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Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben

Grundkenntnisse

Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat.

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Grundkenntnisse

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Vorwort

• Dieser Baustein gibt einen Überblick über die Grundbegriffe der Radioaktivität, sowie den sorgsamen Umgang mit radioaktiven Stoffen.

• Das komplette Lehrveranstaltungsmodul besteht aus vier Bausteinen. Für die weiteren Bausteine wird dieses Grundlagen-Modul benötigt.


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Inhalt

• Atomaufbau• Strahlung• Strahlenarten

und Ionisation• Isotope• Radioaktivität• Halbwertszeit• Nuklidkarte• Einheiten

• Quadratisches Abstandsgesetz

• Strahlenbelastung– Natürliche Quellen– Künstliche Quellen

• Energiespektren• Wechselwirkung mit Materie• Biologische Wirkung• Strahlenschäden


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Atomaufbau

• Proton– 1,67.10-27kg

– positiv geladen

• Neutron– 1,67.10-27kg

– ungeladen

• Elektron– 9,11.10-31kg

– negativ geladen

© http://www.medienwerkstatt-online.de


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Strahlung

• Strahlung:Ausbreitung von Teilchen und Wellen

• Auswirkungen auf Atome– nicht ionisierende Strahlung

Auswirkung auf Atome oder Moleküle: keine– ionisierende Strahlung

Auswirkung: kann aus Atome oder Moleküle Elektronen entfernen: Entstehung von positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation)

• direkt ionisierende Strahlung• indirekt ionisierende Strahlung


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StrahlungElektromagnetische Strahlung

• Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich

• Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm

© Wikimedia Commons


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Strahlenarten und Ionisierung(1)

• Teilchen– Alphastrahlung

• Schwere He-Kerne – direkt ionisierend

– Betastrahlung• Beta-: ein Elektron wird abgegeben – direkt ionisierend• Beta+: ein Elektron wird eingefangen – direkt ionisierend

– Protonen• positiv geladen – direkt ionisierend

– Neutronen• ungeladen – indirekt ionisierend

Alphazerfall © Wikimedia Commons

Betazerfall © Wikimedia Commons


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Strahlung © Wikipedia


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• Elektromagnetische Strahlung– Gammastrahlung

• Gamma-Photon – indirekt ionisierend

Gammazerfall © Wikimedia Commons


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Isotope

• Isotop

Ein Isotop ist ein Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl.

• Stabile und instabile Isotope (ca. 2500 Isotope davon 274 stabil)

• Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen = radioaktiv

• Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe:– Uran-Radium-Reihe: 238U 206Pb– Uran-Actinium-Reihe: 235U 207Pb– Thorium-Reihe: (244Pu) 232Th 208Pb– Neptunium-Reihe – kommt in Natur nicht vor:

(241Pu) 237Np 209Bi (205Tl)


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Radioaktivität

• Radioaktivität ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln.

• Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus


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Halbwertszeit (HWZ) (1)

• Die Halbwertszeit ist abhängig von der Aktivität des Elements.

• von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren

HWZ © Wikimedia Commons


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Halbwertszeit (HWZ) (2)

Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität

Isotop Halbwertszeit spezifische Aktivität

131I 8 Tage 4.600.000.000.000 Bq/mg137Cs 30 Jahre 3.300.000.000 Bq/mg239Pu 24.110 Jahre 2.307.900 Bq/mg235U 703.800.000 Jahre 80 Bq/mg238U 4.468.000.000 Jahre 12 Bq/mg232Th 14.050.000.000 Jahre 4 Bq/mg


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Nuklidkarte (1)

• Nuklide nach Protonen- und Neutronenzahl geordnet

• Neutronenzahl (N) horizontal aufgetragen• Ordnungszahl = Protonenzahl (Z) vertikal

aufgetragen• Farben entsprechen Zerfallsarten

– schwarz = stabil

• Zerfallsarten Verzweigungsverhältnisse


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Nuklidkarte (2)

Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 2006 © European Communities, 2006


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Nuklidkarte (3)

Ausschnitt aus der Karlsruher Nuklidkarte 7.Auflage 2006 © European Communities, 2006


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Einheiten

• Aktivität – Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit. – Einheit: Becquerel [Bq]

• Energiedosis – in Materie abgegebene Energiemenge pro Masse. – Einheit: Gray [Gy]

• Äquivalentdosis – Energiedosis gewichtet nach Wirkung auf menschlichen Körper.

– Einheit: Sievert [Sv]• Qualitätsfaktor – Äquivalentdosis / Energiedosis.

– Einheit: Sievert/Gray [Sv/Gy]• Dosisleistung – Äquivalentdosis pro Zeiteinheit.

– Einheit: Sievert/Stunde [Sv/h]• Dosisfaktor – Äquivalentdosis / Aktivität.

– keine Einheit; dimensionsloser Faktor [ ]


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Quadratisches Abstandsgesetz

• Dosisleistung nimmt quadratisch zur Entfernung ab.

• Strahlungsintensität I

2

2

112

21

22

2

1

2

1

r

rII

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r

I

I

rI

© Wissensportal Kernfragen http://www.kernfragen.de


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Strahlenbelastung

Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr

(Effektivdosis in mSv pro Jahr)

© http://www.ages.at


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StrahlenbelastungNatürliche Strahlungsquellen

• Kosmische Strahlung – Höhenstrahlung (300 µSv/a)– hochenergetische Teilchenstrahlung aus All.

In großer Höhe erheblich stärker als auf Meeresniveau

• Terrestrische Strahlung: (300 µSv/a)– durch in der Natur vorkommende langlebige Radionuklide (z.B.: Uran und

Thorium)

• Isotope in Nahrung (300 µSv/a)– besonders durch 40K

• Radon (1600 µSv/a)– aus den drei Zerfallsreihen der Elemente Uran und Thorium gibt es 3

verschiedene Radonisotope – 222Rn aus der 238U-Zerfallsreihe: HWZ: 3,8d– 220Rn aus der 232Th-Zerfallsreihe: HWZ: 55s– 219Rn aus der 235U-Zerfallsreihe: HWZ: 4s– 222Rn kann durch die längere Lebensdauer durch Risse in Keller strömen.– Radon ist zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen.


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StrahlenbelastungKünstliche Strahlenquellen

• Bildgebende medizinische Untersuchungen– (CT, Röntgen) (1300 µSv/a)

• Kernkraftwerke (<10 µSv/a)

• Atombombentests (<10 µSv/a)

• AKW-Unfälle:– Chernobyl: (<10 µSv/a)

• Rauchen (300 µSv/a)


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Ortsdosisleistung in ÖsterreichAktuelle Messwerte aus dem Strahlenfrühwarnsystem

http://www.lebensministerium.at/umwelt/strahlen-atom/strahlenschutz/strahlen-warn-system/messwerte_aktuell.html


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Bodenbelastung durch Cäsium-137 im Jahr 2000 (Umweltbundesamt)

http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/2001/20_radio.pdf

Einheit kBq/m²


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Energiespektren (Gamma)

Je nach Isotop mehrere verschiedene Energien für Gammaquanten möglich.

Gammaspektrum Uranerz © Wikimedia Commons


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Energiespektren (Alpha)

Die Alpha-Strahlung eines Isotops hat nur eine bestimmte diskrete Energie.

© http://dch-cern.blogspot.co.at


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Wechselwirkungen mit Materie (1)

• Alpha-Teilchen: He-Kern– schwer - stärkere Wechselwirkung – Atome werden ionisiert– Elektron wird aus der Atomhülle herausgeschlagen – nach mehreren 1000 Zusammenstößen mit Atomen abgebremst– Eindringtiefe ist gering.– Ein Papierblatt kann Alpha-Teilchen abhalten.

• Beta-Teilchen: Elektron– kleine Teilchen– geringere Wechselwirkung– größere Eindringtiefe– entsteht zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen). – Einige Millimeter dickes Aluminiumblech schirmt die Betastrahlung ab.


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• Gammastrahlung: Elektromagnetische Strahlung– verschiedene Wechselwirkungen möglich.– keine Teilchenstrahlung– in Materie exponentiell abgeschwächt– keine feste Eindringtiefe– nach einer Halbwertsschicht wird die Intensität auf die

Hälfte reduziert– Halbwertsschicht ist von der Energie der

Gammastrahlung abhängig• (z.B.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm).


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Biologische Wirkung von Strahlung

• Auswirkung auf Zellen– Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA

• Zellmutation, Zelltod– Indirekte Effekte

• Radiolyse der Aminosäuren• Wasserradiolyse – Radikale werden gebildet

• Alphateilchen:• geringe Eindringtiefe nur bis obere Hautschichten• Inkorporation gefährlich (Lungenkrebs)

• Betateilchen:• nur bis in die Haut (Verbrennungen, Hautkrebs, Augenlinsentrübung)• Inkorporation (Schilddrüsenkrebs, Knochenkrebs, Leukämie)

• Gammastrahlung:• Ionisierung und freigesetzte Sekundärstrahlung (Zellmutation, Tumor,

Metastasen)


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Strahlenschäden

• Somatische Schäden – Schäden durch Exposition– Deterministische, akute oder kausale Schädigung– Stochastische oder Spätschäden

• Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA) pro Zelle

• Teratogene Schäden– Schädigung des Embryos

• Genetische Schäden– Schäden in der Folgegeneration– 25% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger

Bestrahlung einer Keimzelle


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Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung

• Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung: das ALARA-Prinzip

• As Low As Reasonably Achievable = = so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar

• Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist eine Strahlenbelastung von Menschen, Tieren, Pflanzen so gering als möglich zu halten, wie dies mit vernünftigen Mitteln machbar ist, um die Gesundheit nicht zu gefährden.

• Sorgsamer Umgang mit radioaktiven Stoffen– Lüften von Kellern – Radon (222Rn)– Rauchen – Polonium (210Po)– Kontaminierte Lebensmittel – Wild, Pilze (137Cs) HWZ = 30a

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