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Hohe Landesschule Hanau – Strahlenschutzarbeit

Dezember ´10

Untersuchung von

Zirkonoxid enthaltenden

Materialien auf

Radioaktivität mit Hilfe

eines Gamma-

Spektrometers Zirkonsand – Schleifpapier - Zahnersatz

Lara Schmidt

Untersuchung von Zirkonoxid enthaltenden Materialien auf Radioaktivität mit Hilfe eines Gammaspektrometers

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ............................................................................................................................................ 4

2 Zirkon .................................................................................................................................................. 6

3 Radioaktivität ....................................................................................................................................... 8

3.1 Was ist Radioaktivität? .................................................................................................................. 8

3.2 Eigenschaften und Arten radioaktiver Strahlung .......................................................................... 9

3.2.1 α – Strahlung .......................................................................................................................... 9

3.2.2 β – Strahlung ........................................................................................................................ 10

3.2.3 γ – Strahlung ........................................................................................................................ 11

3.2.4 Kennzeichnende Größen ...................................................................................................... 11

3.2.5 Energie .................................................................................................................................. 13

3.2.6 Durchdringungsvermögen, Absorption, Ablenkung ............................................................. 14

3.2.7 Wechselwirkungen mit Materie ........................................................................................... 15

3.2.8 Tabellarische Übersicht ........................................................................................................ 19

3.3 Natürliche Radioaktivität ............................................................................................................. 20

3.3.1 Die Uran – Actinium – Zerfallsreihe...................................................................................... 21

3.3.2 Die Uran – Radium – Zerfallsreihe ........................................................................................ 22

3.3.3 Die Thorium – Zerfallsreihe .................................................................................................. 22

3.4 Wie wirkt Radioaktivität auf den menschlichen Körper? ............................................................ 23

4 Messmethode – Gammaspektroskopie ............................................................................................ 25

4.1 Funktionsweise des Gammaspektrometers ................................................................................ 26

4.2 Abschirmung ................................................................................................................................ 29

4.3 Beispiel eines Gammaenergie-Spektrums ................................................................................... 30

4.4 Charakteristische Energiewerte für Nuklide ............................................................................... 31

4.5 Übergangswahrscheinlichkeit ..................................................................................................... 31

4.6 Qualität von Gammaspektren ..................................................................................................... 32

4.6.1 Zählausbeute ........................................................................................................................ 32

4.6.2 Untergrundrauschen ............................................................................................................ 34

4.7 Versuchsdurchführung ................................................................................................................ 36

5 Auswertung der Messergebnisse ...................................................................................................... 37

5.1 Übersicht der Proben .................................................................................................................. 37

5.2 Vorgehensweise qualitative Analyse ........................................................................................... 38

5.2.1 Die Arbeit am Computer ...................................................................................................... 38

5.2.2 Die gefundenen Nuklide ....................................................................................................... 40


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5.3 Vorgehensweise quantitative Analyse ........................................................................................ 44

5.4 Ergebnisse aller Proben ............................................................................................................... 47

5.5 Bewertung der Ergebnisse .......................................................................................................... 48

6 Fazit ................................................................................................................................................... 49

7 Anhang ................................................................................................................................................ 51

8 Literaturverzeichnis ........................................................................................................................... 52

9 Danksagung und Schlusswort ............................................................................................................. 55


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1 Einleitung

Es gibt überraschend viele Materialien, mit denen wir im Alltag konfrontiert sind, die natürlich

radioaktiv strahlen. Nachdem ich an der Technischen Universität Darmstadt das Vergnügen hatte,

den Schülerbeauftragten Herrn Dr. Wannowius kennenzulernen, der von seinen Untersuchungen

erzählte, die die Radioaktivität von ganz normaler Schulkreide betrafen, war mein Interesse geweckt.

Ich hatte das Glück, dass Herr Dr. Wannowius Schülern die Möglichkeit gibt, Untersuchungen für

Schülerarbeiten durchzuführen, denn für Messungen, die einer solchen Arbeit würdig sind, benötigt

man ein Gamma-Spektrometer.

Der Schülerbeauftragte konnte mir bereits einige Dinge nennen, die man untersuchen könnte. Nach

weiterer Recherche habe ich mich für Materialien entschieden, die aus Zirkon(ZrSiO4) hergestellt

werden. Zirkon ist ein natürlich vorkommendes Mineral und enthält unterschiedliche Mengen an

Thorium und/oder Uran. Ich habe mir folgende Frage gestellt: „Wie groß ist bei den verschiedenen

Materialien die Strahlenbelastung, der der Mensch ausgesetzt ist?“ Gemessen habe ich das

Rohmaterial, sprich den Zirkonsand, Schleifpapier, auf das der Zirkonsand fast ungereinigt

aufgetragen wird und Zahnersatzstoffe aus Zirkonoxidkeramik, bei denen ein hoher Reinheitsgrad

vorliegen müsste. Ich habe mich auf den Zahnersatz spezialisiert, denn Zahnersatz befindet sich

innerhalb des Körpers und dies über Jahrzehnte. Die Untersuchungen sind somit besonders

spannend, da die entsendeten Strahlen direkt auf das Gewebe treffen.

Außerdem hat mich diese Untersuchung interessiert, weil es sich bei der Gamma-Spektroskopie um

eine hochfeine Messmethode handelt und sie in jedem Fall Ergebnisse liefert. Radioaktivität, im

Speziellen die natürliche Radioaktivität, ist ebenfalls ein spannendes Thema, da sie zum Teil ein

Überbleibsel der Kernreaktionen im Inneren von Sternen ist, die vor Milliarden von Jahren zur

Entstehung der Elemente führten und immer noch vorhanden ist.

Im Rahmen dieser Arbeit zum Thema Strahlenschutz habe ich folglich Zirkonsand, Schleifpapier und

im Besonderen Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik mit Hilfe eines Gamma-Spektrometers auf

Radioaktivität untersucht und möchte meine Ergebnisse in dieser Ausarbeitung vorstellen sowie

einen Einblick in die spannende Chemie und die ebenso spannende Physik, die hinter Radioaktivität,

der Messmethode und den Zahnersatzstoffen stecken, geben.

Leider hatte ich von Anfang an mit Problemen zu kämpfen, da es sich als schwierig herausstellte,

Zahnersatz für meine Messungen zu bekommen. Viele Firmen, bei denen ich anrief, sagten nur, sie

hätten keine Proben für mich, und als ich nachfragte, ob ich welche kaufen könnte, erhielt ich oft

Absagen. Die für die Arbeit verwendeten Proben erhielt ich nach vielem Herumfragen und

weitreichender Recherche von Mitschülern, die Zahntechniker in der Familie haben.

Diese Strahlenschutzarbeit beginnt mit einem Kapitel über Zirkon, in dem ich einen kleinen Einblick in


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die Welt der Mineralienkunde gebe. Es folgen die Grundlagen, die dazu benötigt werden, um meine

Ergebnisse zu verstehen. Bei den Grundlagen handelt es sich als Erstes um die Radioaktivität selbst:

Was strahlt? Wie strahlt es? Welche Wirkung haben die Strahlen auf den menschlichen Körper? Das

zweite behandelte Thema ist die verwendete Messmethode, die Gamma-Spektroskopie. Hier erkläre

ich die Funktionsweise eines solchen Gerätes und was meine Aufgabe an der TU Darmstadt war. Im

Anschluss an diese Grundlagen folgen meine Messergebnisse, die aus der qualitativen und der

quantitativen Analyse bestehen. Die Vorgehensweise bei den Analysen ist an einem Beispiel jeweils

genau beschrieben. Zum Abschluss gibt es ein Fazit, das wichtige Aspekte noch einmal

zusammenfasst und die Messergebnisse noch einmal kritisch begutachtet sowie bewertet.

Hinter dem Fazit habe finden sich die Literaturstellen nach Kapiteln geordnet übersichtlich

aufgelistet.


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2 Zirkon

Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik enthält, wie der Name schon sagt, Zirkonoxid (dies ist der

Trivialname für Zirkoniumdioxid: ZrO2). Dieses Zirkonoxid wird aus Zirkon (dem Silikat des Elementes

Zirkonium, ZrSiO4, Abb. 2.1) gewonnen. Im Rahmen der Strahlenschutzarbeit habe ich das

Ausgangsmaterial, in Form von Zirkonsand auf Radioaktivität überprüft, eine Verwendung dessen,

Schleifpapier, untersucht und Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik, bei dem der höchste Reinheitsgrad

vorliegen müsste, ebenfalls untersucht.

Zirkon ist die häufigste in der Natur vorkommende Verbindung des Elementes Zirkonium.

Der Zirkon war lange Zeit im Altertum unter dem Namen Hyazinth bekannt. Man fand ihn oft in

Tollhäusern (Irrenanstalten), in denen er als Heilstein eingesetzt wurde. So meinte man, dass der

Hyazinth alias Zirkon, Wahnsinn heilen sollte. Der Name Zirkon stammt entweder vom persischen

„zargun“ (goldfarben) oder vom arabischen „zarqun“ (Zinnober) ab.

Der Zirkon gehört zu den ältesten bekannten Mineralien der Welt. So wurde ein 4,404 Milliarden

Jahre alter Zirkon in Narryer Gneiss Terrane, Yilgarn Craton, Westaustralien gefunden.

Die chemische Formel des Zirkons ist ZrSiO4. Zirkone (s. Abb. 2.2) können farblos, gelblich, rosa, rot

oder braun, aber auch grün oder blau sein. Die Dichte beträgt abhängig von den Verunreinigungen

und Einschlüssen verschiedener Elemente (wie z.B. Thorium und/oder Uran) und Mineralien 3,9 bis

4,8 g/cm3.Finden kann man Zirkon unter anderem in Madagaskar, Deutschland, USA, Australien,

Kambodscha und Sri Lanka. Zirkon kann durch die enthaltenen Mengen an Thorium und/oder Uran

einschließlich deren Zerfallsprodukte als eine der Hauptquellen der natürlichen Radioaktivität

angesehen werden.

Abbildung 2.1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines Zirkons, der Kristall ist

etwa 250 m lang.

Abbildung 2.2: Sammlung von vier Zirkon-Typen, die sich in der Farbe und ihrer Spurenzusammensetzung unterscheiden.


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Das Mineral Zirkon findet seine Hauptanwendung in der Schmuckindustrie (Abb. 2.3), weil ein Kristall

aussieht, wie ein echter Brillant (er kann beispielsweise zum Aufwerten von Trauringen benutzt

werden).

Außerdem wird Zirkonf als Schlefmittel auf Schleifpapier verwendet, da es eine besondere

Kristallstruktur besitzt. Diese bewirkt, dass, wenn eine Spitze eines Kristalls abbricht, eine neue Spitze

gebildet wird.

Abbildung 2.3: Ring mit einem Stein aus Zirkon.

Wie zuvor bereits erwähnt, wird das Zirkonoxid aus Zirkon gewonnen. Der Zirkonsand (bestehend aus

kleinen Zirkonkristallen) wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozessen1 von

Verunreinigungen getrennt und in Zirkonoxid überführt.

Dadurch kam ich zu der Annahme, dass in den Zahnersatzstoffen (Abb. 2.4), welche eines der

Hauptverwendungsgebiete des Zirkonsandes ist, die Verunreinigung durch Uran/Thorium und deren

Zerfallsprodukte nicht so hoch sein dürfte. Dies gilt es zu überprüfen. Außerdem wird Zirkonoxid zur

Herstellung von Schmelztiegeln verwendet, da es einen Schmelzpunkt von etwa 3000°C besitzt.

1 Erhitzen eines Materials mit dem Ziel, dieses zu entwässern, zu entfärben oder zu zersetzen.

Abbildung 2.4: Zahnersatz aus Zirkonoxidkeramik.


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3 Radioaktivität

In diesem Kapitel möchte ich kurz erklären, worum es sich bei Radioaktivität handelt und wie sie auf

den menschlichen Körper wirkt.

Zuvor müssen allerdings noch ein paar Begriffe geklärt werden. Beim Ersten handelt es sich um den

Begriff des Nuklids. Ein Nuklid ist ein Atomkern, der durch Massenzahl und Kernladungszahl

eindeutig charakterisierbar ist. Die Schreibweise eines Nuklids:

Ein Beispiel: Das C-12 Atom

12 ist hier die Anzahl der Nukleonen (Kernteilchen – Protonen und Neutronen), was auch der

Massenzahl entspricht, und 6 ist die Anzahl der Protonen im Kern (= Anzahl Elektronen) bzw. die

Ordnungszahl. Die Anzahl der Neutronen, die sich aus der Differenz von der Massezahl zur

Kernladungszahl ergibt, wäre hier sechs.

Der zweite zu klärende Begriff ist der des Isotops. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl,

aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen. Ein Beispiel hierfür wäre das C-13-Atom, das ein

Isotop des oben dargestellten C-12-Atoms ist. Es besitzt genauso viele Protonen und Elektronen,

jedoch ist die Massenzahl um eine Einheit höher, da dieses Atom ein Neutron mehr im Kern besitzt.

3.1 Was ist Radioaktivität?

Radioaktivität ist, wie bereits angeführt, ein interessantes Thema. Man kann sie weder sehen, fühlen,

riechen noch hören. Antoine Henri Becquerel sah im Jahre 1896 auch nur Folgen der Strahlung. Er

bemerkte, dass Uransalze eine unsichtbare Strahlung aussandten, die lichtdicht verpackte

Fotoplatten schwärzte und ein Elektroskop entladen konnte. In der weiteren Forschung untersuchten

die Eheleute Marie und Pierre Curie die Materialien genauer, die solche Strahlen aussandten, dabei

entdeckten sie im Jahre 1898 in diesen Materialien die Elemente Polonium und Radium. G.C.

Schmidt wies im selben Jahr die Strahlung bei Thorium nach.

Die neu entdeckten Strahlen waren weder durch physikalische Einwirkungen auf den Stoff noch

durch chemische Prozesse beeinflussbar. Dadurch kam man zu dem Schluss, dass die

Strahlenaussendung nicht durch chemische Vorgänge verursacht wird. Heute weiß man, dass die

Strahlung aus den Kernen instabiler Atome ausgesandt wird. Diese Gesamterscheinung nennt man


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Radioaktivität. Die Kerne dieser radioaktiven Atome schleudern Energieportionen mit hoher

Geschwindigkeit aus (Vorgang des radioaktiven Zerfalls).

Die Kerne radioaktiver Atome nennt man Radionuklide. Handelt es sich um in der Natur

vorkommende Radionuklide, so spricht man von natürlicher Radioaktivität, handelt es sich um durch

künstliche Kernumwandlung erzeugte Radioaktivität, spricht man von künstlicher Radioaktivität.

Von den bisher über 2700 bekannten verschiedenen Nukliden, die Isotope der 118 Chemischen

Elemente sind, sind nur 249 stabil, alle anderen zerfallen spontan.

Die Haupteigenschaft der Strahlung ist, dass sie ionisierend wirkt, weshalb sie auch ionisierende

Strahlung genannt wird.

3.2 Eigenschaften und Arten radioaktiver Strahlung

Radioaktive Strahlung besitzt eine Reihe von besonderen Eigenschaften. Zum einen besitzt sie

Energie und zum anderen kann sie Stoffe durchdringen, wird durch Stoffe teilweise absorbiert und

breitet sich von einer Strahlungsquelle geradlinig aus. Bevor ich jedoch auf einige der Eigenschaften

genauer eingehe, möchte ich auf die drei verschiedenen Arten von Strahlungen eingehen, die bei

Zerfallsreaktionen entstehen können.

3.2.1 α – Strahlung

Alphastrahlen (Abb. 3.2.1) bestehen aus Heliumkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen), sie

besitzen eine Geschwindigkeit von ca. 15000 km/s und 20000 km/s.

wird häufig auch als geschrieben.

Diese Beispielszerfallsreaktion (als Kernreaktionsgleichung

geschrieben) zeigt den Zerfall des Kerns von Radium-226, das 88

Protonen und 138 Neutronen (Massenzahl abzüglich der Anzahl der

Protonen) besitzt. Dieser Kern ist nicht stabil, da die abstoßenden

Kräfte der Protonen untereinander größer als die Kernkräfte sind.

Der Kern hat das Bestreben, in einen stabileren Zustand

überzugehen.

Dies geschieht in mehreren Stufen, von denen oben nur eine

dargestellt ist. Der Kern schleudert einen Heliumkern heraus (Abb.

3.2.1), wodurch die Kernladungszahl um zwei, die Massenzahl um vier sinkt. Es entsteht das neue

Abbildung 3.2.1: Alphazerfall schematisch dargestellt.


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Element Radon (Rn). Wenn man Kernreaktionsgleichungen schreibt, müssen auf beiden Seiten die

Summe der Kernladungszahlen und die Summe der Massenzahlen übereinstimmen.

Die abgegebenen Heliumkerne nehmen aus der Umgebung Elektronen auf, wodurch Heliumatome

entstehen.

3.2.2 β – Strahlung

Diese Strahlung unterteilt sich in zwei verschiedene Untergruppen.

β - - Strahlung: Es handelt sich hierbei um Elektronen mit sehr hoher

Geschwindigkeit (etwa 99 % der Lichtgeschwindigkeit c).

Diese Strahlung entsteht, wenn sich im Kern ein Neutron in ein

Elektron und ein Proton umwandelt. Das Elektron wird

„herausgeschleudert“ (s. Abb. 3.2.2).

Wie in folgender Gleichung dargestellt, wandelt sich Blei-214 unter

Aussenden eines Elektrons in Bismuth-214 um.

Nach dem Aussenden eines Betateilchens besitzt der Kern ein Proton mehr, was man an der um eins

höher liegenden Kernladungszahl erkennt. Die Anzahl der Kernteilchen hat sich nicht verändert, die

Massenzahl bleibt demnach gleich.

β + - Strahlung: Bei natürlich und künstlich hergestellten Radionukliden tritt eine Strahlung auf, bei

der Teilchen von der Masse eines Elektrons mit einer positiven Ladung ausgeschleudert werden. Es

handelt sich hierbei um Positronen.

Diese Strahlung entsteht, wenn sich ein Proton im Kern in ein Neutron und ein Positron umwandelt .

An der folgenden Beispielszerfallsreaktion, bei der sich Phosphor-30 unter Aussenden eines Positrons

in Silizium-30 umwandelt, erkennt man, dass die Massezahl gleich bleibt, aber die Kernladungszahl

um eins abnimmt.

Allgemein wird beim Betazerfall außerdem ein weiteres Teilchen ausgesandt, das eine sehr kleine

Ruhemasse (2 eV oder weniger) und keine elektrische Ladung besitzt. Bei der Umwandlung eines

Neutrons entsteht ein Antineutrino, bei der Umwandlung eines Protons ein Neutrino. Neutrinos und

Antineutrinos besitzen ein großes Durchdringungsvermögen und sind deshalb schwer nachzuweisen.

Abbildung 3.2.2: Betastrahlung schematisch dargestellt.


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Wie oben bei den Kernreaktionsgleichungen angewendet, werden aus Gründen der Vereinfachung

Neutrino und Antineutrino nicht mit angegeben.

Da der Beta+-Zerfall hauptsächlich bei künstlich erzeugten Radionukliden auftritt, ist er für diese

Ausarbeitung nicht relevant.

3.2.3 γ – Strahlung

Bei Gammastrahlen handelt es sich um eine

elektromagnetische Strahlung (Abb. 3.2.3), vergleichbar der

Röntgenstrahlung, jedoch mit größerer Energie (kürzerer

Wellenlänge). Da die Gammastrahlung in vielen

Wechselwirkungsprozessen Teilchencharakter hat, spricht man

auch von Gammaquanten. Diese bewegen sich mit

Lichtgeschwindigkeit und treten häufig begleitend bei einem

Alpha- oder Betazerfall auf. Der Atomkern gibt noch

vorhandene überschüssige Energie in Form eines oder mehrere

Gammaquanten ab und geht dabei von einem höheren

(angeregten) zu einem niedrigeren (stabileren) Energieniveau über. Gammaquanten sind also

„Portionen“ elektromagnetsicher Energie.

Diese Gleichung zeigt, dass sich bei einem Gammazerfall Kernladungszahl und Massenzahl nicht

ändern.

Nach der Einsteinschen Gleichung kann man einem Gammaquant eine Masse zuordnen (E = mc2).

Den ausgesandten Quanten lassen sich so Massen zuordnen, die ungefähr der Elektronenmasse

entsprechen, jedoch besitzen die Gammaquanten weder eine elektrische Ladung noch eine

Ruhemasse.

3.2.4 Kennzeichnende Größen

Halbwertszeit

Ein Kern zerfällt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, man kann jedoch nicht vorhersagen,

wann er genau zerfällt. Hat man jedoch viele dieser instabilen Nuklide, kann man Vorhersagen

treffen, die die Abnahme der Anzahl dieser speziellen Kerne betreffen.

Abbildung 3.2.3: Gammstrahlung schematisch dargestellt.


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Die Halbwertszeit ist für jedes radioaktive Nuklid eine charakteristische Größe. Sie gibt an, in welcher

Zeit jeweils die Hälfte der vorhandenen instabilen Atomkerne zerfällt. Die Halbwertszeit

verschiedener radioaktiver Stoffe schwankt zwischen Bruchteilen von Sekunden und Milliarden

Jahren.

Aktivität (A)

Diese Größe ist für diese Ausarbeitung von großer Bedeutung. Die Aktivität eines „Körpers“ gibt an,

wie viele Kerne N in einer bestimmten Zeit t zerfallen und dabei radioaktive Strahlung abgeben.

Die Einheit der Aktivität in ein Becquerel (1 Bq): 1 Bq = 1/s.

Die Aktivität wird immer im Bezug auf eine Masse angegeben. Zum Beispiel hat 1 g Radium eine

Aktivität von 3,7*1010 Bq. Das bedeutet: In jeder Sekunde zerfallen 37 Mrd. Kerne.

Da ich bei der quantitativen Auswertung (Kap. 5.3) die Aktivitäten der einzelnen gefundenen

radioaktiven Nuklide in meinen Proben ausrechne, werde ich dort noch einmal genauer auf die

Rechnung mit der Aktivität eingehen.

Energiedosis (D)

Die Energiedosis gibt an, wie viel Energie eine bestimmte Masse m eines bestrahlten Stoffes

aufnimmt. D = E/m.

Die Einheit der Energiedosis ist ein Gray (1 Gy): 1 Gy = 1 J/kg.

Eine Energiedosis von ca. 6 Gy führt als Ganzkörperbestrahlung zum Tod eines Menschen.

Äquivalentdosis (Dq)

Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung und

Strahlenbelastung. Auf die biologische Wirkung gehe ich unter Punkt 2.3.4 näher ein. Dort gibt es

auch Beispiele für die Strahlenbelastung, der ein Mensch das Jahr über ausgesetzt ist.

Das Maß wird berechnet, indem man die Energiedosis mit einem Qualitätsfaktor q multipliziert, der

von der Art der Strahlung abhängt. Für Alphastrahlung ist dieser 20, für Beta- und Gammastrahlung

eins. Alphastrahlung wäre für Zellen demnach am schädlichsten, aber da Alphastrahlung kein großes

Durchdringungsvermögen (vgl. Kap. 3.2.6) hat, gelangt diese Strahlung meist nicht an Zellen, die

wichtig für den Organismus sind.

Die Einheit der Äqiuvalentdosis ist ein Sievert (1 Sv): 1 Sv = 1 J/kg.


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3.2.5 Energie

Radioaktive Strahlung besitzt Energie, dadurch können Gase ionisiert, Filme geschwärzt und

biologische Zellen verändert werden.

Da bei Kernumwandlungen sehr kleine Energiebeträge auftreten und somit die Einheiten Joule,

Nanometer und Wattsekunde, die sonst zur Messung von Energien gebraucht werden, unpraktisch

sind, wurde die Einheit Elektronenvolt (eV) eingeführt. Die Definition lautet: „1 eV ist die Energie, die

ein Elektron aufnimmt, wenn es beim freien Durchlaufen einer Spannung von 1 V beschleunigt

wird“2. Je größer also die Spannung wird, desto größer wird die Bewegungsenergie der Teilchen.

Beim radioaktiven Zerfall eines bestimmten Stoffes wird eine charakteristische Energie frei.

Alphateilchen besitzen bestimmte diskrete Energien in einer Größenordnung von 1MeV bis 10 MeV.

Wie hoch sie letztendlich sind, hängt von der Strahlungsquelle und der Wahrscheinlichkeit, dass

genau dieser Energiebetrag vom Kern abgegeben wird, ab. Hat das Teilchen die Maximalenergie

erhalten, ist der Kern in den Grundzustand übergegangen. Ist die Energie des Alphateilchens kleiner,

befindet sich der Kern noch in einem angeregten Zustand und die restliche Energie des Kerns wird in

Form eines Gammaquants frei.

Bei Betateilchen gibt es stets ein kontinuierliches Energiespektrum mit einer maximalen Energie, die

meist im Bereich von 1 MeV liegt. Alle auftretenden Elektronen oder Positronen, die in meinem Fall

nicht relevant sind, besitzen unterschiedliche Energien. Die größte Häufigkeit einer Energie liegt für

jedes Radionuklid bei einem bestimmten Wert. Die kontinuierliche Energieverteilung rührt daher,

dass beim Betazerfall auch Neutrinos oder Antineutrinos frei werden (s.o.). Die frei werdende

Zerfallsenergie verteilt sich dann nach Zufall auf Positron und Neutrino bzw. auf Elektron und

Antineutrino. Neutrino und Antineutrino besitzen weder Ladung noch Ruhemasse, man kann sie als

Portion besonderer Energie bezeichnen. Durch ihr großes Durchdringungsvermögen sind sie auch

schwer nachzuweisen.

In Kernreaktionsgleichungen, Umwandlungsschemata und Tabellen wird nur die Maximalenergie

angegeben. Wird durch Elektron und Antineutrino bzw. Positron und Neutrino nicht die gesamte

Zerfallsenergie verbraucht, entstehen zusätzlich noch ein Gammaquant oder mehrere

Gammaquanten.

Gammastrahlen besitzen bestimmte diskrete Energien wie die Alphateilchen, jedoch handelt es sich

hier nicht um Teilchenstrahlung, sondern um elektromagnetische Wellenstrahlung. Der Betrag der

Energie kann einen Wert zwischen 0,003 und etwa 17 MeV betragen. Die Energie kann über die

2 Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie. S. 14.


14

Wellenlänge bzw. die Frequenz bestimmt werden. Je höher die Frequenz bzw. je kürzer die

Wellenlänge desto mehr Energie besitzt ein Gammaquant. Gammaquanten sind unter anderem eine

Begleiterscheinung des Alpha- oder Betazerfalls, wenn der Kern noch überschüssige Energie besitzt

(s.o.). Die Energieabgabe kann in einer oder mehreren Stufen erfolgen, jedoch besitzen die Quanten

jeder einzelnen Stufe alle den gleichen Energiebetrag.

3.2.6 Durchdringungsvermögen, Absorption, Ablenkung

Das Durchdringungsvermögen radioaktiver Strahlung ist abhängig von

- der Art der Strahlung

- der Energie der Strahlung

- der Art des durchstrahlten Stoffes

- der Dicke des durchstrahlten Stoffes

Das Durchdringungsvermögen von Alphastrahlung ist am kleinsten, das von Gammastrahlung am

größten.

Radioaktive Strahlung wird durch Stoffe teilweise absorbiert. Das Absorptionsvermögen hängt von

den gleichen Faktoren ab wie das Durchdringungsvermögen. Alphastrahlung wird bereits durch

Papier vollständig absorbiert, Betastrahlung von einer 1 mm dicken Aluminiumschicht und

Gammastrahlung wird zu 50 % von einer 13 mm dicken Bleischicht absorbiert (Abb. 3.2.6).

Abbildung 3.2.5: Zerfall eines Radium-Nuklids.

In dieser Abbildung ist dargestellt, dass Radium auf zwei

verschiedene Arten zu Radon zerfallen kann. Die grünen

Linien geben Energieniveaus an: Je weiter oben sie sich

befinden, desto höher ist die Energie, die das Nuklid

enthält. Zu 94,4 % zerfällt das Nuklid unter ausschließlicher

Aussendung eines Alphateilchens. Wird nicht die gesamte

Energie, die bei diesem Zerfall frei wird, an das

Alphateilchen abgegeben, entsteht zusätzlich ein

Gammaquant mit der restlichen Energie. Auf die

Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Zerfälle wird in

dem Abschnitt „Übergangswahrscheinlichkeit“ (Kap. 4.5)

näher eingegangen.


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Alpha- und Betastrahlung werden durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt,

Gammastrahlung dagegen nicht, da sie ungeladen ist. Betateilchen werden stärker abgelenkt als

Alphateilchen, da sie eine geringere Masse besitzen.

3.2.7 Wechselwirkungen mit Materie

Welche Wechselwirkungen stattfinden, ist von der Art der Strahlung, der Energie der

Strahlungsteilchen bzw. Quanten und der Art des Wechselwirkungsmaterials abhängig. Häufig treten

Wechselwirkungen gleichzeitig auf, wobei meist eine überwiegt.

Alphateilchen verlieren ihre Energie vor allem dadurch, dass sie Atome oder Moleküle der

durchstrahlten Materie ionisieren oder anregen. Bei der Ionisierung (Abb. 3.2.7.1) eines Atoms wird

ein Elektron aus seiner Hülle abgetrennt, dafür ist ein bestimmter Energiebetrag notwendig. Wird

mehr Energie zugeführt, erhält das Elektron dies in Form von Bewegungsenergie. Diese kann so groß

sein, dass das Elektron nun seinerseits ein weiteres Atom ionisiert.

Abbildung 3.2.7.1: Vorgang der Ionisierung schematisch dargestellt.

Abbildung 3.2.6 Schema für die Absorption der verschiedenen Strahlen.

Abbildung 3.2.7.2: Anregung eines Valenzelektrons durch ein Alphateilchen schematisch dargestellt.


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Bei der Anregung (Abb. 3.2.7.2) eines Atoms wird ein Hüllenelektron vom Kern weiter entfernt und

damit auf ein höheres Energieniveau gehoben. Beim Zurückspringen auf das Ausgangsenergieniveau

wird Energie in Form eines Photons wieder abgegeben. Durch die Energieabgabe wird das

Alphateilchen immer langsamer. In Luft unter Normalbedingungen kann es nach 4 bis 7 cm keine

Veränderungen mehr herbeiführen und ist somit in ausreichender Entfernung für Organismen

ungefährlich. Ein abgebremstes Alphateilchen nimmt zwei freie Elektronen auf und wandelt sich

dadurch in ein Heliumatom um.

Treffen Betateilchen auf Materie, treten Ionisation, Anregung, Streuung und Erzeugung von

Bremsstrahlung auf. Ionisation und Erzeugung von Bremsstrahlung sind hierbei die wichtigsten

Prozesse. Betateilchen ionisieren pro Wegstrecke weniger Teilchen als Alphateilchen, daher müssen

sie einen längeren Weg zurücklegen, um ihre Energie durch Ionisationen abzugeben, dadurch

besitzen sie auch eine größere Reichweite. Da die Betateilchen keine einheitlichen Energien

besitzen, kann allerdings keine einheitliche Reichweite angegeben werden, sie liegt in der Luft

zwischen einigen Zentimetern bis zu einigen Metern. Reicht die Energie eines Betateilchens nicht aus,

um ein Atom zu ionisieren, kommt es zu einer Anregung.

Betateilchen können auch an Bewegungsenergie verlieren,

wenn sie im elektrischen Feld eines Atoms abgebremst

werden. Die dabei verlorene Energie wird in Form eines

Photons abgegeben (Röntgenbremsstrahlung, Abb.

3.2.7.3). Betateilchen werden aufgrund ihrer geringen

Masse bei Wechselwirkungen mit Atomhüllen (Ionisation,

Anregung) oder Atomkernen (Strahlungsbremsung) aus

ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung stark abgelenkt,

sie werden gestreut. Die Ablenkung wird desto

wahrscheinlicher, umso geringer die Energie des Elektrons

ist. Sind die Betateilchen weitgehend abgebremst, werden sie entweder von positiven Ionen

eingefangen oder sie lagern sich an neutrale Atome an und bilden dadurch negative Ionen.

Die Wechselwirkung von Gammastrahlung ist von besonderer Bedeutung bei der Nutzung eines

Gammaspektrometers, wie in Kapitel 4 dargestellt ist, da ionisierende Strahlung nicht mit den Sinnen

des Menschen direkt wahrgenommen werden kann. Erst wenn die Strahlung (hier die

Gammastrahlung) eine nachweisbare Veränderung hervorruft, kann diese erfasst werden. Abhängig

von der Quantenenergie können im Wesentlichen drei Wechselwirkungsprozesse auftreten: der

Abbildung 3.2.7.3: Erzeugung von Bremsstrahlungf schematisch dargestellt.


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Photoeffekt, der Comptoneffekt und der Paarbildungseffekt. Diese drei Effekte überlagern sich im

Wechselwirkungsmaterial, wobei in einzelnen Energiebereichen einer der Prozesse überwiegt.

Photoeffekt:

Dieser Effekt tritt vor allem bei kleineren Quantenenergien und großen Kernladungszahlen des

Absorbermaterials auf. Es kommt zu einer Wechselwirkung zwischen den Quanten und den

Elektronen der Atomhülle. Die Energie eines von der Hülle aufgenommenen Quants führt dazu, dass

ein Elektron (oder mehrere) abgespalten wird (Abb. 3.2.7.4). Die überschüssige Energie wird wieder

in Bewegungsenergie des Elektrons umgewandelt. Der Photoeffekt führt also zu einer Ionisation.

Abbildung 3.2.7.4: Photoeffekt in einer schematischen Darstellung.

Beim Photoeffekt verschwindet das Gammaquant und das austretende Teilchen wird Photoelektron

genannt, dieses kann wiederum durch Energieabgabe andere Atome anregen oder ionisieren.

Dadurch, dass der Photoeffekt vor allem an kernnahen Schalen stattfindet, besitzt das Atom dort

dann eine Lücke. Durch den Sprung eines weiter außen liegenden Elektrons wird diese gefüllt. Die

dabei frei werdende Energie wird als Röntgenquant emittiert (Abb. 3.2.7.4). Diese Strahlung wird

Röntgen-Fluoreszenzstrahlung genannt. Sie kann entweder das Wechselwirkungsmaterial verlassen

oder weitere Photoeffekte hervorrufen.

Abbildung 3.2.7.5: Modelldarstellung der Entstehung der Röntgenfluoreszenzstrahlung.


18

Comptoneffekt:

Dieser Effekt wird vor allem durch Gammaquanten

mittlerer Energie hervorgerufen. Das Quant überträgt

dabei einen Teil seiner Energie auf ein in der äußeren

Schale der Atomhülle sitzendes Elektron, das dadurch

abgetrennt wird (Comptonelektron). Das Quant besitzt

danach eine geringere Energie und bewegt sich mit

veränderter Flugrichtung weiter. Auch der Comptoneffekt

führt somit zu einer Ionisation des Atoms (Abb. 3.2.7.6).

Das gestreute Gammaquant kann weitere Effekte hervorrufen, bis seine Energie so niedrig geworden

ist, dass es durch einen Photoeffekt ganz aufgezehrt wird. Das Comptonelektron kann im

Welchselwirkungsmaterial zu Ionisationen und Anregungen führen.

Paarbildung:

Dieser Effekt tritt vor allem bei höherer Quantenenergie auf. Das Quant wird im elektrischen Feld

eines Atomkerns vernichtet und in ein Elektron und ein Positron umgewandelt. Dafür ist aber eine

bestimmte Energie notwendig (> 1,022 MeV), ab einer Energie von 2,044 MeV können auch zwei

Teilchenpaare erzeugt werden. Überschüssige Energie wird wieder in Bewegungsenergie der beiden

Teilchen umgewandelt. Der Paarbildungseffekt spielt vor allem bei Elementen mit hoher

Ordnungszahl eine Rolle. Das entstandene Positron hat nur eine relativ geringe Lebensdauer. Nach

der Übertragung der Bewegungsenergie auf das Wechselwirkungsmaterial vereinigt es sich mit

einem Elektron und zerstrahlt dabei in zwei Gammaquanten von je 0,511 MeV. Dieser Vorgang stellt

die Umwandlung von Materie in Energie dar.

Abbildung3.2.7.6: Schematische Darstellung des Comptoneffekts.

Abbildung 3.2.7.7: Schematische Darstellung der Paarbildung.

Abbildung 3.2.7.8: Elektron und Positron vereinigen sich und zerstrahlen (Modelldarstellung).


19

Besitzen die bei Photoeffekt, Comptoneffekt oder Paarbildung erzeugten Elektronen genügend

Energie und finden die Wechselwirkungen in einem Material mit höherer Ordnungszahl statt, kann

dabei wieder Bremsstrahlung erzeugt werden (Abb. 3.2.7.9). Der primären Umwandlung von hoher

Quantenenergie in kinetische Teilenergie folgt dann eine teilweise Rückumwandlung in Quanten

niedrigerer Energie.

Abbildung 3.2.7.9: Der Photoeffekt, durch den ein Elektron aus der Hülle herausgelöst wurde, führt zur Erzeugung von Bremsstrahlung.

3.2.8 Tabellarische Übersicht

Bezeichnung Alphastrahlung Beta- - Strahlung Gammastrahlung

Zusammensetzung Heliumkerne Elektronen Photonen, elektromagnetische Wellen

Ladungszahl + 2 - 1 0

Massenzahl 4 0 0

Geschwindigkeit bis zu 10 % der Lichtgeschwindigkeit

bis zu 99 % der Lichtgeschwindigkeit

Lichtgeschwindigkeit

Reichweite in Luft bis ca. 10 cm bis ca. 10 m sehr groß

Durchdringungs-vermögen

gering Mittel groß

Ionisationsvermögen hoch Mittel gering

Abschirmung Blatt Papier Metallbleche Bleiplatten Tabelle 3.2.8: Übersicht über die Strahlungsarten mit ihren wichtigsten Eigenschaften.


20

3.3 Natürliche Radioaktivität

Bei meinem Versuchsmaterial, den Materialien, für deren Herstellung Zirkon verwendet wird,

handelt es sich um natürliche Radioaktivität, da keine künstlich erzeugten Radionuklide vorliegen.

Im Folgenden möchte ich die natürliche Radioaktivität ein wenig genauer beleuchten.

Wie zuvor bereits erwähnt wandeln sich bei natürlicher Radioaktivität in der Natur vorkommende

Radionuklide spontan unter Aussendung von radioaktiver Strahlung um. Die entstehenden

Folgekerne sind meistens wieder radioaktiv, sodass ganze Zerfallsreihen existieren, die jeweils bei

einem stabilen Kern enden. Es gibt vier natürliche Zerfallsreihen, ein Isotop einer Zerfallsreihe tritt

auch nur in dieser einen Zerfallsreihe auf. Sie existieren bereits seit der Entstehungszeit der Erde (vor

ca. 4,6 Mrd. Jahren). Die sogenannten Urnuklide haben eine extrem große Halbwertszeit von

teilweise einigen Millionen Jahren und höher. Drei dieser Zerfallsreihen bestehen heute noch, die

Thorium-Reihe, die Uran-Actinium-Reihe sowie die Uran-Radium-Reihe. Eine dagegen ist bereits

„ausgestorben“, die Neptunium-Reihe. Sie ist ausgestorben, weil das langlebigste Nuklid nur eine

Halbwertszeit von 2,14*106 Jahren hat. Die jeweiligen Nuklide senden meistens Alpha- und Beta—-

Strahlen sowie die meist damit verbundenen Gammastrahlen.

Zwischen einem Radionuklid und seinem Zerfallsprodukt (Tochternuklid) besteht ein radioaktives

Gleichgewicht. Zu Beginn des Zerfalls ist die Bildungsgeschwindigkeit des Tochternuklides größer als

dessen Zerfallsgeschwindigkeit, bis schließlich nach ca. sieben Halbwertszeiten des Tochternuklides

ein Gleichgewicht entsteht.


21

3.3.1 Die Uran – Actinium – Zerfallsreihe

Abbildung 3.3.1: Die Nuklide der Uran – Actinium – Zerfallsreihe.

In dieser Abbildung (3.3.1) sind die verschiedenen Nuklide der Uran – Actinium – Zerfallsreihe

dargestellt. Sie sind eindeutig bestimmt durch die Nukleonenzahl (Massenzahl) und die Protonenzahl

(Kernladungszahl). Die Zerfallsreihe beginnt oben rechts beim Uran-235. An den jeweiligen Pfeilen

lässt sich ablesen, um welche Art der Strahlung es sich bei den jeweiligen Zerfallsreaktionen handelt.

Gammastrahlung ist nicht eingezeichnet, da sich bei ihr weder die Nukleonenzahl noch die

Kernladungszahl ändert. Aber wie oben bereits beschrieben, ist sie meistens eine Begleiterscheinung

bei den anderen beiden Zerfallsarten. Die Zerfallsreihe endet hier bei dem stabilen Blei-207. Da bei

manchen Nukliden (z.B. Actinium-227) sowohl der Betazerfall als auch der Alphazerfall in Frage

kommen, gibt es verschiedene Wege, die zu diesem stabilen Zustand führen können.

An dieser Übersicht erkennt man auch, dass nur Nuklide mit einer Massenzahl bzw. Nukleonenzahl

von 4n+3 vorkommen. Bei n handelt es sich hier um eine natürliche Zahl. Dies kann man erklären,

indem man sich die Zerfälle anschaut. Nur beim Alphazerfall nimmt die Nukleonenanzahl ab und

zwar um vier Nukleonen.

Die verschiedenen natürlichen Zerfallsreihen überschneiden sich nicht und gehen auch nicht

ineinander über. In der Uran – Radium – Zerfallsreihe findet man nur Nuklide mit der Massenzahl

4n+2, in der Thorium – Reihe Nuklide mit der Massenzahl 4n und in der heute nicht mehr

vorhandenen Neptunium – Reihe Nuklide mit der Massenzahl 4n + 1.


22

3.3.2 Die Uran – Radium – Zerfallsreihe

Abbildung 3.3.2: Die Nuklide der Uran – Radium – Reihe.

Die oben (Abb. 3.3.2) dargestellte Uran – Radium – Zerfallsreihe beginnt beim Uran-238 und endet

beim stabilen Blei-206. Auch hier sind wieder verschiedene Wege möglich. Die Nukleonenanzahl

beträgt hier, wie oben bereits beschrieben, 4n+2.

3.3.3 Die Thorium – Zerfallsreihe

Abbildung 3.3.3: Die Nuklide der Thorium – Zerfallsreihe.

Die Thorium – Zerfallsreihe beginnt beim Thorium-232 und endet beim stabilen Blei 208. Wie oben

angeführt, erkennt man an der Abbildung, dass die Nukleonenzahl der verschiedenen Nuklide ein


23

Vielfaches von 4, also 4n, beträgt. Auch hier gibt es instabile Nuklide, die sowohl Betastrahlung als

auch Alphastrahlung abgeben können.

3.4 Wie wirkt Radioaktivität auf den menschlichen Körper?

Aufgrund der natürlichen Radioaktivität sowie durch technische Geräte sind wir alle ständig einer

Strahlenbelastung ausgesetzt. Der natürlichen Strahlenbelastung sind alle Lebewesen sogar seit

Jahrtausenden ausgesetzt.

Die folgende Tabelle (3.4) zeigt eine Übersicht über die mittlere Strahlenbelastung in der

Bundesrepublik Deutschland.

Art der Strahlung Äquivalentdosis

Von der Umgebung (Erde) ausgehende Strahlung Kosmische Strahlung Strahlung durch aufgenommene Nahrung/Luft

0,4 mSv/Jahr 0,3 mSv/Jahr 1,7 mSv/Jahr

Medizinische Untersuchungen einschließlich Röntgenuntersuchungen Strahlung durch Kernkraftwerke, Kernwaffenversuche Strahlung durch Bildschirm des Fernsehapparates und des Computers

1,5 mSv/Jahr 0.01 mSv/Jahr 0.02 mSv/Jahr

Gesamtbelastung 4 mSv/Jahr Tabelle 3.4: Übersicht über die mittlere Strahlenbelastung in der BRD

Die durchschnittliche Strahlenbelastung beträgt in Deutschland also im Mittel 4 mSv/Jahr. Sie kann

jedoch von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein.

Der Grenzwert für Menschen, die beruflich radioaktiver Strahlung ausgesetzt sind, liegt bei 50

mSv/Jahr. Ab 250 mSv/Jahr können Schäden auftreten, eine kurzzeitige Strahlenbelastung von über

5000 mSv ist tödlich.

Radioaktive Strahlung kann Veränderungen an Zellen hervorrufen und bei hoher Dosierung zu

Strahlenschäden bis hin zum Tode führen.

Bei organischem Gewebe, vor allem bei hoch entwickelten Säugetieren und beim Menschen, können

zwei Arten von Strahlenschäden auftreten: somatische Schäden und genetische Schäden.

Im Folgenden möchte ich genauer darauf eingehen, was in den Zellen passieren kann. Treffen

ionisierende Strahlen auf einen Organismus (z.B. den Menschen), treten in den einzelnen Zellen

physikalische und unter Umständen in der Folge chemische und biologische Effekte auf. In der

sogenannten „physikalischen Phase“ treffen Strahlen auf Atome im Inneren der Zelle, was zu

Ionisation und Anregung von Atomen und Molekülen führt. Die gebildeten Ionen können entweder

das Elektron wieder einfangen (Rekombination), oder aber es werden Bindungen zwischen Atomen

gespalten und somit die Zellen verändert. Dies passiert in der sogenannten „chemischen Phase“. Es

kann zur Bildung von Peroxiden (z.B. Wasserstoffperoxid aus Wasser), zur Veränderung von


24

Aminosäuren und Enzymen oder zu dem Zerbrechen von Makromolekülen, DNS-Schäden und

Chromosomeneinbrüchen kommen. Diese Schäden können grundsätzlich vom Körper repariert

werden oder die entstandenen Stoffe können über den Stoffwechselkreislauf aus der Zelle entfernt

werden. Ist dies nicht der Fall, führen die physikalischen Primäreffekte und die daraus folgenden

chemischen Sekundäreffekte zu einem biologischen Bestrahlungseffekt: Die Zelle zeigt ein

verändertes biologisches Verhalten oder ist nicht mehr funktionsfähig. Das führt jedoch nicht in

jedem Fall dazu, dass der Schaden auch nach außen hin erkennbar wird. Die geschädigten oder nicht

mehr funktionsfähigen Zellen könnten erkannt und mit Hilfe des Immunsystems bekämpft und

abgebaut werden. Somit gäbe es dann keine gesundheitlichen Konsequenzen. Versagt jedoch das

Abwehr- bzw. Reparatursystem oder wird es überfordert, kommt es zu einem „Strahlenschaden“. Er

kann sofort oder nach einer längeren Zeit offenbar werden. Strahlenschäden können, wie oben

bereits genannt, somatische (innerhalb des Körpers) Schäden, genetische Schäden und eben auch

Zelltod sein. Das folgende Diagramm (3.4) bietet noch einmal eine kleine Übersicht.

Diagramm 3.4: Wirkung der radioaktiven Strahlung auf den menschlichen Körper.

Somatische Schäden wirken sich auf den Gesundheitszustand des betreffenden Lebewesens aus. Sie

unterteilen sich noch einmal in Frühschäden, wie Veränderungen des Blutbildes, Unwohlsein, Fieber

etc., und Spätschäden, die erst nach Jahren oder Jahrzehnten auftreten (der Schaden ist zwar bei der

Bestrahlung entstanden, aber die Symptome treten erst später auf). Diese Spätschäden unterteilt

man noch einmal in nicht bösartige (keine Metastasen bildende) Schäden wie Sterilität und Trübung

der Augenlinse und bösartige Spätschäden wie Leukämie/Krebs.

Genetische Schäden wirken sich erst bei den Nachkommen aus.

Die durch die natürliche Strahleneinwirkung hervorgerufenen Mutationen sind zahlenmäßig so

gering, dass sie aus den zeitlichen Schwankungen der natürlichen Mutationsraten nicht hervortreten.

Absorption radioaktiver Strahlung

Veränderung in den Zellen

Körperzellen Keimzellen

Somatische Schäden:

- Organschäden

- Krebs

Genetische Schäden:

- Sterilität

- Erbkrankheiten

- Missbildungen


25

Besonders gefährlich ist eine kurzzeitige hohe Strahlenbelastung. Über Schäden durch geringe

Strahlenbelastung über einen längeren Zeitraum hinweg liegen keine eindeutigen Erkenntnisse vor.

Ob Strahlenschäden eintreten oder nicht, ist vor allem abhängig von

- der Art der Strahlung, der Energiedosis und der Dauer der Einwirkung

- der Empfindlichkeit der bestrahlten Organe besonders empfindlich sind Knochenmark,

Lymphknoten und Keimzellen

Auf den Strahlenschutz, also wie man sich schützen kann, gehe ich bei der Beurteilung der

Ergebnisse (Kap. 5.5) ein, wo ich gleichzeitig die Gefährlichkeit der untersuchten Stoffe für den

menschlichen Körper beurteile.

4 Messmethode – Gammaspektroskopie

Es gibt verschiedene Messmethoden zur Bestimmung der Gesamtaktivität der Proben. Da die

einzelnen Radionuklide aber für den Menschen unterschiedlich gefährlich sind, muss man sie aus

Gründen des Strahlenschutzes einzeln bestimmen.

Fast alle Radionuklide senden Gammaquanten einer charakteristischen Energie aus. Durch

Bestimmung der Gammaenergien lassen sich die Radionuklide identifizieren.

Es gibt verschiedene Arten von Gammaspektrometern. Zur Bestimmung der Gammaenergien

verwendet man heute bevorzugt Halbleiterdetektoren. Die TU-Darmstadt besitzt einen Low Level

Ge(Li) – Halbleiterdetektor.


26

4.1 Funktionsweise des Gammaspektrometers

Abbildung 4.1.1: Schematischer Aufbau eines Gammaspektrometers.

Diese Abbildung (4.1.1) zeigt einen stark vereinfachten Aufbau des Versuchsaufbaus zur

Gammaspektroskopie. Alle Messung beginnt mit dem Halbleiterdetektor, auf den die

Gammaquanten treffen.

Bevor ich aber auf diesen Halbleiterdetektor zu sprechen komme, müssen der Begriff des Halbleiters

und andere wichtige Fachbegriffe geklärt werden.

Als Halbleiter werden kristalline Stoffe bezeichnet, die keine metallische Bindung aufweisen, typische

Beispiele hierfür sind Germanium und Silizium. Beim Halbleiter sind die Bindungselektronen nicht

wie beim Metall delokalisiert, sondern lediglich lockerer gebunden als die Rumpfelektronen. Verlässt

ein Elektron seinen Platz in der Bindung, so entsteht eine Fehlstelle, die als Defektelektron oder Loch

bezeichnet wird. Den Vorgang der Entstehung eines beweglichen Elektrons und eines Loches nennt

man Paarbildung, den umgekehrten Vorgang Rekombination. In einem reinen Halbleiter halten sich

Paarbildung und Rekombination die Waage. Die Leitung in einem reinen Halbleiter wird als

Eigenleitung bezeichnet. Sie erfolgt durch Elektronen und Löcher.

Für die technische Nutzung spielt die Eigenleitung nur eine geringe Rolle. Praktisch bedeutsam

wurden Halbleiter erst, als es gelang, ihr Leitvermögen durch den Einbau von Fremdatomen in

hochreines Halbleitermaterial (Vorgang des Dotierens) einzubauen. Durch das Dotieren lässt sich die

Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt erhöhen. Nach Art der dann dominierenden Leitung


27

unterscheidet man zwischen n-Leitung (Elektronenleitung) und p-Leitung (Löcherleitung). Wird z.B.

ein Phosphoratom (5-wertig) in Silicium dotiert, kann ein Außenelektron des Phosphors nicht

gebunden werden und steht als freies Elektron für eine n-Leitung zur Verfügung. Wird in einen

Siliciumkristall ein Boratom (3-wertig) eingebaut, kann ein Außenelektron eines Siliciumatoms nicht

gebunden werden. Es bleibt ein Loch, das für eine p-Leitung zur Verfügung steht. Die n- und p-

Leitung wird auch als Störstellenleitung bezeichnet, da die Grundlage dieser Leitung der gezielte

Einbau von Fremdatomen (Störstellen) ist.

Dioden (Abb. 4.1.2) bestehen aus einer Kombination von p- und n- leitenden Halbleitern. Für ihre

Wirkungsweise spielt der Übergang zwischen dem p-leitenden und dem n-leitenden Gebiet, kurz als

pn - Übergang eine entscheidende Rolle. Im Bereich zwischen dem p-Leiter und dem n-Leiter kommt

es zur Diffusion von Elektronen in den p-Leiter und von Löchern in den n-Leiter. Es entsteht eine

Grenzschicht mit speziellen Eigenschaften. Für diese Grenzschicht gilt, dass aufgrund von

Rekombination in dieser keine Elektronen und Löcher vorhanden sind, d.h. der pn-Übergang wirkt

wie eine Sperrschicht. Im pn-Übergang existiert ein elektrisches Feld, das vom n-Leiter zum p-Leiter

gerichtet ist. Aufgrund seiner Entstehung durch Diffusion wird es auch als Diffusionsfeld bezeichnet.

Es verhindert das weitere Eindringen von Elektronen in den p-Leiter und von Löchern in den n-Leiter.

Abbildung 4.1.2: Der schematische Aufbau einer Halbleiterdiode.


28

Eine Halbleiterdiode besteht aus p-und n- leitenden Halbleitern mit einem dazwischen liegenden

pn-Übergang. Untersucht man experimentell die Stromstärke in Abhängigkeit von einer außen

liegenden Spannung (vgl. Abb. 4.1.3), dann zeigt sich:3

- Liegt am p-Leiter der Pluspol der Spannungsquelle, so fließt bei geringer Spannung zunächst

kein Strom, das Diffusionsfeld wirkt dem äußeren Feld entgegen.

- Ab der Schwellenspannung US überwiegt das äußere Feld. Der pn-Übergang wird mit

Ladungsträgern überschwemmt. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet.

- Liegt am p-Leiter der Minuspol der Spannungsquelle, so wirken Diffusionsfeld und äußeres

Feld in gleiche Richtung. Der an Ladungsträgern verarmte pn-Übergang wird breiter. Die

Diode ist in Sperrrichtung geschaltet.

Der Halbleiterdetektor des Gammaspektrometers besteht im Prinzip aus einer Halbleiterdiode, die in

Sperrrichtung betrieben wird. Oben in der Abbildung (4.1.2) sind p-Leiter, n-Leiter und Sperrschicht

eingezeichnet.

Abbildung 4.1.3: Unterschiedlich geschaltete Halbleiterdioden (Modelldarstellung)

Die verwendete Diode ist aus einer positiv geladenen p-Schicht, die aus Germanium mit darin

eindiffundiertem Lithium besteht, und einer negativ geladenen n-Schicht, die aus Bor oder

Aluminium besteht, zusammengesetzt. Um die Diffusion von Lithium und die unkontrollierte

Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren durch Umgebungswärme zu verhindern, wird der Messkopf

mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Tritt ein Gammaquant in die Sperrschicht ein, gibt es bestenfalls

seine gesamte Energie an ein Elektron ab (Photoeffekt). In der Sperrschicht wird ein Elektronen-

Loch-Paar erzeugt. Die Ladungstrennung führt zum Aufbau einer elektrischen Spannung. Dieser

Spannungsimpuls kann gemessen werden. Da die Energie dieses Spannungsimpulses proportional zur

Energie des Gammaquants ist, kann seine Energie bestimmt werden. Die nachgeschaltete Elektronik

braucht also nur die Spannungsimpulse nach ihrer Amplitude zu sortieren und zu zählen. Das Resultat

der Messung wird durch einen Bildschirm bzw. Drucker wiedergegeben.

3 Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 271 – 275.


29

4.2 Abschirmung

Um den Detektor gegen äußere Einflüsse wie Terrestrische Strahlung und Höhenstrahlung zu

schützen, wird der Spektrometer durch mehrere Schichten verschiedenen Materials geschützt(s.

Anhang 2). Die äußerste Schicht der Apparatur ist eine 5 cm starke Bleiburg (Abb. 4.2.1). Diese

schützt die Messvorrichtung zwar vor Strahlung der natürlichen Zerfallsreihe, aber nicht vor der

Röntgenstrahlung, die von hochenergetischen Gammaquanten der Höhenstrahlung im Blei erzeugt

wird und immerhin noch bis 85 keV betragen kann. Aus diesem Grund ist die nächste Abschirmung

eine Eisenschicht, die die Röntgenstrahlung von Blei absorbiert und selbst nur noch 7 keV emittiert.

Bei der Wahl des Eisens ist jedoch darauf zu achten, dass es vor 1960 produziert sein sollte, da seit

1960 Cäsium 137 für die Füllstandskontrolle bei der Herstellung von Stahl benutzt wird und somit

auch in den Stahl gelangen kann. Um das Messgerät vor Neutronen zu schützen, die durch

Spontanspaltung von Uran oder Thorium entstehen, verwendet man Cadmium, da es einen hohen

Einfangsquerschnitt besitzt. Schließlich muss noch eine Schicht eingebaut werden, die für β-Strahlung

undurchlässig ist. Diese Aufgabe übernimmt eine Plexiglasschicht. Die folgenden Abbildungen (4.2.1,

4.2.2, 4.2.3, 4.2.4) verdeutlichen die Abschirmung des Gammaspektrometers. Es dauert ein wenig,

bis der Detektor (Abb. 4.2.3) freigelegt ist, damit man eine Probe in einem Probendöschen (Abb.

4.2.4) platzieren kann.

Abbildung 4.2.1: Versuchsaufbau an der TU – Darmstadt.

Auf diesem Bild erkennt man rechts die „Bleiburg“

mit dem 1,8 Tonnen schweren Deckel (roter Pfeil),

der auf Rollen gelagert ist, sowie links den Computer,

auf dem die gemessenen Daten gespeichert werden.

Abbildung 4.2.2:Die verschiedenen Schichten der Abschirmung..


30

4.3 Beispiel eines Gammaenergie-Spektrums

Auf der x-Achse des Diagramms sind die Gammaenergien in Form schmaler Kanäle angegeben, auf

der y-Achse die Anzahl der Impulse, die von Gammaquanten bestimmter Energie erzeugt worden

sind. Über das gesamte Spektrum sind Ausschläge, die sogenannten Photopeaks, zu erkennen. Im

Weiteren werden die Photopeaks der Einfachheit halber als Peaks bezeichnet. Die einzelnen Peaks

können den zerfallenen Radionukliden zugeordnet werden, da die Gammaenergie eine spezifische

Größe ist.

Abbildung 4.3: Beispiel eines Gammaspektrums.

Abbildung 4.2.3: Nach dem Entfernen der weiteren Schichten liegt der Detektor (mit Schutz) frei.

Abbildung 4.3.4.: Probendöschen. In dieses kommt die Probe zum Messen.


31

Häufig wird der Logarithmus der Impulse auf der Ordinatenachse des Diagramms eingetragen, da

sonst nicht viel auf dem Spektrum zu sehen und es nicht gut auf einer Seite darstellbar wäre.

4.4 Charakteristische Energiewerte für Nuklide

Jedem Nuklid werden ein oder mehrere bestimmte Energiewerte zugeordnet. Diese Energiewerte

treten in Form von Gammaquanten auf, die als Peaks auf den Spektren zu sehen sind. Bei einem

Nuklid, bei dem nur ein Energiewert auftritt, wird die Strahlung monoenergetisch genannt. Tritt der

charakteristische Energiewert bzw. die charakteristischen Energiewerte auf, ist das Nuklid, zu dem

dieser Energiewert bzw. Energiewerte gehören, mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit im Präparat

enthalten. Es kann das Problem auftreten, dass ein Gammaquant mehreren Nukliden zugeordnet

werden kann. Aus diesem Grund gibt es die Übergangswahrscheinlichkeit.

4.5 Übergangswahrscheinlichkeit

Die Übergangswahrscheinlichkeit ist sehr wichtig für den Fall, dass einem Peak zwei oder mehrere

Nuklide zugeordnet werden könnten. Bedingt durch die Tatsache, dass nicht bei allen Zerfällen

Gammaquanten ausgesendet werden, gibt es eine unterschiedliche Gewichtung bei der Zuordnung

der Nuklide mit den Gammaquanten. Infolgedessen gibt es für jeden Energiewert eines Nuklids eine

so genannte Übergangswahrscheinlichkeit, die die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit für das

Auftreten eines speziellen Gammaquants bei einem speziellen Nuklid angibt. Mit Hilfe der

Übergangswahrscheinlichkeit können somit Nuklide besser auseinandergehalten werden, falls ein

Gammaquant mehreren zugeordnet werden kann. Außerdem kann so mit mehr Sicherheit gesagt

werden, dass ein bestimmtes Nuklid vorliegt. Die jeweilige Wahrscheinlichkeit, dass bei diesem

Nuklid dort ein Peak vorliegen muss, muss proportional zur Höhe des Peaks sein. Ein Beispiel: Wenn

ein Nuklid mit 50%iger Wahrscheinlichkeit Gammaquanten der Energie 600 keV aussendet und mit

10%iger Wahrscheinlichkeit Gammaquanten mit der Energie von 1300 keV, so muss der Peak bei 600

keV viel größer sein, aber dennoch muss der bei 1300 keV zur eindeutigen Bestimmung des Nuklids

auch vorhanden sein.


32

Abbildung 4.5: Tabelle aus einem Nuklidexplorer. Links sind die jeweiligen Energien in keV angegeben, rechts die Übergangswahrscheinlichkeiten zu den jeweiligen Energiewerten.

In dieser Beispieltabelle (4.5), die vom Nuklid Cs – 134 (vgl. auch Beispieldiagramm – Abbildung 4.3)

stammt, kann man die Übergangswahrscheinlichkeiten zu den jeweiligen Energien ablesen. Man

müsste in dem Spektrum also mit 97,5%iger Wahrscheinlichkeit einen Peak bei 604 keV finden (er

muss auf jeden Fall vorhanden sein). Ebenfalls müsste man bei den anderen Energiewerten auch

Peaks angezeigt bekommen, da auch dort die Übergangswahrscheinlichkeiten sehr hoch sind.

4.6 Qualität von Gammaspektren

Zu der Arbeit mit einem Gammaspektrometer gehört auch die Diskussion der Qualität von

Gammaspektren. Grundsätzlich ist die Gammaspektroskopie eine hochfeine Messmethode, die sogar

einzelne Photonen nachweisen kann. Allerdings muss man bei der Auswertung der

Gammaenergiespektren ein paar Aspekte berücksichtigen. Bei der Qualität der Gammaspektren gibt

es zwei wichtige Punkte: die tatsächlich gemessene Strahlung und die immer vorhandenen

Störfaktoren.

4.6.1 Zählausbeute

Wie dieser Begriff schon sagt, handelt es sich hierbei um die Messausbeute an Gammaquanten, die

von dem Präparat (z.B. ein Zahn aus Zirkonoxidkeramik) ausgesandt werden. Es können keinesfalls

alle Zerfälle gemessen werden. Es wird angenommen, dass Gammaquanten vom Präparat aus in alle

Richtungen gesendet werden. Da das Präparat auf dem flachen Ge(Li)-Detektor liegt, ist es

unmöglich, alle Gammaquanten und somit alle Zerfallsereignisse zu messen.


33

Abbildung 4.6.1.1: Zählausbeute bei einer kleinen Masse schematisch dargestellt.

In dieser Grafik (4.6.1.1) ist das oben Genannte theoretisch dargestellt. Der Abstand zwischen Probe

und Detektor ist in Realität größer durch einen Schutz des Detektors, wodurch die Zählausbeute

ebenfalls verringert wird.

Es gibt einen weiteren Faktor, wodurch die Zählausbeute geringer wird, nämlich die Selbstabsorption

des Präparates, durch die einige Gammaquanten schon von der Probe selbst absorbiert werden. Bei

größerer Masse nimmt die Selbstabsorption zu und es wird auch mehr von der Strahlung in den

Raum abgegeben, da verhältnismäßig weniger von der Probe direkt auf dem Detektor aufliegt (Abb.

4.6.1.2).

Abbildung 4.6.1.2: Zählausbete bei einer größeren Masse schematisch dargestellt.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wird für Zahnersatz, bei dem es sich um einzelne Zähne handelt,

folgendes Diagramm (Abb. 4.6.1.3) benutzt, um die Zählausbeute zu bestimmen. Dies wird später in

der quantitativen Analyse wichtig. Auf der Ordinate ist die Zählausbeute in % aufgetragen, auf die

Abszisse die Energie in keV.

nicht messbare Gammaquanten

Ge(Li)-Detektor

messbare Gammaquanten

Substrat

nicht messbare Gammaquanten

Substrat

Ge(Li)-Detektor

messbare Gammaquanten


34

Abbildung 4.6.1.3: Diagramm – Zählausbeute in Abhängigkeit von der Gammaenergie für eine Probe mit geringer Masse.

4.6.2 Untergrundrauschen

Bei einer Messung, bei der kein Präparat im Detektor war, stellt man fest, dass auch in diesem

Spektrum einige Peaks zu erkennen sind. Diese Untergrundmessung ist notwendig, um in Erfahrung

zu bringen, welche Gammalinien nicht von den Präparaten stammen und somit das Messergebnis

verfälschen werden. Außerdem lässt sich bei dieser Messung das Untergrundrauschen erkennen,

welches ebenfalls in der späteren Auswertung verrechnet werden muss.


35

In folgendem Leerspektrum (Abb. 4.6.2) ist sogar ein Photopeak bei 511 keV eindeutig zu erkennen.

Abbildung 4.6.2: Spektrum der Untergrundmessung des Ge(Li)-Gammaspektrometers der TU-Darmstadt. Mit Vergrößerung des Peaks bei 511 keV.

Das Untergrundrauschen wird vor allem vom Comptoneffekt verursacht (vgl. Kap 3.2.6). Dadurch,

dass immer kleinere Energiebeträge abgegeben werden und das mehrmals hintereinander, entsteht

ein kontinuierliches Energiespektrum, was zum Teil das Untergrundrauschen ausmacht.

Die zweite Komponente dieses Rauschsignals ist die Bremsstrahlung (vgl. Kap 3.2.6), bei der auch

Gammaquanten niedrigerer Energie entstehen.

Der gut erkennbare Peak bei 511 keV ist auf Vernichtungsstrahlung zurückzuführen (vgl. Kap 3.2.6 –

„Paarbildungseffekt“), bei der es sich um Gammaquanten der Energie von 511 keV handelt.

Um die Aktivität der Nuklide zu berechnen (quantitative Analyse), muss man später das

Untergrundrauschen vom untersuchten Peak abziehen. Dieser Arbeitsschritt ist bei der

quantitativen Analyse näher beschrieben.


36

4.7 Versuchsdurchführung

Nachdem ich nun die Funktionsweise des Gammaspektrometers erläutert und wichtige Punkte, die

man beachten muss, erklärt habe, möchte ich mich nun der Ausführung des Experiments widmen

(also der Messung mit dem Gammaspektrometer). Wie in dem Kapitel über die Abschirmung des

Gammaspektrometers (Kap. 4.2) beschrieben, ist die äußere Schicht der Apparatur eine 5 cm starke

Bleiburg. Der auf Rollen gelagerte Deckel wiegt 1,8 Tonnen. Um diesen aufzuziehen, ist einige

Muskelkraft notwendig. Danach entfernt man eine Deckelschicht nach der anderen, bis man zum

Kopf des Detektors vorgestoßen ist. Nun platziert man die Probe direkt auf dem Detektor, sodass so

viele γ-Strahlen wie möglich auf den Detektor auftreffen und somit der Wirkungsgrad der

Messapparatur so hoch wie möglich ist. Jetzt werden alle Deckel wieder platziert und zu guter Letzt

mit dem Bleideckel abgedeckt, um daraufhin über den am Spektrometer angeschlossenen Computer

die Messung zu starten. Abwarten und den Mitarbeitern der Technischen Universität Darmstadt zu

danken, dass sie alle drei Tage den Spektrometer mit neuem flüssigen Stickstoff befüllen, um den

Detektor auf Temperatur zu halten, ist das Einzige, was man während der Messzeit machen kann.

Aufgrund der später beschriebenen eher geringen Radioaktivität der Zahnersatzstoffe, mussten diese

Proben mindestens jeweils zwei Wochen gemessen werden, um auswertbare Ergebnisse zu erhalten.

Das Messergebnis wird in einer Datei ausgegeben, die man mit dem speziell für Gammaspektrometer

entwickelten Programm MAESTRO öffnen kann.

Abbildung 4.7: Das Programm „Maestro“


37

5 Auswertung der Messergebnisse

Die Auswertung der Messergebnisse erfolgte zu Hause vor dem Computer. Hierfür waren ein paar

Computerprogramme notwendig, die ich im Einzelnen später noch kurz vorstelle.

Ich möchte hier als Erstes die Proben vorstellen, die ich für die Strahlenschutzarbeit gewählt habe. Es

folgen die qualitative und die quantitative Analyse, die ich am Beispiel des Zirkonsandes, des

Ausgangsmaterials für das Schleifpapier und der Zahnersatzstoffe, durchführe. Ich habe mich für das

Ausgangsmaterial entschieden, weil dies die größte Aktivität zeigt und die Spektren sehr

aussagekräftig sind. Außerdem kann man die folgenden Proben sehr gut mit dem Ausgangsmaterial

vergleichen und Unterschiede erklären.

5.1 Übersicht der Proben

In folgender Tabelle (Tab. 5.1) ist eine Auswahl an verwendeten Proben aufgelistet. Wie bereits

erwähnt, war es mir nicht möglich, direkt von Firmen Zahnersatzproben zu erhalten. Ich habe

ausschließlich Proben von Bekannten meiner Mitschüler bekommen. Das Schleifpapier, auf das

Zirkon aufgetragen ist, kann man im ganz normalen Baumarkt kaufen und den Zirkonsand (also das

Mineral Zirkon) habe ich über die TU-Darmstadt bzw. von der Firma Alroko in Hamburg erhalten. Ich

habe für diese Ausarbeitung eine Auswahl an Proben getroffen, da es bei den verschiedenen

Messungen ähnliche Ergebnisse gab. Die Proben sind demnach repräsentativ für die einzelne

„Probengruppe“. Eine größere Anzahl an Proben hätte den Rahmen der Strahlenschutzarbeit

gesprengt und würde an der allegmeinen Aussage dieser Arbeit nichts ändern.

Probe Probenkürzel Bild

Zirkonsand;

Firma Alroko

Hamburg

ZS


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Schleifpapier,

Körnung 604

SP

Zahnersatz aus

Zirkonoxidkeramik:

Zähne

ZE1

Zahnersatz aus

Zirkonoxidkeramik:

Rohplättchen

ZE2

5.2 Vorgehensweise qualitative Analyse

Nun komme ich zur quantitativen Analyse. Wie zuvor bereits erwähnt, werde ich sie am Beispiel des

Zirkonsandes genauer beschreiben.

5.2.1 Die Arbeit am Computer

Für die quantitative Analyse habe ich zwei Computerprogramme verwendet. Zum einen das bereits

erwähnte Programm MAESTRO und ein weiteres Programm namens „Nuclides2000“.

Mit dem Programm Maestro kalibriert man das Messergebnis als Erstes, denn es kann immer einmal

ein Stromausfall etc. geschehen und das Gammaspektrometer ist nicht mehr geeicht, was bedeutet,

dass Kanälen eine höhere oder eine niedrigere Energie zugeordnet wird. Dazu markiert man zwei

Peaks, die man Nukliden zuordnen kann, und sagt dem Programm, bei welchem Kanal bzw.

4 Maß für die Korngröße bzw. die Feinheit des Schleifpapiers. 60 entspricht einer mittleren Korngröße.


39

Energiewert diese Peaks eigentlich liegen müssten. Es dauert einige Zeit, in der man sich mit den

Spektren und der Messmethode beschäftigen muss, um zwei Peaks Nukliden nur durch „anschauen“

zuordnen zu können. Am genauesten wird das Kalibrieren, wenn man Peaks auswählt, die möglichst

weit voneinander entfernt sind, da so die Fehlerwahrscheinlichkeit, z.B. durch nicht genaues

Auswählen der Peaks, möglichst gering ist.

Wenn man das Spektrum kalibriert hat, kann man sich der Auswertung des Spektrums widmen. Man

kann ablesen, bei welchen Energiewerten Peaks vorliegen und nun kann man diese Peaks Nukliden

zuordnen. Dazu benötigt man das Programm Nuclides2000. Bei diesem Programm handelt es sich im

Grunde um eine Datenbank, in der alle Werte für die verschiedenen Nuklide gespeichert sind. Man

kann hier Halbwertszeit, Zerfallsart, Wahrscheinlichkeit der Zerfallsart usw. nachschauen. Außerdem

kann manherausfinden, bei welchen Energien man Ausschläge in einem Gammaenergiespektrum

erwarten kann und mit welcher Wahrscheinlichkeit (Übergangswahrscheinlichkeit, Kap. 4.5) die

Zerfälle passieren, bei denen Gammaquanten dieser Energie ausgesendet werden. Diese

Wahrscheinlichkeit müsste man auch in der Höhe der Peaks wiederfinden.

Um nicht bei jeder Energie nachschauen zu müssen, um was für ein Nuklid es sich handeln könnte,

kann man in dem Programm Maestro eine Bibliothek, „Library“ genannt, erstellen. Da bei meinen

Proben nur die natürliche Radioaktivität in Frage kommt, habe ich nur alle Nuklide eingetragen, die in

den drei heute noch vorhandenen natürlichen Zerfallsreihen (vgl. Kap. 3.3) vorkommen. Man muss

jeweils Nuklidname, die Energien einschließlich der Übergangswahrscheinlichkeiten und die

Halbwertszeit angeben. Obwohl es im Verhältnis zu der sehr großen Anzahl an vorstellbaren

Nukliden nur wenige einzutragene Nuklide waren, hat es sehr lange gedauert, für die in Frage

kommenden Nuklide alle Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten einzutragen. Sobald man

diesen Schritt aber geschafft hat, kann man viel einfacher und effektiver mit dem Programm Maestro

arbeiten, da man nur einen Peak markieren muss und schon angezeigt bekommt, um welches Nuklid

es sich handeln könnte. Nun muss man nur noch die anderen Energien des Nuklids mit hoher

Übergangswahrscheinlichkeit überprüfen, da diese auch in Form von Peaks im Spektrum angezeigt

werden müssen, und man kann sagen, welches Nuklid in der Probe auf jeden Fall enthalten ist.

Manchmal, so zum Beispiel bei Uran-238, kann man nur durch Nachweis von Tochternukliden auf die

Anwesenheit des Nuklides schließen, wenn zum Beispiel beim Zerfall keine Gammaquanten oder

Gammaquanten mit einer nicht detektierbaren Energie ausgesendet werden. Außerdem muss

beachtet werden, dass nicht alle Energien gemessen werden können, da das Gammaspektrometer

erst ab einer Energie von ca. 35 keV detektieren kann, wodurch ein paar Peaks, die erwartet werden

können, nicht im Diagramm auftreten.


40

5.2.2 Die gefundenen Nuklide

Es folgt jetzt die etwas ausführlichere qualitative Analyse des Zirkonsandes. Die folgende Abbildung

(5.2.2) zeigt das zu untersuchende Spektrum.

Abbildung 5.2.2: Gammaenergienspektrum des untersuchten Zirkonsandes

Diese Darstellung des Spektrums ist nicht sehr aussagekräftig, außer dass man erkennt, dass es sich

wohl um eine radioaktive Probe handelt. Aber mit dem Programm Maestro kann man Bereiche

vergrößern und die Energien der verschiedenen Peaks genauer bestimmen und diese identifizieren.

Im Folgenden habe ich die markantesten Peaks analysiert und aufgeführt.


41

a) Pb – 214

Dieses Nuklid (Blei-214) gehört zu der Zerfallsreihe von Uran-238. Es ist also ein Tochternuklid

dessen. In der folgenden Abbildung (5.2.3) sind die Peaks in dem zu untersuchenden Spektrum rot

markiert, die diesem Nuklid zuzuordnen sind.

Abbildung 5.2.3: Die Peaks, die durch den Zerfall von Blei-214 verursacht wurden, rot markiert.

Die Peaks, die gefunden wurden, befinden sich von links nach rechts bei den Energien 74,81 keV,

241,92 keV, 295,22 keV, 351,99 keV, 785,95 keV. Schaut man sich nun die wichtigsten Energien an,

also die Energien mit den höchsten Übergangswahrscheinlichkeiten, die in der folgenden Tabelle

(Abb. 5.2.4) dargestellt sind, erkennt man, dass vier der fünf Peaks gefunden wurden und die Höhen

der Peaks proportional zu den Übergangswahrscheinlichkeiten ist (Peak bei 351,9 keV ist am

höchsten).

Abbildung 5.2.4: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Blei-214.

Somit kann man bestätigen, dass das Nuklid Blei-215 in der Probe vorliegt sowie die Nuklide, die über

Blei-214 in der Zerfallsreihe stehen, da ein radioaktives Gleichgewicht besteht (vgl. Kap. 3.3).


42

b) Bi – 214

Auch dieses Nuklid (Bismuth-214) gehört zu der Zerfallsreihe vom Uran-238, es kann z.B. als

Zerfallsprodukt von Blei-214 entstehen. In der folgenden Abbildung (Abb. 3.2.5) ist wieder das

Spektrum dargestellt. Dieses Mal sind die Peaks, die dem Bismuth-214 zugeordnet werden können,

rot markiert.

Abbildung 5.2.5: Die Peaks, die durch den Zerfall von Bismuth-214 verursacht wurden, rot markiert.

Es wurden sehr viele Peaks gefunden, die Bismuth-214 zugeordnet werden können. Die

verschiedenen Energien hier aufzuzählen, wäre etwas unübersichtlich. Deshalb schauen wir uns

zuerst die Tabelle mit den Energien und den dazugehörigen Übergangswahrscheinlichkeiten an

(Abb. 5.2.6).

Abbildung 5.2.7: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Bismuth-214.

Bei allen aufgeführten Energien wurden Peaks gefunden. Somit kann man mit einer sehr hohen

Sicherheit sagen, dass Bismuth-214 in der Probe vorhanden ist.


43

c) Ac – 228

Weitere markante Peaks konnten dem Nuklid Actinium-228 zugeordnet werden. Dieses gehört zur

Zerfallsreihe von Thorium-232. Im Folgenden ist das untersuchte Spektrum dargestellt (Abb. 5.2.8).

Die zu dem Nuklid gefundenen Peaks sind wieder rot markiert.

Abbildung 5.2.8: Peaks, die durch den Zerfall von Actinium-228 verursacht wurden, rot markiert.

Die markanten Peaks, die markiert sind, liegen bei den Energien 911,21 keV und 966 keV. Schaut ma

sich nun wieder die Tabelle mit den Energien und den dazugehörigen

Übergangswahrscheinlichkeiten an (Abb. 5.2.9), so fällt auf, dass den beiden gefundenen Peaks die

höchste Übergangswahrscheinlichkeit zugeordnet wird.

Abbildung 5.2.9: Tabelle mit den wichtigsten Energien und Übergangswahrscheinlichkeiten von Actinium-228.

Somit lässt sich auch bestätigen, dass Actinium-228 in der Probe vorhanden ist und auch hier kann

man wieder mit Hilfe des radioaktiven Gleichgewichts sagen, dass auch alle anderen Nuklide, die

über dem Actinium-228 in der Zerfallsreihe stehen (vgl. Kap. 3.3), in der Probe enthalten sind.


44

Hiermit sind die markantesten Peaks, die in dem Spektrum vorliegen, ausgewertet. Es gibt natürlich

auch noch andere Linien in diesem Spektrum, die man Stoffen zuordnen kann. Allerdings

funktionierte das nicht so genau, wie bei den drei angeführten Beispielen. Das Prinzip, das hinter der

qualitativen Analyse steckt, dürfte nun aber klar sein.

5.3 Vorgehensweise quantitative Analyse

Nun, da bekannt ist, welche Nuklide in der Probe vorhanden sind, muss man die Aktivität dieser

bestimmen, um nach der quantitativen Analyse bewerten zu können, ob die Probe nun mehr strahlt

als die anderen Stoffe in unserer Umgebung oder nicht. Hierzu müssen einige der schon erwähnten

Aspekte berücksichtigt werden und es wurde an der TU-Darmstadt ein Programm für die Auswertung

der Gammaspektren entwickelt, das die Strahlungsintensität der vorhandenen radioaktiven Nuklide

bestimmt. Um dieses Programm benutzen zu können, muss man sowohl die Messzeit als auch die

Energie und Intensität der Peaks als Datei speichern. Dafür gibt es eine Funktion im Programm

Maestro. Das entwickelte Programm mit dem Namen „Repgamma“ öffnet die Datei und wertet sie

unter Berücksichtigung des Gewichts der Probe aus. Als Resultat dieser Rechnung erhält man die

Aktivität in Becquerel. Da es sich bei „Repgamma“ um ein Programm handelt, das von einem

Studenten speziell für dieses Gammaspektrometer geschrieben wurde, gab es leider bei dessen

Verwendung einige Probleme. Letztendlich musste ich mich in die Programmiersprache „Basic“

einlesen und das Programm auf meinen Computer anpassen. Die Theorie, die hinter der von

„Repgamma“ ausgeführten Rechnung steckt, erläutere ich im Folgenden.

Zur quantitativen Analyse, also zur Bestimmung der Aktivität der einzelnen Nuklide, muss man die

Nettofläche des Peaks, das heißt, die Fläche des Peaks abzüglich der Untergrundstrahlung (Abb. 5.3)

kennen.


45

Abbildung 5.3: Ein schematisch dargestellter Photopeak mit markiertem Untergrundrauschen.

Der grau markierte Teil des Peaks ist das Untergrundrauschen, welches auch in einem Leerspektrum

(vgl. Kap. 4.6.1) vorhanden ist. Das Programm Maestro besitzt die Funktion, die Nettofläche

auszurechnen. Hat man einen Peak markiert und sagt dem Programm, es solle die Nettofläche

ausrechnen, liest das Programm anschließend jeweils die letzten drei Kanäle auf der linken und der

rechten Seite des Spektrums, um auf beiden Seiten einen Mittelwert für das Untergrundrauschen

unterhalb des Peaks aufzustellen. Mit diesen Werten rechnet es das Untergrundrauschen unterhalb

des Peaks aus. Den dabei erhaltenen Wert zieht es dann von Bruttowert (dem gesamten Peak) ab

und erhält den Nettowert. Der nun erhaltene Wert entspricht den Zerfällen, die der Ge(Li)-Detektor

von den Zerfällen in der Probe gemessen hat.

Des Weiteren muss man die Übergangswahrscheinlichkeit (vgl. Kap. 4.5), die Messzeit und die

Zählausbeute (vgl. Kap. 4.6.1) bei der Berechnung berücksichtigen. Letztendlich kann man folgende

Gleichung anwenden:

In dieser Gleichung gibt A die Zählausbeute in Prozent an und H die Übergangswahrscheinlichkeit in

Prozent. Ausgerechnet wird mit Hilfe der Gleichung die Aktivität des einzelnen Nuklids, zu dem der

Peak gehört. Das Programm „Repgamma“ macht im Grunde nichts anderes, als diese Gleichung

anzuwenden und noch das Gewicht der Probe zu verrechnen. Das Praktische an diesem Programm

ist, dass es die verschiedenen Übergangswahrscheinlichkeiten für die Proben bereits gespeichert hat,

sodass man diese in den vielen verschiedenen Tabellen nicht heraussuchen muss. Außerdem muss

man so nicht ungenau die Zählausbeute aus massenspezifischen Diagrammen ablesen, sondern man

sagt dem Programm, ob es sich um eine große oder kleine Masse handelt, und es verrechnet dies


46

ebenfalls automatisch. Dennoch wäre es aufgrund der Probleme mit dem Programm sicherlich

schneller gegangen, alles in Handarbeit zu machen.

Als Ergebnis erhält man eine Übersicht mit den Nukliden, den Peaks, die es zu diesem Nuklid gibt,

und die Aktivitäten (in bq), die aus den einzelnen Peaks ausgerechnet wurden. Zu jedem Peak wird

eine Aktivität mit möglicher Fehlerspanne () angegeben. Eigentlich müsste bei jedem Peak eines

Nuklides die gleiche Aktivität herauskommen. Um das Ergebnis so genau wie möglich zu machen,

rechnet man anschließend den Mittelwert der Aktivität des Nuklids aus.

In der folgenden Tabelle (5.3.0) ist aufgelistet, was das Programm für meine Zirkonsandprobe

ausgegeben hat.

Nuklid Energie

(keV)

Übergangs-

wahrschein-

lichkeit

Aktivität (Bq) Gesamtaktivität

(Bq/kg)

Blei-214 352,92

295,21

0,37

0,19

535,17 2,10

577,65 2,84

Mittelwert:

566,41

2131,92 13,78

Bismuth-214 609,31

1120,29

1764,49

768,36

1238,11

934,06

2204,21

665,45

1729,60

1661,28

2447,86

0,47

0,15

0,16

0,05

0,06

0,03

0,05

0,02

0,03

0,01

0,02

499,44 2,27

438,38 7,10

555,02 8,73

520,52 12,55

543,30 13,56

481,92 19,16

527,56 19,70

488,50 27,70

641,04 25,43

489,03 55,68

633,25 40,37

Mittelwert:

528,91

2063,62 105,94

Actinium-228 911,21

966,00

85,22 2,45

41,31 3,23

Mittelwert:

63,27

246,84 15,82

Tabelle 5.3.0: Übe3rsicht der quantitativen Analyse der Zirkonsandprobe.


47

Anhand der angegebenen Gesamtaktivitäten der Nuklide erkennt man, dass Blei-214 und Bismuth-

214 am aktivsten sind.

Aktivitäten nicht detektierter Nuklide (z.B. Uran-238) könnte man mit Hilfe des radioaktiven

Gleichgewichts (vgl. Kap. 3.3) bestimmen. Beim Beispiel des Urans-238 muss man die

Halbwertszeiten vom Uran selbst und dessen Tochternuklid Thorium-234 betrachten. Durch die lange

Halbwertszeit von Uran-238 ist die Teilchenanzahl dieses Nuklids praktisch konstant. Andererseits

bewirkt die kurze Halbwertszeit von Thorium-234, dass nach Ablauf einer bestimmten Zeit die

Aktivität des Thoriums so weit gestiegen ist, dass genauso viele Thoriumatome zerfallen wie gebildet

werden. Dann ist die Aktivität des Tochternuklids gleich der des Mutternuklids.

So kann man auch erklären, dass Blei-214 und Bismuth-214 ähnliche Aktivitäten besitzen. Sie

gehören beide zur Uran-Radium-Reihe und stammen vom Uran-238 ab. Und das Blei-214 ist ein

Tochternuklid des Bismuths-214.

5.4 Ergebnisse aller Proben

Probe Radionuklid Aktivität des Nuklids (Bq/kg)

ZS Blei-214 Bismuth-214 Actinium-228

2131,92 13,78

2063,62 105,94

246,84 15,82

SP Blei-214 Bismuth-214 Actinium-228

1466,16 66,31

1301,28 75,33

204,38 43,59

ZE1 Blei-214 Bismuth-214 Actinium-228

314,22 90,83

368,60 56,41 nicht ausreichend detektiert

ZE2 Blei-214 Bismuth-214 Actinium-214

206,56 26,08

264,57 38,29 Nicht ausreichend detektiert

Tabelle 5.4: Übersicht über die Ergebnisse aller Proben

Die Spektren der drei anderen Proben sind im Anhang beigefügt.

Dass das Nuklid Actinium – 228 bei den Zahnersatzproben nicht detektiert würde, hätte man schon

erahnen können wenn man die Aktivität dieses Nuklids beim Zirkonsand betrachtet, denn auch hier

ist diese schon sehr gering.

Beim Schleifpapier muss man beachten, dass das Schleifpapier nicht nur aus dem Schleifmittel Zirkon

besteht, sondern unter anderem auch aus dem Papier. Daher lässt sich erklären, dass die Aktivität

schon um einiges niedriger ist als die des Zirkonsandes.


48

5.5 Bewertung der Ergebnisse

Anhand der obigen Tabelle (Tab. 5.4) erkennt man, dass Schleifpapier und Zahnersatz tatsächlich

radioaktiv sind, wobei die Radioaktivität des Zahnersatzes viel geringer ist als die des

Ausgangsmaterials und die des Schleifpapiers. Somit kann man sagen, dass die Reinigungsprozesse,

die am Zirkonsand bei der Herstellung der Zahnersatzstoffe durchgeführt werden, erfolgreich sind.

Es werden alle drei Arten von Strahlungen durch Zerfallsprozesse erzeugt. Alphastrahlen stellen zwar

eine größere Gefahr für Zellen dar, wie bereits in Kapitel 3.2.4 angesprochen, da sie pro Wegstrecke

mehr fremde Atome anregen, aber um ihre Wirkung entfalten zu können, muss der strahlende Stoff

erst in den Körper gelangen, da Alphastrahlen kaum durch die Haut dringen. Hier ist das

Schleifpapier besonders hervorzuheben, denn beim Schleifen entsteht Staub, der aus dem

Schleifmittel besteht, bei dem es sich in diesem Fall um Zirkon handelt. Dieser Staub kann ganz leicht

eingeatmet werden und so in den Körper bzw. direkt in die Lungen gelangen. Außerdem ist hier

anzuführen, dass der Verbraucher beim Kauf zwar sieht, dass das Schleifmittel Zirkon ist, jedoch ist

kaum jemandem bekannt, dass es sich hierbei um eine übernatürlich stark strahlende Substanz

handelt. Um die Höhe der Radioaktivität der untersuchten Proben beurteilen zu können, wende ich

mich jetzt den gesetzlichen Richtlinien (den Freigrenzen) zu, die in Deutschland gelten. Diese sind in

einem Bundesgesetzblatt von 2001 festgelegt. Da die Aktivitäten der Tochternuklide aufgrund des

radioaktiven Gleichgewichtes denen der Startnuklide der Zerfallsreihen entspricht, betrachten wir

hier Uran-238 (Tochternuklide: Blei-214 und Bismuth-214) und Thorium-234 (Tochternuklid:

Actinium-228).

Nuklid Probe Enthalten Erlaubt

Uran-238 ZS

SP

ZE1

ZE2

ca. 2000 Bq/kg

ca. 1400 Bq/kg

ca. 350 Bq/kg

ca. 250 Bq/kg

10000 Bq/kg

Thorium-234 ZS

SP

ca. 250 Bq/kg

ca. 200 Bq/kg

100000 Bq/kg

Da die Nuklide der Uran-Radium-Reihe nicht detektiert werden konnten, werden deren Aktivitäten

ebenfalls unter der Freigrenze, die bei diesem Nuklid bei 10000 Bq/kg liegt, liegen.

Anhand dieser Tabelle erkennt man, dass sich das Strahlen der Proben im Rahmen der gesetzlichen

Richtlinien bewegt, sogar eher weit darunter, und die entsandte Strahlung somit für den

menschlichen Organismus nicht bedrohlich wirken sollte. Dennoch sollte man sich einmal Gedanken


49

über den Strahlenschutz machen. Beim Zahnersatz, der sich Jahrzehnte lang im Körper befindet, sehe

ich keine Gefahr, denn er ist nicht überdurchschnittlich radioaktiv. Aber wenn jemand beruflich

täglich mit Schleifpapier arbeitet, sollte er sich zum Beispiel durch einen Mundschutz schützen, damit

er den radioaktiven Staub nicht pausenlos einatmet.

6 Fazit

„Zahnersatz ist radioaktiv!“ Wenn Menschen diesen Satz lesen, die sich noch nie über Radioaktivität

Gedanken gemacht haben, bekommen sie bestimmt ein wenig Angst vor Zahnersatz aus

Zirkonoxidkeramik. Mit dieser Arbeit habe ich aber versucht zu erklären, dass Radioaktivität überall

vorhanden ist und nicht unbedingt Schäden hervorruft. Außerdem habe ich nachgewiesen, dass sich

alles im Rahmen der gesetzlichen Richtlinien befindet und bestimmt keine Gefahr von dem

Zahnersatz ausgeht. An den Messergebnissen erkennt man ebenfalls, dass das Zirkonoxid, das für die

Zahnersatzstoffe verwendet wird, einen sehr hohen Reinheitsgrad besitzt im Gegensatz zu dem

gemessenen Zirkonsand oder dem gemessenen Schleifpapier.

Die Arbeit an der Strahlenschutzarbeit hat mir sehr gut gefallen, da ich eine begeisterte Naturwissen-

schaftlerin bin. Mir hat es Spaß gemacht, mich über Dinge zu informieren und mir Fähigkeiten

anzueignen, die weit über den Unterricht in den naturwissenschaftlichen Fächern hinausgehen und

mich interessieren. Die Untersuchungen waren eine gelungene Abwechslung zum doch eher

theoretischen Unterricht an der Schule, haben aber auch sehr viel Zeit in Anspruch genommen.

Besonders hat mich die Messmethode interessiert, da sie kleinste Energieportionen nachweisen

kann und sehr genau ist. Leider hat, wie ich bereits erwähnt habe, nicht alles so geklappt, wie ich mir

das vorgestellt habe. Zum einen war es nicht leicht, über einen ehrlichen Weg an Zahnersatzproben

zu gelangen, und zum anderen hat das Programm „Repgamma“ nicht so funktioniert, wie es sollte,

weshalb ich auch noch einige Zeit benötigt hatte, mich in die Programmiersprache „Basic“ einzulesen

und das Programm auf meinen Rechner und meine Verzeichnisse anzupassen. Aber genau diese

Probleme, die es zu überwinden gilt, sind es, die Naturwissenschaften für mich ausmachen, denn

würde alles sofort funktionieren, würde ich eine gewisse Langeweile verspüren und die

Untersuchungen wären sicherlich nicht spannend. Meine Arbeit an vergangenen Wettbewerben hat

mir sehr viel geholfen, da ich so schon ein paar Erfahrungen im Erstellen von Zeitplänen, Planen von

Messungen, Überwinden von Problemen, Analysieren von Messungen und Auswerten von

Messungen sammeln konnte.

Grundsätzlich würde ich eine Strahlenschutzarbeit nur Schülern empfehlen, die ein Thema haben,

das sie wirklich interessiert und für das sie auch sehr viel Zeit aufwenden würden. Außerdem sollte

man beachten, ob es genug Literaturstellen zu den Grundlagen des bearbeiteten Themas gibt. Es war


50

nicht einfach, für diese Ausarbeitung gute Literaturstellen zu finden.

Diese Ausarbeitung habe ich in abgeänderter Form im März 2010 im Rahmen des Abiturs als

besondere Lernleistung in der Schule eingereicht. Sie wurde, was mich besonders erfreut, mit 15

Punkten bewertet. Anschließend habe ich meine Untersuchungen fortgeführt und weitere Proben

gemessen. Insbesondere hätte ich gerne noch Schmucksteine aus Zirkon untersucht, doch leider

wurden diese Untersuchungen als eigenes Thema an eine weitere Schülerin vergeben. Da ich

begeisterte Hobby-Informatikerin bin, habe ich noch vor, eine Internetseite zu dem Thema zu

gestalten, da ich finde, dass zu wenig über Radioaktivität diskutiert und informiert wird.

Ich hoffe ebenfalls, dass ich ein wenig meiner Begeisterung, die ich beim Bearbeiten dieses Themas

verspürt habe, auf Sie übertragen konnte, und ich bin auch nicht abgeneigt, die Leser dieser

Strahlenschutzarbeit auf dem Laufenden zu halten, was meine Untersuchungen betrifft.


51

7 Anhang

Gammaenergienspektrum des untersuchten Schleifpapiers.

Gammaenergienspektrum des untersuchten Zahnersatzes Nr.1.


52

Gammaenergienspektrum des untersuchten Zahnersatzes Nr.2.

8 Literaturverzeichnis

Alle angegebenen Internetseiten waren am 23.03.2010 um 21.30 Uhr auf dem Stand, der zur

Erarbeitung des Themas verwendet wurde. Außerdem habe ich alle Seiten, die für den Inhalt

verwendet wurden, abgespeichert und kann sie jeder Zeit zur Einsicht zur Verfügung stellen.

2. Kapitel (Zirkon)

http://www.mineralienwissen.de/zirkon.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Zirkon

Abbildung 2.1: http://www.mineralienwissen.de/zirkon.html

Abbildung 2.2: http://www.uni-tuebingen.de/en/news/pressemitteilungen/archiv/archivfullview-

pressemitteilungen/select_category/1/article/was-zirkone-aus-dem-erdmantel-berichten-

koennen/1449.html?tx_ttnews[pS]=1257030000&tx_ttnews[pL]=2591999&tx_ttnews[arc]=1&cHash

=dea47505ed

Abbildung 2.3: http://www.bandorfer.de/?cat=11&paged=3

Abbildung 2.4: http://www.elixierzahn.at/zahnersatz-zirkon-zahnkrone-stiftzahn.html


53

3. Kapitel (Radioaktivität)

Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH.

Ekbert Hering, R. M. (1997). Kernumandlungen. In Physik für Ingenieure, 6. Auflage (S. 573-589).

Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag.

Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie.

Keller, C. (1975). Radiochemie. Karlsruhe: Gesellschaft für Kernforschung.

http://fmsg.bildung-rp.de/infoschul/infoschul/html/zerfallsreihe.html

Abbildung 3.2.1, Abbildung 3.2.2, Abbildung 3.2.3:

http://www.fz-juelich.de/gs/genehmigungen/glossar-strlsch/

Abbildung 3.2.5: Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis

KernEnergie. S.14.

Abbildung 3.2.6: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 406.

Abbildung 3.2.7.1, Abbildung 3.2.7.2, Abbildung 3.2.7.3, Abbildung 3.2.7.4, Abbildung 3.2.7.5,

Abbildung 3.2.7.6, Abbildung 3.2.7.7, Abbildung 3.2.7.8, Abbildung 3.2.7.9:

Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie. S. 18-

24.

Tabelle 3.2.8: http://www.super-nowa.de/Physik/33._Natuerliche_Radioaktivitaet.pdf

Abbildung 3.3.1: http://www.seilnacht.com/Lexikon/zuran.html

Abbildung 3.3.2: http://www.seilnacht.com/Lexikon/zradium.html

Abbildung 3.3.3: http://www.seilnacht.com/Lexikon/zthori.html

Tabelle 3.4: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 409.

Abbildung 3.4: Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH. S. 409.

(eigenes Layout)


54

4. Kapitel (Messmethode)

Duden. (2007). Abiturwissen Physik, 2. Auflage. Berlin: Duden Paetec GmbH.

Ekbert Hering, R. M. (1997). Kernumandlungen. In Physik für Ingenieure, 6. Auflage (S. 573-589).

Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag.

Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis KernEnergie.

http://www1.tu-

darmstadt.de/fb/ch/akplenio/Teaching/Skripte_FGP_Vorlagen/2005/1c_KernchemieLow%20Level1.

pdf

Abbildung 4.1.1: Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis

KernEnergie. S. 30.



Abbildung 4.2.1, Abbildung 4.2.2, Abbildung 4.2.3, Abbildung 4.2.4: private Fotos.

Abbildung 4.3: Volkmer, M. (2005). Radioaktivität und Strahlenschutz. Berlin: Informationskreis

KernEnergie. S. 31.

Abbildung 4.5: Tabelle aus dem Computerprogramm „Nuclides2000“. European Communities. 1999.

Abbildung 4.6.1.1, Abbildung 4.6.1.2: Eigene Anfertigung.

Abbildung 4.6.1.3:

http://www1.tu-darmstadt.de/fb/ch/akplenio/Teaching/Skripte_FGP_Vorlagen/2005/

Abbildung 4.6.2.: Eigene Messung.

Abbildung 4.7: Screenshot des Programmes „Maestro“

5. Kapitel (Auswertung der Messergebnisse)

Richtlinien: http://www.fz-juelich.de/gs/doku/SSV_Bundegesetzblatt_38.pdf, S. 1797

Abbildung 5.2.2, Abbildung 5.2.3, Abbildung 5.2.5, Abbildung 5.2.8: Spektrum angezeigt mit dem

Programm „Winplot“

Abbildung 5.2.4, Abbildung 5.2.7, Abbildung 5.2.9: Tabelle aus „Nuclides 2000“


55

9 Danksagung und Schlusswort

Ich bedanke mich bei meinen Betreuern Frau A. Obkircher von der Hohen Landesschule Hanau und

Herrn Dr. K. Wannowius von der TU-Darmstadt. Herrn Dr. Wannowius möchte ich ganz besonders

danken, da er mir nicht nur die Messapparatur zur Verfügung stellte, sondern mir auch eine

Einführung in das komplexe Thema „Gammaspektroskopie“ gegeben hat und mir bei Problemen, die

sich häufig ergaben, häufig mit Rat zur Seite stand.

Hiermit versichere ich, dass ich die schriftliche Ausarbeitung selbstständig erarbeitet und ohne

fremde Hilfe erstellt habe und dass ich alle benutzten Quellen und Hilfsmittel korrekt und vollständig

angegeben habe. Ggf. in der schriftlichen Ausarbeitung verwendete Zitate habe ich entsprechend

kenntlich gemacht.

Hanau, den 07.01.2010 Lara Schmidt

(Original folgt)

Ort, Datum Unterschrift

untersuchung von zirkonoxid enthaltenden materialien … · radioaktivität untersucht und möchte...

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