Welt der kleinen Teilchen: Atome, Radioaktivität

Kurzwiederholung: Bekanntes über Atome aus Klasse 8Die Größe eines Atoms lässt sich abschätzen durch den Ölfleckversuch (siehe auch http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09_g8/versuche/06oelfleck/index.htm)Ein Tropfen aus einem Öl-Benzin-Gemisch wird auf eine (mit Bärlapp) bestreute Wasseroberfläche aufgebracht.Das Benzin verdunstet sofort und es bildet sich ein Kreis aus einer monomolekularen Ölschicht.

Hier gilt1

2000Mischungsverhältnis Benzin:Öl

×Tropfenvolumen=Moleküldurchmesser×Kreisfläche.

Beispielwerte : Kreisdurchmesser: 16,2cmVolumen eines Tropfens: 0,25cm^3 : 14 approx 0.0179 cm^3Also

d Molekül=1

2000⋅

V Tropfen

AKreis

= ...=1

2000⋅

0,0179 cm3

⋅8,1cm2≈4,3⋅10−8 cm≈4,3⋅10−10 m

Zur Abschätzung Atomgröße: Ölsäure besteht aus 34 H-Atomen, 18 C-Atomen, und 2 O-Atomen, also 54 Atome. Nimmt man an, dass das Molekül etwa Würfelform hat, erhält man den Atomdurchmesser:

d Atom3 ⋅54=d Molkül

3

also

d Atom=3 d Molekül

3

54=

d Molekül354

≈1,1⋅10−10 m

1

Die Größe von Atomen liegt im Bereich von etwa 10-10 m

Rutherford-VersuchVergleiche AB-Rutherford.pdfEine sehr dünne Goldfolie wird mit positiv geladenen Teilchen (sogenannte α-Teilchen eines radioaktiven Präparats ) beschossen. Mit Hilfe eines um die Goldfolie drehbaren Leuchtschirms (Zinksulfidschirm) kann registriert werden, ob und wohin die Teilchen von der Goldfolie abgelenkt werden.

Beobachtung: Nur sehr wenige Teilchen werden überhaupt abgelenkt, die meisten Teilchen durchlaufen die Goldfolie ungehindert.

Deutung (nach Rutherford 1911):Das Atom besteht aus

• einem sehr kleinen, ortsfesten, massiven Kern. Dieser trägt fast die gesamte Masse des Atoms und ist positiv geladen. (etwa 10−14 m )

• und einer Atomhülle, in der sich negativ geladene Elektronen befinden. Da das Atom nach außen hin neutral ist, befinden sich in der Hülle ebenso viele Elektronen, wie positive Ladungen im Kern sind.

Das Kern-Hülle-Modell Der Atomkern ist aus Protonen ( p) und Neutronen ( n) aufgebaut. Die Masse eines Atoms konzentriert sich weitgehend auf den kleinen Atomkern.

Obwohl sich die Protonen im Kern gegenseitig elektrisch abstoßen, werden sie zusammen mit den Neutronen von der so genannten starken Kraft zusammengehalten. Die starke Kraft übertrifft die Wirkung der elektrischen Abstoßung bei den kleinen Abständen innerhalb des Atomkerns deutlich.

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Schreibweise für Atomsorten (Nuklide) am Beispiel von Aluminium-27: Nukleonen- oder Massenzahl A 27 Al Aluminium (Name des Elements) Kernladungs- oder 13 Protonenzahl Z

Die Zahl der Protonen im Kern bestimmt, wie viele Elektronen der Atomkern an sich binden kann, und damit die Art des chemischen Elements. So ist ein Atom, das sechs Protonen im Kern hat, immer ein Kohlenstoffatom. Bei vielen chemischen Elementen gibt es Atomsorten, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden. Die verschiedenen Atomsorten, die zu einem chemischen Element gehören, nennt man Isotope.

Vom Kristall zum Quark

Tabellarischer Vergleich: Größenordungen des Mikrokosmos Größenordungen im Makrokosmos sichtbare Salzkristalle: 10-3 m 1011 m (Entfernung Erde-Sonne)

Molekül/Kristallgitterabstand: 10-9 m 105 m (Entfernung Nürnberg-München)

Atom: 10-10 m 104 m (= 10 km; Länge kurzer Radtour)

Atomkern: 10-14 m 100 m (= 1 m; Tischbreite)

Proton/Neutron: 10-15 m 10-1 m (= 10 cm; CD-Durchmesser)

Quark: < 10-18 m 10-4 m (= 1/10 mm ; Haardicke ca.)

Zum Vergleich: Das Größenverhältnis eines Salzkorns zu seinem heute bekannten kleinsten Bestandteil entspricht in etwa dem Verhältnis des Abstandes Erde-Sonne (150 Millionen km) zur Dicke eines Haares (1/10 mm).

Auch die Neutronen und Protonen sind noch nicht unteilbar. Sie bestehen aus sogenannten Quarks. Man sieht diese heute als Bausteine der Materie an:

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Zum Aufbau des Protons und des Neutrons benötigt man nur je drei Quarks der Sorten up (u) und down (d). Proton: uud, Neutron udd Quarks und Elektronen werden bis heute als punktförmig angesehen.

Spektren von LichtquellenVersuch: Mit Hilfe eines (Prismen-)spektrographen stellt man das Farbspektrum verschiedener Lampen dar.

Beobachtung:• Eine Glühlampe erzeugt alle Teile des Spektrums gleichmäßig. Man sagt: Eine

Glühlampe emittiert ein kontinuierliches Spektrum.• Eine Gasentladungslampe erzeugt ein Linienspektrum, d. h. ein Spektrum mit

einzelnen, diskreten Linien. In einer solchen Lampe werden Gasatome eines

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bestimmten chemischen Elementes (z. B. Quecksilber) durch Stromfluss (Stöße mit Elektronen) zum Leuchten angeregt. Offensichtlich emittieren die Gasatome nur Licht mit jeweils genau definierter Lage im Farbspektrum.Das emittierte Spektrum ist charakteristisch für das betreffende chemische Element.

• Bei vielen Lichtquellen tritt Strahlung auf, die außerhalb des sichtbaren Spektrums auf den Schirm trifft. Dies kann man mit geeigneten Detektoren (z. B. Fluoreszenzschirm oder Solarzelle) nachweisen. Diese Strahlung heißt ultraviolett (UV), wenn sie im Spektrum jenseits des violetten Endes liegt und infrarot (IR), wenn sie jenseits des roten Endes liegt.

Zu Spektren: Siehe Infoblatt: Spektrenarten.pdf oder Folie_Kap06-SpektrenSiehe auch leifiphysik!!!

Licht transportiert Energie

Versuch 1:

Der Lichteinfall auf die Solarzelle ruft einen Stromfluss durch den Widerstand hervor. DieAbsorption von Licht in der Solarzelle führt auf Grund des inneren Aufbaus der Solarzelle zu einer Elektronenbewegung im Stromkreis. Wie hängt die Elektronenbewegung mit der Lichtintensität zusammen?

Versuch 2:

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Wenn die Intensität der Beleuchtung durch Wegziehen der Blende verdoppelt wird, steigt die von der Solarzelle erzeugte Stromstärke auf den doppelten Wert. Die Intensität der Beleuchtung bestimmt also die Anzahl der pro Sekunde in Bewegung gesetzten Elektronen.

Dass die Energie des Lichts von der Intensität (und der Farbe, siehe unten) abhängt, lässt sich durch folgende Modellvorstellung erklären:Eine Lichtquelle sendet „Portionen“ von Licht aus, (die bei Absorption in der Solarzelle jeweils ein Elektron in Bewegung setzen können.) Eine höhere Lichtintensität bedeutet, dass mehr solcher Portionen pro Zeiteinheit (auftreffen) transportiert werden (und deshalb eine höhere Stromstärke hervorgerufen wird.) Die Lichtportionen bezeichnet man als Photonen.

Jedes Photon trägt eine bestimmte Energieportion. Wie groß diese Portion ist, hängt nur von der Lichtfarbe ab!!Genaue Messungen ergeben, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Lage imFarbspektrum und der Photonenenergie besteht. Je weiter eine Farbe auf der violetten Seite des Spektrums liegt, desto größer ist die Energie der zugehörigen Photonen.

Daher können manche Prozesse auch nur von Licht bestimmter Farbe ausgelöst werden:Versuch:

Beleuchtet man einen phosphoreszierenden Streifen (Leuchtband) mit demkontinuierlichen Spektrum einer Glühlampe, beobachtet man nach dem Ausschalten der Lampe ein deutliches Nachleuchten. Dieses tritt als Folge der Beleuchtung mit blauem oder ultraviolettem Licht auf.Rotes oder grünes Licht ist dazu offen-sichtlich nicht in der Lage. Die Fähigkeitvon Photonen, Atome im Leuchtbandzum Nachleuchten anzuregen, hängt also von ihrer Lage im Farbspektrum ab. Je weiter das Licht in Richtung der violetten Seite des Spektrums liegt, desto mehr Energie haben die Photonen. Photonen mit einer zu geringen Energie (z. B. im roten Bereich) erzeugen auch bei hoher Intensität oder langer Beleuchtungszeit kein Nachleuchten.

Man kann die Energie der Photonen genau messen. Jedes Photon des grünen Lichtes hat inetwa eine Energie von 0,000 000 000 000 000 000 4 J = 4 10⋅ –19 J. Für so kleine Energiebeträge, wie sie in der Atomphysik häufig vorkommen, hat man eine passende Maßeinheit eingeführt:1 eV (Elektronenvolt) ist die Energie, die ein Elektron in Form von kinetischer Energie besitzt, wenn es durch eine elektrische Spannung von einem Volt beschleunigt wurde. Es gilt:1 eV = 1,6 10⋅ –19 JDie Photonen des grünen Lichtes besitzen also eine Energie von etwa 2,5 eV. Der sichtbareBereich erstreckt sich in etwa von 1,7 eV (rot) bis 3,1 eV (violett).

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Energiestufen der AtomeEin Atom kann Energie nur stufenartig -in bestimmten Portionen- aufnehmen oder abgeben!Jedem Elektron der Atomhülle kann eine bestimmte Energie E0, E1, E2, ... zugeordnetwerden. Jeder Stoff hat für ihn charakteristische Energieniveaus. Man stellt sie in einem Energiestufenschema oder Energieniveauschema dar:

E0, E1, E2, ... sind mögliche Energieniveaus von Elektronen der Atomhülle. Die „Abstände“ der Energieniveaus sind unterschiedlich. Sie sind in Kernnähe größer als in Kernferne.

Elektronen können von einem Energieniveau auf ein anderes übergehen. Dann verändert sich ihre Energie. Der Übergang von einem Niveau auf ein anderes ist mit der Abgabe (Emission) oder Aufnahme (Absorption) eine Photons

verbunden.

Absorption von Photonen Die Anregung eines Atoms kann auf verschiedene Arten erfolgen. In einer Gasentladungslampe wird die Energie vorwiegend durch einen Elektronenstoß auf das Atom übertragen. Die Energieaufnahme kann aber auch durch die Absorption eines Photons erfolgen. Dieser Vorgang ist nichts anderes als die Umkehrung des Emissionsprozesses.

Im folgenden Versuch können sowohl die Emission wie auch die Absorption von Photonen beobachtet werden: In die Flamme eines Bunsenbrenners hält man ein Stäbchen mit etwas Kochsalz. Dabei leuchtet die Flamme gelborange auf, weil das Natrium des Salzes durch die Flamme zur Lichtemission angeregt wird (Flammenfärbung).

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Bei Beleuchtung der Gasflamme mit einer hellen Lampe kann der Schatten der Flamme auf einem Schirm untersucht werden.Beobachtung:

• Im Licht einer Glühlampe wird kein Schatten der Flamme auf dem Schirm erzeugt, auch wenn man die Flamme mit Hilfe des Kochsalzstäbchens aufleuchten lässt.

• Verwendet man eine Natriumdampflampe als Lichtquelle, so tritt ein deutlicher Schatten auf, sobald Kochsalz in die Flamme gegeben wird.

Erklärung:Zunächst wird das zweite Ergebnis erklärt: In der Natriumdampflampe werden Natriumatome zur Lichtemission angeregt. Die Energie der dabei erzeugten Photonen stimmt genau mit der Anregungsenergie der Natriumatome überein. Die ausgesandten Photonen haben anschließend gerade die richtige Energie, um die Natriumatome in der Flamme anzuregen. Deshalb werden sie dort besonders wirksam absorbiert und treffen nicht mehr auf den Schirm. Dass im Licht einer Glühlampe kein Schatten entsteht, liegt daran, dass im kontinuierlichen Spektrum dieser Lichtquelle nur ein verschwindend kleiner Anteil der Photonen die passende Energie hat, um die Natriumatome in der Flamme anzuregen. Die meisten Photonen werden daher in der Flamme kaum absorbiert und gelangen ungehindert zum Schirm.

Entstehung von Röntgenstrahlung

Grundsätzlich erfolgt die Anregung von Atomen und die anschließende Photonenemissionnach folgendem Schema:

Die Hülle eines Atoms enthält – entsprechend der Ordnungszahl des betreffenden chemischen Elements – etwa bis zu 100 Elektronen. Bei einem Atom mit z. B. 29 Elektronen (Kupfer) halten

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sich einige dieser Elektronen nahe am positiv geladenen Atomkern auf; sie sind besonders fest gebunden und heißen innere Elektronen. Andere befinden sich in Bereichen mit einem größeren Abstand vom Atomkern. Diese äußeren Elektronen sind vergleichsweise schwach gebunden. Wenn ein Atom mit vielen Hüllenelektronen durch einen Stoß angeregt wird, können je nach Stoßenergie verschiedene Fälle eintreten:Werden schwach gebundene, äußere Elektronen angeregt, so haben die anschließend ausgesandten Photonen Energiewerte von einigen eV und liegen somit im sichtbaren oder im UV-Bereich. Solche Prozesse finden z. B. in einer Gasentladungslampe statt.Wird ein stark gebundenes inneres Elektron durch ein anderes hochenergetisches Teilchen aus der Hülle geschlagen, befindet sich die Elektronenhülle in einem sehr stark angeregten Zustand. Das anschließend ausgesandte Photon hat dementsprechend sehr viel Energie (z. B. im Bereich von 1 keV bis 100 keV). Solche Photonen sind für unsere Augen unsichtbar, können aber Photoplatten belichten. Sie besitzen ein sehr großes Durchdringungsvermögen und bilden die Röntgenstrahlung. Das Spektrum der Röntgenstrahlung ist wie das Spektrum einer Gasentladungslampe diskret, weil die inneren wie die äußeren Elektronen nur bestimmte, für das jeweilige chemische Element charakteristische Anregungsenergien aufnehmen können.Im Diagramm rechts ist das Röntgenspektrum von Kupfer vereinfacht dargestellt. Es sind zwei scharfe Linien erkennbar, die durch verschiedene Übergänge hervorgerufen werden. Die breite Verteilung mit geringer Intensität wird durch einen zusätzlichen Erzeugungsmechanismus für Röntgenstrahlung hervorgerufen.

1.12 Erzeugung und Anwendung von Röntgenstrahlung

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Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung kann man z. B. stark beschleunigte Elektronen im Vakuum auf eine Metalloberfläche schießen. Durch die Stöße mit den Elektronen werden dann die Metallatome zur Emission von Röntgenphotonen angeregt. Dies geschieht in einer Röntgenröhre. Röntgenstrahlen werden von Körpergewebe nur schwach absorbiert, von Knochen stärker und von Metallteilen sehr stark. Eine medizinische Röntgenaufnahme entsteht durch Schattenprojektion eines Körperteils auf eine Photoplatte.

Radioaktivität

Welche Eigenschaften hat radioaktive Strahlung?

Geschichtliches: siehe Blatt• Radioaktive Strahlung ist unsichtbar und kann bestimmte Stoffe durchdringen.• Radioaktive Strahlung belichtet Photofilme.• Radioaktive Strahlung führt zu Ionisation (Bildung von geladenen Teilchen)

Siehe Arbeitsblatt PH9-Radioaktivitaet.pdf

Wie weist man radioaktive Strahlung nach?Meist verwendet man zum Nachweis die ionisierende Wirkung der radioaktiven Strahlung.

Versuch 1: Mit einem Plattenkondensator (Prinzip der Ionisationskammer)

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Die vom Präparat ausgehende Strahlung ionisiert die Luftmoleküle. Dabei entstehen freie Elektronen und positive Ionen. Die Elektronen werden von der positiven Kondensatorplatte angezogen, die Ionen von der negativen. Dieser Ladungstransport ist mit Hilfe des Messverstärkers als Strom messbar.Radioaktive Strahlung ionisiert Luft, d. h. macht aus zunächst neutralen Luftmolekülen geladene Teilchen.

Die Ionisationskammer lässt sich technisch weiterentwickeln zum Geiger-Müller-Zählrohr(GMZ): Prinzip:

• Die Spannung zwischen Draht und Gehäuse ist so groß, dass selbständige Gasentladung gerade noch ausbleibt.

• radioaktive Strahlung erzeugt Ionen und freie Elektronen

• Elektronen werden stark zum Zähldraht hin beschleunigt und erzeugen durch Stoßionisation sekundäre Ionen (-> Elektronenlawine mit Faktor 10 bis 10⁷ ⁹)

• Stromstoß im Außenkreis -> Spannungsstoß an R -> „Knacksen“ im Verstärker

• Alkohol „löscht“ die sonst stattfindende Dauerentladung(sonst würden durch Elektronen-Stoß auch Photonen entstehen, die aus Zähldraht und Wand wieder Elektronen auslösen würden -> Dauerentladung)

• bei genügend hoher Spannung spricht das GM-Zählrohr auf jedes einzelne ionisierende Teilchen an, unabhängig von dessen Energie (Damit ist aber keine Unterscheidung der einfliegenden Teilchen hinsichtlich deren kin. Energie möglich)

• Ein während des Entladevorgangs einfliegendes Teilchen wird nicht registriert-> Totzeit ca. 10-4s

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Siehe auch Leifiphysik!!

Messung: Impulsrate Z=Anzahl der ImpulseZeitabschnitt

=N t

Man stellt auch ohne ein radioaktives Präparat eine gewisse Impulsrate fest. Das ist der sogenannte Nulleffekt (natürliche Umweltradioaktivität): ca 20/min Die Knackser sind statistisch verteilt, das ganze hat einen Zufallscharakter!!

Weitere Nachweisgeräte: Nebel- und Blasenkammer, Szintillationszähler,...siehe Arbeitsblatt PH9-Radioaktivitaet-Nachweis.pdf

Welche Arten radioaktiver Strahlung gibt es?

Radioaktive Strahlung kann u. a. aus so genannten α-Teilchen (α -Strahlung) bestehen.α -Teilchen werden von einem Blatt Papier bereits vollständig absorbiert, haben in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern und werden auf Grund ihrer positiven Ladung in einem starken Magnetfeld abgelenkt.Beim alpha-Zerfall stößt ein Kern einen zweifach positiv geladenen Heliumkern mit der Masse 4 u aus. Es entsteht ein neuer Atomkern, ein neues Element mit einer um 4 kleineren Massenzahl und einer um 2 kleineren Kernladungszahl.Beispiel: 92

235 U 98231 Th2

4 He

Allgemein: XZ

A XX −2

A−4 2

4 He

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Eine zweite Art radioaktiver Strahlung besteht aus Elektronen. Sie heißt β-Strahlung, wird von einer wenige Millimeter starken Aluminiumplatte vollständig absorbiert und hat in Luft eine Reichweite von wenigen Metern. Auf Grund ihrer negativen Ladung wird β-Strahlung in einem Magnetfeld entgegengesetzt zur α-Strahlung abgelenkt.β-Strahlen bestehen aus Elektronen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen (bis zu 99% der Lichtgeschwindigkeit). β-Teilchen: e−1

0 oder e−

Sendet ein Atomkern beta-Teilchen aus, erhält man ein Nuklid mit gleicher Masse, gleicher Nukleonenzahl, aber höherer Protonenzahl.

Die dritte Art radioaktiver Strahlung ist eine ebenfalls unsichtbare und durchdringende elektromagnetische Strahlung wie die Röntgenstrahlung. Sie heißt γ-Strahlung und wird erst durch dicke Blei- oder Betonschichten gut absorbiert. Sie ist ungeladen und hat eine Reichweite von vielen Metern in Luft.

Bei der Entstehung der γ- Strahlung ändert sich weder die Protonenzahl noch die Neutro-nenzahl, weshalb hier keine Elementumwandlung stattfindet.Die gamma-Strahlung besteht aus Photonen, die aus dem Atomkern eine große Menge Energie abtransportieren (so ähnlich wie bei Röntgenstrahlung, nur noch energiereicher).

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In einem starken Magnetfeld kann man die drei Strahlungsarten voneinander trennen:

Zusammenfassung: siehe Arbeitsblatt

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Radioaktiver Zerfall und Halbwertszeit

Die Kurve zeigt die mit Hilfe einer Ionisationskammer gemessene Anzahl radioaktiver Radonkerne in Abhängigkeit von der Zeit. Es fällt auf, dass nach etwa einer Minute nur noch etwa die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Kerne vorhanden ist, nach etwa zwei Minuten nur noch ein Viertel, nach etwa drei Minuten nur noch ein Achtel usw. Wie kann man sich das Zustandkommen dieser Halbierung nach immer gleichen Zeitintervallen erklären?

Um den Zerfall radioaktiver Kerne zu verstehen, führt man ein analoges Experiment mit einer großen Anzahl gleichartiger Würfel aus. Dabei entspricht jeder Würfel einem radioaktiven Kern, jeder Wurf entspricht einem festgelegten Zeitintervall (z. B. 1,0 s). Zeigt ein Würfel die Augenzahl „Sechs“, so wird der zugehörige Kern als „zerfallen“ betrachtet, bei allen anderen Augenzahlen als „unzerfallen“.

Wie beim radioaktiven Zerfall stellt man nach einem bestimmten Zeitintervall immer eine Halbierung der Anzahl der zu Beginn des Intervalls vorhandenen Kerne fest. Man nennt diese charakteristische Zeit daher Halbwertszeit T1/2. Sie ist unabhängig von der ursprünglichen Anzahl. Dies führt zu einer einfachen Beschreibung des Zerfalls von N0

Kernen: Von einer ursprünglichen Anzahl N0 von Kernen sind nach 1, 2, 3, .... Halbwertszeiten nur noch (1/2)1 N0, (1/2)2 N0, (1/2)3 N0 … unzerfallene Kerne vorhanden.

Mathematische Beschreibung des Zerfallsgesetzes:

N t =N 0⋅ 12

tT 1/2

Dabei ist:N(t): Die Anzahl der Kerne nach einer bestimmten Zeit tN0: Die Zahl der Kerne am Anfang (zum Zeitpunkt 0)T1/2: Halbwertszeit

Man kann zwar angeben, wie viele unzerfallene Kerne von anfangs N0 Kernen nach einer bestimmten Zeit noch zu erwarten sind, aber nicht, zu welchem Zeitpunkt ein einzelner Kern zerfällt.

Je mehr Kerne vorhanden sind, desto mehr zerfallen auch in einer bestimmten Zeit (immer der gleiche Prozentsatz zerfällt). Die Zahl der Zerfälle (entspricht der Impulsrate bzw. Aktivität) ist also direkt proportional zur Zahl der Kerne und deswegen gilt auch für die Impulsrate der obige Zusammenhang.

Grundzüge der biologischen Strahlenwirkung

Siehe Wirkung-radioaktiver-Strahlung.pdf und

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Martin Volkmer “Radioaktivität und Strahlenschutz” (April 2007) (www.kernfragen.de)

Zum Schutz gegen schädliche Folgen radioaktiver Strahlung ist die Regel der Fünf A’s zu beachten: Abstand erhöhen (-> Dosis nimmt quadratisch mit dem Abstand ab!!) Abschirmung verstärken, Aufenthaltsdauer verkürzen, Aktivität verkleinern, Aufnahme (in den Körper) vermeiden.

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