Marie Curie:Marie Curie:•Geb. 1867 in Warschau•Erste Frau, die Professorin für Physik an der Sorbonne in Paris wurde•Erste Person, die zwei Nobelpreise bekam (Physik und Chemie)•Sie entdeckte die radioaktiven Elemente Radium und Polonium•Das Transuran Curium wurde nach ihr und ihrem Mann benannt, sowie die (veraltete) Einheit Curie•Das Mineral Sklodowiskit wurde nach ihr benannt (Mädchenname)•Ihre Tochter Irene Joliot-Curie wurde ebenfalls Professorin an der Sorbonneund bekam ebenfalls den Nobelpreis für Chemie•Marie und Irene starben beide an (strahleninduzierter) Leukämie

Klausur:201 Teilnehmer85% bestanden2x volle Punktzahl

Zerfallsreihen

ββ−−Zerfall Zerfall (Aussendung eines Elektrons und Antineutrinos):

ββ++Zerfall Zerfall (Aussendung eines Positrons und Neutrinos):

υ++→

→+→−→+eNeNa

AANNZZa 22

106.222

11

,1,1

γγ−−Zerfall Zerfall (Aussendung eines Photons):

α+→

−→−→−→

PbPo

AANNZZd 206

82 138210

84

4,2,2

υ++→

→−→+→−eNiCo

AANNZZa 60

285.360

27

,1,1

nn--Strahlung Strahlung (Aussendung eines Neutrons):

1,1, −→−→→ AANNZZ

AANNZZ →→→ ,,

αα−−Strahlung Strahlung (Aussendung eines Helium Kerns):Wenn die neu entstandenen

Kerne wieder radioaktiv sind, so entstehen Zerfallsreihen: Zerfall in mehreren Stufen!

Zerfallsreihen

Messung von Kernstrahlung = ionisierende Strahlung

Zählen der Strahlungsteilchen (e.g. Geigerzähler)Erfassung der IonisationswirkungBestimmung der Energie der Strahlungsteilchen Bestimmung der Sorte der Strahlungsteilchen

Erinnerung: Ladungstransport in Gasen

Ionisationskammer:Ionisationskammer:GeigerGeiger--MüllerMüller--Zählrohr:Zählrohr:Betrieb einer Ionisationskammer so, dass ein einzelnes Quant eine selbstständige Gasentladung auslöst, die aber dann sofort wieder abbricht.

Anwendung: Strahlungsmessgerät, Strahlenschutz, ...

Messung von Kernstrahlung = ionisierende Strahlung

SzintillationszählerSzintillationszähler: die ionisierende Strahlung erzeugt Lichtblitze, die durch PMT (Photomultiplier) verstärkt werden

NebelkammerNebelkammer: die ionisierende Strahlung erzeugt Kristallisationskerne für Nebeltröpfchen (ähnlich Kondensstreifen der Flugzeuge)

Zählen der Strahlungsteilchen (e.g. Geigerzähler)Erfassung der IonisationswirkungBestimmung der Energie der Strahlungsteilchen Bestimmung der Sorte der Strahlungsteilchen

Unterschiedliche Abschwächung von radioaktiver Strahlung in Materie

αα−−Strahlung Strahlung (Helium Kerne) wird stark abgebremst: e.g. 1 MeV α in 3 µm Aluminium

Abschirmung durch Blatt Papier möglich

NebelkammerNebelkammer: die ionisierende Strahlung erzeugt Kristallisationskerne für Nebeltröpfchen (ähnlich Kondensstreifen der Flugzeuge)

Unterschiedliche Abschwächung von

αα−−Strahlung Strahlung (Helium Kerne) wird stark abgebremst: e.g. 1 MeV α in 3 µm Aluminium

γγ−−Strahlung Strahlung (Photonen) wird noch weniger stark abschwächt: e.g. 1 MeV γ in 6 cm Al

nn--Strahlung Strahlung (Neutronen) wird wesentlich weniger stark abschwächt: e.g. thermische Neutronen in 2 m Al

radioaktiver Strahlung in Materie

Abschirmung durch Blatt Papier möglich

Strahlung geht durch! Dicke Bleiwände nötig

Strahlung geht durch! Nur schwer abschirmbar

ββ−−Strahlung Strahlung (Elektronen) wird weniger stark abgebremst: e.g. 1 MeV β in 1 mm Al

Abschirmung durch ein Buch möglich

Spaltprodukte

U-235

Warum wird bei Kernspaltung Energie frei?

Kernspaltung

KernspaltungBestimmte KerneKerne lassen sich durch langsame bzw. schnelleNeutronen spaltenspaltenDabei entstehen neue NeutronenDiese spalten weitere KerneEs kommt zu einer KettenreaktionKettenreaktion

Anwendungen:KernreaktorKernwaffen

NeutronSpalt-

neutronen

Abbremsen des Neutrons im Moderator

Reaktor

Kernspaltung und Kernfusion

EnergiebilanzEnergiebilanz: Verbrennung setzt chemische Bindungsenergie frei. Sie ist elektromagnetischer Natur (elektrostatischen Anziehung der Atome) und ist von der Größenordnung 1 eV pro Elektron.Kernspaltung und Kernfusionsetzt Energien der Kernkraft frei. Größenordnung: 1 MeV pro Kern.Also: Kernenergie ist etwa 1 Million stärker als chemische Energie.Spaltung: 1 kg Uran erzeugt soviel Energie wie 3 Mio kg KohleFusion: 1 kg Helium entspricht 24 Mio kg Kohle

Beim Spalten großer Kernewird Energie frei (Kernspaltungsenergie, Kernreaktoren, „Atom“-Bombe)Beim Fusionieren kleiner Kerne wird Energie frei (Fusionskraftwerk, Wasserstoffbombe, Sonne, Sterne)Kerne mittlerer Größe (Eisen) sind stabil (Meteoriten sind aus Eisen und Nickel als Rest ausgebrannter Sterne).

Die Energie berechnet sich nach der berühmten Formel

E=mc2

Kernumwandlungen, künstliche Radioaktivität

?Be94 →+α ?CBe *13

694 →→+α n+→→+ CCBe 12

6*13

694 α

Durch Beschuss von Atomkernen mit anderen Teilchen (vorzugsweise Neutronen) lassen sich neue Kerne erzeugen (z.B. durch Anlagerung eines NeutronsAnlagerung eines Neutrons):

Beispiel für eine Laborneutronenquelle:Laborneutronenquelle:

γ+→+ PnP 3215

10

3115

Neutronα aus α-Quelle

Oft sind die neu produzierten Kerne instabil (= künstliche Radioaktivität)

β+ → SP 3216

3.143215

d

Einige Kerne habe große Einfangwahrscheinlichkeiten für Neutronen. Diese Stoffe werden durch Neutronenbestrahlung „aktiviert“ (Radioaktiv gemacht)„aktiviert“ (Radioaktiv gemacht)

Radioaktivität quantitativ:Radioaktivität quantitativ:

it Zeiteinhepro Zerfälle Aktivität =A

1/s Bq 1 Bequerel 1 :Einheit ==Früher: 1 Curie =1 Ci =37 GBq

Strahlers des MasseAktivitätAktivität espezifisch =

Bq/kg 1 :Einheit

Strahlenwirkung, StrahlenschutzWirkungWirkung radioaktiver Strahlung

und Röntgenstrahlung:Anregung, Ionisation, Umlagerung von Molekülen, Veränderung der kristallinen Struktur, Bildung chemischer Radikale, Mutationen von Genen und andere biochemische Folgen

Anwendung: Bestrahlung von Tumoren Sterilisation von chirurgischem MaterialZüchtung von Kulturpflanzen mittels MutationsausleseKeimungshemmung von Nahrungsmittel (Kartoffeln etc.)Sterilisation von Lebensmitteln...

Strahlenschutz:Es gibt keine untere Gefährlichkeitsgrenze, ein einzelnes Quant kann eine Wirkung hervorrufenJedoch gibt es Reparatur- und SelbstheilungsmechanismenEs gibt eine natürliche Strahlenbelastung,die je nach Standort und Lebensweise unterschiedlich ist.Die StrahlenschutzbestimmungenStrahlenschutzbestimmungenorientieren sich daran, die künstliche Strahlenbelastung für die Normalbevölkerung nur unwesentlich gegenüber der natürlichen zu erhöhenBeruflich exponierte Menschen dürfen mehr abkriegenPatienten noch mehr (Schaden-Nutzen Abwägung)

Strahlenwirkung, StrahlenschutzStrahlenschutz:

Es gibt keine untere Gefährlichkeitsgrenze, ein einzelnes Quant kann eine Wirkung hervorrufenJedoch gibt es Reparatur- und SelbstheilungsmechanismenEs gibt eine natürliche Strahlenbelastung,die je nach Standort und Lebensweise unterschiedlich ist.Die StrahlenschutzbestimmungenStrahlenschutzbestimmungenorientieren sich daran, die künstliche Strahlenbelastung für die Normalbevölkerung nur unwesentlich gegenüber der natürlichen zu erhöhenBeruflich exponierte Menschen dürfen mehr abkriegenPatienten noch mehr (Schaden-Nutzen Abwägung)

GrundlegelnGrundlegeln:Strahlung vermeiden wenn möglichStrahlung abschirmen wenn möglichAbstand halten: Die Strahlungsintensität einer punktförmigen Quelle nimmt quadratisch mit dem Abstand ab!

Quantitativ:Quantitativ:

Materien bestrahlteder MasseEnergie umgesetzte isEnergiedos =D

J/kg 1 Gy 1Gray 1 :Einheit ==

Früher: 1 Rad = 1 rd = 0.01 Gy

isleitungEnergiedos Zeitpro isEnergiedos israteEnergiedos

==D&

Materien bestrahlteder MasseIonenerzeugten der Ladung Ionendosis =J

C/kg 1 :EinheitFrüher: 1 Röntgen = 1 R = 0,26 mC/kg

leitungIonendosis Zeitpro Ionendosis rateIonendosis

==J&

Strahlenwirkung, StrahlenschutzRadioaktivität ist nicht gleich Radioaktivität ist nicht gleich

Radioaktivität:Radioaktivität: Manche Strahlensorten sind bei gleicher Energiedosis schädlicher (wirksamer) als andere (z.B. Neutronen-strahlen im vgl. zu Röntgenstrahlung):

Quantitativ:Quantitativ:

Materien bestrahlteder MasseEnergie umgesetzte isEnergiedos =D

J/kg 1 Gy 1Gray 1 :Einheit ==

Früher: 1 Rad = 1 rd = 0.01 Gy

isleitungEnergiedos Zeitpro isEnergiedos israteEnergiedos

==D&

qDDq = dosisÄquivalentBewertungsfaktor qBewertungsfaktor q berücksichtigt

die biologische Wirksamkeit der Strahlung

(RBW relative biologische Wirksamkeit)

Materien bestrahlteder MasseIonenerzeugten der Ladung Ionendosis =J

C/kg 1 :EinheitJ/kg 1 Sv 1 Sievert 1 :Einheit == Früher: 1 Röntgen = 1 R = 0,26 mC/kg

leitungIonendosis Zeitpro Ionendosis rateIonendosis

==J&Früher: 1 rem = 0.01 Sv

1 Sv = 100 rem(radiation equivalent man)

Zeitpro dosisÄquivalent ungdosisleistÄquivalent =qD&

Strahlenwirkung, StrahlenschutzRadioaktivität ist nicht gleich Radioaktivität ist nicht gleich

Radioaktivität:Radioaktivität: Manche Strahlensorten sind bei gleicher Energiedosis schädlicher (wirksamer) als andere (z.B. Neutronen-strahlen im vgl. zu Röntgenstrahlung):

qDDq = dosisÄquivalentBewertungsfaktor qBewertungsfaktor q berücksichtigt

die biologische Wirksamkeit der Strahlung

(RBW relative biologische Wirksamkeit)

J/kg 1 Sv 1 Sievert 1 :Einheit ==

Früher: 1 rem = 0.01 Sv1 Sv = 100 rem

(radiation equivalent man)

Zeitpro dosisÄquivalent ungdosisleistÄquivalent =qD&

mittlere natürliche Exposition: 2.2 mSv/aGesetzliche Grenzwerte (z.B. Ganzkörper, 1989):normale Bevölkerung: 5 mSv/aberuflich exponierte Person: 50 mSv/agemittelt über Lebensdauer: 5 mSv/a

Qualitätsfaktoren:Röntgen-, Gammastrahlen: q=1Elektronen, Positronen: q=1Protonen, Deuteronen: q=10Neutronen (energieabhängig): q=2-20α-Teilchen, schwere Teilchen: q=20

Beispiel: Stewardess: 5.7 mSv/a durch erhöhte HöhenstrahlungBei seltenen „flairs“ (Sonnenaktivitäten)bis zu 10 mS/h (1957)

Natürliche Strahlenbelastung

Statistik:20551 UntersuchteTodesfälle insges: 311 Krebs: 44Aids: 62Flugunfälle: 21Kein signifikanter Anstieg der Krebshäufigkeit!

Linienflug ca. 4.2 µSv/hÜberschallflug ca. 9.2 µSv/h

ZählstatistikRadioaktive Prozesse laufen zufällig ab: mal häufiger, mal seltener. Welche Unsicherheit von Zählratenmessungen ergibt sich daraus?Wenn in einer Zeiteinheit n Pulse gemessen werden, so beträgt die StandardabweichungStandardabweichung s

Allgemeine Statistik:Allgemeine Statistik:Arithmetischer Mittelwert:

ns =

nnn

ns 1

==

Messwert

∑=

=++++

=n

innx

1i

n321 x1x...xxx

Mittelwert=41 kg

Beispiel: n=9, s=3 n=900, s=30

n=90000, s=300Relative Unsicherheit: Relative Unsicherheit

Beispiel: n=9, s/n=0.33=33% n=900, s/n=0.03=3%

n=90000, s/n=0.003=0.3%

Abweichung vom Mittelwert ist im Mittel Null

Je mehr Ereignisse, um so genauer das Ergebnis

(gilt auch für Stichproben)

StatistikVarianz:

( )∑=

−−

=n

ii xx

ns

1

22

11

Messwert

Standardabweichung (Streuung) s:

( )∑=

−−

=n

ii xx

ns

1

2

11

Variationskoeffizient VK = relative Abweichung

%100⋅=xsVK

( ) ( )∑=

−−

==n

ii xx

nnnss

1

2

11

Mittelwert=41 kg

kg9.7kg37661 2 =⋅=s

kg 3kg9.77

1=⋅=s

Mittelwert =(41 +/-3) kg

Streuung der Messwerte

Messwert xi+/-7.9 kg

Standardabweichung (Unsicherheit) des Mittelwertes aus n Messungen:

Unsicherheit des

Mittelwerts

StatistikVarianz:

( )∑=

−−

=n

ii xx

ns

1

22

11

( )∑=

−−

=n

ii xx

ns

1

2

11

%100⋅=xsVK

Normalverteilung(Gaußglocke):

( )

−−= 2

2

2exp

21)(

sxx

sxf

πStandardabweichung (Streuung) s:

Variationskoeffizient VK = relative Abweichung

Standardabweichung (Unsicherheit) des Mittelwertes aus n Messungen:

68% aller Messwerte liegen innerhalb +/- einer

Standardabweichung( ) ( )∑=

−−

==n

ii xx

nnnss

1

2

11

el. magn. Strahlung

Strahlungsmessung:Strahlungsmessung:Strahlungsenergie W (Qe) = von der Strahlung transportierte Energie (in Joule)Strahlungsfluss(Strahlungsleistung) Φ= Strahlungsenergie pro Zeit (in Watt)Strahlungsflussdichte(Energieflussdichte) φ= (Ab-)Strahlungsfluss pro Fläche (in W/m2)Bestrahlungsstärke E = (Be-)Strahlungsfluss pro Fläche (in W/m2)

Beispiel: Solarkonstante = 1.35 kW/m2

=1.35 GW/km2

QuadratQuadrat--Abstandsgesetz: Abstandsgesetz: Bei punktförmigen Strahlern gilt : 2/1~ rϕ

Strahlung

LichtstrahlungLichtstärke I (Strahlungsleistung) (in Candela, Cd): Lichtquelle, die eine Leistung von (1/683) Watt pro Raumwinkel (Steradiant) bei einer Frequenz von 5.4 1014 Hz emittiertLeuchtdichte L (in Cd/ m2)Lichtstrom Φ(in Lumen, lm): Lichtstrom den Lichtquelle von 1 Cd in Raumwinkel 1 sr aussendet Beleuchtungsstärke E (in Lux, lx):

Strahlungsmessung:Strahlungsmessung:Strahlungsenergie W (Qe) = von der Strahlung transportierte Energie (in Joule)Strahlungsfluss(Strahlungsleistung) Φ= Strahlungsenergie pro Zeit (in Watt)Strahlungsflussdichte(Energieflussdichte) φ= (Ab-)Strahlungsfluss pro Fläche (in W/m2)Bestrahlungsstärke E = (Be-)Strahlungsfluss pro Fläche (in W/m2)

22 msr cd1

mlm1lx 1 ==

sr 12.56sr 4 Vollwinkelist m 1 Abstand m 1in llächeanteiKugeloberf

r zugehörigedembeiRaumwinkelsr 12

===

=

π

TemperaturstrahlungZur Erinnerung:

Wärmestrahlung:Jeder Körper oberhalb T=0K emittiert StrahlungJe besser eine Oberfläche Strahlung absorbiert, um so besser strahlt sie auch abGraue und schwarze Oberflächen strahlen in allen Wellenlängen ab Stefan-Boltzmannsche Gesetz: Abstrahlung je Flächeneinheit:

428

4

mW1067.5K

TM

−⋅=

=

σ

σ

Km2900max ⋅==⋅ µλ constT

WienscheVerschiebungsgesetz:

Das PlanckscheStrahlungsgesetz beschreibt das Spektrum der Temperaturstrahlung