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Erklärfilm: BG ETEM - Strahlungsarten, Aktivität, Halbwertszeit
Das Wichtigste aus dem Video
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Transkriptautomatisch erstellt · 86 Zeilen
- Zum Verständnis der ionisierenden Strahlung ist es notwendig, sich mit dem Aufbau der Materie zu beschäftigen, denn die ionisierende Strahlung wird ja von
- der Materie erzeugt. Sie wechselwirkt aber auch mit dieser Materie. Und woraus besteht die Materie? Woraus bestehen Sie und ich? Alles was um uns herum ist, aus
- Atomen. Atome wiederum bestehen aus Atomkernen, die sind positiv geladen. Und diese Atomkerne werden umkreist von Elektronen. Die Elektronen sind negativ
- geladen. Also schauen wir uns mal ein Atomkern an. Hier haben wir ein Proton, ein Atombaustein, ein Kernbaustein und ein Neutron. Proton ist positiv geladen,
- Neutron ist elektrisch neutral. Bauen wir einen Atomkern zusammen, z.B. den vom Helium. Helium hat zwei Protonen im Kern und zwei Neutronen. Also insgesamt
- hat man ein Atomkern in diesem Fall aus vier Bausteinen zusammen, aber nur zwei davon sind positiv geladen. Deswegen ist für ein neutrales Heliumatom es wichtig,
- dass zwei Elektronen diesen Atomkern umkreisen. Das sieht eigentlich ganz schön aus, aber die wirklichen Verhältnisse sind viel komplizierter.
- Wenn dieses Atom so groß wäre wie ein Bundesligastadion, dann wäre ein Atomkern so groß wie ein Reiskorn im Mittelpunkt des
- Anstoßkreises. Deswegen wird das immer nur ein Bild bleiben. Aber dieses einfache Modell reicht aus, um zu verstehen, worum es bei der
- ionisierenden Strahlung geht. Noch komplizierter wird's dann natürlich, wenn man es mit größeren Atomen zu tun hat, wie z.B. beim Kohlenstoff. Im
- Kohlenstoff hat man sechs Protonen im Kern, sechs Neutronen im Kern und dieser Atomkern wird umkreist von sechs Elektronen. Aber schauen Sie doch
- selbst. Für das Verständnis der ionisierenden Strahlung genügt uns das einfache Borsche
- Atommodell. In diesem vereinfachten Modell stellt man sich die Elektronen als Teilchen vor, die auf unterschiedlichen Schalen um den Kern
- kreisen. Kohlenstoff z.B. hat sechs Protonen und sechs Neutronen im Kern, umkreist von sechs Elektronen. Durch Zusammenfügen von
- Protonen und Neutronen bauen sich die Atomkerne aller Elemente auf und werden dabei immer schwerer. Sauerstoff hat jeweils acht
- Protonen und Neutronen und kreist von acht Elektronen. Und Eisen z.B. hat 26 Protonen und Elektronen, aber 30 Neutronen. Bei den schwereren Elementen
- ist die Zahl der Neutronen etwas höher als die der [Musik] Protonen. Heute kennen wir 118 chemische
- Elemente. Sie sind aufgelistet, aufgereiht im Periodensystem der Elemente. Das kennen Sie doch noch. Na sicher. Wer hatte Kartendienst? um
- welches chemische Elemente es sich handelt, das hängt davon ab, wie viele Protonen im Atom Kern sind. Element Nummer 1 hat ein Proton, ist der
- Wasserstoff. Element Nummer 2, das Helium hat zwei Protonen. Element Nummer 3, Lithium hat drei Protonen und so weiter. Jetzt gibt es aber neben den
- Protonen auch noch die Neutronen und die Neutronenzahl eines Atomkerns kann variieren. Dann spricht man von einem Isotop. Wir haben das mal hier
- dargestellt. Die drei Isotope des Wasserstoffs. Isotop Nummer 1, nur ein Proton. Das ist der ganz normale Wasserstoff. Ist das häufigste Element
- im Universum. Sie sehen null Neutronen. Dann gibt es ein Isotop vom Wasserstoff. Da hat man ein Neutron und ein Proton. Das Deuterium. Und dann gibt es ein
- weiteres Isotop des Wasserstoffs, nämlich das Trizium. ein Proton, zwei Neutronen. Also die chemischen Eigenschaften, die sind davon gar nicht
- betroffen, wie viele Neutronen im Atomkern sind. Jedes dieser Isotope vom Wasserstoff, jedes der verschiedenen Isotope der chemischen Elemente, das
- sind Nuklide. Und die Nuklide von allen Elementen, die haben wir hier in dieser Nukleidkarte drin. Davon gibt es 2700 ungefähr. Aber nur die schwarz
- markierten sind stabil, alle anderen zerfallen. Und wie sie das tun, das zeigen wir Ihnen jetzt.
- Ein Atom zerfällt, wenn der Kern zu viele oder zu wenige Neutronen im Verhältnis zur Zahl der Protonen
- enthält. Nimmt man z.B. das Element Kobalt. Das stabile Isotop dieses Elements hat 27 Protonen und 32 Neutronen im
- Kern. Wird nun ein Neutron hinzugefügt, so entsteht das instabile Kobalt 60. Solche instabilen Atome nennt man
- radioaktiv. Das so entstandene Isotop Kobalt 60 hat 33 Neutronen. Eins dieser Neutronen wandelt sich in ein Proton um. Dabei wird
- Strahlung freigesetzt. Das Zerfallsprodukt ist dann das stabile Nickel 60 mit 28 Protonen und 32
- Neutronen. Atome zerfallen aber auch ab einer bestimmten Masse, z.B. Uran. Mit 92 Protonen ist es eines der schwersten Elemente, die wir
- kennen. Ja, das ist Uran. sicherlich das bekannteste radioaktive Element in der Natur. Aufgrund der hohen positiven Ladungsdichte in den Atomkernen vom Uran
- sind diese Atomkerne besonders gespannt, angeregt und sie regen sich ab. Sie entspannen sich durch die Abgabe von Alphateilchen. Und die Alphateilichen,
- die kennen sie schon. Die Alphate sind nämlich die Atomkerne vom Helium, zwei Protonen, zwei Neutronen. Und wenn nun so ein Alphatilchen mit hoher Energie
- aus einem Uranern herauskommt und dann auf andere Atome trifft, dann kann es diesen anderen Atomen teilweise die Elektronen entreißen. Und diesen
- Vorgang, den nennt man Ionisation. Und wie das im Einzelnen passiert und welche anderen wichtigen Strahlungsarten es noch gibt, das zeigen wir ihn hier.
- Das in der Natur am häufigsten vorkommende Uranisotop ist das Uran 238. Es zerfällt, indem aus dem Kern ein Alphateilchen ausgesendet
- wird. Dabei wandelt sich das Uranentorium um. Diese Zerfallsart nennt man
- Alphazerfall. Die energiereichen ausgesendeten Heliumkerne nennt man Alphastrahlung.
- Eine weitere Strahlung ist die Betaung. Sie besteht bei Beta Strahlung aus Elektronen und bei Beta plus Strahlung aus Positronen, die jeweils aus dem Kern
- ausgesendet [Musik] werden. Ein Beispiel für Betam-usstrahlung ist das uns bereits
- bekannte Isotop Kobalt 60. Das Zerfallsprodukt ist dann das stabile Nickel 60 mit 28 Protonen und 32 [Musik]
- Neutronen. Bei der Spaltung sehr schwerer Atome werden Neutronen freigesetzt. Nehmen wir wieder das Uran. Dieses spaltet sich auch spontan in
- meist zwei ungleiche Bruchstücke, wobei zusätzlich zwei bis drei Neutronen mit hoher Energie abgestrahlt werden. Alpha, Beta und
- Neutronenstrahlung, alle diese drei genannten Strahlungsarten, sind Teilchenstrahlungen. Dem gegenüber gibt es auch Strahlung in Form von
- elektromagnetischen Wellen. Werden diese beim Zerfall radioaktiver Stoffe aus dem Atomkern ausgesendet, spricht man von
- Gammastrahlung. Bei den meisten Teilchenstrahlungen wird zusätzlich auch Gammastrahlung freigesetzt. Ob zu viel Masse oder ein vom stabilen
- Isotop abweichendes Verhältnis von Protonen zu Neutronen, der Kern drängt darauf, sich wieder zu stabilisieren. Dabei gibt er Teilchenstrahlung ab und
- setzt elektromagnetische Wellen frei. Diesen Zerfall nennt man Radioaktivität. [Musik] Treffen diese energiereichen Teilchen
- oder elektromagnetischen Wellen auf die Hülle eines Atoms, dann werden Elektronen herausgerissen. Dies führt zu einem
- Ladungsungleichgewicht. Das elektrisch neutrale Atom wandelt sich somit zu einem positiv geladenen
- Ion. Dieser Effekt wird als Ionisation bezeichnet. Eine Besonderheit unter den ionisierenden Strahlen, das sind die
- Rönkenstrahlen. Die sind genau wie Gammastrahlen hochenergetische elektromagnetische Wellen. Sie entstehen aber nicht im Atomkern, sondern in der
- Elektronenhülle. Man kann das anhand dieser wunderschönen Rönkenröhre aus dem Jahre 1950 vielleicht mal ein bisschen erklären. Wir haben also hier die
- Elektronenkanone. Die Elektronen werden beschleunigt, schlagen auf diese Metalloberfläche, dringen also in die Elektronenhülle der Metallatome ein,
- werden dabei abgebremst und erzeugen Rönkenstrahlung. Eine Rönröhre besteht aus einer Kathode und einer Anode, die von einem Vakuum
- umgeben sind. Zwischen diesen beiden Elektroden wird eine Hochspannung angelegt, wobei die Kathode auf negatives Potential gesetzt wird.
- Dadurch werden aus der Kathode Elektronen freigesetzt und auf hohe Energie in Richtung auf die Anode beschleunigt. Diese hochenergetischen
- Elektronen treffen auf die Atome des Anodenmaterials, werden dabei abgebremst und geben ihre Energie in Form von Rönkenbremsstrahlung ab. Je kräftiger
- die Ablenkung, desto höher die Energie der Rönstrahlung. Und es gibt noch einen weiteren Weg, wie Rönstrahlung entsteht.
- Denn diese freien Elektronen schlagen auch gebundene Elektronen aus der Atomhülle heraus. Bei der Wiederauffüllung des
- entstandenen Loches wird wieder Energie abgegeben. Dies nennt man dann charakteristische Rönkenstrahlung. [Musik]
- Nachdem wir nun die verschiedenen Arten der ionisierenden Strahlung kennengelernt haben, kommen wir noch noch mal zurück zum Uran. Das Uran
- überhaupt strahlt, hat Henri Beckerell Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt und ihm zu ehren wird die Einheit, in der die Radioaktivitätsmenge gemessen wird,
- Beckerell genannt. Die Radioaktivitätsmenge, das ist die Aktivität, das ist die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde. Ein Beckarell ist
- ein Zerfall pro Sekunde, 10 beckerell, na, das können Sie selber ausrechnen. Nun vollzieht sich der radioaktive Zerfall nicht chaotisch, sondern nach
- wohldefinierten Gesetzen. Man kann allerdings einen einzelnen Atomkern nicht daraufhin untersuchen, ob er demnächst zerfällt. Das kann man nur
- statistisch machen. Deswegen ist der Begriff der Halbwärtszeit so wichtig. In einer Halbwärtszeit ist von einer Ausgangsmenge ausgehend die Hälfte der
- Atomkerne zerfallen. Nehmen ein Beispiel. Wir haben hier 32 rote Kugeln und die sollen 32 radioaktive Atomkerne darstellen. Die werden nach einer
- Halbwertzeit natürlich auf die Hälfte geschrumpft sein. Wir starten mit 32. Eine Halbwertzeite sind wir bei 16. Eine weitere Halbwertzeit sind wir bei 8.
- Eine weitere Halbwertzeit sind wir bei vier, eine weitere Halbwertzeit und so weiter. Und Sie sehen, die Anzahl der grünen, also der stabilen Atomkerne ist
- auf 28 gewachsen und am Ende hier in dieser Reihe bleiben noch vier radioaktive Kerne übrig. Die Halbwärtszeit ist keine Konstante, also
- für alle Elemente gleich. Für Uran 235 z.B. dauert es 704 Millionen Jahre bis mal die Hälfte zerfallen ist. Bei Kobalt 60 oft in der Materialprüfung verwendet
- sind es nur 5,3 Jahre und für Technizium 99, was in der Medizin oft Verwendung findet, da sind es nur 6 Stunden. Mit Technizium 99 kann man übrigens
- feststellen, wie aktiv die Schilddrüse ist. So, die verschiedenen Strahlungsarten der ionisierenden
- Strahlung sind jetzt bekannt. Für den Strahlenschutz allerdings ist das Durchdringungsvermögen dieser verschiedenen Strahlungsarten wichtig.
- Für die Alpastrahlung, das sind die Heliumkerne, genügt ein Stück Papier oder wie hier ein Stück Pappe, um sie komplett abzuschirmen. Für die
- Betterstrahlung, das sind die schnellen Elektronen, da genügt ein Stück Blexiglas, um sie komplett abzuschirmen. Und äh bei der
- Neutronenstrahlung, da ist es Paraaphin, was die komplett abbremst. Soweit zu den Teilchenstrahlen. Hier kann also eine komplette Abschirmung
- erfolgen. Bei der Rönkenstrahlung oder bei der Gamma Strahlung, das sind ja elektromagnetische Wellen, hochenergetische elektromagnetische
- Wellen, die kann man eben nicht abschirmen, nicht vollständig abschirmen, die kann man nur abschwächen. Und das macht man dann z.B.
- hier mit einer entsprechend dicken Bleiwandung. Und zwar muss sie so dick sein, dass auf der anderen Seite dieser Bleiwand gerade
- noch so viel Gammastrahlung erscheint oder Rönkenstrahlung, dass man sie von dem natürlichen Strahlungsniveau gar nicht mehr unterscheiden kann, denn dann
- kann man auch aufhören und das tue ich jetzt auch.
Zum Nachlesen
HalbwertszeitFolgt die Abnahme einem Exponentialgesetz (siehe Abbildung), dann ist die Halbwertszeit unabhängig vom anfänglichen Wert, das heißt sie ist für alle …
Harald LeschHarald Lesch (* 28. Juli 1960 in Gießen) ist ein deutscher Astrophysiker, Naturphilosoph, Wissenschaftsjournalist, Fernsehmoderator und Hörbuchsprecher.
StrahlungTypische Alpha-Teilchen (Heliumkern) (α) werden beispielsweise durch ein Blatt Papier gestoppt, während Beta-Teilchen bzw. Elektronen (β) durch eine …