z, aber in unterschiedlichen Energiezuständen.


Z.Z. sind ca. radioaktiver Strahlung1900 Nuklide bekannt, aber nur 274 davon sind stabil (s. Bild 2.1).

Damit Nukleonen einen stabilen Atomkern bilden, muss für Z 2 die elektrostatische

Abstoßung zwischen den Protonen kompensiert werden. Dies erfolgt durch die soge-

nannten Kernkräfte oder starke Wechselwirkung, die zwischen den Nukleonen wirken

(p  p, p  n, n  n) und eine nur sehr kurze Reichweite von 10–14 m besitzen.

Im minimalen Abstand zweier Nukleonen von ca. 10–15 m ist sie allerdings

ca. 100 mal so groß wie die elektrostatische Abstoßung zweier Protonen. Bei

leichten Kernen sind Nuklide mit etwa gleicher Protonen– und Neutronenzahl stabil,

während bei schweren Kernen die Neutronenzahl größer als die der Protonen sein

muss, damit der Kern stabil ist. Verantwortlich für die Stabilität des Kerns ist die

Bindungsenergie der Nukleonen ,EB.

Diese Bindungsenergie ist letztlich eine Bilanz von bindenden Kernkräften (alle

Nukleonen) und abstoßenden Coulomb–Kräften (nur Protonen) unter Berücksich-

tigung der Kernstruktur.Sie kann in einem einfachen Modell, das den Kern wie ein

Flüssigkeitströpfchen behandelt („Tröpfchenmodell“), wie folgt dargestellt werden:

EB = EB (0) + EB (1) + EB (2) + EB (3) + EB (4)

 mit EB(0) = Volumen–Term (Kernkraft) , EB(1) = Oberflächen–Term (Kernkraft)

EB(2) = Coulombabstoßung, EB(3) = Asymmetrie–Term ( (N–Z)2)

EB(4) = Paarungs–Energie–Term


N radioaktiver Strahlung–Z–Diagramm der bekannten

Atomkerne (Nuklide). Die Pfeile

markieren die Verschiebung

der Kerne bei den verschiedenen

Zerfallsarten (s. Kap. 2.4).

Der schraffierte Bereich

kennzeichnet die bisher be­

kannten Nuklide, Punkte

stellen stabile Atomkerne dar.

Oberhalb von Z = 92 existieren

nur künstlich erzeugte Kerne


Aus der Bilanz der Kräfte folgt unter Berücksichtigung ihrer Stärke und Reichweite, dass die

Bindungsenergie je Nukleon bei kleinen Kernen mit jedem hinzukommenden Nukleon stark

ansteigt.

Bei großen Kernen bringt das Hinzufügen eines Protons im Nahbereich Gewinn an Bindungs-

energie, bewirkt aber im Fernbereich letztlich mehr abstoßende Kräfte. Deshalb nimmt die

Bindungsenergie je Nukleon des Gesamtkerns für große M oder Z leicht ab.

Kerne mit M > 250 sind nicht mehr stabil, weil ein weiteres Proton (nur bei diesem ist

die sehr einfache Argumentation anschaulich verständlich) von den bereits vorhandenen

ca. 100 Protonen des Kerns mehr Abstoßung erfährt, als durch die Bindungskräfte der

Oberflächennukleonen, an die es angelagert würde.

Die Bindungsenergie pro Nukleon beträgt, abgesehen von sehr kleinen Nukliden,

EB ≈ 8 MeV und besitzt im Bereich 20 Z 40 ihr Maximum.


Mittlere Bindungs­ ihrer Stärke und Reichweite, dass die

energie pro Nukleon

EB/A als Funktion

der Massenzahl M

(Nuklidzahl A).

Als Beispiele sind

einige spezielle

Kerne eingetragen


Die Bindungsenergie der Nukleonen wird gemäß der Einsteinschen Beziehung durch

„Masseumwandlung“ gewonnen. Bei der Atomkernsynthese tritt also ein Massen-

schwund auf, der als Massendefekt bezeichnet wird, Kerne sind deshalb leichter

als die Massensumme ihrer Bestandteile (s. Beispiel).

Rechenbeispiel: Massendefekt des Kohlenstoffisotopes 12C

(p + n + e) = 6 mp + 6 mn + 6 me

= 6  1,0072852 u + 6  1,0086654 u + 6  0,0005486 u = 12,0989958 u

M = (p+ n + e) – m (12C) = 12,0989958 u – 12 u

M = 0,0989958 u = 1,643766  10–28 kg

E = Mc2 1,48–11 kg  m2 s–292,3 MeV *)

EB(Kern) = E – EB (e–) **)E

EB/A = 7,69 MeV/Nukleon

*)1 kg m2 s–2 = 6,24 . 1018 eV **)EB(e–)  534 eV


  • Es ist daher leicht ersichtlich, dass beim Zusammenfügen von Kernbauteilen bzw.

  • leichten Kernen Energie gewonnen werden kann, weil die Bindungsenergie je

  • Nukleon größer wird (es wird Masse in Energie umgewandelt = Massendefekt)

  • Energieerzeugung durch Fusion (Zusammenfügen) leichter Kerne

  • Fusionsreaktorder Zukunft

    Bei schweren Kernen kann durch Spaltung (Fission)Energie erzeugt werden kann, weil die Bindungsenergie je Nukleon der entstandenen

  • mittelgroßen Kernbruchstücke größer ist als die des Ursprungskerns!

  • Kernspaltungsreaktor (bereits seit 50 Jahren realisiert).


2.4 Verschiedene Arten des radioaktiven Zerfalls von Kernbauteilen bzw.

Der instabile Kern des Ausgangsnuklids (Mutternuklid mit A, N, Z) zerfällt unter

Aussendung unterschiedlicher Strahlung in den Kern des Zwischen– oder

Endnuklids (Tochternuklid mit A *, N *, Z *).

Mit den verschiedenen Strahlungsarten sind charakteristische Übergänge

im N, Z, A – Diagramm verbunden.

Übersicht über die verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls

Es wird zwischen langsamen ZerfällenTH 10–7 s ... 1011 a und schnellen

ZerfällenTH 10–12 ... 10–7 s unterschieden. Langsame Zerfälle erfolgen

i. d. R. über die Emission geladener Teilchen.


von Kernbauteilen bzw. –Zerfall, isomere Kerne

Das End– bzw. Zwischennuklid liegt nach erfolgter Teilchenemission (langsamer

Zerfall) gewöhnlich nicht im Grundzustand vor. Normalerweise entsteht ein Nuklid

im angeregten Zustand. Dieser angeregte Zustand des End– bzw. Zwischennuklids

geht i. d. R. in schnellen Übergängen unter Aussendung von –Strahlung in den

Grundzustand des End– bzw. Zwischennuklids über (schneller –Zerfall).

Der Zerfallsprozess ist beendet, wenn entweder direkt oder über verschiedene

Zwischenkerne und Anregungszustände ein stabiler Endkern im Grundzustand

entstanden ist.

Isomere Kerne sind (durch vorangehenden langsamen Zerfall entste-

hende) metastabile „quasiangeregte“ Kernzustände mit TH 10–7 s.

Diese Kerne sind aber nicht einfach angeregte Zustände, sondern

unterscheiden sich bei gleicher Nukleonenzahl (= isomer) durch

eine unterschiedliche Nukleonenkonfiguration vom stabilen Grundzu-

stand. Diese Nukleonenkonfiguration entspricht einem metastabilen

Zustand höherer Energie (Instabilität), dessen Umordnung Zeit erfor-

dert (metastabil!) und der schließlich durch –Emission(sog.

langsamer/verzögerter –Zerfall) in den (stabilen) Endzustand

aufgehoben wird.  wichtiges Beispiel: Tc 99m (TH = 6h)


von Kernbauteilen bzw. ––Zerfall von Kernen mit Neutronen–Überschuss

Bei Kernen mit Neutronen (n)–Überschuss wird praktisch

ein Neutron des Mutternuklids in ein Proton und ein Elektron

umgewandelt, wobei aus Erhaltungsgründen (der Leptonen-

zahl) neben dem Elektron ein weiteres Teilchen, das

Antineutrino, emittiert wird. –Zerfälle werden durch

die sog. schwache Wechselwirkung verursacht.

.

––Zerfall = ––Strahlung hat eine kontinuierliche Energieverteilung


von Kernbauteilen bzw. -

In der Nuklidkarte

„ rot“


p + e von Kernbauteilen bzw. – n + e

p + (1MeV)  n + e+ + e

+–Zerfall oder Elektroneneinfang von Kernen mit Neutronen–Defizit

oder Protonen-Überschuss

Kerne mit Neutronen–(n–)Defizit bzw. Protonen–(p–)Über-

schuss können ihre dadurch bedingte Instabilität durch eine

p  n–Umwandlung aufheben. Wegen der größeren Masse

(Ruheenergie) des Neutrons ist diese Umwandlung jedoch nur

möglich, wenn der Kern über einen Energieüberschuss

(geeignete energetische Verhältnisse bzw. Kernstruktur) von

ca. 1 MeV verfügt (+–Zerfall) oder sich ein Elektron der

Hülle (meist aus der innersten sog. „K–Schale“) einfängt

(K–Einfang oder EC = electron capture).


Beim von Kernbauteilen bzw. +–Zerfall wird ein sog. Positron (positiv geladenes Anti–Teilchen

zum Elektron) und ein Neutrino emittiert. Die Energiebilanz beim +–Zer-

fall ist ähnlich wie beim ––Zerfall, auch hier kann die bei der Umwandlung

freiwerdende Energie EB auf das +–Teilchen und das Neutrino verteilt

werden. Für den Strahlenschutz ist das Neutrino wieder ohne Bedeutung,

das Positron weist gegenüber dem Elektron jedoch eine für den Strahlen-

schutz wichtige Eigenschaft auf. Trifft das Positron auf Materie, reagiert

es als sog. Antimaterieteilchen sofort mit einem Elektron.

Positron und Elektron vernichten sich gegenseitig unter Aussendung sog.

Vernichtungsstrahlung. Das heißt, das Masseäquivalent beider Teilchen

und ihre eventuell vorhandene kinetische Energie wird in zwei (aus Impuls-

erhaltungsgründen)–Quanten umgewandelt. Diese –Vernichtungsstrah­

lung ist sehr hart, da ihre Mindestenergie (bei Ekin(+) = 0) bereits 0,511 MeV

beträgt. Sie ist sehr durchdringend und muss für den Strahlenschutz berück-

sichtigt werden.


Verfügt der Mutterkern nicht über die ausreichende Energie, um den p–Überschuss

durch +–Strahlung abzubauen, kann der Kern sich durch sog. Elektroneneinfang

stabilisieren. Dabei werden Elektronen der niedrigsten Energiezustände (innersten

„Schalen“, meist K–Schale  K–Einfang) eingefangen. Aus Teilchen– und Energie­

erhaltungsgründen muss dabei ein Neutrino emittiert werden, das die freiwerdende

Energie übernimmt. Führt der Elektroneneinfang zu einem Tochternuklid im Grund­

zustand, ist für den Strahlenschutz nur die charakteristische Röntgenstrahlung

relevant, die dadurch entsteht, dass Elektronenübergänge in der Elektronenhülle

erfolgen, bei denen freiwerdende, innere Elektronenzustände wieder besetzt werden

(meist in sog. Kaskaden).

  • +–Zerfall und EC finden oft als sog. Konkurrenzprozesse statt (s. Prozentangaben

    hinter dem jeweiligen Prozess). Bei Kernen mit großer Ordnungszahl überwiegt EC,

    während bei kleinem Z sowohl EC als auch +–Emission stattfindet.


Beispiele Energie, um den p–Überschuss für reinen bzw. gemischten +–Zerfall und EC sind:


In der Nuklidkarte Energie, um den p–Überschuss

„ blau“

+, EC


Energieverteilungen Energie, um den p–Überschussderemittierten -Teilchen beim- und+–Zerfall :


Energie, um den p–Überschuss–Zerfall schwerer Kerne

Bei schweren Kernen wird die Emission von sog. Alpha–Teilchen

beobachtet, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.

Diese Nukleonenkonfiguration, die dem Kern des 4He–Atoms ent-

spricht, ist besonders stabil (EB = 28,4 MeV; 7,1 MeV/Nukleon).

In der hohen Stabilität der (2p + 2n)–Konfiguration, die z. B. zu –artiger Clusterung

von Nukleonen in Kernen führt, liegt die Ursache für den –Zerfall. Für schwere

Kerne A 150 ist es nach dem Tröpfchenmodell energetisch günstiger, ein –Teil-

chen abzustoßen, als die Nukleonen im Kern zu behalten. Zwar ist für A 150 die

mittlere Bindungsenergie pro Nukleon immer noch deutlich größer als 7,1 MeV/Nu-

kleon aber die an der Kernoberfläche liegenden Nukleonen sind schwächer gebunden


Energiebilanz des Energie, um den p–Überschuss–Zerfalls:

Aus der Energiebilanzgleichung des –Zerfalls ergibt sich, dass –Teil­

chen ein diskretes Energiespektrum besitzen müssen, die gesamte Über­

schussenergie EB wird i. d. R. auf das –Teilchen übertragen

Die –Emission ein Paradebeispiel für den quantenmechanischen Tunnel-

effekt (Theorie von Gamov). Je höher die –Teilchen–Energie ist, um so

geringer ist die Halbwertszeit des –Strahlers (Geiger-Nutallsche Regel)

Beispiele:

–Strahler mit mittleren TH haben Energien 4 MeV < E  < 7 MeV


Energie, um den p–Überschuss

In der Nuklidkarte

„ gelb“


Kernspaltung Energie, um den p–Überschuss

Neben den bisher beschriebenen „klassischen“ Zerfallsarten besteht für schwere

Kerne die Möglichkeit, sich spontan zu spalten (engl.: spontanious fission, sf).

Die Ursache für diese Spaltung liegt im Bindungsenergiegewinn, der gemäß EB = f(M)

bei der Spaltung eines schweren Kernes in zwei Teilkerne anfällt. Theoretisch besteht

ab ca. M = 100 die Möglichkeit der Spaltung mit Energiegewinn, praktisch wird sie erst

ab M = 230 beobachtet. Spontane Kernspaltung stellt für einen instabilen Kern eine

Möglichkeit dar, sich zu stabilisieren. Sie tritt daher neben anderen Zerfallsarten auf

und wird für sehr schwere Kerne (Z 98) dominant.


2.5 Kernreaktionen, Nuklidkarte, Isotopentabelle Energie, um den p–Überschuss

Strahlungsaktivität kann entweder auf natürliche oder sog. künstliche

Radioaktivität zurückgeführt werden. Künstliche Radioaktivität bedeutet

die Erzeugung instabiler Kerne durch sog. Kernreaktionen.

Kernreaktionen werden in folgender Weise angegeben:

Targetkern (Beschussteilchen, emittiertes Reaktionsteilchen) Endkern

Die Reaktion 19F(, p) 22Ne bedeutet, dass beim Beschuss von F–19 mit

–Teilchen Ne–22 entsteht und Protonen emittiert werden.

Die für die praktische Arbeit benötigten detaillierten Informationen über

Radionuklide können gezielt aus der Nuklidkarte bzw. aus den sog.

Isotopentabellen entnommen werden.


Die Energie, um den p–ÜberschussNuklidkarte (z. B. des Kernforschungszentrums

Karlsruhe) enthält in einem relativ kompakten Karten-

diagramm alle bekannten stabilen (schwarz markiert)

und radioaktiven Isotope. Die Kästchen enthalten:

das Isotop

die Isotopenhäufigkeit (in %);

die Halbwertszeit;

die Art des Zerfalls (farbige Unterlegung der Kästchen)

die Art der emittierten Strahlung;

den Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen

die häufigsten (maximalen) –, –, –Energien

  • Folgende Nuklide werden unterschieden:

  • Primordiale Radionuklide

  • Kosmogene Radionuklide

  • Medizinische Radionuklide

  • Nuklide für die Kernmesstechnik

  • Abfallnuklide der Kernenergietechnik


Darstellung der Kernübergänge, die mit den verschiedenen Energie, um den p–Überschuss

Zerfallsarten im N, Z, A – Diagramm verbunden sind


Die Energie, um den p–ÜberschussIsotopen–Tabellen enthalten das genaue Termschema des Zerfalls

mit allen möglichen –, –, –, EC–, IC–Übergängen und den zugehörigen

Energien; die relativen Häufigkeiten (Übergangswahrscheinlichkeiten)

bei Parallelprozessen (Aufspaltung EC und + u. a. m.).


2.6 Röntgenstrahlung Energie, um den p–Überschuss

Ionisierende Strahlung entsteht entweder, wie in den vorangehenden Ab-

schnitten geschildert, durch die verschiedenen Arten von Radioaktivität

oder wird gezielt (Röntgenstrahl–, Beschleunigerquellen) bzw. ungewollt

(Störstrahler) in Anlagen mit beschleunigten Ladungen bis hin zu super-

heißen Plasmen (Sternen) erzeugt.

Die Röntgenstrahlung wurde 1895 durch Röntgen bei Arbeiten über Eigen-

schaften von Kathodenstrahlen entdeckt und X–Strahlen (heute noch engl.:

X–ray) genannt. Erst 1912 wurde von v. Laue, Friedrich und Knipping

durch Beugung der Strahlen an Kristallen nachgewiesen, dass es sich bei

der Röntgenstrahlung um elektromagnetische Wellen handelt.

Eigenschaften und Wirkung der Röntgenstrahlen sind identisch mit denen von –Strah-

lung gleicher Energie, beide Strahlungsarten unterscheiden sich nur durch ihren Ur-

sprung. Während Röntgenstrahlung bei Übergängen der Hüllen–Elektronen des Atoms

(charakteristische Röntgenstrahlung) oder durch unelastische Wechselwirkung gelade-

ner Teilchen mit dem Coulombfeld der Kerne (Bremsstrahlung) ausgesendet wird, ent-

steht –Strahlung bei Übergängen zwischen verschiedenen Kernzuständen.


Gibt es Fragen ? Energie, um den p–Überschuss


ad