Erklärfilm: BG ETEM - Strahlungsarten, Aktivität, Halbwertszeit
PanFilm
https://www.youtube.com/watch?v=rHUJMVDOMtM

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Zum Verständnis der ionisierenden Strahlung ist es notwendig, sich mit dem Aufbau der Materie zu beschäftigen, denn die ionisierende Strahlung wird ja von
0:08 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
0:16 Atomen. Atome wiederum bestehen aus Atomkernen, die sind positiv geladen. Und diese Atomkerne werden umkreist von Elektronen. Die Elektronen sind negativ
0:25 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,
0:33 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
0:44 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,
0:55 dass zwei Elektronen diesen Atomkern umkreisen. Das sieht eigentlich ganz schön aus, aber die wirklichen Verhältnisse sind viel komplizierter.
1:04 Wenn dieses Atom so groß wäre wie ein Bundesligastadion, dann wäre ein Atomkern so groß wie ein Reiskorn im Mittelpunkt des
1:14 Anstoßkreises. Deswegen wird das immer nur ein Bild bleiben. Aber dieses einfache Modell reicht aus, um zu verstehen, worum es bei der
1:21 ionisierenden Strahlung geht. Noch komplizierter wird's dann natürlich, wenn man es mit größeren Atomen zu tun hat, wie z.B. beim Kohlenstoff. Im
1:29 Kohlenstoff hat man sechs Protonen im Kern, sechs Neutronen im Kern und dieser Atomkern wird umkreist von sechs Elektronen. Aber schauen Sie doch
1:37 selbst. Für das Verständnis der ionisierenden Strahlung genügt uns das einfache Borsche
1:45 Atommodell. In diesem vereinfachten Modell stellt man sich die Elektronen als Teilchen vor, die auf unterschiedlichen Schalen um den Kern
1:55 kreisen. Kohlenstoff z.B. hat sechs Protonen und sechs Neutronen im Kern, umkreist von sechs Elektronen. Durch Zusammenfügen von
2:05 Protonen und Neutronen bauen sich die Atomkerne aller Elemente auf und werden dabei immer schwerer. Sauerstoff hat jeweils acht
2:14 Protonen und Neutronen und kreist von acht Elektronen. Und Eisen z.B. hat 26 Protonen und Elektronen, aber 30 Neutronen. Bei den schwereren Elementen
2:26 ist die Zahl der Neutronen etwas höher als die der [Musik] Protonen. Heute kennen wir 118 chemische
2:36 Elemente. Sie sind aufgelistet, aufgereiht im Periodensystem der Elemente. Das kennen Sie doch noch. Na sicher. Wer hatte Kartendienst? um
2:44 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
2:53 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
3:00 Protonen auch noch die Neutronen und die Neutronenzahl eines Atomkerns kann variieren. Dann spricht man von einem Isotop. Wir haben das mal hier
3:08 dargestellt. Die drei Isotope des Wasserstoffs. Isotop Nummer 1, nur ein Proton. Das ist der ganz normale Wasserstoff. Ist das häufigste Element
3:17 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
3:28 weiteres Isotop des Wasserstoffs, nämlich das Trizium. ein Proton, zwei Neutronen. Also die chemischen Eigenschaften, die sind davon gar nicht
3:37 betroffen, wie viele Neutronen im Atomkern sind. Jedes dieser Isotope vom Wasserstoff, jedes der verschiedenen Isotope der chemischen Elemente, das
3:47 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
3:59 markierten sind stabil, alle anderen zerfallen. Und wie sie das tun, das zeigen wir Ihnen jetzt.
4:11 Ein Atom zerfällt, wenn der Kern zu viele oder zu wenige Neutronen im Verhältnis zur Zahl der Protonen
4:18 enthält. Nimmt man z.B. das Element Kobalt. Das stabile Isotop dieses Elements hat 27 Protonen und 32 Neutronen im
4:31 Kern. Wird nun ein Neutron hinzugefügt, so entsteht das instabile Kobalt 60. Solche instabilen Atome nennt man
4:43 radioaktiv. Das so entstandene Isotop Kobalt 60 hat 33 Neutronen. Eins dieser Neutronen wandelt sich in ein Proton um. Dabei wird
4:55 Strahlung freigesetzt. Das Zerfallsprodukt ist dann das stabile Nickel 60 mit 28 Protonen und 32
5:07 Neutronen. Atome zerfallen aber auch ab einer bestimmten Masse, z.B. Uran. Mit 92 Protonen ist es eines der schwersten Elemente, die wir
5:23 kennen. Ja, das ist Uran. sicherlich das bekannteste radioaktive Element in der Natur. Aufgrund der hohen positiven Ladungsdichte in den Atomkernen vom Uran
5:33 sind diese Atomkerne besonders gespannt, angeregt und sie regen sich ab. Sie entspannen sich durch die Abgabe von Alphateilchen. Und die Alphateilichen,
5:42 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
5:52 aus einem Uranern herauskommt und dann auf andere Atome trifft, dann kann es diesen anderen Atomen teilweise die Elektronen entreißen. Und diesen
6:01 Vorgang, den nennt man Ionisation. Und wie das im Einzelnen passiert und welche anderen wichtigen Strahlungsarten es noch gibt, das zeigen wir ihn hier.
6:11 Das in der Natur am häufigsten vorkommende Uranisotop ist das Uran 238. Es zerfällt, indem aus dem Kern ein Alphateilchen ausgesendet
6:24 wird. Dabei wandelt sich das Uranentorium um. Diese Zerfallsart nennt man
6:32 Alphazerfall. Die energiereichen ausgesendeten Heliumkerne nennt man Alphastrahlung.
6:42 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
6:53 ausgesendet [Musik] werden. Ein Beispiel für Betam-usstrahlung ist das uns bereits
7:01 bekannte Isotop Kobalt 60. Das Zerfallsprodukt ist dann das stabile Nickel 60 mit 28 Protonen und 32 [Musik]
7:12 Neutronen. Bei der Spaltung sehr schwerer Atome werden Neutronen freigesetzt. Nehmen wir wieder das Uran. Dieses spaltet sich auch spontan in
7:23 meist zwei ungleiche Bruchstücke, wobei zusätzlich zwei bis drei Neutronen mit hoher Energie abgestrahlt werden. Alpha, Beta und
7:34 Neutronenstrahlung, alle diese drei genannten Strahlungsarten, sind Teilchenstrahlungen. Dem gegenüber gibt es auch Strahlung in Form von
7:42 elektromagnetischen Wellen. Werden diese beim Zerfall radioaktiver Stoffe aus dem Atomkern ausgesendet, spricht man von
7:51 Gammastrahlung. Bei den meisten Teilchenstrahlungen wird zusätzlich auch Gammastrahlung freigesetzt. Ob zu viel Masse oder ein vom stabilen
8:01 Isotop abweichendes Verhältnis von Protonen zu Neutronen, der Kern drängt darauf, sich wieder zu stabilisieren. Dabei gibt er Teilchenstrahlung ab und
8:11 setzt elektromagnetische Wellen frei. Diesen Zerfall nennt man Radioaktivität. [Musik] Treffen diese energiereichen Teilchen
8:24 oder elektromagnetischen Wellen auf die Hülle eines Atoms, dann werden Elektronen herausgerissen. Dies führt zu einem
8:34 Ladungsungleichgewicht. Das elektrisch neutrale Atom wandelt sich somit zu einem positiv geladenen
8:42 Ion. Dieser Effekt wird als Ionisation bezeichnet. Eine Besonderheit unter den ionisierenden Strahlen, das sind die
8:55 Rönkenstrahlen. Die sind genau wie Gammastrahlen hochenergetische elektromagnetische Wellen. Sie entstehen aber nicht im Atomkern, sondern in der
9:03 Elektronenhülle. Man kann das anhand dieser wunderschönen Rönkenröhre aus dem Jahre 1950 vielleicht mal ein bisschen erklären. Wir haben also hier die
9:12 Elektronenkanone. Die Elektronen werden beschleunigt, schlagen auf diese Metalloberfläche, dringen also in die Elektronenhülle der Metallatome ein,
9:21 werden dabei abgebremst und erzeugen Rönkenstrahlung. Eine Rönröhre besteht aus einer Kathode und einer Anode, die von einem Vakuum
9:32 umgeben sind. Zwischen diesen beiden Elektroden wird eine Hochspannung angelegt, wobei die Kathode auf negatives Potential gesetzt wird.
9:42 Dadurch werden aus der Kathode Elektronen freigesetzt und auf hohe Energie in Richtung auf die Anode beschleunigt. Diese hochenergetischen
9:51 Elektronen treffen auf die Atome des Anodenmaterials, werden dabei abgebremst und geben ihre Energie in Form von Rönkenbremsstrahlung ab. Je kräftiger
10:02 die Ablenkung, desto höher die Energie der Rönstrahlung. Und es gibt noch einen weiteren Weg, wie Rönstrahlung entsteht.
10:11 Denn diese freien Elektronen schlagen auch gebundene Elektronen aus der Atomhülle heraus. Bei der Wiederauffüllung des
10:20 entstandenen Loches wird wieder Energie abgegeben. Dies nennt man dann charakteristische Rönkenstrahlung. [Musik]
10:34 Nachdem wir nun die verschiedenen Arten der ionisierenden Strahlung kennengelernt haben, kommen wir noch noch mal zurück zum Uran. Das Uran
10:41 überhaupt strahlt, hat Henri Beckerell Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt und ihm zu ehren wird die Einheit, in der die Radioaktivitätsmenge gemessen wird,
10:50 Beckerell genannt. Die Radioaktivitätsmenge, das ist die Aktivität, das ist die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde. Ein Beckarell ist
10:58 ein Zerfall pro Sekunde, 10 beckerell, na, das können Sie selber ausrechnen. Nun vollzieht sich der radioaktive Zerfall nicht chaotisch, sondern nach
11:05 wohldefinierten Gesetzen. Man kann allerdings einen einzelnen Atomkern nicht daraufhin untersuchen, ob er demnächst zerfällt. Das kann man nur
11:12 statistisch machen. Deswegen ist der Begriff der Halbwärtszeit so wichtig. In einer Halbwärtszeit ist von einer Ausgangsmenge ausgehend die Hälfte der
11:20 Atomkerne zerfallen. Nehmen ein Beispiel. Wir haben hier 32 rote Kugeln und die sollen 32 radioaktive Atomkerne darstellen. Die werden nach einer
11:29 Halbwertzeit natürlich auf die Hälfte geschrumpft sein. Wir starten mit 32. Eine Halbwertzeite sind wir bei 16. Eine weitere Halbwertzeit sind wir bei 8.
11:37 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
11:44 auf 28 gewachsen und am Ende hier in dieser Reihe bleiben noch vier radioaktive Kerne übrig. Die Halbwärtszeit ist keine Konstante, also
11:53 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
12:04 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
12:13 feststellen, wie aktiv die Schilddrüse ist. So, die verschiedenen Strahlungsarten der ionisierenden
12:21 Strahlung sind jetzt bekannt. Für den Strahlenschutz allerdings ist das Durchdringungsvermögen dieser verschiedenen Strahlungsarten wichtig.
12:29 Für die Alpastrahlung, das sind die Heliumkerne, genügt ein Stück Papier oder wie hier ein Stück Pappe, um sie komplett abzuschirmen. Für die
12:37 Betterstrahlung, das sind die schnellen Elektronen, da genügt ein Stück Blexiglas, um sie komplett abzuschirmen. Und äh bei der
12:49 Neutronenstrahlung, da ist es Paraaphin, was die komplett abbremst. Soweit zu den Teilchenstrahlen. Hier kann also eine komplette Abschirmung
12:59 erfolgen. Bei der Rönkenstrahlung oder bei der Gamma Strahlung, das sind ja elektromagnetische Wellen, hochenergetische elektromagnetische
13:06 Wellen, die kann man eben nicht abschirmen, nicht vollständig abschirmen, die kann man nur abschwächen. Und das macht man dann z.B.
13:12 hier mit einer entsprechend dicken Bleiwandung. Und zwar muss sie so dick sein, dass auf der anderen Seite dieser Bleiwand gerade
13:21 noch so viel Gammastrahlung erscheint oder Rönkenstrahlung, dass man sie von dem natürlichen Strahlungsniveau gar nicht mehr unterscheiden kann, denn dann
13:28 kann man auch aufhören und das tue ich jetzt auch.