Radioanalytik
Robert Schupfner
Vorlesungsprogramm: Radioanalytik
• Verfahren der Radioanalytik (physikalische Grundlagen)
• Wirkung ionisierender Strahlung auf den menschlichen Organismus
• Methoden zur Aktivitätsbestimmung
a-Spektrometrie
b-Spektrometrie
energieauflösend
g-Spektrometrie
ab-counting
rein zählend
• Radiochemische Reinigungsmethoden
• Aspekte der Qualitätssicherung
Vorlesungsprogramm: Radioanalytik
• Medizinische Anwendungen
Diagnostik
Therapie
Nuklearmedizin, Strahlentherapie
Klinische Chemie (RIA)
• Neutronenaktivierungsanalyse
• Radioaktivität im Menschen
• Radioaktivität in der Umwelt
künstliche und natürliche Radionuklide
• sonstige Anwendungen (Altersbestimmung)
Radioanalytik
• 19.07.2005: Klausur
• geplant: Besichtigung des KKW Isar
Wozu braucht man Radioanalytik ?
Jeder einzelne Mensch ist ständig ionisierender Strahlung durch radioaktiven Zerfall ausgesetzt. Die Radionuklide sind natürlichen und
künstlichen Ursprungs.
In vielen Bereichen der
• Technik,
• Chemie,
• Pharmazie,
• Biochemie,
• Medizin
werden radioaktive Stoffe eingesetzt, um die Eigenschaften
ionisierender Strahlung zu nutzen.
 Die Radioanalytik ist notwendig, um den Nutzen zu quantifizieren.
Wozu braucht man Radioanalytik ?
Zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Kernspaltung wird der
Umgang mit künstlichen Radionukliden während des
Kernbrennstoffkreislaufs in Kauf genommen und zwar bei
• der Produktion von Kernbrennstoffen
• der Erzeugung von elektrischer Energie durch Kernspaltung
• Emission von Radionukliden in die Umwelt
• Entsorgung von radioaktiven Abfälle
• Rückbau kerntechnischer Anlagen
Zur Erzeugung von elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen wie
Kohle, Öl, Gas oder Holz wird die Emission von natürlichen
Radionukliden in Kauf genommen.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Geothermie wird die
Anreicherung von natürlichen Radionukliden in Kauf genommen.
Die Strahlenexposition aus natürlichen Quellen macht den überwiegenden Teil der gesamten Strahlenexposition des Menschen aus
Wozu braucht man Radioanalytik ?
Es muss davon ausgegangen werden, dass jede Strahlenexposition das
Risiko erhöht, an einer strahleninduzierten Tumorerkrankung zu sterben.
Definition:
Strahlenexposition ist die Einwirkung ionisierender Strahlung
auf den menschlichen Körper.
Es ist eine Abwägung zwischen dem Nutzen und dem Risiko
erforderlich. Es müssen Schutzziele der Strahlenschutzverordnung
erreicht werden. Dazu ist Radioanalytik notwendig.
 Die Radioanalytik ist notwendig, um den Schaden zu begrenzen.
Wozu braucht man Radioanalytik ?
Periodensystem der Elemente und Nuklidkarte
Heute sind über einhundert chemische Elemente bekannt. Einen schnellen
Überblick über die Vielfältigkeit ihrer Eigenschaften erlaubt das Periodensystem
der Elemente. Das Periodensystem der Elemente (Abbildung 1) wurde im Jahre
1869 von L. Meyer und D. Mendelejeff unabhängig voneinander aufgestellt, um die
verwandschaftlichen Beziehungen der Elemente deutlich zu machen.
Zunächst gab es noch viele Lücken für solche Elemente, die noch nicht entdeckt
waren. Es waren wichtige Voraussagen über die Eigenschaften dieser Elemente
möglich.
Abschnitte der Entdeckung der Elemente nach Aufstellen des
Periodensystems
1. Abschnitt: Entdeckung stabiler Elemente
Auffüllen der Lücken im Periodensystem durch die Endeckung von weiteren
Elementen, meist noch bis ca. 1900.
Es wurden dadurch 83 Elemente gefunden, die in meßbaren Konzentrationen
auf der Erde vorkommen.
Es sind dies die Elemente mit der
Ordnungszahl 1 (Wasserstoff) bis 83 (Wismut), 90 (Thorium) und 92 (Uran).
Ausgenommen sind die Elemente 43 (Technetium) und 61 (Prometium).
Abschnitte der Entdeckung der Elemente nach Aufstellen des
Periodensystems
2. Abschnitt: Entdeckung der in der Natur vorkommenden radioaktiven
Elemente
1789 entdeckt Klaproth das Element Uran
1828 entdeckt Berzelius das Element Thorium
1896 entdeckt H. Becquerel die Radioaktivität des Uran
1898 entdecken P. und M. Curie weitere radioaktive Elemente
Die neu entdeckten Elemente sind nur in unwägbar geringen
Mengen vorhanden und lassen sich meist nur durch ihre Strahlung
nachweisen. In den Zerfallsprodukten des Uran wurden die folgenden
Elemente gefunden:
Ordnungszahl 84 (Polonium), 86 (Radon), 87 (Francium),
88 (Radium), 89 (Actinium), und 91 (Protactinium)
Abschnitte der Entdeckung der Elemente nach Aufstellen des
Periodensystems
3. Abschnitt: Entdeckung künstlicher Elemente
Nach Abschluß der zweiten Endeckungsperiode waren immer nach
Lücken im Periodensystem bei Z = 43 und Z = 61 vorhanden.
Diese fehlenden Elemente konnten künstlich durch Kernreaktionen hergestellt werden.
Ebenso wurde das Element 85 (Astat) zunächst durch Kernreaktionen
gewonnen; später wurde es auch in den Zerfallsreihen des Urans und
des Thoriums gefunden. Wichtige künstliche Elemente, die durch Kernreaktionen hergestellt werden:
Ordnungszahl Z
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Name
Abkürzung
Neptinium
Plutonium
Americium
Curium
Berkelium
Californium
Einsteinium
Fermium
Mendelevium
Nobelium
Lawrencium
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
Abschnitte der Entdeckung der Elemente nach Aufstellen des
Periodensystems
Die im zweiten und dritten Abschnitt der Endeckung erwähnten Elemente
faßt man mit dem Begriff Radioelemente zusammen.
Folgende Radioelemente sind bekannt:
Z = 43
Z = 61
Z > 83 (84 bis 104)
Elemente können in Form von verschiedenen Atomarten auftreten, die sich
durch ihre Massenzahl unterscheiden.
Bei der Untersuchung der Zerfallsprodukte des Uran und des Thoriums
hatte man 40 verschiedene radioaktive Atomarten mit unterschiedlichen
Halbwertszeiten gefunden. Für die 40 Atomarten gibt es jedoch nur
12 Plätze im Periodensystem.
Soddy schlug 1913 vor, jeweils mehrere dieser Atomarten auf dem gleichen
Platz des Periodensystems unterzubringen.
Begriffe
Isotop: d. h. "auf dem gleichen Platz"
Isotope sind Atomarten, die sich nur durch ihre Massenzahl, nicht aber durch
ihre chemischen Eigenschaften unterscheiden.
Weitere wichtige Begriffe zur Charakterisierung von Atomarten bzgl. ihrer
Ordnungs- oder Massenzahlen:
Nuklide sind verschiedene Atomarten, die sich in ihrer Ordnungszahl Z und
ihrer Massenzahl A unterscheiden.
Radionuklide sind Atomarten mit bestimmten Ordnungs- und
Massenzahlen, die instabil sind und sich unter Aussendung von
ionisierender Strahlung in andere Nuklide umwandeln.
Begriffe
Vollständige Charakterisierung von Radionukliden:
• Halbwertszeit
• Art
• Energie
der vom Radionuklid ausgesandten ionisierenden Strahlung
Nuklide sind verschiedene Atomarten, die sich in ihrer Ordnungszahl Z und
ihrer Massenzahl A unterscheiden.
Radionuklide sind Atomarten mit bestimmten Ordnungs- und
Massenzahlen, die instabil sind und sich unter Aussendung von
ionisierender Strahlung in andere Nuklide umwandeln.
Begriffe
Isotope:
Nuklide mit gleicher Protonenzahl P =Z
1
2
3
Beispiel:
H, H, H
Isobare:
Nuklide mit gleicher Massenzahl A= P+N
40
40
40
40
40
Beispiel:
Cl, Ar, K, Ca, Sc
Isotone:
Nuklide mit gleicher Neutronenzahl N
13
14
15
16
17 18
Beispiel:
B, C, N, O, F, Ne
Isodiaphere: Nuklide mit gleichem Neutronenüberschuß
(A-2Z = N - Z ist gleich).
Isomere:
Nuklide, die bei gleicher Anzahl von Protonen und
Neutronen unterschiedliche Halbwertszeiten und
Strahlungsenergien aufweisen.
Es gibt ca. 250 Fälle von Kernisomerie.
Beispiele für Isomere:
137m
Ba (t1/2 =2,6 min),
137
234m
Pa (t1/2 =1,17 min), 234Pa (t1/2 =6,75 h)
Ba (stabil)
Begriffe
Eine atomare Masseneinheit (ame) entspricht 1,66044 10-24 g
Nach Einstein besteht eine Äquivalenz zwischen Masse m und Energie E:
E = mc²
Umrechungen
1 ame =
c=
1 ame =
1,66044 10-24 g
2,997925 1010 cm s-1
1,49233 10-3 erg
Energieeinheit in der Kernphysik :
Elektronenvolt (abgekürzt: eV)
Das ist die Enerige, die ein Elektron aufnimmt, wenn es eine Spannung
von 1 V durchläuft
-12
1 eV =
1 keV
1 MeV
1,60210 10
103 eV
6
10 eV
erg
1 ame =
(931,48 ± 0,01) MeV
Radioaktivität
Radioaktivität ist die Eigenschaft von Atomkernen, die sich nahezu ohne
Einfluß von außen, spontan unter Emission von ionisierender Strahlung in
einen niederenergetischen Zustand umwandeln.
Energetik:
Aktivität
Probe mit N instabilen mononuklearen Kernen.
Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Kern in der Zeit zwischen t + Dt zerfällt,
ist im statistischen Mittel : lDt
und unabhängig von t.
l
wird Zerfallskonstante genannt. Einheit: [l] = 1 s-1
Die Zahl der Zerfälle beträgt im statistischen Mittel: NlDt.
wenn N die Anzahl der in der zur Zeit t in der Probe vorhandenen instabilen
Kerne ist.
- NlDt ist zugleich die Abnahme DN der Anzahl der instabilen Kerne in der
Probe.
DN = - NlDt
Geht man über zu infinitesimal kleine Zeitintervallen dann ist:
dN/dt = A(t) = - Nl
(1)
mit A(t): Aktivität zum Zeitpunkt t. Einheit: [A] = 1 Zerfall pro s = 1 Bq
oder 1 Ci = 3,71010 Bq
Die Aktivität gibt die Zahl der Kerne an, die pro Zeiteinheit zerfallen. Aktivität
von annähernd 1 g Ra-226.
Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls
Die Integration der Gleichung (1) ergibt das Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls:
N(t) = N0e-lt
(2a)
oder
A(t) = A0e-lt
(2b)
N0:= N(t=0): Anzahl der Kerne zum Zeitpunkt t =0.
A0:=A(t=0): Aktivität der Probe zum Zeitpunkt t=0.
Beziehung zwischen Zerfallskonstante l und Halbwertszeit T1/2.
T1/2= ln(2)/l
(3)
Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte der in der Probe enthaltenen Kerne
zerfallen sind.
Die Halbwertszeit der bekannten Radionuklide überdeckt einen
sehr weiten Zeitbereich von µs bis 1,76·1021 Jahre (76Ge)
Weitere Größe: mittlere Lebensdauer t: Die mittlere Lebensdauer ist die Zeit, nach
der die Aktivität auf den Wert 1/e abgefallen ist.
t = 1/l  1,443·T1/2
(4)
Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls
Aktivität und Masse
Die Aktivität eines Radionuklids ist der Masse der momentan vorhandenen
Kerne proportional:
T1/2·M
m=
A
(5)
ln2·NA·h
Dabei bedeuten:
m: Masse des Radionuklids in der Probe
A: Aktivität des Radionuklids in der Probe
T1/2: Halbwertszeit des Radionuklids
M: Atom- bzw. Molekülmasse der Verbindung, in der das Radionuklid
in der Probe vorkommt.
NA: Avogadro-Konstante
h: relative Häufigkeit des Nuklids
Aktivität und Masse
Masse verschiedener Radionuklide bei einer Aktivität von 1 Bq
Th-232
U-238
K-40
Pu-239
Ra-226
Am-241
Pu-238
Sr-90
Pu-241
Cs-137
Co-60
H-3
I-131
Rn-222
Be-7
Y-90
Tc-99m
F-18
Pa-234m
Massen bei einer Aktivität von 1 Bq
für verschiedene Radionuklide
C-11
Rn-220
Masse / g
1E-01
1E-02
1E-03
1E-04
1E-05
1E-06
1E-07
1E-08
1E-09
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
1E-14
1E-15
1E-16
1E-17
1E-18
1E-19
1E-20
1E-21
1E-22
Rn-219
Aktivitäten von Radionukliden
Definition
A = dN/dt
Einheit
Zerfälle pro
Zeiteinheit
Abkürzungen
1s
-1
1 min-1
1 Bq
1 dpm
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
Beschreibt die Anzahl der Zerfälle
eines oder mehrerer Radionuklide
pro Zeiteinheit
Definition der Aktivität
Grenzwerte für Zufuhr
Freigrenzwerte für die Genehmigung zum Umgang
mit radioaktiven Stoffen.
1 MCi
37 PBq
1 kCi
37 TBq
1 Ci
37 GBq
1 mCi
37 MBq
1 µCi
37 kBq
1 nCi
37 Bq
1 pCi
37 mBq
1 fCi
37 µBq
Freisetzung von Radionukliden
bei Kernwaffenversuchen
20 kCi 131I unfallbedingte Freisetzung in Windscale, GB, 1957
Medizinische, technische Bestrahlungseinrichtungen
Applizierte Aktivität in der
nuklearmedizinischen Diagnostik
Kalibierstrahler für Kernstrahlungsmeß40
geräte ca. 4,4 kBq K; Aktivitätsgehalt
im menschlichen Körper
Beginn des Spurenbereiches,
Kalibrierstrahler in der Spurenanalytik
Bereich des natürlichen Niveaus der
täglichen Aktivitätsauscheidung
von 228Th mit Faeces
Bereich des natürlichen Niveaus
der täglichen Aktivitätsauscheidung
von 232Th mit Urin
Inkorporationsüberwachung
Spezifische Aktivität
Definition
as = A/mA
Einheit
Ativität pro
-1
1 Bq g
Atommasseneinheit
des Elements
Definition
a = A/m
Einheit
Aktivität pro
Probenmasse
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
im internationalen Sprachgebrauch
Definition der spezifischen
z. B. 4060 Bq
Abkürzung
-1
1 Bq·g
1 Bq·kg-1
1 Bq·kg-1 (FM)
-1
1 Bq·kg (TM)
-1
1 Bq·kg (AM)
232
Th / g Th
Vorkommen dieser Größen
Verwendung bei Feststoffen
im internationalen Sprachgebrauch
Beispiel:
Mittelwert der natürlichen Aktivitätskonzentration des Bodens:
25 Bq U-238 / kg Boden
25 Bq Th-232 / kg Boden
Massenbasis: Feuchtmasse
Massenbasis: Trockenmasse
Massenbasis:Aschenmasse
Aktivität wie massenspezifische Aktivitätskonzentration
Bedeutung im Strahlenschutz
analog: spezifische Aktivität
Grenzwerte zur Freigabe fester
radioaktiver Abfälle; Grenzwerte
zum genehmigungsfreien Umfgang mit Radionukliden
Grenzwerte für Nahrungsmittelimporte aus GUS Staaten
Im Strahlenschutz immer FM,
falls nichts anderes angegeben
Berechnungsbasis zur Abschätzung der Strahlenexposition von Organen, Geweben
Aktivitätskonzentration
Definition
Einheit
aM = A/M
Aktivität pro
Stoffmenge M
Definition
Einheit
aV = a /V
Aktivität pro
Probenvolumen
Abkürzung
-1
1 Bq·mol
Vorkommen dieser Größen
Abkürzung
-1
1 Bq·L
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
Verwendung bei Flüssigkeiten, Gasen
Beispiel: Mittelwert der natürlichen
Aktivitätskonzentration von ³H im
-1
Regenwasser < 0,5 Bq ³H·L
Beispiel: 239Pu in der Luft:
Grenzwert der Jahresaktivitätszufuhr
100 Bq pro Jahr für beruflich strahlenexponierte Personen der Kategorie A
1700 m³ pro Jahr
def. als Aktivitätskonzentration
Grenzwerte zur Abgabe flüssiger radioaktiver Abfälle
1 Bq·m-3
Bedeutung im Strahlenschutz
Verwendung bei Versuchen mit
markierten Verbindungen, bei denen
chemische Reaktionen untersucht
werden sollen.
239
-3
14 mBq Pu·m
-3
239
4,2 mBq Pu·m
-3
239
1,4 mBq Pu·m
-3
239
0,084 mBq Pu·m
-3
239
< 0,001 mBq Pu·m
-3
222
50000 mBq Rn·m
Abgeleitete Grenzwerte der
Radioaktivität in der Raumluft
Atemrate nach StrlSchVO
Grenzwerte für Luftkonzentration
für berufl. strlexp. Pers. (Kat. A)
für berufl. strlexp. Pers. (Kat. B)
für berufl. nicht strlexp. Pers.
für die Allgemeinbevölkerung
Abluft kerntechnischer Anlagen
Mittelwert der Aktivitätskonzentration von 222Rn
Aktivitätskonzentration
Definition
Einheit
aM = A/M
Aktivität pro
Stoffmenge M
Definition
Einheit
aV = a /V
Aktivität pro
Probenvolumen
Abkürzung
-1
1 Bq·mol
Vorkommen dieser Größen
Abkürzung
-1
1 Bq·L
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
Verwendung bei Flüssigkeiten, Gasen
Beispiel: Mittelwert der natürlichen
Aktivitätskonzentration von ³H im
-1
Regenwasser < 0,5 Bq ³H·L
Beispiel: 239Pu in der Luft:
Grenzwert der Jahresaktivitätszufuhr
100 Bq pro Jahr für beruflich strahlenexponierte Personen der Kategorie A
1700 m³ pro Jahr
def. als Aktivitätskonzentration
Grenzwerte zur Abgabe flüssiger radioaktiver Abfälle
1 Bq·m-3
Bedeutung im Strahlenschutz
Verwendung bei Versuchen mit
markierten Verbindungen, bei denen
chemische Reaktionen untersucht
werden sollen.
239
-3
14 mBq Pu·m
-3
239
4,2 mBq Pu·m
-3
239
1,4 mBq Pu·m
-3
239
0,084 mBq Pu·m
-3
239
< 0,001 mBq Pu·m
-3
222
50000 mBq Rn·m
Abgeleitete Grenzwerte der
Radioaktivität in der Raumluft
Atemrate nach StrlSchVO
Grenzwerte für Luftkonzentration
für berufl. strlexp. Pers. (Kat. A)
für berufl. strlexp. Pers. (Kat. B)
für berufl. nicht strlexp. Pers.
für die Allgemeinbevölkerung
Abluft kerntechnischer Anlagen
Mittelwert der Aktivitätskonzentration von 222Rn
Abgeleitete Größen (Verhältnisse)
Transferfaktor Boden-Pflanzen
Definition
= aPflanze /a Boden
Einheit
1
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
Beschreibung des Transferverhaltens
von Radionukliden vom Boden zur
Pflanze unter der Bedingung eines
Gleichgewichtes.
Berechnungsbasis zur Abschätzung der Strahlenexposition
nach Freisetzung von Radionukliden mit Abluft bzw. Abwasser
Kd- Wert
Definition
Kd = aB/aE
Einheit
Volumen pro
Probenmasse
Abkürzung
Vorkommen dieser Größen
-1
1 L·kg Beschreibt die Verteilung von Radionukliden zwischen fester (ausgelaugter
Boden) und flüssiger (Eluat) Phase .
Transferfaktor Futter-Tier(produkt)
Definition
t = aTier(produkt) / (aFutter · df/dt)
Einheit
1 d/kg
Bedeutung im Strahlenschutz
t
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
Beschreibung des Transferverhaltens
von Radionukliden vom Futter zum
Tier(produkt) unter der Bedingung eines
Gleichgewichtes.
Berechnungsbasis zur
Abschätzung der Strahlenexposition
nach Freisetzung von Radionukliden mit Abluft bzw. Abwasser
Ausscheidungsrate
Definition
a = dA/dt
Einheit
Aktivität pro
24 Stunden
Abkürzung
-1
1 Bq·d
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
Ausscheidungsrate zur Abschätzung der
inkorporierten Aktivität
Abschätzung der Strahlenexposition nach Inkorporation
von Radionukliden
Flächenbezogene Aktivität (Oberflächenkontamination)
Definition
aF = a/F
Einheit
Aktivität pro
Abkürzung
-2
1 Bq·cm
Vorkommen dieser Größen
Bedeutung im Strahlenschutz
Kontaminationskontrolle im Labor
Grenzwerte für Schutzmaß-
-2
z. B. 5 Bqcm für -Strahler im Kontrollbereich (Mittelungsfläche: 100 cm²)
Transportbehältnisse z. B. "Kastor"
Flächeneinheit
-2
1 Bq·m
-2
1 Ci·km
Flächenkontamination nach Deposition
von Radionukliden durch Kernwaffenfallout
239
-2
ca. 50 Bq Pu m
ca. 110 Bq 239Pu m-2
ca. 0,05 Bq 239Pu m-2
ca. 17000 Bq 137Cs m-2
7000 bis 60000 Bq 137Cs m-2
nahmen bei Oberflächenkontamination von Arbeitsplätzen
und Gegenständen
Grenzwerte für Transport von
Radionukliden
Beispiele:
Kernwaffenfallout auf der nördlichen Hemisphäre
Kernwaffenfallout bei München
Tschernobylfallout bei München
Tschernobylfallout bei München
Tschernobylfallout im
Landkreis Regensburg
Radionuklidvektor µ
µ = (µ1, µ2, …, µi, …, µn)
µi =
Ai
S Ai
beschreibt Gemisch von Radionukliden
Radioaktives Gleichgewicht
Zwei oder mehrere Radionuklide wandeln sich gemäß dem Zeitgesetz des
radioaktiven Zerfalls ineinander um. Als Beispiel sei im Folgenden ein System
mit zwei Radionukliden angeführt, wie es z. B. beim Zerfall des 90Sr auftritt:
Nuklid 1  Nuklid 2  Nuklid 3 (stabil)
Es gilt:
N2 = l1/(l2-l1)·N1·[1-e-(l2-l1)·t]
und mit A2 = lN2
  l2/(l2-l1)·A1·[1-e
-(l2-l1)·t
mit
N1 bzw. N2: Anzahl der Kerne des Nuklids 1 bzw. 2
A1 bzw. A2: Aktivitäten der Nuklide 1 bzw. 2
l1 bzw. l 2: Zerfallskonstanten der Nuklide 1 bzw. 2
T1/2,1 bzw. T1/2, 2: Halbwertszeiten der Nuklide 1 bzw. 2
]
Radioaktives Gleichgewicht
Radioaktive Zerfallsreihe
Radioaktive Zerfallsreihe
Bei mehreren aufeinander folgenden Zerfällen des Typs
Nuklid 1  Nuklid 2  Nuklid 3  ....  Nuklid n (stabil)
Bildet sich eine radioaktive Zerfallsreihe aus.
Typische Beispiele sind die natürlichen Zerfallsreihen beginnend mit
238U, 235U und 232Th.
dNi/dt = li-1Ni-1 - liNi
(10)
Dieses gekoppelte lineare Differentialgleichungsystem kann durch Summen
von Exponentialfunktionen gelöst werden (siehe z. B. Lieser, Kernchemie).
Bei gegebenen Voraussetzungen kann sich radioaktives Gleichgewicht einstellen.
Natürliche Radionuklide
Primordiale Radionuklide:
Radionuklide, die eine so große Halbswertszeit aufweisen, dass sie noch
jetzt in der Natur nachzuweisen sind.
Wichtige sind
• 40K (im Körper des Menschen in Aktivitäten um 4400 Bq)
• 232Th (im Boden)
• 238U (im Boden)
• 235U (im Boden)
Kosmogene Radionuklide:
Die energiereiche kosmische Strahlung bildet durch Wechselwirkung mit den
Atomkernen der Gase in der Atmosphäre ständig Radionuklide,
wie 3H, 14C oder 7Be.
Diese werden durch Niederschläge auf den Boden deponiert und gelangen
über die Nahrungskette des Menschen in den menschlichen Körper.
Natürliche Zerfallsreihen
232
a-Zerfall
Th
228
b-Zerfall
Ac
216
Pb
Po
212
Tl
Bi
208
Pb
Th
228
212
208
232
Ra
212
Po
220
Rn
224
Ra
228
Th
Natürliche Zerfallsreihen
238
a-Zerfall
U
234
b-Zerfall
214
218
Pb
Po
214
Bi
210
214
Pb
Po
210
Bi
206
Pb
210
Po
238
Th
U
234
Pa
222
Rn
226
Ra
230
Th
234
U
Natürliche Zerfallsreihen
235
a-Zerfall
U
231
b-Zerfall
211
207
Bi
207
Pb
219
Rn
223
Ra
U
231
Ac
Po
211
Tl
227
215
Pb
235
Th
Pa
227
Th
Künstliche Radionuklide
•
Spaltprodukte
Durch die Spaltung schwerer Kerne z. B. des 235U oder 239Pu entstehen eine
Reihe von kurz- und langlebigen Radionukliden die durch oberirdische Kernwaffenversuche bis in die Mitte der 70iger Jahre in die Atmosphäre eingebracht
und global verbreitet wurden. Die langlebigen Radionuklide wurden auf den
Boden
abgelagert und befinden sich auch heute noch in der Umwelt.
Die wichtigsten sind 137Cs und 90Sr.
Durch die bei der Kernspaltung auftretenden Neutronenstrahlung entstehen
in Materialien, die hohen Neutronenfeldern ausgesetzt sind durch den Prozess
der Neutronenaktivierung kurz- und langlebige Radionuklide, wie z. B. 54Mn, 57Co,
60Co aber auch 239Pu (aus 238U), 240Pu, 241Pu, 241Am usw.
Aktiviert man in Materialien gezielt eine stabile Elemente, so kann man die
Kernstrahlungsmessung zur Bestimmung von stabilen Elementen im
Ultraspurenbereich einsetzen.
Geschätzte Produktion von mehreren wichtigen
Radionukliden pro Megatonne TNT Explosionsstärke
(Kernspaltung)
Radionuklide
Spaltprodukte
Halbwertszeit Aktivität /Bq
89
Sr
53
Sr
28,6
95
Zr
65
103
Ru
40
106
Ru
365
131
I
8,02
137
Cs
30,17
144
Ce
290
Aktivierungsprodukte (Luft)
90
d
y
d
d
d
d
d
d
3
H
C
39
Ar
7,4E+17
3,7E+15
9,25E+17
7,03E+17
1,073E+16
4,625E+18
5,92E+15
1,369E+17
12,34 y <
5600 y
260 y
Aktivierungsprodukte (Boden) (*)
3,7E+16
1,258E+21
2,183E+18
24
1,036E+28
7,03E+24
1,11E+27
1,739E+24
1,258E+28
6,29E+23
8,14E+22
14
Na
P
42
K
45
Ca
56
Mo
55
Fe
59
Fe
32
(*)
15
14
12
163
2,6
2,775
46
h
d
h
d
h
y
d
Oberflächendetonation vorausgesetzt
Erzeugte Aktivität pro Explosionsäquivalent /Bq pro Mt TNT
Spaltprodukte nach einer Kernwaffenexplosion
(Spaltbombe)
1E+29
1E+28
1E+27
1E+26
1E+25
1E+24
1E+23
1E+22
1E+21
1E+20
1E+19
1E+18
1E+17
1E+16
1E+15
1E+14
1E+13
1E+12
1E+11
1E+10
1E+09
1E+08
1E+07
1E+06
1E+05
1E+04
1E+03
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
Zeit nach Detonation / y
100
1000
Nuklidvektor nach Kernwaffenexplosion
24
32
Na
P
45
55
Ca
14
Fe
C
1E+00
1E-01
39
Ar
1E-02
1E-03
1E-04
1E-05
3
H
1E-06
137
µi
Cs
1E-07
1E-08
131
90
I
Sr
1E-09
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
0,0001
0,001
0,01
0,1
Zeit / y
1
10
100
1000
Radionuklide in der medizinischen Anwendung
In Diagnostik und Therapie werden viele Radionuklide zu medizinischen Zwecken
eingesetzt.
Es sind die z. B. 99mTc oder 18F in der Diagnostik oder die Aufnahme
von 131I , 90Y oder 224Ra in den Körper oder die Nutzung der g-Strahlung von
zum Beispiel 60Co oder 192Ir in der Strahlentherapie.
In den 30iger Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurde 232Th als Röntgenkontrastmittel „Thorotrast“ angewendet. Nachdem bei Patienten schwere Leberschäden aufgetreten waren, wurde die Anwendung eingestellt.
Zu diagnostischen Zwecken wird die Eigenschaft der durchdringenden g-Strahlung
für bildgebende Verfahren eingesetzt.
Radionuklide in der militärischen Anwendung
Kernwaffen (Spaltbomben, Fusionsbomben, Neutronenbomben)
„schmutzige Bomben“
„High kinetic energy“ Geschosse: abgereichertes Uran (DU)
Achtung: DU wird auch zivil genutzt (Flugzeuge, Abschirmungen)
Strahlenarten: a, b, g
Strahlung Art
Ladung Reichweite in Luft
Energiebereich
Abschirmung
a
Heliumkerne
2+
einige cm
3 bis ca. 11 MeV
Blatt Papier
b
Elektronen
1-
bis mehrere m
0,005 bis ca. 3 MeV
1 cm Plexiglas
g
Elektromagnetische
Wellen
0
unendlich
0,005 bis ca. 3 MeV
Schwächung
durch mehrere
cm Blei
 wesentlich für die Anwendung radioanalytischer Methode
Strahlenarten: a, b, g
UV-Strahlen
Wellenlänge /
nm
Energie / eV
UV-A
380 - 315
3,26 - 3,94
UV-B
315 - 280
3,94 - 4,43
UV-C
280 - 200
4,43 - 6,20
Wechselwirkung mit Materie
abnehmende Durchdringung bei steigender Energie
Strahlenarten: a, b, g
1.2 Röntgenstrahlung
- charakteristische Strahlung
- kontinuierliche Strahlung (Bremsstrahlung)
Übergang beschleunigter (abgelenkter Elektronen) in tieferen Energiezustand
Quantenenergie beliebig bis zur Grenzenergie (Gesamtenergie des Elektrons)
I
Resultierendes Energiespektrum:
K
Maximum der Intensität bei ca.
30-50 % der Grenzenergie (Eg)
Maximale Ausbeute im
%-Bereich Z²/M²
K
Z: Ordnungszahl der Antikathode
M: Masse der geladenen Teilchen
(Elektronen)
Eg
E
Strahlenarten: a, b, g
1.3 Radioaktive Strahlung
ca.
ca.
ca.
ca.
1300
300
1000
50
bekannte Nuklide
stabil (80 Elemente)
künstliche Radionuklide
natürliche Radionuklide
Strahlenarten: g
I = I0·e-µ·x
lnI
lnI = - µ
x
1
/2I0
I
I0
x
H
linearer Absorpotionskoeffizient µ(E) nicht konstant
µ/ Massenabsorptionskoeffizient
x
Strahlenarten: g
K-Kante: bei Energien unterhalb der K-Kante können
K-Elektronen nicht angeregt werden, da die
Energie zu klein ist. Ab dieser Energie steigt die
Absorption sprunghaft an.
lnI
K-Kante
E
Strahlenarten: g
Strahlenarten: g
Strahlenarten: g
Strahlenarten: g
Strahlenarten: g
Strahlenarten: b
Strahlenarten: b
Strahlenarten: b
I
E
kontinuierliches Energiespektrum
b
Reichweite in Materie ist durch die Maximalenergie Emax
begrenzt
Strahlenarten: b
Strahlenarten: b
Strahlenarten: b
Strahlenarten: b
Strahlenarten: b
Strahlenarten: a
Strahlenarten: a
Strahlenarten: a

Radioanalytik