Atom- und Kernphysik

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Atom- und Kernphysik

Übersicht gkg … pharm. Prüf.Einführung1 Allgemeines2 Mechanik3 Wärmelehre4 Elektrizität und Magnetismus5 Optik6 Schwingungen und Wellen7 Atomistische i Struktur der Materie


7.1 aus gkg … pharm. Prüf.7 Atomistische Struktur der Materie7.1 Bausteine und Aggregatzustände gder Materie7.1.1 Atomare Einheiten: Stoffmenge (Mol), atomare Masseneinheit,Avogadro-Konstante, Definition und Größenordnung7.1.2 Thermische Bewegung: Thermische Bewegung von Atomen undMolekülen in Flüssigkeiten und Gasen; Geschwindigkeitsverteilung(qualitativ); qualitativer Zusammenhang mit der Temperatur beiGasen; Brown’sche Bewegung7.1.3 Kristallgitter: Einfache räumlich-periodische Anordnungen vonAtomen im kubischen Gitter; Schwingungen um ,,Ruhelagen“(qualitativ, i s.a. 3.5.1)


7.2 aus gkg … pharm. Prüf.7.2 Aufbau von Atomen und Molekülen (s.a. Chem 1.2)7.2.1 Atome: Aufbau aus Kern und Hülle; Masse und Radius vonAtomen und ihren Kernen (Größenordnung)7.2.2 Bohr’sches Atommodell: Grundzüge7.2.3 Moleküle: Aufbau von Molekülen; Molekülschwingungen: Analogiezum Federpendel (s.a. 2.3.2), Einfluss der Substitution isotoperNuklide (qualitativ); Molekülrotation (s.a. 2.3.5)7.2.4 Energieniveaus und Spektren (s.a. PhAna 12.5.1):1):Zusammenhang diskreter Energiestufen in Atomen mit denbeobachtbaren Spektren im sichtbaren und Röntgen-Bereich;Linienspektren bei Atomen (Beispiele im Sichtbaren undbei Röntgenstrahlung); Lichtemission bei Elektronenübergängen(qualitativ); Bandenspektren bei Molekülen, Schema derEntstehung; kontinuierliche i Spektren7.2.5 Röntgenröhre: Aufbau, Betrieb und Wirkungsweise (s.a. 4.4.5);Grundzüge der Entstehung von Bremsstrahlung undcharakteristischer Strahlung


7.3 aus gkg … pharm. Prüf.7.3 Atomkerne und Kernstrahlung7.3.1 Kerne und ihre Bausteine: Proton, Neutron; Ladung und relativeMasse, Vergleich mit Elektron; Kernladungszahl; Begriff isotoperNuklide, einfache Beispiele7.3.2 Kernreaktionen: Symbole zur Darstellung von Kernreaktionen;Erhaltungssätze für Ladung und Nukleonenzahl7.3.3 Radioaktivität: Änderung von Ladung und Masse von Atomkernenin Verbindung mit α−, β− und γ−Emission,Eigenschaften von α−, β− und γ−Strahlung7.3.4 Detektoren: Strahlungsnachweis mittels Ionisationskammer,Zählrohr, Szintillationszähler (Grundzüge)7.3.5 Zerfallsgesetz: Definition der Aktivität; gebräuchlicheDarstellungen; Halbwertzeit und mittlere Lebensdauer,Zusammenhang mit dem Zerfallsgesetz


7.3f aus gkg … pharm. Prüf.7.3 Atomkerne und Kernstrahlung, Fortsetzung7.3.6 Absorption energiereicher Strahlung: Durchdringungsfähigkeitg gvon α−, β− und γ− und Neutronenstrahlung in festen Stoffen;Absorptionsgesetz für γ−Strahlung und Röntgenstrahlung in Materie,Abhängigkeit von der Wellenlänge7.3.7 Dosimetrie: Energiedosis, Energiedosisleistung, lonendosis;gebräuchliche Einheiten7.3.8 Anwendungen aktiver und stabiler Nuklide: Grundzüge derGewinnung radioaktiver Nuklide und der Anwendung radioaktiverAtome in der Chemie und bei Pharmaka, z.B.: 60 Co(Kobaltbestrahlungsquelle), 99m Tc (Radiodiagnostik), 131 I(Stoffwechseluntersuchung); Tracermethode; Anwendungionisierender Strahlung zur Sterilisierung von Verbandmaterial undVerpackungen


ExperimenteExperimente Atomphysik:– Atomares Linienspektrum (Hg)– Franck-Hertz-Versuch (Ne)– Hallwachs-Versuch (= äußerer Photoeffekt)– Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums(mit innerem Photoeffekt)


Atom- und KernphysikMakroskopische Welt:MechanikThermodynamikElektrizitätslehreOptikklassischePhysikMikroskopische k i Welt:AtomphysikKernphysikElementarteilchen....„moderne“PhysikQuantenmechanikAtomphysik: Atomhülle d. Elektronen Aufbau v. Molekülen ChemieKernpyhsik: Aufbau d. Atomkerns, Radioaktivität ElementarteilchenAnwendung in der Medizin:RöntgenstrahlungKernspinresonanzBestrahlungenLaser (siehe Optik)...


Rutherfordsche StreuversucheBeschuss einer Goldfolie mitα-Teilchen (zweifach pos. geladenesHelium-Atom, d.h. Helium-Kern)Rutherfordsche StreuformeldndΩ=Cnsin 4 ( ϑ 2)Zahl der pro Raumwinkelgestreuten Projektile


Rutherfordsche StreuversucheHäufiges Auftreten kleiner Streuwinkel hätte bedeutet:positive Ladungen im Atom gleichmäßig verteiltTatsächlich: h Häufiges Auftreten großer Streuwinkelpositive Ladungen im Kern konzentriertResultat: t positive Ladung im Kern konzentriert t (+Z·e)Elektronen als Wolke um den Kern (-Z·e)Masse des Atoms im Kern konzentriert.(Planetenmodell von Rutherford)Bemerkung: Atom als ganzes ist neutral.Rutherfordsche Streuformeldn =CdΩnsin 4 ( ϑ 2)Zahl der pro Raumwinkelgestreuten Projektile„Target“C =NdZ Z2( 4E) ( 4πε)2E kin12eAußerdem:Bestimmung derGröße des Kernsr Kernr0≈r0Vgl. Atomr Atom30≈ 1,3 ⋅ 102KernmassenzahlA−15≈ 0 ,1nm =mÅngström1Å


LinienspektrumSpektroskopie:aus der Untersuchung der Spektrallinien- Frequenz/Wellenlänge- Intensität- Linienform- Aufspaltung-…detaillierte Aussagen über- Aufbau der Atome- Aufbau von Molekülen,- Eigenschaften der chemischen Bindung- Vorkommen und Häufigkeit von Atomen/Molekülen in Materie- Aufbau von Sternen- Zustand der Materie (Dichte, Temperatur, Geschwindigkeit,elektrische und magnetische Felder)-…


Franck-Hertz-VersuchBeschleunigung der Elektronen zw.Heizdraht und GitterAbbremsung zw. Gitter und AnodeIm Normalfall erreichen dieElektronen die Anode: StromflussAber bei inelastischem Stoß(Energieabgabe) der Elektronenmit Gasatomen reicht die Energienicht mehr aus, um die Anode zuerreichen ih => Stromfluss sinkt. iktDie Gasatome können die Energieder Elektronen nur in bestimmten„Paketen“ aufnehmen!=> diskrete atomare EnergiezuständeJames Frank,Gustav Hertz 1912 - 14Nobel-Preis 1925


Photoeffekt1886 Heinrich Rudolf Hertz / 1887Hallwachs:Negativ-aufgeladene Zinkplatte wird durch Lichteinfluss entladen,positiv-aufgeladene nicht.• Intensität des Lichtes erhöht den Elektronenstrom.• Aber: Elektronen werden erst ab einer bestimmten Licht-Frequenz ausgelöst!• Energie dieser Elektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes.Licht verhält sich wie Teilchen!Erklärung durch Einstein 1905Nobel-Preis 1921ΔE=eΔV=hΔνBestimmung vonh, des PlanckschenWirkungsquantums„Austrittsarbeit“Vorlesungsexperiment mit„innerem Photoeffekt“:h=eΔV=ΔνecV2− V11/λ − 1/ λ21


Bohrsches AtommodellProbleme des Planetenmodells:ll1. Elektronen auf Kreisbahn beschleunigte Bewegung Abstrahlung von el.-mag. Wellen Energieverlust Elektron stürzt in den Kern2. Wegen Spiralbahn mit abnehmender Beschleunigung kontinuierliches Spektrum!„Lösung“ des Problems: Bohrsche Postulate 1913Nachträgliche Rechtfertigung der Postulatedurch Quantenmechanik um 1925


Bohrsche Postulate1. Bohrsches Postulat: die Elektronen bewegen sich auf stationärenBahnen (Zuständen) mit diskreten Energien E 1 , E 2 , ...E n , auf denen keineEnergieabstrahlung erfolgt!2. Bohrsches Postulat: die stationären Zustände sind dadurch festgelegt,dass der Bahndrehimpuls L n des Elektrons auf der n-ten Bahn ganzzahlig(d.h. „gequantelt“) ist:2 hLn= meω r = n = nh2πh ist das Plancksche Wirkungsquantum: h = 6.626·10 -34 JsBemerkungen: n = 0,1,2, …Mit „n“ ist hier die Drehimpulsquantenzahl gemeint, nicht die „Hauptquantenzahl“.3. Bohrsches Postulat: die Abstrahlung von Energie (Lichtemission)erfolgt bei einem sprunghaften Übergang eines Elektrons von einerstationären Bahn höherer Energie E n zu einer Bahn geringerer Energie E m .Die Energiedifferenz wird in Form eines Lichtquants (Photon) emittiert.En− Em=h⋅f


Elektronenübergänge


Energieniveaus symbolischVorsicht:Hier sind die Abstände symbolischentsprechend den Energiengezeichnet. Tatsächlich erhöhensich die Bahnradien der Elektronenschnell zu sehr großen Werten.(Man spricht für hohe hHauptquantenzahlen n von„Rydberg-Atomen“.


Energieniveaus nach Bohr, quantitativAus Drehimpuls-Quantisierungund Kräftegleichgewicht(Coulomb-K. = Zentrifugal-K.)folgt für die erlaubten Radienund damit für dieEnergie-Niveaus mitE = E pot+ E kinZ2Ln =meωr =enhh( nh)222= m2 eω r =4 πε0rme3rr n24πε0h22nnhω =Z emmre= sowie 22wobei e 122 2Z e 1 Z e Z e m 11α = ≈e2 2E( ) pot= − = −= − Zαm c4πε2 2e0hc13724πεr 4πεπε h nn0 042mm ⎛ n ⎞ m ⎛ Z e 1⎞ehEkin=2 2⎜ m24er ⎟ ⎜0n ⎟ α⎝ ⎠ ⎝ πε h ⎠insgesamtEn=Epot0ee( ωr) =⎜⎟ =⎜⎟ =( Zα)+E12nm e„Feinstruktur-Konstante“2222 2 m Eecpotkin=−22 42 m c1Zem1ee( Zα) = −22 2 22 n 8εh nund damit für die Abstände bzw. PhotonenenergienEn,m22 4m c 1 1 Z e m 1 1= hυ=⎜ 2 2 ⎟ 2 2 ⎜ 2 22 ⎝ m n ⎠ 8εh ⎝ m n2 e ⎛ ⎞e ⎛ ⎞( Zα) − =− ⎟ ⎠002=−2Bemerkung:Erweiterung aufelliptische Bahnen(Sommerfeld)→ „entartete“Energieniveaus


Rydberg-FormelRbzw. die Rydberg-Formel:f R⎛ 1 1 ⎞= ∞ ⎜ − ⎟ =2 2⎝mn⎠cλm = 1, 2, 3,…; n = m+1, m+2,…∞mit der Rydberg-Konstanten=2 4Z e m2 38 ε 0 heDie Wellenlänge≈ 3.2898 ⋅ 10für unendl. schweren Kernλ=cf15wird oft in Ångström angegeben:1 Å = 10 -10 m = 0,1 nmPhotonenenergienE = hf =oft in eV: 1 eV ≈ 1,602·10 -19 J(E = e ·U)h cλHz


Quantenmechanik: MateriewellenWelle-Teilchen-DualismusWelleFrequenz fWellenlänge λTeilchenEnergie E = h·fImpuls p = h/λGilt für Licht (Photonen) (Einstein)und für Materie (Materiewellen) (de Broglie)1875-1960Materiewelle (komplexe Zahlenwerte!) beschreibt (mit Betragsquadrat)Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Teilchen andem betrachteten Ort aufhält.El k b h d K (B h )Elektronenbahn um den Kern (Bohr)stehende Materiewelle


Quantenmechanik: UnschärferelationMateriewelle kein genau definierter OrtΨ(x) WahrscheinlichkeitsaussagenAufenthaltswahrsch. 2Ψ(x)Heisenbergsche Unschärferelation:hΔp ⋅ Δx≥ , h =2h2πOrt x und Impuls p können nicht beliebig genau bestimmt werden.Für das Produkt aus Ortsunschärfe Δx und Impulsunschärfe Δp setztdas Plancksche Wirkungsquantum eine feste untere Grenze.„Wolken“ der Aufenthaltswahrscheinlichkeitder Elektronen im Wasserstoff (Orbitale)


Quantenmechanik: SchrödingergleichungZeitunabhängige Schrödingergleichung:E2 2h dψ( x)⋅ψ( x) =+V(x) ⋅ψ(x)22mdxverknüpft Wellenfunktion ψ(x) mit Energie E und Potential V(x).Die Schrödingergleichung hat nur bestimmte Lösungen (Zustände), diedurch einen Satz von Zahlen (Quantenzahlen) bestimmt ist:n Hauptquantenzahl Energie E n = 1, 2, 3, ....l Nebenquantenzahl Bahndrehimpuls Lrl = 0, 1, 2, ..., n-1m magnetische Quantenzahl z-Komponente von L r m = -l, ..., +ls Spinquantenzahl Eigendrehimpuls Srs = ±1/2Elektronenspin (Eigendrehimpuls)S=h±2


Quantenmechanik: Orbitale


Quantenmechanik: PauliprinzipPauliprinzip:Keine 2 Elektronen in einem Atom-verbund können dieselbenQuantenzahlen aufweisen.Aufbau des Periodensystems derElementel = 0 (s): 2x1 = 2 Zuständel = 1 (p): 2x3 = 6 Zuständel = 2 (d): 2x5 =10 Zuständel = 3 (f): 2x7 =14 Zustände…in n-ter Schale 2xn 2(aber nicht sofort vollständigeBesetzung aller Unterschalen!Beispiel: 4s vor 3d)


ExperimenteExperiment ionisierende Strahlung(Röntgenstrahlung und Kernstrahlung)– Geiger-Müller-Zählrohr


Röntgenstrahlung1845-1 1923Röntgenstrahlen: elektromagnetische Welle mitWellenlänge um 1 Å und Energienvon E = h f = 1000 eV bis 100.000 eV.(1 keV bis 100 keV)RöntgenröhreDas erste Röntgenbild


Röntgenstrahlung: BremsstrahlungBremsstrahlungsspektrumI & ↓H &Abbremsungvon ElektronenMaxwellscheGesetzeAbstrahlungvon elektromagnetischenWellenE & ↓GrenzefürGrenzwellenlänge bestimmt durch:Pot. Energie der Elektronen E kin= e ⋅= Kin. Energie der Elektronen= Energie der Photonen = h ⋅ fe U = h f =⋅0h cλE PhU 0λ = hcgreU 0


Röntgenstrahlung: charakterist. SpektrumSpitzen:charakteristisches SpektrumBremsspektrumAlle vorkommenden Wellenlängengrößer als die Grenzwellenlängeλ ≥ λ = grhceU 0


RöntgenstrahlungBrems-strahlung.charakt. Str.KLMKLM• Elektron trifft auf Atom des Anodenmaterials• Elektron schlägt weiteres Elektronaus innerer Schale (K,L,..) und fliegen weiter• Elektron aus höherer Schale rückt nach• Emission eines Photons (Röntgenquants)


Abschwächung von RöntgenstrahlungStrahlstärke im Vakuumnimmt mit dem Quadrat desAbstandes (von Punktquelle) abI ∝1r2MaterialStrahlstärke im Mediumnimmt exponentiell mit demAbstand ab (analog exp. Zerfall)dIdxI(x)= −μ I(x)= I 0⋅e−μ xI(x)exp.Abfallxμ(λ,Z,ρ) : Schwächungskoeffizientabhängig vonλ: Wellenlänge der RöntgenstrahlungZ: Kernladungszahl des Materialsρ: Massendichte der Materialsverschiedene Materialen schwächenhverschieden stark Unterscheidung


Abschwächung von RöntgenstrahlungBeersches Gesetz:μ( λ,Z,ρ) = ρ ⋅μ( λ,Z)mλMassenabsorptionskoeffizient:μ3 3m( λ,Z)∝ λ ⋅ Zweiche (langwellige) llig Strahlung wird stärkerabsorbiert als harte (kurzwellige)RöntgenstrahlungMaterialien mit hoher Kernladungszahlabsorbieren stärker alsMaterialien mit niedriger Kernladungszahlz.B. Blei (Z = 82) stärker als Kohlenstoff (Z = 12)


Mechanismen der Schwächungh·fStreuung:(Kohärent) Rayleigh-Streuung:gestreutes Photon hat die gleiche Frequenz (Energie),aber andere Richtung(Inkohärent) Compton-Streuung:hf h·f 1 gestreutes Photon hat die kleinere Frequenz (Energie)und i.a. andere Richtung. Ein Teil der Energie wird alskinetische Energie an das Elektron abgegeben.e -e - Absorption:h·fPhotoeffekt (Festkörper) bzw.Photoionisation (Atome, Moleküle in der Gasphase):Photon wird absorbiert und löst ein Elektronaus dem Atomverband aus, das Elektron wird freih·f e - Paarbildung:1 Photon erzeugt ein Elektron-Positron-Paar, mögl. abe +2 22Emin = m c + m c = 2 m c =epe1.02 MeV


Absorption u. Nachweis v. RöntgenstrahlungSchematischer Verlauf desAbsorptionskoeffizienten als Funktionder Röntgenenergie(bzw. γ-Energie) E i )Nachweis vonRöntgen-Strahlung durch:Lumineszenz: Erzeugung angeregter Zustände durch Röntgen-Strahlung,Die dann durch (kaskadierte) k Übergänge in den Grundzustand d zerfallen undsichtbares Licht abstrahlen (Szintillationszähler)Photochemie: Schwärzung einer Photoplatte (Filmdosimeter)AgBr + h ⋅ f → Ag +Photoeffekt: Röntgen-Strahlung erzeugt in Halbleiter freie Elektronen,die als Strom messbar sind.Br


Strahlenschäden 1Biologisch-chemische Wirkung von Strahlen: Physikalische und chemische Phasen


Strahlenschäden 2Biologisch-chemische Wirkung von Strahlen: Biologische Phase


AtomkernMasse im Atomkern konzentriert2 Arten Kernbausteine (Nukleon):Proton:m = 1.673·10 10 -27 kg, q = + eNeutron: m = 1.675·10 -27 kg, q = 0Kernradius:Atomradius:r K≈ 10 -15r ≈ A 10-10mmAtomkern:z.B.AZX(N)4 1972 He(2),79Au(118)X = ElementsymbollA = Z + N: MassenzahlZ: ProtonenzahlN: Neutronenzahl-2712Atomare Masseneinheit: = ≈ ⋅ = m(C)Isotope1 AME1uNuklide mit gleicher Kernladungszahl Z,(=> gleiche chemischen Eigenschaften)verschiedenen Neutronenzahlen N bzw.Massenzahlen A1.6605710ppnkgp 3n n111211HWasserstoffH2 1H6DeuteriumTritiumAußerdem: Isotone (N konst.), Isobare (A konst.) und Isomere (angeregt)


NuklidkarteAnordnung der Nuklideanalog zum Periodensystemder Elementeα-ZerfallSpaltungIsotopeIsotone82Stabile Kerne126Z Isobare 50TransuraneraneZ = 92 UranZ = 93 NeptuniumZ = 94 Plutonium8208β + -Zerfall8228 β - -Zerfall502820 gNMagische Zahlenjeweils für Z und N8, 20, 28, 50, 82, 126z.B. viele Isotope bei Z magischStarke Bindung analog zuEdelgasen bei Atomen(Erklärung durch Spin-Bahn-Termder starken Wechselwirkung)


RadioaktivitätNicht alle Atomkerne sind stabil.Entdeckung/Untersuchung der Radioaktivität (Strahlung bei Kern-Zerfall)durch Becquerel, Marie und Pierre Curie=> 3 (Haupt-)Arten radioaktiver Strahlung:Unterscheidung z.B.im Magnetfeld:α-Strahlung: He- KerneAblenkung, aber schwachγ-Strahlung: el.-mag. Wellekeine Ablenkungβ-Strahlung: Elektronenstarke Ablenkung in andere Richtung(genauer β - -Strahlung)


Bindungsenergie der KerneKernmasse


NucleosyntheseFragen:- Warum gibt es so viel Eisen undähnliche Elemente- Warum gibt es überhauptschwerere Elemente und wieentstanden sie?- Wie kann man die ElementundIsotopenhäufigkeitenim Universumverstehen?


Kernspin und magnetisches MomentKernspin I:rI=rL+rSSpin S = ½Bahndrehimpuls L = 0,1,2Alle Atome mit ungerader Nukleonenzahl haben ≠ 0Magnetisches Momentr M=gI 2NMR: Der Kern eines Atoms wirkt wie ein „magnetischer Kreisel“.In einem äußeren Magnetfeld B führt er wegen der Drehimpulserhaltungeine Präzessionsbewegung durch. Legt man ein zeitlich veränderlichesQuerfeld B‘ an, so findet man bei der Präzessionsfrequenz eineausgeprägte Resonanz.Sie ist charakteristisch für den jeweiligen Kern(gyromagnetischen Verhältnis g I ).Kernspintomograph = MRI (magnetic resonance imaging)emprII r


RadioaktivitätZerfall instabiler Kerne:Zerfallsreihe von Uran-238


ZerfallsgesetzdNdt= −λN( t)= − A(t)Analog zur AbsorptiondI= −μ I(x)dxN(t)N 0 : Anfangsmenge instabiler KerneN: momentane Menge instabiler Kerneλ: Zerfallskonstante=N−λt−t/ τ−t/ t0e = N0e = N021/2∞1τ = =λ ∫ t et1/20−λtdtLebensdauer=τln2≈0,693τHalbwerts-ln2 0,693 zeit= ≈λλ−λtA( t)= A0 e =...„Aktivität“A 0 : AnfangsaktivitätEinheit: Becquerel Bq = 1/sfrüher Curie Ci = 3,7 1010 Bq(entspricht 1 g Radium)


Zerfallsartenα-Zerfall: Z f Setzt t ein α-Teilchen Tilh frei i( (α = 4 2He))A A 4238 234α : X Y + α U→Th + αZ→ − Z −2− A A -14 14 -β : X Y + e + ν C→N + e + νZ→Z + 192β-Zerfall: Setzt ein Elektron (e - ) oder ein Positron (e + ) frei+ A A +11 11 +β : X→Y + e + ν C→B + e + νZZ −1Bemerkung: Dreikörperzerfall, daher kontinuierliches Energiespektrumγ-Zerfall: Setzt elektro-magnetische Strahlung frei, E γ =h·fA * Aγ :X→ X+ γ:Z Z669075und Anti-Neutrinobzw. Neutrino


Strahlungsdetektion 1α, β, γ: können Atome ionisieren,„ionisierende Strahlung“Nebelkammer: Alkoholdampf in Kammer,Wird durch Strahlung ionisiert, an den Ionenkondensiert der Dampf => TeilchenspurBlasenkammer: Blasenbildung in „überhitzter“Flüssigkeit.Geiger-Müller-Zählrohr:Ionisierende Strahlung inMetallrohr mit Argon undAlkoholdampf. Hohe Spannung(ca. 300 V) an Drahtelektrode,Ionisation der Argon-Atome, diefreigesetzten Elektronen werdenauf Drahtelektrode beschleunigtund erzeugen weitere Elektronen,Elektronenlawine l auf Draht=> Zählimpuls


Strahlungsdetektion 2Szintillationszähler:basiert auf Photoeffekt:Radioaktive Strahlung führt beibestimmten Materialien (NaJ) zuPhotoluminiszens (Lichtblitzen).Ein Photovervielfacher setztLichtblitze in elektrische Strompulseum, die gezählt werden.Halbleiterdetektor:In der Sperrschicht einer Halbleiterdiodeführt Strahlung zu Ionisation, was zu einemStrompuls führt, der gemessen wird.


Dosimetrie 1aus der Strahlung aufgenommene EnergieEnergiedosis =GewebemasseΔED = Einheit: Gy (Gray) = J / kg früher: 1 Rad = 10 mGy(radiation absorbed dose)D EΔmIonendosis =ΔQD IΔmLadung der erzeugten IonenpaareGewebemasse= Einheit: C / kg früher: Röntgen1 R = 258 mC/kgÄquivalentdosis = biologische DosisD = q ⋅ Einheit: Sv (Sievert)= J / kgqD Efrüher: 1 rem = 10 mSv(Röntgen equivalent man)Bewertungsfaktoren q Röntgenstrahlung (γ) q=1(= RBW-Faktoren, relative schnelle Elektronen (β) q=1biologische Wirksamkeit)therm. Neutronen (n) q=33schnelle Neutronen (n) q=10He-Kerne (α) q=15-20


Strahlungsexposition und -schutzAbstand maximierenI ∝1r2Abschirmung maximierenI= I 0e−μ rdie 3 A‘sAufenthaltsdauer minimierenI ∝tgenetische Strahlenschäden ab etwamax. (gesetzl.) erlaubte Äquivalenzdosisfür gesamten Körper:vgl. mit natürlicher Strahlenexposition(große regionale Unterschiede aufgrundvon Gesteinsarten und Höhe über NN,Zuwachs durch kosm. Str. 0,1 mSv/a pro 300msowie mit künstlicher Strahlenexposition(ebenfalls große individuelle Unterschiede,z.B. med. Untersuchungen)100 mSv/a50 mSv/aca. 1 mSv/aca. 0,6 mSv/a


Elementarteilchen


Quarks & Co.Auch die „Elementarteilchen“ sind zum Teil zusammengesetzt,Baryonen aus je 3, Mesonen aus je zwei Quarks:Dabei gibt es drei sog. Familien oder Generationen:u (up) c (charm) t (top, truth) Ladung/e = 2/3d(d (down) s (strange) b(b (bottom, beauty) Ladung/e = -1/3Dazu gehört jeweils ein Leptonenpaar:e (Elektron) μ (Myon) τ (Tau)ν e (e-Neutrino) ν μ ν τDazu die Antiteilchen, die Teilchen, durch deren Austausch dieWechselwirkung vermittelt wird und evtl. „supersymmetrische Teilchen“.Einfache Beispiele:Proton: uudNeutron: udd„Farbladung“: bei der starken WW analog zurCoulomb-Ladung bei der el.-mag. WechselwirkungReale, d.h. „direkt“ beobachtbare b Teilchen sindimmer „farbneutral“, d.h. Teilchen mit Antiteilchen(komplementäre Farben), oder drei ergänzende


Multiple-Choice-TestVon 5 vorgeschlagenen Antworten t A, B, C, D und E ist jeweils nur einerichtig. Beispiele:Ein Körper, der im Abstand r von einem sehr kleinen radioaktiven Strahlerfür eine Zeit t der Bestrahlung ausgesetzt wird, erfährt eine Belastung miteiner Energiedosis, die proportional ist zu(A) 1/r (unabhängig von t), (B) t/r, (C) 1/r 2 (unabh. von t), (D) ) t/r 2 , (E) ) t 2 /rBei welchen der einzelnen neutralen Atome der folgenden Elementeliegt eine abgeschlossene äußere Elektronenschale vor?(1) Lithium, (2) Kohlenstoff, (3) Fluor(A) Bei keinem, (B) nur 1, (C) nur 2, (D) nur 3, (E) nur 1 und 2Welche Aussage über Geiger-Müller-Zählrohre trifft nicht zu?(A) Zählrohre sind möglichst gut evakuiert.(B) Nach der Ionisation werden Elektronen zum positiven Draht gezogen.(C) Der kurzzeitige Stromfluss durch den äußeren Arbeitswiderstand erzeugt dorteinen Spannungsimpuls.(D) Die Zahl der Elektronen wird durch weitere Stoßionisationen in Drahtnähe vergrößert.(E) Mit Zählrohren lassen sich energiereiche, ionisierende Strahlenarten nachweisen.Siehe auch z.B. Barth,Ziegengeist: Physik, Kurzlehrbuch und Prüfungsfragen …bzw. die CD von Ratiopharm

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