Unterrichtsreihe Radioaktivitaet und Aufbau der Materie

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Größenordnungen - vom Universum zum Atomkern

Auf der Seite "Scale of the Universe" gibt es eine sehr gute Animation, in der man die Größenordnungen im Universum erforschen kann.

Längenbezeichnungen und wissenschaftliche Schreibweise

Weil in der Kernphysik mit sehr kleinen Längen umgegangen wird, bietet es sich an, die wissenschaftliche Schreibweise für sehr kleine Zahlen zu lernen. Bei der Gelegenheit bietet es sich an, die Schreibweise für sehr große Zahlen mit zu lernen. Dazu schreibt man eine Zahl mit nur einer Stelle vor dem Komma (hier 1,674.927.351) und verschiebt mit einem Trick das Komma um beliebig viele Stellen nach links oder rechts.

Der Trick ist, die Zahl mit einer Zehnerpotenz (hier 10⁻²⁷ zu multiplizieren. Ist der Exponent negativ (so wie in unserem Beispiel), wandert das Komma nach links - und zwar um so viele Stellen wie der (Betrag des) Exponent angibt (hier 27). Unser Beispiel würde in der normalen Schreibweise also folgendermaßen aussehen: 0,000.000.000.000.000.000.000.000.001.674.927.351

Weil das blöd zu Schreiben ist, hilft man sich mit der Wissenschaftlichen Schreibweise (die auch Exponenten-Schreibweise genannt wird).

Wenn der Exponent der Zehnerpotenz positiv ist, dann wandert das Komma übrigens um so viele Stellen nach rechts, wie der (Betrag des) Exponent angibt. 1,7863 ⋅ 10¹² ist also das gleiche wie 1.786.300.000.000

Wissenschaftliche Schreibweise

größer	Angabe in Meter	alternative Angabe	wissenschaftliche Schreibweise	ein Beispiel
	1.000.000m		1 ⋅ 106m
	1.000m	1km	1 ⋅ 103m	höchster Wasserfall
	100m		1 ⋅ 102m	ISS
	10m		1 ⋅ 101m	Haus
	1,7m		1,7 ⋅ 100m	Mensch
	1m		1 ⋅ 100m	Sandkiste
kleiner	Angabe in Meter	alternative Angabe	wissenschaftliche Schreibweise	ein Beispiel
	0,1m		1 ⋅ 10-1m	Maus
	0,01m	1cm (Zentimeter)	1 ⋅ 10-2m	Kaffeebohne
	0,001m	1mm (Millimeter)	1 ⋅ 10-3m	Staubkorn
	0,000.001m	1μm (Micrometer)	1 ⋅ 10-6m	Virus
	0,000.000.001m	1nm (Nanometer)	1 ⋅ 10-9m	Molekül
	0.000.000.000.1m		1 ⋅ 10-10m
	0,000.000.000.01m		1 ⋅ 10-11m
	0,000.000.000.001m	1pm (Picometer)	1 ⋅ 10-12m
	0,000.000.000.000.1m		1 ⋅ 10-13m
	0,000.000.000.000.01m	10fm (Femtometer)	1 ⋅ 10-14m

Das Auflösungsvermögen

Auge

Auf der Seite " Auflösungsvermögen#Auge " in der Wikipedia wird erklärt, wie die Begrenzung des Auges zustande kommt. Ein Objekt, dass das Auge nicht auflösen kann, kann nicht mehr als ein einzelnes Objekt wahrgenommen werden. Ein Bild dieser feinen Auflösung lässt sich am gewöhnlichen Computerbildschirm nicht darstellen, da die Auflösung des Bildschirms grober ist, als das Auflösungsvermögen des Auges.

Die kleinsten mit bloßem Auge wahrnehmbaren Objekte haben (bei der Entfernung in der man ein Buch hält) etwa eine Größe von 1 ⋅ 10^-4m.

Mikroskop

Das Auflösungsvermögen eines optischen Mikroskops ist durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt. Die Wellenlänge ist eine Eigenschaft des Lichts, die u.a. für die Farbe des Lichts verantwortlich ist.

Die kleinsten mit einem optischen Mikroskop wahrnehmbaren Objekte haben etwa eine Größe von 1 ⋅ 10^-7m.

Rasterelektronenmikroskop

Das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops ist ebenfalls begrenzt. Die kleinsten mit einem Elektronenmikroskop wahrnehmbaren Objekte haben etwa eine Größe von 1 ⋅ 10^-10m.

Atomhülle und Atomkern

Die Größe eines Atoms und eines Atomkerns

Wie du bereits weißt, besteht ein Atom aus einem Kern und einer Atomhülle. Ein Atom ist dabei in etwa 1 ⋅ 10^-10m groß, der Kern ist 10.000 kleiner!

Atomkerne

Jahrhunderte lang versuchten Alchemisten Gold aus anderen Stoffen herzustellen. Mit chemischen Reaktionen war dies jedoch nicht zu schaffen. Mittlerweile ist dies möglich (Goldsynthese), jedoch mit sehr hohen Energiekosten verbunden, so dass eine Herstellung sich gar nicht lohnt. Es bleibt aber prinzipiell die Frage, wie ist es möglich ein chemisches Element in ein anderes umzuwandeln?

Alle schwereren chemischen Elemente sind ursprünglich aus der Verwandlung von Wasserstoff zu Helium und dann zu weiteren schwereren Kernen entstanden. Dies ist nur bei hohen Temperaturen, z.B. im Inneren der Sonne möglich. Mit Hilfe von hochspezialisierten Techniken heutzutage ist es möglich, eine ganze Reihe von Elementen künstlich herzustellen. Dies geschieht im Normalfall in Teilchenbeschleunigern (s. Bild rechts) oder in Kernreaktoren.

Zahlreiche Experimente in den letzten 100 Jahren haben eine Menge an völlig neuen Erkenntnissen über den Aufbau der kleinsten Teilchen gebracht. Bereits in den den 30er Jahren des vergangenen Jahrhunderts hat man zusätzlich zum Proton das Neutron als Hauptbestandteil des Atomkerns nachgewiesen.

Um die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern direkt anzugeben, wurde eine neue Schreibweisen eingeführt: $\textstyle{{}^{14}_{6}\mathrm{C}}$. Dabei bezeichnet die obere Zahl die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern (also Protonen und Neutron zusammen).

Die untere Zahl gibt die Anzahl der Protonen im Kern an. Sie ist damit ausschlaggebend für die chemischen Eigenschaften des Elements und damit dessen Lage innerhalb des Periodensystems. Sie trägt deshalb die Bezeichnung Ordnungszahl. Die obere Zahl gibt die Zahl der Nukleonen an und gibt damit einen Hinweis auf die Masse des Kerns. Sie wird als Massezahl bezeichnet.

Ergänze die folgenden Bilder um die Angaben zur Anzahl der Protonen, der Neutronen und der Bezeichnung des zugehörigen Elements. Gib auch die entsprechende Schreibweise an.

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Zuordnung
Ordne die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen sowie die Elementbezeichnungen den jeweiligen Symbolen zu.

$\textstyle{{}^{223}_{88}\mathrm{?}}$	Radium	88 Protonen	145 Neutronen	88 Elektronen
$\textstyle{{}^{14}_{?}\mathrm{C}}$	Kohlenstoff	6 Protonen	8 Neutronen	6 Elektronen
$\textstyle{{}^{5}_{2}\mathrm{He}}$	Helium	2 Protonen	3 Neutronen	2 Elektronen
$\textstyle{{}^{100}_{?}\mathrm{Mo}}^{-}$	Molybdän	42 Protonen	58 Neutronen	43 Elektronen
$\textstyle{{}^{40}_{19}\mathrm{?}}$	Kalium	19 Protonen	21 Neutronen	19 Elektronen

Kräfte zwischen Nukleonen

Wie du weißt, ziehen sich ungleichnamige Ladungen an, wohingegen gleichnamige Ladungen sich gegenseitig abstoßen. Damit ein Kern nicht auseinander gerissen wird, ist deshalb noch eine andere Kraft notwendig. Sie muss stärker als die elektirsche Kraft sein. Diese Kraft trägt die Bezeichnung "Kernkraft". Sie wirkt nur auf sehr kleine Entfernungen, nur dann wenn zwei Nukleonen (insbesondere zwei Protonen) direkt nebeneinander liegen.

Vom Periodensystem zur Isotopenkarte

Aus der Chemie ist das Periodensystem der Elemente (oder kurz Periodensystem) bekannt. Das Periodensystem sortiert die Elemente nach Anzahl der Protonen und der Anordnung der Elektronen in den Elektronenschalen.

Für die Physik ist der genaue Kernaufbau sehr wichtig. Darüber gibt das Periodensystem aber keine Auskunft.
Nehmen wir an, wir wollen uns ein Heliumatom genauer anschauen. Aus dem Periodensystem kennen wir die Anzahl der Protonen bereits. Beim Helium sind es immer zwei. Außerdem können wir aus der Differenz aus der Massenzahl und der Ordnungszahl (=Anzahl der Protonen) auf die Anzahl der Neutronen schließen. (Fast) jedes Atom besitzt auch Neutronen. Beim Helium sind es in der Regel zwei Neutronen.

Aber es können auch Atome mit einer abweichenden Menge Neutronen vorkommen, z.B. statt zwei Neutronen nur ein Neutron. Wir sprechen dann von ³He und sagen Helium-3.

³He und das gewöhnliche ⁴He sind zwei sogenannte Isotope des Elements Helium.

Jedes Element besitzt verschiedene Isotope. Die Isotopentafel stellt alle uns bekannten Isotope in einer Tabelle dar.

Dabei sind die Isotope so angeordnet, dass ihre Protonenanzahl auf der Y-Achse und ihre Neutronenzahl auf der X-Achse abgelesen werden kann.

Darüber hinaus sind die Isotope farbig markiert. Schwarz hinterlegte Atome sind stabil, sie zerfallen nicht.

Die anderen Farben zeigen die Art des Zerfalls an, mit der das Isotop zerfällt. Uns interessieren zunächst nur die beiden in der Natur am meisten vorkommenden Zerfälle: Der α-Zerfall und der β-Zerfall.

Zerfallsarten

Bestimmte Isotope sind nicht stabil. Das bedeutet, dass sie nach einer gewissen Zeit in zwei kleinere Teile zerfallen. Welches Isotop auf welche Art zerfällt, lässt sich nachweisen. Wann aber ein einzelnes Isotop zerfällt, lässt sich nicht vorhersagen.

In der Natur kommen vor allem zwei verschiedene Zerfallsarten vor: Der Alpha-Zerfall und der Beta-Zerfall.
In beiden Fällen stößt der Kern ein Teilchen ab und schleudert es aus dem Kern heraus. Wir bezeichnen diesen Vorgang als Alpha- bzw. Betastrahlung und schreiben α-Strahlung bzw. β-Strahlung. Beides sind radioaktive Strahlen.

Radioaktive Strahlung wirkt ionisierend (man spricht daher auch von ionisierender Strahlung). Das bedeutet, dass die Strahlung Elektronen aus der Hülle eines Atoms heraus schlagen kann, wenn das Atom der ionisierenden Strahlung ausgesetzt wird. So erklärt sich die zellschädigende Wirkung ionisierender Strahlung.

Menschen haben für radioaktive Strahlung (egal ob α-, β-, oder γ-Strahlung) kein Sinnesorgan. Es gibt aber Geräte, mit denen wir radioaktive Strahlung nachweisen können. Ein weit verbreitetes Gerät ist das Geiger-Müller-Zählrohr (auch Geiger-Zähler genannt). Das Funktionsprinzip des Geiger-Müller-Zählrohrs basiert auf der ionisierenden Wirkung der radioaktiven Strahlung.

α-Zerfall

Emission eines Alphateilchens

Bei einem α-Zerfall sendet ein Atomkern ein α-Teilchen aus. Das α-Teilchen (ein Heliumkern ($\textstyle{{}^4_2\mathrm{He}^{++}}$)) wird aus dem Kern „herausgeschossen“. Dabei verringert sich die Massenzahl des emittierenden (aussendenden) Kerns um 4, die Kernladungszahl ( = Ordnungszahl ) um 2. Es entsteht also ein völlig anderes Atom.

Beispiel: $\textstyle{{}^{238}_{92}\mathrm{U}}$ → $\textstyle{{}^{234}_{90}\mathrm{Th}}$ + $\textstyle{{}^4_2\mathrm{He}^{++}}$ + Energie

Eigenschaften der α-Strahlung: Aufgrund ihrer starken, positiven Ladung haben Alphateilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie. Ihre Reichweite in Luft beträgt nur ca. 5 – 10 cm. Zur vollständigen Abschirmung reichen bereits einige Blätter Papier aus.

α-Strahlung besteht aus elektrisch geladenen Teilchen, sie wirkt stark ionisierend.

Stoffe die α-Strahlung aussenden (sog. α-Strahler) sind vor allem dann für Menschen gefährlich, wenn diese Stoffe in den Körper aufgenommen werden. Die α-Strahlung kann im inneren des Körpers schwere Schäden verursachen. Wirkt die Strahlung hingegen nur von außen, so bietet bereits die oberste Hautschicht einen sehr guten Schutz vor der α-Strahlung. Eine Ausnahme bildet hierbei die Hornhaut des Auges, die bereits durch Alphastrahlung schwer geschädigt werden kann.

β-Zerfall

β⁻-Strahlung

Bei einem β-Zerfall sendet ein Atomkern ein β-Teilchen aus. Das β-Teilchen (ein Elektron) kommt üblicherweise aber gar nicht im Kern vor! Es entsteht dadurch, dass sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt. Das Proton verbleibt im Atomkern (die Kernladungszahl nimmt dadurch um eins zu, die Massenzahl bleibt gleich!) und das Elektron wird aus dem Kern herausgeschossen.

Beispiel: $\textstyle{{}^{234}_{90}\mathrm{Th}}$ → $\textstyle{{}^{234}_{91}\mathrm{Pa}}$ + $\textstyle{\mathrm{e}^{-}}$ + Energie

Eigenschaften der β-Strahlung: β-Teilchen haben aufgrund der geringen Ladung eine deutlich höhere Eindringtiefe in Materie. Je nach Anfangsenergie (Geschwindigkeit) haben β-Teilchen in Luft eine Reichweite von bis zu mehreren Metern. Auch β-Teilchen sind elektrisch geladen. Sie wirkt schwach ionisierend. Bereits wenige Millimeter Metall (z.B. Aluminium) reichen aus, um β-Strahlung praktisch vollständig abzuschirmen.

β-Strahlung kann auch bei äußerer Einwirkung auf den menschlichen Körper Zellen im Inneren des Körpers schädigen. Die schädigende Wirkung der β-Strahlung ist allerdings nicht so stark wie bei der α-Strahlung. Um die gleichen Schäden zu verursachen ist also eine höhere Strahlendosis erforderlich.

γ-Strahlung

γ-Strahlung ist (wie Licht oder Röntgenstrahlung) eine elektromagnetische Welle. Sie tritt in der Regel als Folge vom α- und β-Zerfall auf. Bei diesen Zerfällen wird Energie vom Atomkern abgegeben. Diese Energie wird sowohl in Form von γ-Strahlung als auch in Form von Wärme vom Atom abgegeben. Es gibt für das Auftreten von γ-Strahlung auch andere Ursachen, z.B. andere Kernreaktionen.

Eigenschaften von γ-Strahlung: γ-Strahlung wirkt schwach ionisierend. Die Abschirmung von γ-Strahlung ist sehr schwierig. Grundsätzlich wird die abschirmende Wirkung mit wachsender Dicke der Barriere und mit zunehmender Massenzahl des abschirmenden Materials größer.

Darstellung aller möglichen Kern-Zerfälle

α-Zerfall in der Nuklidkarte

Der α-Zerfall (sprich: Alpha-Zerfall) lässt sich in der Nuklidkarte verfolgen. Der Kern verliert dabei zwei Protonen und zwei Neutronen (also einen Helium-Kern ($\textstyle{{}^{4}_{2}\mathrm{He}}$)). Um vom Ausgangs-Isotop zum Ziel-Isotop zu gelangen geht man zwei Zeilen nach unten (für die verlorenen Protonen) und zwei Spalten nach links (für die verlorenen Neutronen).

Darstellung aller möglichen Kern-Zerfälle

β-Zerfall in der Nuklidkarte

Auch der β^--Zerfall (sprich: Beta-Zerfall) lässt sich in der Nuklidkarte verfolgen. Der Kern wandelt ein Neutron in ein Proton (und ein Elektron) um. Um vom Ausgangs-Isotop zum Ziel-Isotop zu gelangen geht man eine Zeilen nach links (für das verschwundene Neutron) und eine Spalte nach oben (für das dazu gewonnene Proton).

Weitere Informationen in der Nuklidkarte

Die farbige Kennzeichnung der Isotope (oder Nuklide) verrät etwas über die Zerfallsart. Für uns sind drei Farben wichtig:

• schwarzer Hintergrund: Das Isotop ist stabil. Es zerfällt nicht weiter, es ist nicht radioaktiv.
• sehr hell grauer Hintergrund: Das Isotop zerfällt über den β-Zerfall. Es handelt sich daher um einen β-Strahler.
• sehr dunkel grauer Hintergrund: Das Isotop zerfällt über den α-Zerfall. Es handelt sich daher um einen α-Strahler.

Bei den stabilen Isotopen steht eine Prozent-Angabe unter dem Element-Symbol. Sie gibt den prozentualen Anteil des Isotops in dem natürlich vorkommendem Element an.
Bei den radioaktiven Isotopen steht eine Zeit unter dem Element-Symbol. Sie gibt die Halbwertszeit des Isotops an.

Die Halbwertszeit eines Isotops beschreibt die Zeit die vergeht, bis von einer gegebenen Menge des Isotops die Hälfte der Kerne zerfallen ist (sich also in ein anderes Element umgewandelt hat). Nach einer Halbwertszeit ist noch die Hälfte von den ursprünglichen vorhandenen Isotopen übrig. Nach einer weiteren Halbwertszeit hat sich die restliche Menge des Isotopes erneut halbiert usw.

Aufgabe 1: Interaktive Zerfallsgleichungen (dwu)

Aufgabe 2: Erläutere, warum es beim Gamma-Zerfall keine Gleichung gibt, die mit den Gleichungen zum Alpha- bzw. Beta-Zerfall vergleichbar wäre.

Zerfallsreihe

Ergänze die fehlenden Zerfallsprodukte der Neptunium-Zerfallsreihe

Uran-238

-> Thorium-234

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-> Blei-206

Ionisierende Strahlung

In den Jahren 1885/86 wurden zwei Strahlungsarten entdeckt. Durch Wilhelm Conrad Röntgen die X-Strahlung und durch Herni Becquerell die Alpha und Beta-Strahlung. Beide Strahlenarten haben Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, beide haben die Eigenschaft, dass sie Moleküle – insb. die im menschlichen Körper – ionisieren können.

Wiederhole aus dem Chemieunterricht, 
was man unter dem Begriff der 
Ionisation von Molekülen versteht. 
Erstelle dann eine kurze 
Zusammenfassung.

Geiger-Müller-Zähler

Da der Mensch kein Sinnesorgan für die ionisierenden Strahlen hat, musste man Vorrichtungen entwickeln, mit denen man diese Strahlungsarten nachweisen und ggf. auch messen kann. Deren Funktionsprinzip beruht häufig auf der ionisierenden Wirkung dieser Strahlen. So. z.B im Geiger-Müller-Zählrohr.

Aufgabe: Erkundige dich über die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohrs und ergänze den nachfolgenden Text:

Das Zählrohr ist mit einem Gas gefüllt. Durch eine kleine Öffnung, die mit einer dünnen Folie bedeckt ist, können radioaktive Strahlen in das Innere des Zählrohrs gelangen. Innerhalb des Zählrohrs befindet sich ein dünner Draht. Zwischen dem Draht und der äußeren Hülle des Zählrohrs wird eine hohe Spannung angelegt. Gelangen nun radioaktive Strahlen in das Innere des Rohrs, so ionisieren sie die Moleküle des Gases, es entstehen dann positive und negative Ionen (und Elektronen), die sich - je nach Ladung - zu dem Draht bzw. zu dem Gehäuse mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen. Auf ihrem Weg stoßen sie auf andere Moleküle, die bei dem Zusammenstoß ebenfalls ionisiert werden. Es entsteht eine Lawine von Teilchen, die sich erst an dem Draht (oder dem Gehäuse) entlädt. Das Messgerät registriert dann eine Veränderung der Spannung, die in einem angeschlossenen Lautsprecher als kurzes Knacken hörbar gemacht wird.

Nulleffekt

Nach dem Einschalten des Zählrohrs kommt es zu der Anzeige von mehreren radioaktiven Impulsen pro Minute. Wo aber kommen die auslösenden Strahlen her?

Aufgabe: 
Erkundige dich, wie diese sogenannte 
Nullrate zustande kommt. Fasse die 
auslösenden Quellen in drei Gruppen 
in Form einer Mindmap

		Kosmische Strahlung
	Umwelteinflüsse
Terrestrische Strahlung		Zivilisatorische Einflüsse

Weitere Hilfen bei Leifi

Kleine Rechenaufgabe: Wie du bereits weißt, ereignen sich im Geiger-Müller-Zähler einige Zerfälle pro Minute. In fast allen Fällen, sind die radioaktiven Strahlen durch das ca. 1cm² große Fenster des Zählers in das Rohr gelangt. Berechne, wie viele radioaktive Strahlen auf die Haut eines Menschen pro Minute gelangen (beim Erwachsenen hat die Haut die Fläche von ca. 2m²)

Wirkung der radioaktiven Strahlung auf den Menschen

(in Anlehnung an Wikipedia: Strahlenbiologie)

Empfehlenswerter Einstieg: Film "Quarks & Co: Mensch gegen Strahlung", Minute 6-14

Empfehlenswerter Einstieg als Film: Quarks & Co: Mensch gegen Strahlung, Minute 6-14.

Die Untersuchung von Wirkungen ionisierender Strahlung auf Lebewesen ist die Hauptaufgabe der Strahlenbiologie

Datei:Ssvsds.jpg

Einzel- und Doppelstrangbruch der DNA

Ionisierende Strahlen beeinflussen Körperzellen durch Ionisation der Moleküle. Im Allgemeinen sind dabei nicht die wenigen direkten Treffer an den Makromolekülen, sondern überwiegend die Bildung von Radikale im Gewebe von Bedeutung. Die Radikale oxidieren wichtige zelluläre Makromoleküle und stören deren Funktion.

Dabei ist nur der im Gewebe absorbierte Anteil der eingestrahlten Energie wirksam. Eine Strahlung kann durch die Energiemenge (die ein Strahlungsteilchen pro Mikrometer abgibt) charakterisiert werden.

In der Strahlenbiologie wird stattdessen auch die relative biologische Wirksamkeit verwendet, ein Faktor, der die Schädlichkeit einer Strahlung im Vergleich zu 250-kV-Röntgenstrahlen angibt.

Strahlenschäden an Biomolekülen (Proteinen/Lipiden) können problemlos ertragen werden, ihre Auswirkungen auf die Zellfunktionen sind minimal.

Dagegen führen Radikalreaktionen mit der DNA (Erbsubstanz) manchmal zum Zelltod oder zur Mutation, da jede Zelle nur über zwei Kopien verfügt und die Reparaturmechanismen begrenzte Kapazität haben.

Die meisten Strahlenfolgen sind erst ab einer gewissen Mindestdosis nachweisbar, das heißt, dass Strahlung in der Größenordnung der natürlichen Hintergrundstrahlung gilt in dieser Beziehung als ungefährlich.

Neben der Mutation und dem Zelltod kommt es in Säugetierzellen nach Bestrahlung auch zu Verzögerungen des Zellzyklus, und zuvor unbegrenzt teilungsfähige Stammzellen und Krebszellen können nach Bestrahlung ausdifferenzieren und ihre Klonbildungsfunktion verlieren.

Unterschiedliche Gewebe sind unterschiedlich strahlenempfindlich. Je niedriger der Sauerstoffpartialdruck im Gewebe, desto unempfindlicher ist es auf ionisierende Strahlen.

Auch der makroskopische Aufbau der Organe spielt eine Rolle: Linear aufgebaute Organe wie der Dünndarm oder das Rückenmark sind wesentlich stärker gefährdet als parallel aufgebaute wie z. B. Drüsen.

Auf Basis der Spätfolgen, die wesentlich gefürchteter sind als die frühe Strahlungswirkung, hat man für die meisten Organe und Gewebe Toleranzdosen definiert. Beispielsweise liegt die TD_5/5 der Augenlinse für die Linsentrübung(grauer Star) bei 10 Gy

Die Empfindlichkeit von Tumoren gegenüber ionisierender Strahlung ist in der Regel höher als die von gesunden Geweben. Sie sind gekennzeichnet durch eine kürzere Zellzykluszeit (< 2 Tage) und einen höheren Anteil an sich teilenden Zellen (Wachstumsfraktion > 40 %). Die Verträglichkeit von Strahlung ist höher, wenn die Dosisleistung (= Dosis pro Zeiteinheit) gering ist oder die Strahlung auf viele kleine Behandlungen verteilt wird. Das liegt an den sofort nach Strahleneintritt anlaufenden Gewebereaktionen:

• Reparatur (enzymatische Korrektur der Einzel- und Doppelstrangbrüche und Basenfehler in der DNA)
• Redistribution (Fortsetzung der unterbrochenen Zellzyklen, sodass wieder Zellen aus allen Phasen vorliegen)
• Reoxygenierung (erhöhte Sauerstoffversorgung im Gewebe)
• Repopulation (Nachwachsen von Zellen)

Die Menschen und andere Lebewesen haben gelernt mit der Radioaktivität, die in der Natur vorhanden ist zu leben. Die Zellen können evtl. Schäden ohne weiteres reparieren. Voraussetzung ist allerdings, dass die Zahl der Reparaturen nicht zu groß ist. Sollten die Menschen der radioaktiven Strahlung ausgesetzt werden, weil das für ihre Arbeit, für die Gesundheit oder wegen anderer Gründe notwendig ist, so muss stets darauf geachtet werden, dass die (unerwünschte) Strahlendosis minimal ist.

Aufgabe: Recherchiere, wo kommen Menschen mit einer erhöhten Dosis der radioaktiven Strahlung in Kontakt.

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Um herauszufinden, wie man sich vor einer übermäßigen Strahlendosis schützen kann, ist es nützlich etwas über Eigenschaften der radioaktiven Strahlen herauszufinden:

1. Finde heraus, wie sich der Abstand des Zählerrohr von der Quelle der radioaktiven Quelle auf die Anzahl der gemessenen Impulse auswirkt.

1. Finde heraus, wie sich die Zählrate mit Hilfe des Abschirmmaterials, das zwischen das Zählrohr und die Strahlungsquelle gestellt wird verändert. Notiere deine Ergebnisse in der Form einer Tabelle:

Nullrate	gemessene Intensität
ohne Abschirmmaterial
1 Blatt Papier
2 Blatt Papier
4 Blatt Papier
1 dünne Aluminiumplatte
2 dünne Aluminiumplatte
1 dünne Bleiplatte

Fasse deine Beobachtungen zusammen:

Verhalten der radioaktiven Strahlen im Magnetfeld.

(Vgl. hierzu z.B. Graphik im Buch DornBader "Physik" auf Seite 219)

Beschrifte die Strahlen. Überlege dir zunächst auf Grund welchen physikalischen Gesetzes man eine Aussage über die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen in einem Magenfeld treffen kann.

Aufgabe:Was kann man auf der Grundlage obigen Beobachtungen über die Möglichkeiten des Schutzes vor radioaktiven Strahlung sagen?
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Die Ablenkung der Strahlen durch einen Magneten spielt keine Rolle in den Anwendungen auf der Erde, dennoch war und ist diese Eigenschaft enorm wichtig für das Entstehen von Leben auf unserem Planeten.

Erkundige dich, was mit dem Magnetschild der Erde gemeint ist und was das mit der radioaktiven Strahlung zu tun hat.
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Praktischer Strahlenschutz

(aus Wikipedia)

Die von einer Strahlenquelle gegebener Art empfangene Dosis hängt ab

• von der Aktivität der Quelle,
• von der Aufenthaltsdauer nahe der Strahlenquelle,
• vom Abstand zur Strahlenquelle (außer bei sehr ausgedehnten Strahlenquellen),
• von der Abschirmung durch Materie zwischen Quelle und Person.

Maßnahmen, um unvermeidliche Belastungen beim Umgang mit Strahlenquellen möglichst gering zu halten, sind daher:

• Auswahl von Bedingungen, die mit kleinstmöglicher Exposition des Personals das erwünschte Ergebnis erreicht,
• Vorausschauende Organisation und Planung des Arbeitsvorgangs, um die Expositionsdauer kurz zu halten,
• möglichst großer Bestrahlungsabstand, beispielsweise durch Benutzung langer Greifzangen,
• Benutzung geeigneter Abschirmungen.

Als Merksatz wird häufig von den „A-Regeln“ gesprochen, die den sicheren Umgang mit Strahlenquellen verdeutlichen:

• Aktivität begrenzen,
• Aufenthaltsdauer minimieren,
• Abstand halten,
• Abschirmung verwenden,
• Aufnahme vermeiden.

Ionisierende Strahlung hat im Vergleich zu anderen Arbeitsplatzrisiken (etwa luftgetragenen Giften oder Mikroorganismen) den Vorteil, dass sie mit kleinen, überall einsetzbaren Geräten Dosimetern leicht messbar ist.

Welche Menge an radioaktiver Strahlung ist überhaupt zulässig?

Diese Frage lässt sich nicht mit einem einfachen Wert beantworten, da es sich je nach Strahlungsart und je nach bestrahlten Organ um verschiedene zulässige Größen handelt.

Man unterscheidet prinzipiell zwischen:

• Strahlendosis
• Äquivalentdosis und
• Effektivdosis

Strahlendosis: bezeichnet Größen, die die Auswirkung ionisierender Strahlung in Materie beschreiben. Dosisenergie oder Energiedosis ist die von der Strahlung pro Masseeinheit an das Material abgegebene Energie, Dosisleistung die pro Masseeinheit abgegebene Leistung.

Die entscheidende Größe für die Wirkung von Strahlung ist die geleistete Arbeit in Materie, also die in ein Volumen übertragene Energie (Einheit: J = Joule).

Energiedosis Die Energiedosis ist die über die gesamte Bestrahlungsdauer aufgenommene Energie bezogen auf die bestrahlte Masse. Man unterscheidet physikalische Dosisgrößen für verschiedene Anwendungsbereiche:

Äquivalentdosis ist eine Dosisangabe für ionisierende Strahlung, die im Strahlenschutz verwendet wird. Sie berücksichtigt neben der übertragenen Energiedosis auch die relative biologische Wirksamkeit (RBW) der verschiedenen Strahlenarten. Beispielsweise sind bei gleicher Energiedosis Alphateilchen um ein Vielfaches wirksamer als Photonen der Gammastrahlung oder Röntgenstrahlung.

Um ein geeignetes einheitliches Maß für alle Strahlenarten und die Wirkung ihrer Expositionen zu erhalten, definiert man für jede Strahlenart Wichtungsfaktoren. Der Wichtungsfaktor drückt die Vielfachheit der Wirksamkeit im Vergleich mit einer Bezugsstrahlung (mit Wichtungsfaktor 1) aus. Gewichtet wird die Energiedosis. Eine gewichtete, d. h. mit dem Wichtungsfaktor multiplizierte Energiedosis wird Äquivalentdosis genannt. Äquivalentdosen jeder Strahlenart können in ihrer Wirkung direkt miteinander verglichen und durch Vergleich mit einer dosisgleichen Exposition der Bezugsstrahlung leicht bewertet werden.

Die effektive Dosis oder früher auch effektive Äquivalentdosis ist ein Maß für die Strahlenexposition des Menschen. Zusätzlich zur Organdosis und zur Äquivalentdosis, welche bereits die unterschiedliche Wirksamkeit der verschiedenen Strahlungsarten (z. B. Alpha-, Beta-, Gamma-, Röntgenstrahlung- oder Neutronenstrahlung) miteinbeziehen, berücksichtigt die effektive Dosis auch die unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe gegenüber ionisierender Strahlung. Die Haut des Menschen ist z. B. weit weniger empfindlich gegenüber einer Strahlenexposition als verschiedene innere Organe.

Um diese Unterschiede zu berücksichtigen, wird durch die Bestimmung einer effektiven Dosis das Risiko für das Auftreten stochastischer Wirkungen bei Exposition einzelner Organe und Gewebe oder des ganzen Körpers bewertet.

Zur Berechnung der effektiven Dosis $E$ werden die Organdosen H_T mit den Gewebe-Wichtungsfaktoren w_T (siehe unten) des Organs T multipliziert. Die Summe der so gewichteten Organdosen ergibt die effektive Dosis:

$E = \sum_\mathrm{T} w_\mathrm{T} \cdot H_\mathrm{T}$.

Die Einheit der effektiven Dosis ist ebenso wie die der Organdosis das Sievert, Kurzzeichen Sv.

Gewebe-Wichtungsfaktoren werden für die weltweite Verwendung von der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP) vorgeschlagen. Die folgende Tabelle zeigt Vorschläge, die 1991 und 2007 veröffentlicht wurden:

Organe und Gewebe	ICRP 60 (1990)	ICRP 103 (2007)
Keimdrüsen	0,20	0,08
Knochenmark (rot)	0,12	0,12
Dickdarm	0,12	0,12
Lunge	0,12	0,12
Magen	0,12	0,12
Blase	0,05	0,04
Brust	0,05	0,12
Leber	0,05	0,04
Speiseröhre	0,05	0,04
Schilddrüse	0,05	0,04
Haut	0,01	0,01
Knochenoberfläche	0,01	0,01
Speicheldrüsen	nicht definiert	0,01
Gehirn	nicht definiert	0,01
übrige Organe und Gewebe	0,05	0,12
Summe	1,00	1,00

Halbwertszeit

Atombombenabwürfe und Kernreaktorunglücke

Gegen Ende des 2. Weltkrieges kam es zum Einsatz von sog. Atombomben über den japanischen Städten Hiroshima und Nagasaki. Dabei wurde eine Menge radioaktiver Strahlung freigesetzt. Nichtsdestotrotz sind diese Städte sehr schnell wieder aufgebaut worden und die Menschen und andere Lebewesen scheinen dort ohne größere Risiken leben zu können. Bei den Kernreaktorkatastrophen von Tschernobyl und Fukushima weiß man allerdings, dass ein Leben dort noch Jahrzehnte nur mit der radioaktiven Gefahr möglich sein wird. Dieses hängt mit der Dauer zusammen, welche die radioaktiven Materialien brauchen um soweit zu zerfallen, dass deren Strahlung nicht mehr bedrohlich ist. Diese Dauer ist jedoch nicht bei allen Stoffen gleich und schwankt zwischen einigen Mikrosekunden und Milliarden von Jahren.

Recherchiere zuerst, welche Stoffe 
in Hiroshima und welche in Fukushima 
für die Erzeugung der radioaktiven Strahlen 
verantwortlich waren. Nach wie vielen 
Jahren zerfallen diese jeweils?


 

Veranschaulichungen zur Halbwertzeit

Wie du aus der Isotopen-Tabelle erkennen kannst, zerfallen verschiedene Nuklide in unterschiedlichen Zeiten.

Aufgaben: 
# Nach welcher Zeit ist ein Gramm Uran-233 zur Hälfte zerfallen?
# Wie könnte man den zufälligen Zerfall mit Würfeln (oder Lego-Klötzchen) nachbauen?
# Welche Kurve ergibt die Anzahl der noch nicht zerfallen Kerne (evtl. Excel)?
# Erkundige dich, wie man die Halbwertzeit in dem Ionisationskammer-Versuch demonstrieren kann?

Halbwertzeit nach Wikipedia

Halbwertzeit (abgekürzt HWZ, Formelzeichen meist $T_{1/2}$) ist die Zeitspanne, nach der die Hälfte der ursprünglichen Substanz zerfallen ist. Sie hängt weder von der Anfangsmenge noch von der bereits verstrichenen Zeit ab.

Nuklidkarte mit farblich gekennzeichneter Größenordnung der Halbwertszeit

Periodensystem der Elemente gefärbt nach der Halbwertszeit ihres stabilsten Isotops.

Man kann somit nur noch die Hälfte der Aktivität des Radionuklids messen. 50 % der Atomkerne haben sich unter Aussendung ionisierender Strahlung in ein anderes Nuklid umgewandelt; dieses kann seinerseits ebenfalls radioaktiv sein oder nicht. Für jedes Nuklid ist die Halbwertszeit eine feste Größe, die sich nicht beeinflussen lässt.

Die Halbierung gilt allerdings nur als statistischer Mittelwert. Man findet sie umso genauer bestätigt, je mehr nicht zerfallene Atome die betrachtete Probe noch enthält. Der Zeitpunkt der Umwandlung eines einzelnen Atomkerns kann NICHT vorhergesagt werden, nur die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung pro Zeiteinheit kann angegeben werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein betrachteter einzelner Kern sich innerhalb der ersten Halbwertszeit umwandelt, beträgt 50 %, dass er sich innerhalb von zwei Halbwertszeiten umwandelt, 50 % + 25 % = 75 %, bei drei Halbwertszeiten 50 % + 25 % + 12,5 % = 87,5 % usw. (Wikipedia: Halbwertszeit)

Es gibt radioaktive Halbwertszeiten im Bereich von weniger als einer Mikrosekunde bis zu einigen Quadrillionen Jahren. Polonium-212 beispielsweise hat 0,3 µs Halbwertszeit, Tellur-128 dagegen etwa 7·10²⁴ (7 Quadrillionen) Jahre.

Eng verknüpft mit der Halbwertszeit eines Radionuklids ist seine spezifische Aktivität, also die Aktivität pro Masse, ausgedrückt z. B. in Becquerel pro Milligramm: Bq/mg. Dabei bezeichnet die Aktivität im Allgemeinen die Anzahl der Kernzerfälle pro Zeiteinheit, die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). 1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde.

Erst Ende des 20. Jahrhunderts sind einige früher als stabil geltende Nuklide als extrem langlebige Radionuklide „entlarvt“ worden, zum Beispiel ¹⁴⁹Sm, ¹⁵²Gd (beides Lanthanoide), ¹⁷⁴Hf, ¹⁸⁰W und ²⁰⁹Bi mit Halbwertszeiten von bis zu einigen Trillionen Jahren. Die Aktivität ist bei so langen Halbwertszeiten entsprechend gering und nur mit großem Aufwand nachweisbar.

Radiokarbonmethode

in Anlehnung an: http://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Radiokarbonmethode gem CC-BY-SA-3.0

Wie du bereits weißt, kommt jedes chemische Element in der Natur mit unterschiedlich vielen Neutronen vor. Wir bezeichnen die verschiedenen Erscheinungsformen eines Elements als 'Isotope dieses Elements. Ein Beispiel: Natürlich vorkommender Wasserstoff (gemeint ist natürlich nur der Kern) besteht zu 99,985% aus Isotopen mit einem Proton und ohne Neutronen. Zu 0,015% besteht das Wasserstoffatom jedoch aus einem Proton und einem Neutron! Dieses Wasserstoffisotop wird auch als Deuterium bezeichnet.
Künstlich lässt sich sogar Wasserstoff mit zwei Neutronen erzeugen. Wir bezeichnen dieses Isotop als Tritium.

  Aufgabe 1: Fingerübung

Notiere die drei Wasserstoffisotope in der physikalischen Schreibweise!

Wir kennen 9 verschiedene Kohlenstoff-Isotope. Wie die meisten anderen Isotope haben diese aber keine eigenen Namen. Wir sprechen stattdessen von C12 (sprich: C-zwölf oder Kohlenstoff 12). Kohlenstoff kommt (teilweise künstlich erzeugt) als C9, C10, ... C16 und C 17 vor. In der Natur finden wir vor allem C12, C13 und C14.

C14 ist etwas besonderes, denn es verändert sich nach einiger Zeit. Ein Neutron zerfällt in zwei andere Teilchen: Ein Proton und ein Elektron!

  Aufgabe 2

Notiere in der physikalischen Schreibweise das Isotop C14!
Untersuche mit Hilfe des Periodensystems, was mit dem Isotop passiert und notiere das Ergebnis ebenfalls!

Wie du weißt, wird dieser Vorgang als Beta-Zerfall bezeichnet. Es gibt sehr viele verschiedene Isotope die nach einer gewissen Zeit einen Beta-Zerfall ausführen. Das C14 Isotop ist allerdings deswegen so besonders, weil es in allen Lebewesen in einem bestimmten Verhältnis vorhanden ist. In der Natur kommen drei Isotope des Kohlenstoffs vor: 12C, 13C, 14C. Isotopenuntersuchungen zeigen, dass der Anteil am Gesamtkohlenstoffgehalt in der Luft für 12C etwa 98,89 %, für 13C etwa 1,11 % und für 14C 0,000.000.000.1 % beträgt. Auf 1.000.000.000.000 (1 Billion) 12C-Kerne kommt so statistisch nur ein einziger 14C-Kern.

14C wird ständig durch Kernreaktionen in der oberen Schicht der Erdatmosphäre neu gebildet. Zwischen ständiger Neubildung und ständigem Zerfall bildet sich ein ungefähres Gleichgewicht aus.

Menschen, Tiere und Pflanzen nehmen es mit der Nahrung (bzw. Nährstoffen) auf. Stirbt die Pflanze ab, kann sie kein weiteres C14 mehr aufnehmen und die C14-Konzentration nimmt langsam ab.

Die Nachweisgrenze von 14C liegt bei 1 Teil pro Billiarde (1.000.000.000.000.000), entsprechend einer Konzentration von etwa einem Tausendstel der Menge an 14C in einer frischen Probe und wird durch Beschränkungen der Messgeräte sowie in sehr geringen Mengen vorhandenes „Untergrund 14C“ aus anderen Quellen bestimmt. Durch den radioaktiven Zerfall nimmt die Menge von 14C mit der Zeit ab. Nach 10 Halbwertszeiten, (das sind für C14 ca. 57.300 Jahre), liegt der Anteil unterhalb der Nachweisgrenze. Die Radiokarbonmethode ist daher nur für jüngere Proben anwendbar. Für die Altersbestimmung erdgeschichtlicher Fossilien z. B. in Bernstein, Braunkohle, Steinkohle oder Diamanten, ist sie unbrauchbar.

  Aufgabe 3

Beschreibe, wie mit Hilfe der Bestimmung der C14-Konzentration das Alter eines archäologischen Fundes (z.B. ein hölzernes Boot) bestimmt werden kann!

Atommüll

Erkundige dich, welche Probleme der sogenannte Atommüll bereitet. Welche Probleme muss man bezüglich seiner Lagerung beachten? Für wie viele Jahre müssen entsprechende Lagerstätten gemietet werden?

Strahlenmedizin

Strahlen schaffen Durchblick

Der wohl bekannteste Einsatz der Radioaktivität in der Medizin ist die Aufnahme von Röntgenfotos des menschlichen Körpers. Erkundige dich mittels des Films Strahlen schaffen Durchblick (Planet Schule) wie Röntgenfotos zustande kommen und was man wie erkennt.

Kurze Zusammenfassung des Films:

Röntgengeräte und Röntgenstrahlung

Heute kann man sich Röntgengeräte gar nicht mehr aus dem Alltag wegdenken. Ob am Flughafen oder in der Medizin, überall sind sie fest in unseren Alltag integriert. Alles begann vor über 100 Jahren: Am 8.11.1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), bei einem seiner Experimente mit einer Gasentladungsröhre, die heutige Röntgenstrahlung. Dabei leuchteten fluoreszierende Kristalle auf, wobei sich die Strahlen auch nicht durch Abdunkeln aufhalten ließen. So stellte er fest, dass die Strahlen, welche Wilhelm Röntgen X-Strahlen‘‘‘ nannte, unterschiedlichste Materialien durchdringen können. Dadurch, dass er als erster die Hand seiner Frau röntgte, wurde er weltberühmt und erhielt 1901 den ersten Physik-Nobelpreis.

Röntgenstrahlung entsteht in einer luftleeren Glasröhre, wobei zwischen einer erhitzten Kathode und einer Anode eine hohe Spannung erzeugt wird. Dabei treten die Elektronen aus der Glühkathode aus und treffen stark beschleunigt auf den Pluspol der Anode. Sie dringen durch die Atomhülle ein, werden aber durch den Atomkern abgebremst, wobei wiederum Energie freigesetzt wird (meist Wärmeenergie, ca. 1% in Form von Röntgenstrahlung). Zum Teil wird diese in Form von Röntgenstrahlung, auch Bremsstrahlung genannt, aber auch in Form von Röntgenstrahlung mit besonderes großer Intensität und bestimmter Energie, welche vom Material der Anode abhängig ist, abgegeben.

Wenn die beschleunigten Elektronen in den kernnahen Bereich der Anode gelangen, schlagen sie Elektronen aus den inneren Schalen heraus und die anderen Elektronen der äußeren Schalen müssen aufrücken. Dabei kommt es zu der Entstehung eines Röntgenquants. Da sich dabei der energetische Zustand erhöht, werden charakteristische Röntgenstrahlen ausgesendet, wodurch der Energiezustand der Anode niedriger wird. Heutzutage findet man die Röntgenstrahlung zum Beispiel bei der Computertomographie, wo dann das rotierende Gerät Querschnitte des Körpers macht. Dies geschieht durch das Aussenden der Strahlung, wodurch ein spezielles Helligkeitsmuster entsteht. Dann fangen Detektoren die Strahlung auf und der Computer bekommt die Informationen in Daten umgewandelt.

Röntgenpass

Recherchiere, was ein Röntgenpass ist und welchem Zweck er dient

Weitere medizinische Anwendungen der Radioaktivität

Außerdem gibt es aber noch zahlreiche andere Anwendungen der Radioaktivität in der Medizin. Erkundige dich über die folgenden Verfahren und erstelle eine kurze Zusammenfassung:

• Computertomographie
• Strahlentherapie

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• http://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Halbwertszeitsimulator

• http://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Wie_ein_Atomkraftwerk_funktioniert

• http://www.zum.de/dwu/pke001vs.htm

• http://www.zum.de/dwu/pke002vs.htm

• http://www.zum.de/dwu/pke005vs.htm

• http://wiki.zum.de/wiki/Gymnasium_Stein/Physik/Klasse_9/Radioaktiver_Zerfall/Quizz

• http://wiki.zum.de/wiki/Gymnasium_Stein/Physik/Klasse_9/Radioaktiver_Zerfall

• Radioaktivität (Leitprogramm ETH)

• Radioaktivität

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