Radioaktivität& Halbwertszeit

Was ist ionisierende Strahlung?

Ionisierende Strahlung ist jede Art von Strahlung, die ausreichend Energie besitzt, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen herauszuschlagen. Dabei entstehen Ionen, also geladene Teilchen

Diese Ionisierung kann:

•Chemische Bindungen zerstören

•DNA schädigen

•Mutationen und Krebs auslösen

Ab welcher Energie ist Strahlung ionisierend?

Ab ca. 5 Elektronenvolt (eV) pro Teilchen oder Photon

Welche Strahlungsarten

zählen zu den ionisierenden?

Alpha-, Beta-, Gamma-, Röntgenstrahlung und kurzwelliges UV (unter 250 nm)

Was ist radioaktive Strahlung?

Radioaktive Strahlung ist eine Unterart der ionisierenden Strahlung, die beim Zerfall instabiler Atomkerne (radioaktive Nuklide) entsteht.

=Ionisierende Strahlung geht von einem radioaktiven Stoff aus

Dabei entstehen drei Strahlungsarten:

•Alpha-Strahlung (𝛂)

•Beta-Strahlung (𝛃⁻ / 𝛃⁺)

•Gamma-Strahlung (𝛄)

Wichtig: Nicht jede ionisierende Strahlung ist radioaktiv (z. B. Röntgenstrahlen), aber jede radioaktive Strahlung ist ionisierend

Welche Arten radioaktiver Strahlung gibt es?

Alphastrahlung (𝛂), Betastrahlung (𝛃⁻/𝛃⁺), Gammastrahlung (𝛄)

Wie entsteht Alphastrahlung?

Entsteht beim Alphazerfall

•Der Kern sendet einen Heliumkern (2 Protonen + 2 Neutronen) aus → 𝛂-Teilchen

•Positiv geladen

Ein Heliumkern aus zwei Neutronen und zwei Protonen. Somit sinkt die Ordnungszahl des radioaktiven Atoms (Zahl der Protonen) nach dem Zerfall um zwei und die Massenzahl (Summe der Nukleonen) um vier

•Reichweite: ca. 10 cm in Luft bei normaldruck

•Abschirmung: schon ein Blatt Papier reicht

•Sehr gefährlich, wenn in den Körper gelangt (z. B. durch Inhalation)

Was passiert beim Beta-Plus-Zerfall

Beta-Minus-Zerfall (𝛃⁻):

•Ein Neutron wird in ein Proton umgewandelt

•Es werden ein Elektron (𝛃⁻) und ein Antineutrino aus dem kern geschleudert

•Ordnungszahl +1, Massenzahl bleibt

Beta-Plus-Zerfall (𝛃⁺):

•Ein Proton wird in ein Neutron umgewandelt

•Es wird ein Positron (𝛃⁺Elektron mit pos Ladung) und ein Neutrino aus dem kern geschleudert

•Ordnungszahl -1, Massenzahl bleibt

•Reichweite: wenige cm bis ca. 1 m in Luft

•Abschirmung: Aluminiumplatte

•Gefährlich für Haut → kann Hautkrebs verursachen

•Verwendung: z. B. C14-Methode, Strahlentherapie

Was ist Gammastrahlung

Entsteht nach Alpha- oder Betazerfällen

•Der Kern ist noch angeregt und gibt Energie als hochenergetisches Photon ab= Gammastrahlung

•Elektromagnetische Strahlung

•Keine Änderung der Masse oder Ordnungszahl= elektrisch neutral geladen 

•Reichweite: praktisch unbegrenzt

•Abschirmung:Da es sich um elektromagnetische Strahlung handelt, ist die Reichweite der Gammastrahlung nicht begrenzt. Es kann nur die Intensität abgeschwächt, jedoch nie die ganze Strahlung abgeschirmt werden 

(nur durch dicke Bleischichten oder Beton)

Anwendungen= Strahlentherapie

Was ist die Halbwertszeit

Die Halbwertszeit ist jener Zeitraum, in dem sich die Menge und die Aktivität eines radioaktiven Stoffes durch den radioaktiven Zerfall halbieren. 

•Statistischer Wert, da man nicht voraussagen kann, wann ein einzelner Kern zerfällt

•Unabhängig von äußeren Einflüssen (Temperatur, Druck, etc.)

Wie lautet das exponetialle Zerfallsgesetz

Das exponentielle Zerfallsgesetz beschreibt wie eine Anzahl von Atomkernen eines radioaktiven Nuklids in Abhängigkeit von der Zeit zerfällt

Was beschreibt die Aktivität A

Beschreibt die mittlere Anzahl der Atomzerfälle N(t) pro Sekunde. Aktivität nimmt auch hier exponentiell ab.

Vorteil: Zählrate in einem Detektor (z.B. Zählrohr) besser messbar. Einheit in Becquerel Bq = Zerfall/sek.

A= N/t [Bq=s^-1] 

Was ist kosmische Strahlung und wie entsteht ein Teilchenschauer

hochenergetische Teilchenstrahlung aus dem Weltallbesteht aus Protonen, Elektronen, Neutrinos
und ganzen Ionen, die auf Atmosphäre treffen.

als Ursprung dieser Strahlung sind die Sonne unsere Milchstraße und entfernte Galaxien zu nennen

Durch Wechselwirkung der eintreffenden Teilchen mit der Erdatmosphäre erreicht nur wenige dieser Teil sind die Erdoberfläche

Trifft ein Proton auf die Atmosphäre, entstehen durch Wechselwirkung mit Luftmolekülen (Stickstoff und Sauerstoffatomen) auf ca. 20 km Höhe über eine Million Sekundärteilchen, die als Teilchenschauer die Erdoberfläche erreichen

Polarlichter entstehen, wenn
elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwinds aus der Magnetosphäre (zum großen Teil
Elektronen und Protonen) auf Sauerstoff- und Stickstoffatome in den oberen Schichten
der Erdatmosphäre treffen und diese ionisieren. Magnetfeld der Erde schirmt diese
eigentlich gut ab, aber an Polen weniger→in Nähe magnetischer Pole der Erde→Nord- oder Südpol →„Polar“-licht.

Wie kann Neutronenstrahlung ionisierend wirken, obwohl sie ungeladen ist?

Neutronenstrahlung wirkt indirekt ionisierend, da sie beim Zusammenstoß mit Wasserstoffatomen ionisierende Strahlung erzeugen kann, obwohl sie selbst keine direkte Wechselwirkung mit Elektronen eingeht

Warum gelten Alpha- und Betastrahlung immer als ionisierend

Weil sie immer mehr als 5 eV kinetische Energie besitzen, was ausreicht, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen

Welche elektromagnetischen Strahlungen zählen zur ionisierenden Strahlung und warum

Strahlungen mit einer Wellenlänge von etwa 250 nm oder kürzer, wie kurzwellige UV-Strahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung, zählen zur ionisierenden Strahlung, da sie genug Energie besitzen, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen

Andererseits haben beispielsweise sichtbares Licht, Mikrowellen oder Radiowellen nicht genug Energie, um Elektronen aus einem Atom oder Molekül zu lösen und sind somit nicht ionisierend. 

Was beschreibt die Aktivität eines radioaktiven Stoffes und wie wird sie gemessen

Radioaktive Stoffe bestehen aus instabilen Atomkernen.

•Diese Kerne zerfallen mit der Zeit, dabei werden Strahlen frei.

•Die Aktivität gibt an, wie viele Zerfälle pro Sekunde stattfinden

→ Einheit: Becquerel (Bq)

→ 1 Bq = 1 Zerfall/Sekunde

→ Formelzeichen: A

Was passiert mit der Aktivität im Laufe der Zeit?

Die Aktivität nimmt mit der Zeit ab, weil weniger instabile Kerne vorhanden sind.

•Diese Abnahme passiert nicht linear, sondern exponentiell – das heißt:

→ Sie halbiert sich regelmäßig in festen Zeitabständen

Was ist die Halbwertszeit und was ist die Zerfallskonstante λ

Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der sich die Aktivität halbiert.

Beispiel: Wenn du 100 Bq hast, dann hast du nach einer Halbwertszeit nur noch 50 Bq.

•Die Halbwertszeit ist ein statistischer Durchschnittswert, weil man nie genau sagen kann, wann ein einzelnes Atom zerfällt

Die Zerfallskonstante (λ) gibt an, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Atom pro Sekunde zerfällt.

•Die Einheit ist 1/s (pro Sekunde).

•Je größer λ, desto schneller zerfällt der Stoff

Wie funktioniert die Radiokarbonmethode zur Altersbestimmung

Lebewesen nehmen radioaktives C-14 auf.

•Nach dem Tod zerfällt C-14 mit einer Halbwertszeit von ca. 5.730 Jahren.

•Durch Messen der verbliebenen Aktivität kann man das Alter bestimmen.

was versteht man unter natürlicher Strahlung 

Unter natürlicher Strahlung versteht man die von außen auf den menschlichen Körper einwirkende ionisierende Strahlung.

Als Strahlungsquellen sind die aus dem Weltall kommende kosmische Strahlung und die auf unserem Planeten allgegenwärtige terrestrische Strahlung zu nennne