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Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner V11 05.02.2007
1Nuklidkarte
N
Z
Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner V11 05.02.2007
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Instabilität der Atomkerne: radioaktive Zerfälle
Bekannteste Arten:
• α-Zerfall: Mutterkern → Tochterkern + Heliumkern
• β-Zerfall: Mutterkern → Tochterkern + Elektron + Neutrino
• γ-Zerfall: Mutterkern → Tochterkern + Photon
teNtN λ−⋅= 0)(
λ2ln
2/1 =T
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Abschwächung von γ- und Röntgenstrahlung (X-rays):
Dicke d
deIdI ⋅−⋅= µ0)( µ
2ln2/1 =dz.B. Blei
Abschirmung von α-Strahlung (Heliumkerne):Reichweite der α-Teilchen in Luft = wenige cmschon dünnes Papier oder Kleidung schirmt die Strahlung ab.
Abschirmung von ß-Strahlung (Elektronen mit Energien bis zu einigen MeV):einige mm Aluminium reichen zur Abschirmung.
Man braucht einige cm Blei um γ-Strahlung abzuschirmen
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1. Uran-Radium-Reihe: 238U (T = 4.5 Milliarden Jahre), 206Pb; (4n+2 Reihe)
2. Uran-Actinium-Reihe: 235U (T = 0.7 Milliarden Jahre), 207Pb; (4n+3 Reihe)
3. Thorium-Reihe: 232Th (T = 14 Milliarden Jahre), 208Pb; (4n Reihe)
4. Neptunium-Reihe: 241Pu (T = 2 Millionen Jahre), 209Bi; (4n+1 Reihe)
Die 4. Zerfallsreihe kommt in der Natur nicht vor, da das langlebigste Glied 237Np dieser Reihepraktisch vollständig zerfallen ist, und die Zwischenprodukte kurze Halbwertszeiten haben.
Radioaktive Zerfallsreihen
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5Beispiel: Die 238U Zerfallsreihe
Neutronen
Protonen
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Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit Materie:
Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung (γ und X) mit Materie:
1. Photoeffekt 2. Comptoneffekt 3. Paarerzeugung
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Nachweismethoden für ionisierende Strahlung:
Beispiel: Zählrohr
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Dringen ionisierende Strahlen, ob elektromagnetische Wellen odergeladenen Teilchen in das Gewebe ein, können wichtige Moleküle, insbesondere die Erbsubstanz, beschädigt werden.
Dagegen hat der Körper Reparatur- und Anpassungsmechanismen zur Verfügung, die aber versagen können, etwa wenn die Strahlungsintensität zu hoch ist.
Unterschied: Locker ionisierende Strahlung – Dicht ionisierende Strahlung
Wirkung von ionisierender Strahlung auf den Organismus
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Locker ionisierende Strahlung (Gamma, Röntgen, Beta (Elektronen))
Einzelstrangbrüche können sehr effizient repariert werden, da das komplementäre Nukleotid auf dem gegenüberliegenden Strang unbeschädigt ist. Aber bei etwa jeder tausendsten Reparatur ist mit einem Fehler zu rechnen, der dann bei der Zellteilung weiter vererbt wird.
Einzelstrangbruch
Dicht ionisierende Strahlung (Alpha, Neutronen)
Doppelstrangbrüche sind nicht fehlerfrei zu reparieren
Doppelstrangbruch
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Dosimetrie und Strahlenschutz: Einheiten und Messgrößen
Energiedosis D
Dosisleistung
Äquivalentdosis H
Relative biologische Wirksamkeit q:Röntgenstrahlen, γ, β q = 1α – Teilchen q = 20Neutronen q = 2-10 (je nach Energie)
Aktivität A
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Dosisgrenzwerte (mSv pro Kalenderjahr)
-150 mSvLunge, Magen, Blase
-300 mSvSchilddrüse, Knochenoberfläche
-50 mSvKeimdrüsen, Gebärmutter, rotes Knochenmark
50 mSv500 mSvHaut
15 mSv150 mSvAugenlinse
1 mSv20 mSvGanzkörper
BevölkerungBeruflichstrahlenexponiertePersonen
Organ *)
Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz, Stand 12.10.2006
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Aktuelles Beispiel: 210Po Vergiftung
210Po hat eine Halbwertszeit von 138 Tagen (alpha-Zerfall, Eα = 5.4 MeV)
a) Berechnen Sie die Dosisleistung und die Äquivalenzdosisleistung von 210Po für den ganzen Körper (75kg).
b) Eine Ganzkörperdosis von 10 Sv ist tödlich. Wieviel 210Po ist nötig um diese Dosis in einem Tag zu erreichen?
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effektive Dosis durch Kalium-40-Aktivität im Menschen: 0,165 mSv/Jahr+ Gesamtnahrung (ohne Trinkwasser): 0,209 mSv/Jahr
Natürliche Strahlenbelastung (Beispiele):
Mittelere Exposition der Bevölkerung durch röntgendiagnostische undnuklearmedizinische Untersuchungen pro Person (2003): 1,8 mSv/Jahr
Besonders stark belastet sind im Moment z.B. Pilze (wg. Tschernobyl):Die Aufnahme von 80.000 Becquerel Cäsium 137 mit der Nahrung entspricht einer Strahlenbelastung von ca. 1 Millisievert. Der Verzehr von 200 g Pilzen mit 4.000 Becquerel Cäsium 137 pro Kilogramm hat beispielsweise eine Belastung von 0,01 Millisievert zur Folge. Dies lässt sich mit der Belastung durch Höhenstrahlung bei einem Flug von Frankfurt nach Cran Canaria vergleichen.
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Die Erdkruste enthält die natürlichen RadionuklideUran-238, Uran-235, Thorium-232 und Kalium-40. Als Zwischenprodukt der Zerfallsreihe des Uran-238entsteht über Radium-226 das radioaktive EdelgasRadon-222 (Rn-222, Halbwertszeit 3,8 Tage).
Radon geht mit anderen Elementen keinechemischen Verbindungen ein und ist deshalbbesonders mobil.
Aus allen Materialien, in denen Uran vorhanden ist, vor allem aus dem Erdboden und den Baumaterialien, wird Radon freigesetzt und gelangt in die freieAtmosphäre oder in die Innenraumluft von Gebäuden.
Nach UNSCEAR 2000 beträgt derbevölkerungsgewichtete Mittelwert der Radonkonzentrationin Wohnungen in der Europäischen Union etwa 59 Bq/m3. Geht man von einem linearen Risikoanstieg von 16% pro 100 Bq/m3 aus, so verursacht Radon in Wohnungenin Europa 9% aller Lungenkrebstodesfälle und 2% allerKrebstodesfälle. Absolut gesehen heißt dies, dass ca. 20.000 Lungenkrebstotepro Jahr in der Europäischen Union durch Radon verursachtwerden.
Radon
Zitate von der webpage des Bundesamts für Strahlenschutz
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Zusätzlich: Höhenstrahlung (Kosmische Strahlung)
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Effektive Dosis durch Höhenstrahlungauf ausgewählten Flugrouten
28 - 50 SingapurFrankfurt
45 - 110 San Francisco Frankfurt
3 - 6 Rom Frankfurt
17 - 28 Rio de Janeiro Frankfurt
32 - 75 New York Frankfurt
18 - 30 Johannesburg Frankfurt
10 - 18 Gran CanariaFrankfurt
Dosisbereich* [µSv] AnkunftAbflug
* Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück.
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21Versuch:
Beugungsmusterwird sichtbar, wenndie Wellenlänge derElektronen im Bereich der Größenordnung derAtomabstände in derMetallspitze liegt.
Mit Teilchen-beschleunigernversucht man sokurze Wellenlängenzu erzeugen, dassman damit die innereStruktur des Protonsuntersuchen kann.