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Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner V11 05.02.2007

1Nuklidkarte

N

Z


2

Instabilität der Atomkerne: radioaktive Zerfälle

Bekannteste Arten:

• α-Zerfall: Mutterkern → Tochterkern + Heliumkern

• β-Zerfall: Mutterkern → Tochterkern + Elektron + Neutrino

• γ-Zerfall: Mutterkern → Tochterkern + Photon

teNtN λ−⋅= 0)(

λ2ln

2/1 =T


3

Abschwächung von γ- und Röntgenstrahlung (X-rays):

Dicke d

deIdI ⋅−⋅= µ0)( µ

2ln2/1 =dz.B. Blei

Abschirmung von α-Strahlung (Heliumkerne):Reichweite der α-Teilchen in Luft = wenige cmschon dünnes Papier oder Kleidung schirmt die Strahlung ab.

Abschirmung von ß-Strahlung (Elektronen mit Energien bis zu einigen MeV):einige mm Aluminium reichen zur Abschirmung.

Man braucht einige cm Blei um γ-Strahlung abzuschirmen


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1. Uran-Radium-Reihe: 238U (T = 4.5 Milliarden Jahre), 206Pb; (4n+2 Reihe)

2. Uran-Actinium-Reihe: 235U (T = 0.7 Milliarden Jahre), 207Pb; (4n+3 Reihe)

3. Thorium-Reihe: 232Th (T = 14 Milliarden Jahre), 208Pb; (4n Reihe)

4. Neptunium-Reihe: 241Pu (T = 2 Millionen Jahre), 209Bi; (4n+1 Reihe)

Die 4. Zerfallsreihe kommt in der Natur nicht vor, da das langlebigste Glied 237Np dieser Reihepraktisch vollständig zerfallen ist, und die Zwischenprodukte kurze Halbwertszeiten haben.

Radioaktive Zerfallsreihen


5Beispiel: Die 238U Zerfallsreihe

Neutronen

Protonen


6

Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit Materie:

Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung (γ und X) mit Materie:

1. Photoeffekt 2. Comptoneffekt 3. Paarerzeugung


7

Nachweismethoden für ionisierende Strahlung:

Beispiel: Zählrohr


8

Dringen ionisierende Strahlen, ob elektromagnetische Wellen odergeladenen Teilchen in das Gewebe ein, können wichtige Moleküle, insbesondere die Erbsubstanz, beschädigt werden.

Dagegen hat der Körper Reparatur- und Anpassungsmechanismen zur Verfügung, die aber versagen können, etwa wenn die Strahlungsintensität zu hoch ist.

Unterschied: Locker ionisierende Strahlung – Dicht ionisierende Strahlung

Wirkung von ionisierender Strahlung auf den Organismus


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Locker ionisierende Strahlung (Gamma, Röntgen, Beta (Elektronen))

Einzelstrangbrüche können sehr effizient repariert werden, da das komplementäre Nukleotid auf dem gegenüberliegenden Strang unbeschädigt ist. Aber bei etwa jeder tausendsten Reparatur ist mit einem Fehler zu rechnen, der dann bei der Zellteilung weiter vererbt wird.

Einzelstrangbruch

Dicht ionisierende Strahlung (Alpha, Neutronen)

Doppelstrangbrüche sind nicht fehlerfrei zu reparieren

Doppelstrangbruch


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Dosimetrie und Strahlenschutz: Einheiten und Messgrößen

Energiedosis D

Dosisleistung

Äquivalentdosis H

Relative biologische Wirksamkeit q:Röntgenstrahlen, γ, β q = 1α – Teilchen q = 20Neutronen q = 2-10 (je nach Energie)

Aktivität A


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Dosisgrenzwerte (mSv pro Kalenderjahr)

-150 mSvLunge, Magen, Blase

-300 mSvSchilddrüse, Knochenoberfläche

-50 mSvKeimdrüsen, Gebärmutter, rotes Knochenmark

50 mSv500 mSvHaut

15 mSv150 mSvAugenlinse

1 mSv20 mSvGanzkörper

BevölkerungBeruflichstrahlenexponiertePersonen

Organ *)

Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz, Stand 12.10.2006


13

Aktuelles Beispiel: 210Po Vergiftung

210Po hat eine Halbwertszeit von 138 Tagen (alpha-Zerfall, Eα = 5.4 MeV)

a) Berechnen Sie die Dosisleistung und die Äquivalenzdosisleistung von 210Po für den ganzen Körper (75kg).

b) Eine Ganzkörperdosis von 10 Sv ist tödlich. Wieviel 210Po ist nötig um diese Dosis in einem Tag zu erreichen?


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effektive Dosis durch Kalium-40-Aktivität im Menschen: 0,165 mSv/Jahr+ Gesamtnahrung (ohne Trinkwasser): 0,209 mSv/Jahr

Natürliche Strahlenbelastung (Beispiele):

Mittelere Exposition der Bevölkerung durch röntgendiagnostische undnuklearmedizinische Untersuchungen pro Person (2003): 1,8 mSv/Jahr

Besonders stark belastet sind im Moment z.B. Pilze (wg. Tschernobyl):Die Aufnahme von 80.000 Becquerel Cäsium 137 mit der Nahrung entspricht einer Strahlenbelastung von ca. 1 Millisievert. Der Verzehr von 200 g Pilzen mit 4.000 Becquerel Cäsium 137 pro Kilogramm hat beispielsweise eine Belastung von 0,01 Millisievert zur Folge. Dies lässt sich mit der Belastung durch Höhenstrahlung bei einem Flug von Frankfurt nach Cran Canaria vergleichen.


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Die Erdkruste enthält die natürlichen RadionuklideUran-238, Uran-235, Thorium-232 und Kalium-40. Als Zwischenprodukt der Zerfallsreihe des Uran-238entsteht über Radium-226 das radioaktive EdelgasRadon-222 (Rn-222, Halbwertszeit 3,8 Tage).

Radon geht mit anderen Elementen keinechemischen Verbindungen ein und ist deshalbbesonders mobil.

Aus allen Materialien, in denen Uran vorhanden ist, vor allem aus dem Erdboden und den Baumaterialien, wird Radon freigesetzt und gelangt in die freieAtmosphäre oder in die Innenraumluft von Gebäuden.

Nach UNSCEAR 2000 beträgt derbevölkerungsgewichtete Mittelwert der Radonkonzentrationin Wohnungen in der Europäischen Union etwa 59 Bq/m3. Geht man von einem linearen Risikoanstieg von 16% pro 100 Bq/m3 aus, so verursacht Radon in Wohnungenin Europa 9% aller Lungenkrebstodesfälle und 2% allerKrebstodesfälle. Absolut gesehen heißt dies, dass ca. 20.000 Lungenkrebstotepro Jahr in der Europäischen Union durch Radon verursachtwerden.

Radon

Zitate von der webpage des Bundesamts für Strahlenschutz


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Zusätzlich: Höhenstrahlung (Kosmische Strahlung)

bis 25

bis 15

bis 11

Mt Everest

Mont Blanc

Boing 747

Lear JetD

osis

in µ

Sv/

h


18


19


20

Effektive Dosis durch Höhenstrahlungauf ausgewählten Flugrouten

28 - 50 SingapurFrankfurt

45 - 110 San Francisco Frankfurt

3 - 6 Rom Frankfurt

17 - 28 Rio de Janeiro Frankfurt

32 - 75 New York Frankfurt

18 - 30 Johannesburg Frankfurt

10 - 18 Gran CanariaFrankfurt

Dosisbereich* [µSv] AnkunftAbflug

* Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück.


21Versuch:

Beugungsmusterwird sichtbar, wenndie Wellenlänge derElektronen im Bereich der Größenordnung derAtomabstände in derMetallspitze liegt.

Mit Teilchen-beschleunigernversucht man sokurze Wellenlängenzu erzeugen, dassman damit die innereStruktur des Protonsuntersuchen kann.

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