Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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2.4 Radioaktivität

Ziel: Phänomen, Aktualität

Material:
bulletGeiger-Müller-Zähler
bulletIsotopengenerator

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2.4.1 Radioaktive Strahlung

Natürliche vorkommende Strahlungsquellen geben drei Strahlungsarten ab, die man mit den Anfangsbuchstaben des griechischen Alphabetes bezeichnet: alpha, beta und gamma.

Die Entdeckung der natürlichen Radioaktivität beruhte auf einem Zufall: Pierre CURIE trug in seiner Hosentasche Pechblende aus Böhmen herum, bis er an seinem Oberschenkel eine Rötung feststellte. Der Übeltäter war, wie schon bei BECQUERELs Photoplatten, Uran, das im Mineral zu 75% enthalten war.

Tafelskizze/Diskussion: Strahlungsarten

Parameter alpha beta gamma
Strahlungsart Teilchen Teilchen Strahlung
Teilchen -
Reichweite* in Luft: 3 - 8 cm 1 - 8 m weit
Reichweite* in Al: 0.02 mm 0.5 mm 5 cm
Quelle:
ionisier. Wirkung stark mittelstark schwach
Grund: hohe Masse, geringe Geschw. geringe Masse, geringe Geschw. masselos

*Reichweite: Strecke, nach der nur noch die Hälfte der Strahlung vorhanden ist!

Hinweise:

bulletals Reichweite wird angegeben, nach welcher Strecke die Hälfte der Strahlung zurückgehalten wurde.
bulletdie Reichweite ist gering, weil die großen Teilchen mit Luftmolekülen zusammenstoßen und ihre Energie abgeben
bulletvon der ionisierenden Wirkung hängt das Ausmaß biologischer Schädlichkeit ab: Ionisierung bewirkt Änderung der chemischen Eigenschaften bis Zerstörung.
bulletDurch das Strahlen (nur alpha und beta) entstehen neue Elemente!

Die Energie E, die von einem radioaktiven Präparat auf eine absorbierende Substanz X übertragen wird, sagt noch nichts über die Wirksamkeit aus: alpha-Strahlen geringer Energie sind z.B. für den Menschen viel schädlicher als gamma-Strahlen wesentlich höherer Energie. Grund: sie ionisieren auf ihrem Weg durch den Organismus wesentlich mehr Teilchen.

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2.4.2 Messung

Folie: Zählrohr

Demonstration: Geiger-Müller-Zähler

Das Geiger-Müller-Zählrohr eignet sich für Teilchenstrahlung und energiereichere gamma-Strahlen.

Hinweis: Daneben gibt es noch die Nebelkammer, mit der man Strahlung sichtbar machen kann.

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2.4.3 Das Zerfallsgesetz

A: Ist der radioaktive Zerfall eine chemische Reaktion?

Der radioaktive Zerfall ist nur abhängig von der Zahl der vorhandenen Atome, nicht von äußeren Faktoren: es handelt sich um eine Reaktion 1. Ordnung. Man kann nicht voraussagen, welches Atom wann zerfallen wird.

Nt = N0 * e-lambda*t (Zerfallsgesetz; wobei lambda = Zerfallskonstante [1/s]).

Nach dieser Gleichung lässt sich die nach einer bestimmten Zeit noch vorhandene Zahl der radioaktiven Teilchen (=Radionuklide) berechnen.

Die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls wird über die Halbwertszeit t1/2 beschrieben: es ist die Zeit, nach der von einer bestimmten Ausgangsmenge radioaktiven Materials die Hälfte noch vorhanden ist.

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2.4.4 Das Grundprinzip eines Kernspaltungsreaktors

Wieso lässt sich aus Atomkernen Energie gewinnen?

Einfache Rechnung mit Schwierigkeiten: Zählt man die Massen aller Neutronen und Protonen in einem Kern zusammen, so "fehlt" zum Schluss, verglichen mit der tatsächlichen Masse des entsprechenden Kerns, ein bestimmter Betrag. Dieser ist z.B. für U-238 0,0555u = 10-25g.

Den Massenunterschied zwischen der Summe der Nucleonenmassen und der genauen, tatsächlichen Kernmasse bezeichnet man als Massendefekt.

Nun ist diese Masse nicht einfach "weg": das wäre ein Widerspruch zu dem grundlegenden Satz von der Erhaltung der Masse. EINSTEIN lieferte die Erklärung für diese Merkwürdigkeit: die Beziehung zwischen Masse und Energie.

E = mc2           m = E/c2

Aussage: die Masse ist lediglich eine andere Erscheinungsform für Energie, also in diese umwandelbar.

Die Energie, die frei wird, wenn man einen Kern aus Nucleonen zusammenbaut, nennt man Kernbindungsenergie.

Bei der Zerlegung des Kerns in freie Nucleonen müsste sie wieder aufgewendet werden.

Um die Größe der Kernbindungsenergieen zu erfassen, kann man sie mit der chemischen Bindung vergleichen. Die mittlere Bindungsenergie zwischen den Nucleonen beträgt:

E (NB, 206Pb) = 8.3*10-9 J / 206 = 4 * 10-11 J/Nucleon

Eine der energiereichsten chemischen Bindungen, also über gemeinsame Elektronen in der Schale, ist die zwischen zwei Wasserstoffatomen:

E (B, H2) = 7.2 * 10-19 J/Molekül

also um 8 Zehnerpotenzen niedriger.

Folie: Stabilitätskurve bei Atomkernen

bulletEisen besitzt den stabilsten Kern.
bulletDie Spaltung schwererer Kerne als Fe liefert Energie: dies wird in Spaltungsreaktoren und bei Atombomben ausgenutzt (Kernspaltung).
bulletDie Verschmelzung leichterer Kerne als Fe liefert Energie: dies wird in Fusionsreaktoren und bei Wasserstoffbomben ausgenutzt (Kernfusion).

Folie: Kettenreaktion (neutronenbetonte Spaltung von 238U)

Werden bei einer durch ein Neutronen induzierten Kernreaktion mehr als eines wieder frei, so ergibt sich eine Kettenreaktion.

In Wirklichkeit werden im Schnitt je Molekül 235U 2.46 Neutronen frei.

Um die Kettenreaktion zu vermeiden, somit die Energiefreisetzung zu bremsen, ist es nötig, die Zahl der Neutronen zu steuern: man benötigt eine reversible Bremse. Ein für die Energienutzung geeigneter Reaktor muss also aus folgenden Grundelementen bestehen:

Folie: Grundschema eines Kernreaktors

Grundsätzlich sind alle Isotope als Brennstoff geeignet, die durch Neutronenbeschuss spaltbar und schwerer als Fe sind. Nur wenige jedoch liefern gleichzeitig so viele neue Neutronen, dass eine Kettenreaktion durch einfachen Neutronenbeschuss zustande käme.

238U fängt Neutronen ab. Das ist auch der Grund, warum in reichhaltigen Uran-Erzen mit einem Gehalt um 50% U keine Kettenreaktion zustande kommt: der Gehalt an 235U beträgt nur 0.7% bezogen auf reines U-Metall. Über Isotopentrennverfahren wird das natürliche Gemisch auf den erforderlichen Gehalt von 2-4% 235U angereichert.

Eingesetzt wird das Material meistens als Brennstäbe, eingeschweißt in Stahl, damit radioaktive Produkte nicht entweichen können.

Entscheidend für den geregelten Betrieb ist der Neutronenvermehrungsfaktor k. Er wird beschrieben von der Beziehung:

  n(gebildet)
k = ------------------
  n(verbraucht)

Nun muss die entstandene Wärme aus dem Bereich der Brennstäbe zur stromerzeugenden Turbine transportiert werden. Dazu gibt es Kernkraftwerkstypen mit

bulleteinem Kreis
bulletzwei Kreisen (primär und sekundär).

Hinweis: Der Reaktor in Tschernobyl war ein Graphit moderierter Reaktor mit Wasserdampf als Wärmetransportmittel. Diesen Reaktortyp wurde nur in der früheren UdSSR gebaut.

(Exkurs: Kernfusion)

Bei der Kernspaltung wird bis zu 0.1% der Kernmasse in Energie umgewandelt. Bei der Kernfusion sind es 0.4% bzw. 0.7% (ggf. mehr?) der Kernmassen. Man versucht, durch Verschmelzung von zwei Kernen das stabile, also energetisch niedrigere 4He zu erreichen. Die Energiedifferenz steht dann zur Verfügung.

Problem 1: In welchem Gefäß kann man Gase bei 108 K halten? Die temperaturfestesten Materialien schmelzen bereits bei 3000K.
Lösung 1: Die "Magnetische Flasche" ist ein Edelstahlgefäß, in dem Magnetfelder das heiße Material von den Wänden fernhalten.
Problem 2: Wie erzeugt man die hohe Zündtemperatur? Später würde der Fusionsprozess die Wärme für die Aufrechterhaltung der Reaktion liefern.
Lösung 2: Noch keine. Bisher sind Temperaturen von ca. 107 K erzeugt worden. Das ist zwar nur um den Faktor 5 zu wenig, aber die Temperaturen wurden auch nur für sehr kurze Zeiten aufrecht erhalten.
Problem 4: Woher nimmt man den Brennstoff?
Lösung 4: Deuterium kommt in der Natur in genügender Menge vor und kann mit Isotopentrennverfahren isoliert werden. Tritium ist selten und muss aus Li über Neutronenbeschuss hergestellt werden. Lithium selber ist allerdings nicht allzu häufig: 0.003% der Erdhülle. Auch ist das reine Metall wegen seines hohen Redoxpotentials relativ schwer gewinnbar.

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2.4.5. Strahlenwirkung

Strahlenbelastung (Deutschland, Stand ca. 1990):

Kosmische Strahlung: 0 m 3*10-4 Gy/a
2000 m 6*10-4 Gy/a
4000 m 20*10-4 Gy/a
Terrestrische Strahlung:   bis 250*10-4 Gy/a
In Gebäuden:   1.4x (222Rn, 40K)
In Milch:   40 Bq/l aus 40K
Raucher:   +1.3*10-4 Gy/a
Gesamtbelastung:   ca. 0.2 rem/a
Belastung durch Tschernobyl: Kinder 1.Jahr 1.4 rem
Erwachsene 1.Jahr 0.8 rem
Kinder 50 J. 4 rem
Erwachsene 50 J. 2.6 rem

Gy ist die Einheit (in J/kg) für die Energiedosis D: sie beschreibt die Energie, die von einem radioaktiven Präparat auf die Masse m einer Substanz übertragen wird.
rem ist die Einheit für die Äquivalentdosis. Sie entsteht aus der Energiedosis D multipliziert mit einem Erfahrungsfaktor k, der die biologische Wirksamkeit beschreibt. Beispiele: k(alpha)=10, k(beta, gamma)=1.
Bq ist eine Einheit für die Aktivität eines radioaktiven Präparates in Zerfällen/s.

Man unterscheidet:

bulletprimäre Wirkungen im Bereich der Elektronenhülle (Anregung, Ionisierung, Radikalisierung)

Bei geringer Strahlenbelastung können vorhandene Enzyme (Katalasen) Wasserstoffperoxid zersetzen, bei hohen schaffen sie es nicht.

Hinweis: Tumorzellen enthalten kaum Katalase, deshalb können Tumore durch beta-Strahlen aus Co-Kanonen beeinflusst werden.

bulletsekundäre Wirkungen auf Ebene chemischer Reaktionen (Ionen, Radikale mit Enzymen)
bullettertiäre Wirkungen: Fehlfunktionen im Organismus infolge sekundärer Wirkung (fehlende Enzyme)
bulletquartäre Wirkungen: fühlbare oder äußerlich sichtbare Symptome (Übelkeit, Hautveränderungen)

Besonders wirksam sind inkorporierte, also in den Körper aufgenommene radioaktive Isotope: sie werden in Organe eingebaut und verweilen deshalb lange im Körper:

bullet90Sr und 140Ba sind Ca ähnlich, tauchen in Knochen auf,
bullet137Cs ist K ähnlich und gelangt in Nervenzellen,
bullet131I wird wie 127I ins Thyroxin der Schilddrüse eingebaut.

Wirkungen kurzer Strahlenbelastung:

bulletbei sehr niedrigen Dosen (3.5-1000mSv/a): Schäden werden repariert
bulletbei niedrigen Dosen (-2000mSv/a): "Strahlenkater" = Störung des Allgemeinbefindens (Kopfweh, Übelkeit, Erbrechen, Missgeburten)
bulletbei mittleren Dosen (-5000mSv/a): kurzfristig Hautverbrennungen, Durchfall, Kreislaufschwäche, mittelfristig Geschwüre, langfristig Leukämie, Krebs, Strahlen-AIDS
bulletbei hohen Dosen (>5000mSv/a): Schäden am ZNS, Sterilität, Tod.

Bei geringer Strahlenbelastung über größere Zeiträume wirkt sich die Mutagenität der Strahlen aus: es treten vererbbare Schäden (im Genmaterial der Geschlechtszellen) und nicht vererbbare Schäden (im Genmaterial der Körperzellen) auf.

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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de