Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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Natürliche Radioaktivität

Vortrag von Sabrina Geiger im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 2007/08

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Gliederung:

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Das Fichtelgebirge und das angrenzende Erzgebirge sind bekannt für ihr Vorkommen von Uran, welches dort auch abgebaut wurde. Schon Marie und Pierre Curie bezogen ihr Material für ihre Untersuchungen an radioaktiven Substanzen, das Erz Pechblende, aus dem Erzgebirge. Man kann aufgrund des Vorkommens von radioaktiven Elementen auch hier in Bayreuth eine stark erhöhte terrestrische Strahlung messen. Deshalb ist die Strahlenbelastung für die Bevölkerung sehr hoch.

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1 Definition Natürliche Radioaktivität

Die Eigenschaft von Atomkernen sich spontan in andere umzuwandeln, wobei Energie in Form von Teilchen oder Strahlung frei wird, nennt man Radioaktivität. Die Ursache der Radioaktivität ist eine Instabilität der Kerne (Nuklide), die wiederum an einem Überschuss von Protonen oder Neutronen liegt. Je nach dem, ob die radioaktiven Nuklide (Radionuklide) in der Natur vorkommen oder künstlich durch Kernreaktionen hergestellt werden, unterscheidet man Natürliche oder Künstliche Radioaktivität.

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2 Natürliche Strahlungsarten

2.1 Alpha-Strahlung

Beim alpha-Zerfall wird aus einem Atomkern A ein Atomkern B und ein Heliumkern. Der Heliumkern wird als alpha-Teilchen bezeichnet. Den Strahl von Heliumkernen nennt man alpha-Strahlung. Der alpha-Zerfall tritt bei sehr schweren Elementen wie Uran, Radium oder Thorium auf. Durch die Abgabe eines Heliumkerns wird der Atomkern stabiler. Alpha-Strahlung hat die geringste Reichweite und sie kann kaum Materie, wie z.B. ein Blatt Papier durchdringen. Aber in den Körper durch Nahrung oder Inhalation aufgenommen, verursacht sie die größten Auswirkungen.

Abb. 1: Modell zum alpha-Zerfall [nach 1]

2.2 Beta--Strahlung

Beim beta--Zerfall wird ein Atomkern A in einen Atomkern B und ein Elektron umgewandelt. Das abgegebene Elektron wird auch beta--Teilchen genannt.  Den Strahl von Elektronen nennt man beta--Strahlung. Dieser Zerfall tritt bei Kernen auf, die eine höhere Neutronen- als Protonenzahl haben. Das Elektron stammt nicht aus der Atomhülle, sondern resultiert aus einer Umwandlung von einem Neutron in ein Proton und ein Elektron. Beta-Strahlung hat eine etwas größere Reichweite im Vergleich zur alpha-Strahlung, ist aber weniger energiereich.

Abb. 2: Modell zur beta--Strahlung [nach 1]

2.3 Beta+-Strahlung

Bei diesem Zerfall gibt ein Atomkern A ein Positron ab und es entsteht ein Atomkern B. Ein Positron ist ein Teilchen mit der Masse eines Elektrons, welches aber eine positive Ladung hat.  Es entsteht, da ein Proton  in ein Neutron und ein Positron umgewandelt wird. Positronen werden beta+-Teilchen und die Strahlung beta+-Strahlung genannt.

Abb. 3: Modell zum beta+-Zerfall [nach 1]

2.4 Gamma-Strahlung

Bei alpha- und beta-Zerfallsprozessen entstehen Kerne, deren Protonen und Neutronen eine hohe innere Energie besitzen. Um einen stabileren, niedrigeren Energiezustand zu erreichen, wird gamma-Strahlung in Form von Quanten abgegeben. Weiterhin kann gamma-Strahlung entstehen, wenn z.B. ein emittiertes beta-Teilchen auf ein Hüllenelektron trifft, oder als Folge eines Elektroneneinfangs. Gamma-Strahlung hat mit Abstand die größte Reichweite und Durchdringungsfähigkeit. Im Vergleich mit den anderen Strahlungsarten richtet sie im Organismus nicht so großen Schaden an.

Abb. 4: Modell zur Abgabe von gamma-Strahlung [nach 1]

2.5 Elektroneneinfang

Der Kern eines neutronenarmen Atoms fängt aus der innersten Schale der Elektronenhülle (K-Schale) ein Elektron. Dadurch wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Der frei gewordene Platz wird von einem äußeren Elektron wieder aufgefüllt. Als Resultat entsteht Röntgenstrahlung.

Abb. 5: Modell zum Elektroneneinfang [nach 1]

2.6 Biologische Effekte der ionisierenden Strahlung

Durch die energiereiche "radioaktive" Strahlung kann z.B. aus einem Wassermolekül ein Elektron herausgeschleudert werden. Es entsteht ein Wasserradikal mit einer positiven Ladung und ein Elektron. Das Elektron verliert auf seinem Weg durch den Organismus seine Energie, wird langsamer und kann so wieder von einem Wassermolekül absorbiert werden. Es entsteht ein weiteres Radikal mit einer negativen Ladung. Das Wasserradikal mit der positiven Ladung zerfällt zu einem Hydroxidradikal und einem Proton. Das Wasserradikal mit der negativen Ladung zerfällt zu Hydroxid und einem Wasserstoffradikal. Radikale sind sehr reaktiv und greifen chemische Bindungen an. Dies kann einen Bruch von organischen Molekülen in den Zellen bewirken. Dadurch können Stoffwechselstörungen und andere Folgeerscheinungen wie Haarausfall, Blutkrankheiten, Leukämie, Unfruchtbarkeit, Krebs oder Verdauungsstörungen auftreten. Die Strahlenschäden kann man generell in somatische und genetische Schäden unterteilen. Die genetischen Schäden treten erst in nachfolgenden Generationen auf. Bei den somatischen Schäden lassen sich Früh- u. Spätschäden unterscheiden. Zu den Frühschäden zählt z.B. eine Veränderung des Blutbildes oder Haarausfall. Die Spätschäden kann man in maligne und nicht maligne unterteilen. Zu den bösartig wuchernden lassen sich Krebs oder Leukämie zählen, während Unfruchtbarkeit zu den nicht bösartig wuchernden Schäden gehört .

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3 Natürliche Zerfallsreihen

Die ionisierende Strahlung, die auf uns einwirken kann, entsteht unter anderem durch Zerfallsreihen, wovon  in der Natur drei Stück vorkommen: Thorium-Reihe, Uran-Actinium-Reihe, Uran-Radium-Reihe. Aus einem radioaktiven Kern entsteht durch den Zerfallsvorgang wiederum ein Kern, der selbst radioaktiv ist und weiter zerfällt. So eine Folge, die über viele Schritte mit vielen beteiligten Nukliden verlaufen kann, endet letztlich, wenn ein stabiles Nuklid entsteht. Man nennt sie eine radioaktive Zerfallsreihe.

Abb. 6: Uran-Radium-Zerfallsreihe [nach 1]

4 Zerfallsgesetz

N(t) = Anzahl der radioaktiven Kerne zu einem bestimmten Zeitpunkt
N0 = Anzahl der radioaktiven Kerne zum Zeitpunkt Null
t = Zeit
k = Zerfallskonstante

Mit Hilfe der Aktivität kann man die Zerfallskonstante k berechnen. Die Aktivität beschreibt, wie viele Kerne in einem bestimmten Zeitraum zerfallen sind. Ein Zerfall pro Sekunde entspricht einem Bequerel. Wenn man eine Probe von einem radioaktiven Element hat, kann man zu Beginn die Aktivität mit dem Geiger-Müller-Zähler bestimmen, und nach einer bestimmten Zeit, z.B. 7 Tage misst man wieder. Man kann in das radioaktive Zerfallsgesetz anstatt der Anzahl der Atome die Aktivität einsetzen und so die Zerfallskonstante berechnen.

Abb. 7: Modell zum Zerfallsgesetz mit dem Beispiel Tritium  [nach 1]

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Auf den Menschen wirken neben der terrestrischen Strahlung, die kosmische sowie die körperinterne Strahlung ein. Jedoch muss man keine Bedenken haben, wenn man sich in Bayreuth niederlassen möchte. Die einwirkende Dosis ist weit von dem Wert entfernt, ab dem man erste Auswirkungen merkt. Zwar werden immer die oben genannten Vorgänge im Körper auftreten, aber der Organismus hat einige Mechanismen entwickelt, um mögliche Schäden an Molekülen zu reparieren.

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5 Literatur:

  1. Martin Volkmer: Kernenergie Basiswissen, UbiaDruckKöln, Herausgeber: Informationskreis KernEnergie 2006.
  2. Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Das Basiswissen der Chemie, 8. Auflage, 2003, Thieme Verlag Stuttgart.
  3. Universität Bayreuth, Skriptum zu Modul PC 1: Allgemeine Chemie, Wintersemester 2005/06.
  4. Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen: Strahlenschutz, Radioaktivität und Strahlungsmessung, 4. Auflage, 1996.
  5. Martin Volkmer: Die natürliche Strahlenbelastung, 2. Auflage, 1979, Aulis Verlag Deubner & CoKG Köln.
  6. www.meduniwien.ac.at/zal/strahlenschutz/physikalischegrundlagen/index 1.02.08

  7. www.team-strahlenschutz.de/start 1.02.08

  8. www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Pechblende 1.02.08

  9. www.google.de/images?q=Pechblende 1.02.08

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.09.10