Vortrag 1: Radioaktiver Zerfall

Übersicht
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(in)stabile Kerne & Radioaktivität
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Zerfallsgesetz
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Natürliche und künstliche Radioaktivität
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Einteilung der natürlichen Radionuklide
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Zerfallsreihen
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Zerfallsarten
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Untersuchung der Strahlungsarten

(in)stabile Kerne & Radioaktivität
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Nuklide sind entweder stabil oder instabil
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(In)Stabilität wird durch das Verhältnis zwischen
Neutronen und Protonen bestimmt
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Instabile Nuklide sind radioaktiv (Radionuklide)
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Radioaktivität von lat. radius = Strahl,
also Strahlungsaktivität

(in)stabile Kerne & Radioaktivität
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Radioaktivität bedeutet:
spontane Umwandlung instabiler Atomkerne
unter Energieabgabe (also exotherm)
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Energieabgabe in Form von ionisierender
Strahlung
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Ionisierende Strahlung:
Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die
aus Atomen und Molekülen Elektronen
entfernen können (α-, β-, γ-, n-Strahlung)

Zerfallsgesetz
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Betrachte Ensemble von N instabilen Kernen
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Wahrscheinlichkeit das pro Zeiteinheit ein
bestimmter Kern des Ensemble zerfällt, ist für
alle Kerne der gleichen Sorte gleich groß
dN
dt
=− N t =−At
λ – Zerfallskonstante
A – Aktivität / Zerfallsrate (Kernzerfälle pro Sekunde)

Zerfallsgesetz
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Lösen der Differenzialgleichung liefert:
dN
=− dt
N
ln N N 0 ' =−t
N t =N 0 exp−t
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Für die Aktivität gilt dann:
At= N 0 exp−t=A 0 exp−t
SI-Einheit der Aktivität: Becquerel
1Bq entspricht ein Kernzerfall pro Sekunde

Zerfallsgesetz
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Halbwertszeit
t 1/2
Die Zeit, nach der die Anzahl an Kerne auf die
Hälfte ihres Anfangswertes gesunken ist
N t 1/2 = N 0
2
N 0 exp−t 1/2 = N 0
2
t 1/2 = ln2
Demtröder „Eperimentalphysik 4 Kern-,
Teilchen-, und Astrophysik“ Springer

Zerfallsgesetz
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Mittlere Lebensdauer
Die Zeit nach der die Anzahl der Kerne sich um
den Faktor 1/e verringert hat
N = N 0
e
N 0 exp−= N 0
e
= 1
Demtröder „Eperimentalphysik 4 Kern-,
Teilchen-, und Astrophysik“ Springer

natürliche und künstliche
Radioaktivität
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Künstliche Radioaktivität:
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Vom Menschen angestoßene Zerfallsprozess
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z.B. in Kernreaktoren, Kernwaffenexplosionen, für
wissenschaftliche und medizinische Zwecke
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Natürliche Radioaktivität
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Bei der Entstehung des Universums wurden
alle Nuklide erzeugt
● werden in sehr massereichen Sternen und durch
Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit
der Erdatmosphäre ständig gebildet

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Einteilung der natürlichen
Radionuklide
Primordial (lat. „von erster Ordnung“)
schon bei der Entstehung der Erde vorhanden, aber
noch nicht vollständig Zerfalle
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Kosmogen
entsteht kontinuierlich durch Wechselwirkungen
hochenergetischer kosmischer Strahlung mit den
Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre
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Radiogen
● entsteht als Zerfallsprodukt der ersten Gattung
radioaktiver Nuklide
=> ungefähr insgesamt 75 Radionuklide

Natürliche und künstliche
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Radiaktivität
Drei „Urnuklide“ mit genügend langer Halbwertszeit
sind jetzt noch auf der Erde vorhanden:
232 Th, 235U, 238U
besitzen also Halbwertszeiten
in der Größenordnung des
Alters der Erde
(Alter der Erde: 4,6 10^9 a)
Demtröder „Eperimentalphysik 4 Kern-,
Teilchen-, und Astrophysik“ Springer

Zerfallsreihen
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„Folgenuklide“ sind ebenfalls radioaktiv
=>„Zerfallsketten“
http://j-grzesina.de/radioakt/zerfall/uaz.htm

Zerfallsarten
Zerfallsarten lassen sich in drei Kategorien
einteilen:
● Zerfälle unter Aussendung von Nukleonen
also Aussendung von Protonen, Neutronen und
leichten Kernen
Bsp.: Alpha-Zerfall (Helium-Kern)
238
92 U 234
90 Th4 2 He

Zerfallsarten
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Beta-Zerfälle
Beim Zerfall sind Elektronen oder Positronen
(Antiteilchen des Elektron) beteiligt
Bsp.: Beta-Minus-Zerfall (Elektronen)
14
6 C 14
7 N e e
ν - Anti-Elektronneutrino

Zerfallsarten
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Übergänge zwischen Zuständen eines Kerns
Es wird keine Materieteilchen abgestrahlt,
somit findet keine Kernumwandlung statt
Kerne geben überschüssige Energie in Form von
hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung ab
→ Gammastrahlung
60
27 N ia 60
27 N i

Untersuchung der Strahlungsarten
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Qualitative Untersuchung von Alpha-, Beta- und
Gammastrahlung auf:
● Reichweite
● Eindringtiefe

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Untersuchung der Strahlungsarten
Ergebnisse:
● Alpha-Strahlung:
Geringe Reichweite, ca. 10 cm
Papier reicht zur Abschirmung
● Beta-Strahlung:
Einige Meter
Einige mm-dickes Aluminiumblech reicht zur
Abschirmung
● Gamma-Strahlung
Theoretisch unendlich, Intensität nimmt quadratisch
ab
Abschirmung nicht möglich, nur Abschwächung
(hängt vom Material ab, gute Absorber: Elemente
mit hoher Ordnungszahl → Blei

Benutzte Quellen
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Demtröder, „Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchenund
Astrophysik“, Springer Verlag
L. Herforth und H. Koch, „Praktikum der Radioaktivität
und Radiochemie“, Johann Abrosius Barth Verlag
Werner Stolz, „Radioaktivität Grundlagen, Messungen,
Anwendungen“, Carl Hanser Verlag
http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivit
http://de.wikipedia.org/wiki/Ionisierende_Strahlung