Radioaktiviät

1 Atombau / Radioaktiver Zerfall

2 Kinetik des Radioaktiven Zerfalls

3 Umwandlung von Masse und Energie

4 Wechselwirkung von Radioaktivität und Materie

5 Anwendungen von Radioaktivität

1

• Atome bestehen aus 3 fundamentalen TeilchenProtonen, Neutronen und Elektronen

Massen: mn ~ mp~ 1836 me

Bausteine der Atome

2

Teilchen Symbol Ladung Masse(× 10-19 C) ( × 10-27 kg)

Proton p +1.60218 1.672623

Neutron n 0 1.674929

Elektron e -1.60218 0.000911

Nuklide / Isotope

Kennzeichung der Nuklide

A = Massenzahl

Z = Atomnummer (=Zahl Protonen)

Zahl Neutronen =A-Z

X = Element Symbol

Z

AX

1

1H , 2

4He

3

Isotope● Isotope: Nuklide desselben Elements (d.h. identisches Z,

aber unterschiedliches A), unterschiedlicheNeutronenzahlen

● Einem Atom 12C wird eine Masse von 12 amu (atomic mass units) zugeordnet .

1 amu =1

12×

12 gmol − 1

6. 02 × 10 23 mol −1 = 1. 6605 × 10 −27 kg

612 C 6

13 C

•Most elements occur in nature as a mixture of isotopes.

•Obtain atomic weights by multiplying isotopic masses bymeasured abundances.

4

Nuklide / Stabilität

• Einige Nuklide sind stabil, unendliche Lebensdauer

• Andere sind instabil (und deshalb radioaktiv) → siezerfallen spontan zu stabileren Produktnukliden

6

12C

6

14C → 7

14N + −1

0e

5

Einige Zahlen / Beobachtungen

Es gibt ~2000 Nuklide, davon sind nur 279 stabil.

Stabile und instabile Nuklide sind in Nuklidkartenaufgeführt.

6

7

Radioaktivität: Zerfallstypen

• Alphastrahlung (schwere Isotope): 42He2+ or α• Betastrahlung (Neutronenreiche Isotope): e- or β−

• Positron Emission–Protonenreiche Isotope: β+

• Electroneinfang–Protonenreiche Isotope: x-rays• Gammastrahlung (γ ) − Zerfall von angeregten

Kernzuständen

8

9

Vergleich: Chemische und KernreaktionenChemische Reaktionen Kernreaktionen

1. One substance is converted to 1. Atoms of one element typicallyanother, but atoms never change change into atoms of another. identity.

2. Orbital electrons are involved as 2. Protons, neutrons, and other bonds break and form; nuclear particles are involved; orbital particles do not take part. electrons rarely take part.

3. Reactions are accompanied by 3. Reactions are accompanied by relatively small changes in energy relatively large changes in energy & no measurable changes in mass. and measurable changes in mass.

4. Reaction rates are influenced by 4. Rates are affected bytemperature, concentration, number of nuclei, but not bycatalysts, and the compound in temp., catalysts, or the compoundwhich an element occurs. in which an element occurs.

10

Alphastrahlung: Schwere Elemente

11

• Instabile Nuklide nach Bismuth (Z=83)

• Zerfall beinhaltet Emission eines He Kerns -Wechsel von A und Z.

• Z.B. α-Zerfall von Uran-238

92238U⎯ → ⎯ 90

234Th+24He

• 210Po 206Pb + α + e t1/2 = 138 Tage

• 238U 234Th + α + e t1/2 = 4.48 x10 9 Jahre

12

Beta-Strahlung• Keine Änderung der Massenzahl, hoch-energetisches

Elektron wird emittiert (β-Teilchen) • Ein Neutron ergibt ein Proton und β-Teilchen

(und ein anti-Neutrino).

• Typisch für proton arme Nuklide, hohes n/p Verhältnis

01n → 1

1p + −10β + ˜ ν

•90Sr 90Y + β− + Energie t1/2= 30 Jahre

•14C 14N + β− + Energie t1/2= 5730 Jahre

•131I 131Xe + β− + Energie t1/2 = 8 Tage

γ -Strahlung (Emission)

• α und β Zerfall hinterlassen oft Produktnuklide in einem angeregtem Zustand

• Metastabile oder angeregte Nuklide gehen unterEmission von elektromagnetischer Strahlung (sog. Gammastrahlung, (γ)-rays, in den Grundzustand

• Beispiel : 43

99 m Tc → 4399 Tc + γ

13

14

Medizinische Diagnostik -Technetium-99♦Produktion - Zerfall von 99Mo (produziert in Reaktor).

♦99Mo zerfällt via Beta-Zerfall und geht dabei in 99mTc über.

♦Das Radioisotop wird als 99mTcO4

- isoliert (Abtrennung von 99MoO42-

durch Chromatographie), in einen Komplex überführt, und dannverabreicht

9842

1Mo n0

9942

Mo γ+ +

gewöhnlich MoO3 t1/2 = 66 h

MoO3 H2MoO4+ H2O Transport to hospitals

9942

0Mo β-1

99m43

Tc +

15

Diagnose -Technetium-99♦Das markierte Organ wird durch die γ-Strahlung des Te

sichtbar

♦Gehirn (Unregelmäßigkeiten deuten auf Tumore hin)

♦Schilddrüse (radioaktives I- ebenfalls geeignet)

Typisches 99mTc-Bild

der Schilddrüsen

99m42 Tc γ99

43 Tc +(t1/2 ~ 6 hrs)

Koordinations-Chemie des 99mTc

• SnCl2 reduziert Tc(VII) to Tc(V)• Liganden: Vitamin C, Citrat, Tartrat binden an Tc(V),

produzieren stabilen (transportierbaren) Tc-Komplex

OO

OHHO

HC

H C CO2H

CH2CO2

CH2CO2

CCO2HO H

CHO CO2

H

Vitamin C Citrate Tartrate

CH2OH

OH

16

Neuere 99mTc Radiopharmazeutika

• Wie ist der Oxidationszustand des Tc?

17

Positron Emission

• Unstable nuclides which are neutron deficient.

• Proton converted to a neutron plus a high energy positron, increasing the n/p ratio.

• Process leaves A unchanged, Z decreases by 1.

11p → 0

1n + 10β + ν

7Be 7Li + β+ + Energy t1/2 = 53 days

144Gd 144Eu + β+ + Energy t1/2 = 4.5 min18

• Positron emission not possible if mass of parent atom exceeds that of daughter by less than 2m [positron].

11p + −1

0β → 01n + ν

• Proton can be converted to a neutron when an electron is captured by the nucleus.

Elektroneneinfang (Electron Capture)

• A is unchanged, Z decreases by 1, as in β+ emission.

51Cr + e- 51V + Energy t1/2 = 28 days

177Pt + e- 177Ir + Energy t1/2 = 11 s19

20

Zusammenfassung (Zerfallsprozesse)

Prozess ∆A ∆Z Beispielβ Zerfall 0 +1

e+ Zerfall 0 -1

e- Einfang 0 -1

α-Strahlung -4 -2

γ-Strahlung 0 043

99 mTc → 4399Tc + γ

84210Po → 82

206Pb + 24He

711N → 6

11C + 10β

3373As + −1

0β → 3273Ge

1635S → 17

35Cl + −10β

Detektion und Messung von Radioactivität

2 Kinetik des Radioaktiven Zerfalls

Geiger-Müller-Zähler

α and β particles ionize Ar:

Ar ⎯ → ⎯ Ar + + e−

21

Geiger-Müller Zähler

22

Zerfallsgesetz

• Radioaktiver Zerfall ist ein zufälliger Prozess, unabhängig von chemischer Umgebung

• Zerfallsgesetz:

Ni = Zahl der Nuklide bei t=0;

k = Zerfallskonstante;

t = Zeit

N = Nie−kt

23

Zerfall von 14C

Zerfallsraten (k) und Halbwertszeiten variieren sehr stark:8

4Be t1/2 ~7 x 10-17 s; 94Be stabil; 104Be t1/2 ~1.6 x 106 Jahre 24

Übungsaufgaben

Nach 2 Jahren sind von anfänglich 1 g 90Sr noch 0.953 g vorhanden.Berechne: a) Halbwertszeit? b) Menge, die nach 5 Jahren noch vorhandenist. c) Anfangsaktivität in Bq (Bequerel) bzw. Ci (Curie)

0

ln1NN

tk t−=Zu a:

Jgg

Jk /0241.0

000.1953.0ln

21

=−=

JJk

t ⋅=⋅

== − 8.280241.0

693.0693.012/1

25

RechenbeispielNach 2 Jahren sind von abfänglich 1 g 90Sr noch 0.953 g vorhandenBerechne: a) Halbwertszeit? b) Menge, die nach 5 Jahren noch vorhandenist. c) Anfangsaktivität in Bq (Bequerel) bzw. Ci (Curie)

Zu b:

10241.0 −⋅= Jk Jt ⋅= 8.282/1

ggtkNNt 886.0)50241.0exp(0.1)exp(0 =⋅−=⋅−=

26

RechenbeispielNach 2 Jahren sind von abfänglich 1 g 90Sr noch 0.953 g vorhandenBerechne: a) Halbwertszeit? b) Menge, die nach 5 Jahren noch vorhandenist. c) Anfangsaktivität in Bq (Bequerel) bzw. Ci (Curie)

Gesucht ist die Zahl der Zerfälle in der Probe pro Sekunde(Aktivität = Zerfälle in der Probe/s, 1Bequerel = 1 Zerfall/s)

Zu c:

27

SekundeAtomZerfälle

JahreAtomZerfällek

⋅⋅=

⋅⋅= −101064.70241.010241.0 −⋅= Jk

SrAtomeSrmolAtome

molgSrg 9021

9023

90

107.6)(1002.6/90

)(1⋅=⋅⋅

BqCi

CiBq

Bqs

ZerfälleAtomesAtom

Zerfälle

10

212

12122110

107.31

104.1101.5

101.5101.5107.61064.7

⋅=

⋅=⋅=

⋅=⋅=⋅⋅⋅

⋅= −

28

Radiocarbon-Methode• 14C is continuously produced in the atmosphere when high energy

neutrons from space collide with 14N

• 14C becomes part of the carbon cycle on earth and is incorporated in all living material

• In the environment, 14C production/decomposition rates are in balance, so that in living organisms, A=15.3 dis g-1 min-1

• When the organism dies, replenishment of 14C ceases and 14C then decays at characteristic rate

• Measure activity to calculate age

714 N + 0

1n → 614C + 1

1H

Radiocarbon-Methode

29

3 Die Umwandlung von Masse und EnergieMassen Defekt

s. Tafel

30

31

The greater the binding energy per nucleon the more stable the nuclei.

Fission - Nucleus splits into two lighter ones (closer to A~ 60)

Fusion - lighter nuclei combine into heavier ones (closer to A~ 60)

Wechselwirkung Radioaktive Strahlung/Materie

32

Effekte Radioaktiver Strahlung

33

● Kernänderungen => Chemische Änderung● Radioaktive Strahlung

(i) Anregung – niederenergetische Partikel kollidierenmit Atomen der Substanz: nichtionisierende Strahlung(Substanz wird erwärmt oder emittiert Licht)

34

(ii) Ionisierung - Kollisionen hochernergetischerPartikel führt zu Kationen und freie Elektronen

♦Zahl solcher Kation-Elektronen Paare hängt von Energie der Strahlung ab. Freie Elektronen könnenmit anderen Atomen weitere Ionisations-Prozessebewirken (vgl. Geiger-Müller Zähler).

Effects of Radioactive Emissions

Atom Ion+ + e-Ionisierende Strahlung

Effects of Ionizing Radiation on Living Matter

35

♦Nonionizing radiation is less harmful than ionizing radiation.

Units of Radiation Dose (in SI units)♦Cannot use radioactive decay units -consider energy of radiation.

♦gray (Gy) =1 joule of energy absorbed per kg ⇒ 1 Gy = 1J/kg

♦Common unit is the rad - (radiation absorbed dose)1 rad = 0.01 Gy = 0.01 J/kg.

♦Tissue damage depends on radiation strength, exposure time & tissue type ⇒ multiply rads by Relative Biological Effectiveness (RBE) to get radiation dose in roentgen equivalents for man (rem)

No. of rems = no. of rads x RBE.(SI unit: 1 Sievert (Sv) = 100 rem)

36

Fig. 24.8

Penetrating power related inversely to mass & charge of emission

α particles massive & highly charged. Interact strongly with matter& can be stopped by our skin. Ingestion of Pu-239 causes intense but localised damage.

β particles & positrons - less charge & mass than α particles. Weaker interaction - penetrate further. Need special heavy clothing (eg., 0.5 cm of metal).

Neutral, massless γ rays interact least & penetrate furthest into matter. Most dangerous - ionise many layers of tissue. Lead shield needed.

RBE = 10 for α particlesRBE = 1 for β particles

positronsγ rays

Molecular Interactions- Damage at the molecular level

•Ionizing radiation causes loss of electron from a bond or lone pair.

37

H2O H2O.+ + e -γ-rays

HO. + H 3O+

+ H2O

H. + OH -

+ H2O

O2.-

+ O2

OXIDISE TISSUE DAMAGE DNA/RNA

CANCER

OFFSPRING WITH MUTATIONSsperm or ovum irrad.

ALTER GENETIC MATERIAL

DEATH Cells cannot be repaired

RCH=CHR’

RCH2-C.HR’

H.

♦Reactive free radicals(with unpaired elec.) attack bonds in other molecules causing chemical changes sometimes forming more radicals.

♦Double bonds in lipids very prone to attack.

•Enzyme function can be disrupted.

Background Radiation

♦Cosmic radiation - ⇑ with altitude (atmosphere absorbs it).

♦Radon produced by U &Th minerals (rocks, soils)

♦Decays to Po, Pb & Bi ♦through α, β & γ emission.♦EPA estimate - Rn causes ♦15% of US cancer deaths

38

PROBLEM FOR TUTORIAL

39

Assuming we have ~150g of K+ ions in our body (0.0118% radioactive 40K). Calculate:

♦The activity of a person (40K half-life = 1.28 x109 yrs)

♦The radiation dose per year (40K emits 1.4 MeV)

♦The radiation dose in rad (assume mass =70kg) & remunits

5 Anwendung von Radioisotopen

40

♦ Able to detect minute amounts of radioisotopes!

♦ Isotopes of any element exhibit very similar chemical and physical behaviour.

♦ A radioisotope is less stable but has the same chemical properties as nonradioactive isotope.

♦ For example, a plant uses 14CO2 in the same way it uses 12CO2. Forms basis of radiocarbon dating.

Radioactive Tracers: Applications of nonionising radiation

41

♦ Radioisotopes are used as tracers to detect substances.

♦ Reaction pathways - periodate-iodide redox reaction

IO4 - + 2 131I- + H2O(l) ⇒ 131I2 + IO3

- + 2OH-

Label found in iodine - forms from iodide not iodate!

♦ Material flow - Measure exchange of metal ions into solidmaterials, flow & volume of water bodies.

♦ Neutron Activation Analysis (NAA) - bombard sample withneutrons & study γ-decay patterns to identify elements present.

(16th Century Dutch painting a forgery -NAA found too much Ag & Sb; detect ammunition -forensics; Martian soils composition (Soujourner)).

Medical Diagnosis

♦ In US >25% of hospital admissions are diagnosed with radioisotopes. Use tracers with half-lives of mins to days.

♦ Example - Iodine-131 incorporates into the thyroid - used in diagnosis and treatment of abnormalities.

♦ 131I undergoes β-decay to Xe+ releasing 0.97 MeV in energy.

42

131

53I

131

54Xe+

0

-1e-+

t1/2 = 8 days

Normal Abnormal (fig.24.9 A) Benign Cancerous

43

Positron Emission Tomography♦Cyclotron makes substances with a positron emitter (eg. 11C, 15O, 13N).♦Feed labelled substance (eg., CO2) to plants & extract glucose or prepare it

using 11CO, 11CO2 or H11CN♦Inject glucose into patient, map emission from organ (computer)♦Positron from 11C annihilates electron - two γ-rays emitted at 180°

14 7

1N p1 6

Cα+ + 11 11 5

0B p+1+

0.97 MeV

+e-2 γ

0.51 MeV

t1/2 = 20 min.

Figure 24.10

Applications of Ionising Radiation

44

♦Radiation can eliminate cancer. Cancer cells divide more rapidly that normal cells - radioisotopes that damage cell division kill more cancer cells than normal cells198Au or 90Sr/90Y implants destroy pituitary & breast tumours.γ-emission from 60Co used to destroy brain tumours

♦Food irradiation-kill microorganisms &⇑ shelf-life (ethics!)

♦Control of insects -irradiate males to sterilise (fruit fly in CA)

EXTRA PROBLEM FOR RADIOCHEMISTRY TUTORIAL

45

A bottle of Vintage wine has lost its label. The concentration of tritium (3

1H) is 0.34 time that found in freshly bottled wines.

If the half-life is 12.3 years calculate the time elapsed since the wine was bottled.

Write a nuclear equation for the decay of Tritium.