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Radioaktivität (Leitprogramm ETH)

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Dieser Artikel beschäftigt sich mit Fragen der Radioaktivität entlang des Leitprogramms der ETH (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich).

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Inhaltsverzeichnis

Die kleine Welt

Die belebte und die unbelebte Materie setzt sich aus kleinsten Bausteinen zusammen, den sogenannten Atome/n . Zwei oder mehrere Atome/n können sich zusammensetzen und Moleküle/n bilden. Eine riesige Anzahl von gruppierten Moleküle/n bildet die Objekte, die wir sehen

Aufbau eines Atoms, inkl. der zugehörigen Größenordnungen:


Was sind Nukleonen? (!Elektronen) (!Neutrinos) (Protonen) ( Neutronen)

Wie groß ist der Durchmesser eines Atomkerns? (10^-10) (!10^10) (!10^-14) (!10^-5)

Welche Ladung haben Protonen [p] mit einer ? (!Neutral) (!Negativ) (Positiv)

Welche Ladung haben Elektronen [e]? (!Neutral) (Negativ) (!Positiv)

Welche Ladung haben Neutronen [n]? (Neutral) (!Negativ) (!Positiv)

Wie heißen die Teilchen in den Atomhüllen der Materie, aus der wir bestehen bzw. wozu werden sie gezählt? (!Quarks) (Elektronen) (!Bosonen) (!Positronen) (Leptonen)

Wie groß ist der Durchmesser eines Atomkerns? (!10^-20 m) (!10^-10) (10^-14) (!10^-5)

Was ist ein (chemisches) Element? (Stoff aus gleichartigen Atomen) (!Anhäufung von Protonen) (!Moleküle aus zwei Stoffen) (!Luft/Wasser)

Was ist ein Isotop? (Es sind zusätzliche Elektronen vorhanden!) (Veränderte Anzahl von Nukleonen) (!Es kann keine Bindung eingehen) (Unterschied in der Anzahl der Neutronen)

Drücken Sie die Masse des Protons und des Neutrons im Verhältnis zur Masse des Elektrons aus. (!1/2547) (!1/1025) (!1/940) (1/1836)

Welche Materiedichte hat der Kern? (1017 kg/m^3) (!2089kg/m^3) (1,017·10^3 kg/m^3) (!378kg/m^3) (Die Dichte von Wasser beträgt 103 kg/m^3.)

Welche großen Objekte (sog. makroskopischen Objekte) können so große Materiedichte, wie der Kern aufweisen? (Neutronensterne) (!weiße Zwerge) (!blauer Riese) (Pulsar)

[p 1.673·10-27 Positiv]

[n 1.675·10-27 Null]

[e 9.11·10-31 Negativ]


Die vier Kräfte der Natur

Ordnen Sie die nachfolgenden Aussagen den vier grundlegenden Kräfte der Natur:

a) Ein von einer bestimmten Höhe losgelassener Gegenstand fällt auf den Boden. Das ist eine Folge der Gravitationskraft.

b) Zwei Magnete ziehen sich an

c) elektrisch negativ geladene Objekte stoßen sich ab

d) Ein Kern zerfällt und sendet dabei Roentgen-Strahlung aus.

e) Ein Kern zerfällt nicht, obwohl sich seine Protonen im Kern aufgrund der gleichen Ladung anstossen.


Stellen Sie eine tabellarische Übersicht der vier grundlegenden Kräfte auf. Gehen Sie dabei auf ihre Reichweite, Quelle und Stärke ein.

Starke Kraft Schwache Kraft Elektromagnetische Kraft Gravitationskraft
Reichweite Kerndurchmesser <Kerngröße langreichweitig langreichweitig
Quelle Nukleone Subatomare Teilchen Elektrische Ladungen Masse
Stärke 100 mal stärker als Elektromagnetische 10^40 mal schwächer als Kernkraft

Was ist Bindungsenergie? (Die Energie, die notwendig ist, um die Teile eines stabilen Systems voneinander zu trennen) (!Die Energie, die notwendig ist, um die Teile eines stabilen Systems zusammenzufügen) (!Die Energie, die notwendig ist, um Elektronen-Protonenungleichgewicht zu erzeugen) (Die Energie, die freigesetzt würde, wenn man Teilchen zu einem stabilen Systems zusammenfüge würde)

Welche zwei Kräfte wirken im Atomkern? (!Gravitationskraft) (starke Kraft) (elektromagnetische Abstoßung) (Farbkraft) (Kernkraft)

Was versteht man unter Bindungsenergie eines Kerns? (!Die Bindungsenergie eines Kerns ist die Arbeit, die notwendig ist, um alle Kernteile zusammenzufügen) (Die Bindungsenergie eines Kerns ist die Arbeit, die notwendig ist, um alle Kernteile voneinander zu trennen) (Die Bindungsenergie eines Kerns ist die Energie, die freigesetzt würde, wenn man aus freien Nukleonen einen Kern bilden würde) (!Die Bindungsenergie eines Atomkerns ist die Energie, die aufgebracht werden müsste, wenn man aus freien Nukleonen einen Kern bilden würde)

Welche Aussage stimmt? (Bindungsenergie > Arbeit, die notwendig ist, um ein Elektron von einem Atom zu trennen) (!Bindungsenergie = Arbeit, die notwendig ist, um ein Elektron von einem Atom zu trennen)

Welche Systeme sind stabil? (Solche, mit hoher Bindungsenergie) (!Solche, mit niedriger Bindungsenergie)

Von welchen Faktoren hängt die Bindungsenergie ab? (N-Neutronenzahl) (!E-Elektronenzahl) (z-Protonenzahl)

Im N/Z/E-Diagramm befinden sich die stabileren Nukleonen, d. h. die Nukleonen mit hoher Bindungsenergie, auf einer Kurve. Diese Kurve liegt zuerst bei der Geraden N=Z/N=E/Z=E und weicht dann davon ab in Richtung grösserer Neutronenzahl. Man nennt diese Kurve und ihre Umgebung auch Stabilitätstal, weil dort die stabilen Kerne liegen.

Wenn man die Masse aller Nukleonen eines Kerns addiert, so bekommt man einen Wert, der immer grösser ist als die Masse des Kerns. Diese Massendifferenz ist charakteristisch für jeden Kern. Sie wird Massendefekt genannt. Aus der Äquivalenz von Masse und Energie entspricht dies einer Zunahme der Masse ∆m = ∆E/ c2 . Bilden umgekehrt zwei isolierte Nukleonen einen Kern, so wird die entsprechende Bindungsenergie EB freigesetzt. Dies entspricht nach Einstein einem Massenschwund ∆m = ∆E/ c2 .

[p 1.673·10-27 Positiv]

[n 1.675·10-27 Null]

[e 9.11·10-31 Negativ]


Radioaktivität = Ionisierende Strahlung

1. Wie entdeckte Becquerel Radioaktivität? Becquerel entdeckte 1896, dass Uransalze auch bei vollkommener Dunkelheit eine Photoplatte durch seine lichtdichte Verpackung hindurch zu schwärzen vermochten. Becquerel schloss, dass die Schwärzung nur durch eine vom Uransalz stammende Strahlung verursacht werden konnte.

2. Woher stammt die Ionisierende Strahlung und warum emittiert sie nicht aus der Elektronenhülle? Einzig die Anzahl der vorhandenen radioaktiven Kerne war für die Intensität der Strahlung ausschlaggebend.

3. Warum gibt es künstliche Nuklide nicht mehr in der Natur? Die künstlichen Nuklide sind eigentlich gar nicht neu. Sie gab es schon früher einmal. In der Zwischenzeit waren sie jedoch auf der Erde ausgestorben.Die künstlichen Nuklide sind eigentlich gar nicht neu. Sie gab es schon früher einmal. In der Zwischenzeit waren sie jedoch auf der Erde ausgestorben.

4. Wie entstehen Elemente mir einer größeren Atommasse als Eisen? Die Theorie sagt nämlich, dass alle im Universum vorkommenden Elemente, die eine höhere Atommasse als Eisen aufweisen, in Supernovaen [explodierende Sterne grosser Masse]entstanden sein müssen.

5. Was ist Alpha-Strahlung? α‑Strahlen sind doppelt geladene Heliumkerne.

6. Was wird aus einem Element nach dem Alpha Zerfall? Das ursprüngliche Element hat sich also durch den Zerfall in ein neues gewandelt.

7. Was wird bei Beta Strahlung ausgesandt? Die ausgesandten Teilchen verhalten sich wie Elektronen.

8. Worin besteht der Unterschied zwischen Beta+ und Beta- Strahlung? Minus weil das emittierte Elektron negativ geladen ist. Plus weil die ausgesandten Teilchen positiv geladen sind. Sie werden Positronen genannt.

9. Woher stammt das emittierte Positron/Elektron? Experimente haben aber gezeigt, dass sich Neutronen in Protonen und Protonen in Neutronen umwandeln können. Bei diesen Umwandlungen entstehen dann die gesuchten Elektronen beziehungsweise Positronen.

10. Welches dritte Teilchen entsteht beim Beta Minus Zerfall? Dieses wird Anti-Neutrino genannt. Es wird ebenfalls aus dem Kern emittiert und trägt den Rest der Energie, die beim Zerfall entsteht, mit sich.

11. Welches entsteht beim Beta Plus Zerfall? Dieses wird Neutrino genannt. Es wird aus dem Kern emittiert und trägt den Rest der Energie, die beim Zerfall frei wird,

12. Warum dachte man ursprünglich das der Beta Minus Zerfall das Gesetz zur Energieerhaltung verletzt?

Weil ohne das Vorhandensein eines weiteren Teilchens die Gesamtladung nach der Umwandlung nicht gleich der Gesamtladung vor der Umwandlung.

13. Wie verändert sich die Ordnungszahl eines Elements beim Beta Minus Zerfall? Die Ordnungszahl des Kerns erhöht sich um 1.

14. Ändert sich beim Beta Plus Zerfall das chemische Element? Auch hier ändert das chemische Element.

15. Wie entsteht Gamma Strahlung? Nach einem α ‑ oder β ‑Zerfall ist der Kern oft in einem angeregten Zustand. Das heisst, im Kern befindet sich noch Energie, die abgebaut werden sollte. Dieser Energieabbau erfolgt durch Aussenden elektromagnetischer Strahlung.

16. Wird Gamma Strahlung kontinuierlich ausgesandt? Nein,γ‑Strahlen werden in einzelnen Portionen ausgesandt. Die Physiker sagen, es wird ein Photon oder γ‑Quant ausgesandt.

17. Ändert sich Gamma Zerfall das chemische Element? Nein, beim γ‑Zerfall werden die Nukleonen des Kerns weder umgewandelt noch ausgesandt. Das bedeutet, dass vor und nach dem Energieabbau das gleiche Element vorhanden ist. Der Kern strahlt einzig Energie ab.

18. Wie lässt sich die Zerfallsgeschwindigkeit beschreiben? Der radioaktive Zerfall hat rein statistischen Charakter. Man kann also von einem Kern nicht sagen, wann er zerfällt, sondern nur, wie gross die Wahrscheinlichkeit ist, dass er in einer gewissen Zeitspanne zerfällt.

19. Was besagt die Halbwertszeit? Die Halbwertszeit besagt, nach welcher Zeit sich die Zahl der Nuklide und damit die Aktivität halbiert haben wird.

20. Wofür eigenen sich radioaktive Nuklide hervorragend? Radioaktive Nuklide eignen sich hervorragend als Uhr.


Messung radioaktiver Strahlung und Dosimetrie

3.1 Das Geiger Mühler-Zählrohr


1. Welche Strahlung kann der Mensch nicht mit seinen Sinnesorganen wahrnehmen? Ionisierte Strahlung

2. Welche Arten von Strahlung kann das Geiger-Mühler-Zählrohr nachweisen? Alpha, Beta und Gammastrahlung

3. Erklären sie den Unterschied von yStrahlung zur Alpha- und Betastrahlung. Hierbei handelt es sich um Teilchen, die sogenannten y-Quanten.

4. Woraus besteht im allgemeinen das Zählrohr? Aus einem zylindrischen Metallrohr

5. Mit was ist das Zählrohr gefüllt? Das Zählrohr ist mit einem Edelgas bei einem Druck von etwa 100 mbar gefüllt.Meist handelt es sich beim verwendeten Edelgas um Argon.

6. Was geschieht mit den Teilchen der radioaktiven Strahlung? Die Teilchen der radioaktiven Strahlung gelangen durch das Glimmerfenster ins Zählrohr. Dortwerden von jedem einzelnen Teilchen einige Ar-Atome ionisiert. Die entstandenenpositiven Ar+-Ionen werden im elektrischen Feld zur Metallwand hin beschleunigt.

7. Wann fließt der sog. Ionisationsstrom? Haben die Ionen die Elektroden erreicht, fliesst ein Strom. Dieser Strom wird Ionisationsstrom genannt.

8. Beschreiben sie die Zählrate Z. Zählrate Z = Anzahl registrierter Teilchen und/oder γ-Quanten pro Zeiteinheit.

9. Welche Frage stellt sich wenn man mit dem Geiger-Müller-Zählrohr eine Messung durchführen will? Will man mit dem Geiger-Müller-Zählrohr eine Messung durchführen, stellt sich die Frage, wie hoch die Zählrohrspannung U0 gewählt werden muss.

10. Was ist Rekombination? Damit herrscht zwischen den Elektroden ebenfalls ein sehr kleines elektrisches Feld. Die Ionen werden also nicht sehr stark beschleunigt. Daher kann es geschehen, dass sich einige Ar+-Ionen wieder mit Elektronen zu neutralenAr-Atomen vereinigen. Dieser Prozess wird Rekombination genannt. Wegen der Rekombination gelangen nicht alle Ionen zu den Elektroden.

11. Beschreiben sie den Begriff Sättigungsbereich. Im Bereich II (Sättigungsbereich) tritt wegen des noch grösseren elektrischenFeldes keine Rekombination mehr auf. Somit gelangen fast alle Ionen zu den Elektroden. Es fliesst ein nahezu konstanter Strom, der Sättigungsstrom genannt wird. Dieser Sättigungsstrom hängt von der Energie der einfallenden Strahlung ab.

Die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung

1. Was beschreibt die Dosis-Wirkungsbeziehung? Die Auswirkung der radioaktiven Strahlungen auf den Menschen mit veränderter Dosis.

2. Welche Wahrscheinlichkeit steigt bei stochastischen Effekten mit höheren Dosen linear an? genetische Folgeschäden und Krebserkrankungen

3. Wovon hängt die Auswirkung einer Ganzkörperbestrahlung ab? Dosismenge und Dauer der Bestrahlung

4. Welche drei Abschnitte verlaufen bei einer Strahlenkrankheit? Erst Krankheitszeichen, dann abklingen der dieser Krankheitszeichen, daraufhin Verschlechterung des Gesundheitszustandes

5. Was ist die Latenzzeit? Zeitspanne, in der keine Krankheitszeichen auftreten.

6. Wann ist die Latenzzeit kürzer? Wenn die erhaltene Dosis erhöht wird

7. Welche Dosis hat die Höhenstrahlung? 0,4 mSv/a

8. Welche Dosis hat die Bodenstrahlung? 0,6mSv/a

9. Wie gelangt die Strahlung von innen in den Körper? Nahrungsaufnahme und Einatmen

10. Welche Dosis hat die Belastung durch Radon? 2-3 mSv/a

11. Welche Schutzmethoden gibt es? Abstand -> Intensität nimmt ab; Abschirmung -> Beton, Blei, Wasser; Aufenthaltszeit

Wann ist der Schaden am geringsten? (Dosis wird über einen längeren Zeitraum verabreicht) (!Dosis wird über kürzeren Zeitraum verabreicht) (Zeitraum ist so groß, dass die Strahlen bedingte Auswirkungen in einer Zelle reparieren) (!Zeitraum ist zu klein, wodurch die Auswirkungen langsamer, bis gar nicht, behoben werden können)

Ab wann tritt eine Strahlenkrankheit auf? (!0-0,3Sv) (!0,3Sv) (1Sv) (!0,8Sv)

Ab welcher Äquivalentdosis wird es Lebensbedrohlich (!6Sv) (!ab 1,5Sv) (!2Sv) (ab 2Sv)

Aus welchen Komponenten setzt sich die Belastung des Menschen zusammen? (Höhenstrahlung oder kosmische Strahlung) (!Radium) (Bestrahlung aus dem Inneren des Körpers) (Radon) (Bodenstrahlung oder terrestrische Strahlung)

Additum: Die C-14 oder Radiokarbon-Methode

1. Wozu dient die Radiokarbon-Methode (C-14-Methode)? Zum Datieren von Objekten.

2. Welche Reaktion tritt bei Eintritt der kosmischen Strahlung in die untere Atmosphäre auf? N-14 + n --> C-14 + p

3. Wie wird das Häufigkeitsverhältnis von C-14 Atomen zu C-12 Atomen noch genannt? C-14 Konzentration

4. Wie hoch ist die C-14 Konzentration? Ca. 1,2 x 10-12

5. Welche Halbwertszeit hat C-14? C-14 hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren.

6. Wie hoch ist das Alter einer Probe, in der die C-14 Konzentration 3 x 10-13 gemessen wurde? Die Probe ist 11460 Jahre alt.

7. Was ist die Dendrochronologie und wie funktioniert sie? Die sogenannte Dendrochronologie [Altersbestimmung anhand von Baumringen] kann eine Abfolge von 50 -70 Baumringen genau datieren. Dies ist möglich, da für die gesamte Zeit der letzten zehntausend Jahre viele konservierte Bäume gefunden wurden. Durch Überlappungen der Strukturfolge [gute Jahre - schlechte Jahre] in den Baumringen der verschiedenen Bäume konnte diesen ihr genaues Alter zugewiesen werden [Rückwärtszählen der Baumringe].

8. Warum schwankte die C-14 Konzentration in den letzten 10000 Jahren? Da durch die ändernde Aktivität der Sonne die Intensität der kosmischen Strahlung auf der Erde verändert und somit die C-14 Produktion beeinflusst wurde.

9. Wie funktioniert die koventionelle C-14-Datierung? Eine Probe wird üblicherweise chemisch so aufbereitet, dass aus dem interessierenden Objekt reiner Kohlenstoff gewonnen wird. Dieser Kohlenstoff wird dann zu Kohlendioxid CO2 verbrannt. Das CO2 wird dann direkt in einen Geiger-Müller-Zähler eingefüllt. Die beim Beta-Zerfall des C-14-Kerns freiwerdende Energie ionisiert eine grosse Menge von Gasmolekülen, die dann über die Hochspannungselektroden als elektrischer Puls detektiert werden. Die Anzahl Pulse pro Zeiteinheit entspricht dann der C-14-Aktivität der Probe, d.h. man bestimmt die Anzahl C-14-Zerfälle in der Probe während einer bestimmten Messzeit und erhält daraus über die Zerfallskonstante die absolute Anzahl C-14-Isotope in der Probe.

10. Durch welche Kräfte kann man in einem Massenspektrometer die Masse einzelner Atome oder Moleküle sehr genau bestimmen? Durch die Zentripetalkraft [Lorenzkraft]

11. Wie kann man vom C-14/C-12- Verhältnis zum Kalenderalter kommen und welche Probleme können entstehen? Das C-14/C-12-Verhältnis wird durch eine standardisierte Umrechnung in ein sogenanntes Radiokarbon-Alter umgewandelt. Das Radiokarbon-Alter ist also ein anderes Mass für die C-14-Konzentration und hat ebenfalls einen gewissen Fehler [Messfehler müssen bei Umrechnungen immer mitberücksichtigt werden!]. Gemessene Baumringe, deren Alter bekannt ist, erlauben eine Zuordnung des Radiokarbon-Alters zu einem wahren Alter. Man muss also bei einer Probe das C-14/C-12-Verhältnis messen, diesen Wert in das Radiokarbon-Alter umrechnen und schauen welche Baumringe dasselbe Radiokarbon-Alter haben. Das wahre Alter dieser Baumringe ist dann auch das wahre Alter der Probe! Aufgrund der zeitlichen Schwankungen der C-14-Konzentration in der Atmosphäre ist es leider möglich, dass z.B. 2 verschieden alte Baumringe das gleiche Radiokarbon-Alter haben. Hat eine gemessene Probe eben dieses Radiokarbon-Alter, so ist eine eindeutige Alterszuordnung nicht mehr möglich. Es kommen die zwei verschiedenen Alter dieser Baumringe für das Alter der Probe in Frage.

Diese Seite ist eine (bis jetzt) unveränderte Kopie der Seite http://wikifinum.zum.de/wiki/Radioaktivit%C3%A4t_%28Leitprogramm_ETH%29 der Autoren S.Oflazgil , Q.Kriznik, L.Fabig, P.Friedmann, M.Wessel, D.Jankowski unter der Nutung von CC BY SA3.0