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Radioaktivität - 4.Version - Referat
Referat über die Radioaktivität und das Röntgen
Gliederung
1. Was ist Radioaktivität?
a) Atomaufbau
b) Geschichte
c) Strahlungsarten
d) Halbwertszeit
2. Röntgen
3. Die Gefahr der Radioaktivität
1. Was ist Radioaktivität?
a) Atomaufbau
Aus dem Streuversuch den Rutherford durchführte, erfuhr man, dass Atome einerseits aus einem kleinen Kern bestehen, der die gesamte positive Ladung und fast die gesamte Masse enthält. Der größte Teil des Raumes, den ein Atom einnimmt, ist dagegen fast leer: Hier verteilen sich die negativ geladenen Elektronen in der Hülle.
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Ein elektrisch neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen und Elektronen in der Hülle. Neutronen sind elektrisch neutral.
b) Geschichte
Früher dachte man der Atomkern ist nicht weiter mehr spaltbar, aber 1896 bemerkte
Antoine Henri Bequerel, dass von Uranerzen eine unsichtbare Strahlung ausgeht. Dies stellte er fest, als er in Papier gehüllte fotographische Platten geschwärzt vorfand. Marie und Pierre Curie gelang es mit dieser Erkenntnis 1898 das radioaktive Element Polium mit Hilfe der Pechblende zu entdecken. Jahre später fanden sie noch die Elemente Actinium, Thorium und Radium, das strahlende Element. Man erkannte die Radioaktivität als einen Vorgang, bei dem Atome durch Ausstrahlung verschiedener Bestandteile umgewandelt werden, wobei neue Atome mit vollkommen anderen chemischen Eigenschaften entstehen. Dies brachte die Erkenntnis mit sich, dass Atome ihrerseits nochmals eine eigene Struktur besitzen müssen und nicht die kleinsten Fundamentalbausteine der Natur sind.
Der Physiker Ernest Rutherford entdeckte die Hauptbestandteile der Strahlungen, die aus drei verschiedenen Haupteilen besteht.
c) Strahlenarten
Es gibt Alphateilchen und Betateilchen. Allerdings legten weitere Experimente noch eine dritte Strahlung offen, die Gammastrahlung.
Durch die Ablenkung der Strahlen in einem elektrischen Feld lässt sich ableiten, dass die Betateilchen negativ geladen und die Alphateilchen positiv geladen sind, Gammastrahlen tragen keine Ladung.
Alphastrahlung
Bei dem Experiment wurde festgestellt, dass Alphastrahlen nur wenige hundertstel Millimeter in Aluminium eindringen. Ein Alphateilchen besteht aus zwei Neutronen und zwei Protonen und kann demzufolge nur aus dem Kern eines Atoms ausgestrahlt werden. Nachdem ein Kern ein Alphateilchen freigesetzt hat, hat er sich in einen neuen Kern umgewandelt, der nun um vier atomare Masseneinheiten leichter als der Ausgangskern ist. Z.B. ein Atom des Uranisotops mit Massenzahl 238 geht durch Ausstoß eines Alphateilchens in ein Atom eines anderen Elements mit Massenzahl 234 über. Die Massenzahl eines Kernes ist die Summe der enthaltenen Neutronen und Protonen, sie ist ein guter Näherungswert an die Kernmasse. Jedes der zwei Protonen, die im Alphateilchen enthalten sind, trägt eine positive Ladungseinheit. Die Anzahl dieser positiven Ladungen im Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen des elektrisch neutralen Atoms und gibt an um welches chemische Element es sich handelt – bestimmt also die chemischen Eigenschaften des Atoms. Weil die Ladung des Uran 238 Kernes nach dem Abstoßen der 2 Protonen (und der 2 Neutronen) um zwei Einheiten abnehmen muss, geht die Elementnummer des Ursprungatoms (Uran 92) um 2 zurück. Also trägt das neue Atom die Nummer 90 im Periodensystem und ist demnach ein Isotop des Elements Thorium.
Betastrahlung
Betateilchen sind Elektronen. Sie haben eine etwa hundertfach stärkere Durchdringungswirkung als Alphateilchen. Thorium 234 strahlt Betateilchen, also Elektronen aus. Bei der Betastrahlung wandelt sich ein Neutron im Kern in ein Proton um, folglich nimmt die Kernladung um eine Einheit zu, d.h., auch die Elementnummer im Periodensystem steigt um den Wert eins. Das neue Element, das beim Betazerfall von Thorium 234 entsteht, besitzt die Kernladung jetzt allerdings 91 Einheiten, es handelt sich also um ein Isotop des Elementes Protactinium.
Gammastrahlung
Gammastrahlen sind elektromagnetische Wellen von gleicher Art wie Röntgenstrahlen, aber mit beträchtlich größerer Energie. Sie besitzen eine noch stärkere Durchdringungswirkung als Betastrahlung. Zudem besitzen sie weder Ladungen noch Massen, verändern somit nicht die chemischen Eigenschaften eines Elementes, sondern vielmehr einen bestimmten Verlust an Strahlungsenergie. Wenn der Kern schrittweise durch den Alpha- und Betazerfall in seinen ursprünglichen Grundzustand übergeht, wird die dabei frei werdende Energie in Form von elektromagnetischen Wellen, den Gammastrahlen abgegeben.
Alpha- und Betateilchen werden von ihren Ausgangskernen mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausgestoßen. Die Alphateilchen werden jedoch aufgrund ihrer Wechselwirkung mit den Elektronen bei dem Durchgang durch jede Materie sehr schnell gebremst und gestoppt. Die meisten Alphateilchen, die aus derselben Substanz stammen, haben fast dieselbe Geschwindigkeit. Um Radioisotope zu identifizieren werden Reichweitemessungen durchgeführt. Betateilchen werden mit erheblich höheren Geschwindigkeiten als Alphateilchen freigesetzt. Obwohl der Grund warum sie gestoppt und gebremst werden grundsätzlich ähnlich ist, erreichen sie daher eine größere Eindringtiefe in Materie als Alphateilchen. Das ist der Grund warum die Durchdringungswirkung von Betastrahlung stärker ist als die von Alphastrahlung.
Die Reichweite von Gammastrahlung ist um ein Mehrfaches größer als die der Betastrahlung. Gammastrahlen können mehrere Zentimeter starke Bleiplatten durchdringen. Alpha- und Betateilchen bilden bei dem Durchdringen der Materie Ionen. Dies kann man besonders gut bei gasförmigen Materien beobachten. Da Gammastrahlen ungeladen sind, können sie keine Ionisation in diesem Umfang wie Alpha- und Betateilchen bewirken. Der Geiger-Müller-Zähler und andere Nachweiskammern, die auf Ionisationsprinzip basieren, werden benutzt, um die jeweilige Anzahl von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen zu messen und damit die absolute Zerfallsrate der radioaktiven Substanz zu bestimmen. Die Einheit für die Aktivität einer radioaktiven Substanz ist das Becquerel (ein Becquerel entspricht einem Zerfall pro Sekunde).
Halbwertszeit
Die Zeit, in der sich die Hälfte aller vorhanden Atome eines radioaktiven Elementes umwandeln, nennt man Halbwertszeit. Sie reicht bei den verschiedenen Elementen von Bruchteilen einer Sekunde bis hin zu vielen Millionen Jahren. Jedes radioaktive Element besitzt eine charakteristische Halbwertszeit, die unveränderlich ist.
2.Röntgen
Im Jahr 1895 entdeckte der Physiker Wilhelm Conrad Röntgen die so genannte X-Strahlen. Diese Strahlen haben besondere Eigenschaften, die die Grundlage zur Erzeugung von Röntgenstrahlen bilden. Die X-Strahlen können Materie, also feste Körper, durchdringen, sie können geschwächt werden durch die Maße und die Dicke der zu durchdringenden Materie und sie können Filme schwärzen.
Hiermit war die Grundlage des Röntgens, die Strahlen, entdeckt.
Das Herzstück der Röntgenanlage ist die Röntgenröhre, in dieser findet die Erzeugung der Röntgenstrahlen statt. In einem Vakuum befinden sich die negative Kathode und die positive Anode. Sie liegen an einer Hochspannung von bis zu 150.000 Volt. Zudem benötigt man frei Elektronen, das sind kleinste elektrische Elementarteilchen. Diese Elektronen können sich auf einem Kupferdraht, aus dem die Kathode besteht, nahezu frei bewegen.
Zunächst wird die Kathode stark erhitzt und die Elektronen verlassen den Kupferdraht und werden als Elektronenwolke in die Hochspannung zwischen Anode und Kathode getrieben. Die Elektronen treffen mit sehr großer Energie auf die Anode, die aus dem Metall Wolfram besteht. Dieses Metall wird verwendet, weil es bis zu 300°C aushalten kann und dadurch der großen Wärmebelastung bei dem zusammentreffen von Elektronen und Anode standhalten kann. Die Elektronen dringen sehr tief in die Wolframatome ein und gelangen in die Nähe des Atomkerns. Die negativ geladenen Elektronen werden vom positiven Atomkern angezogen und um ihn rumgeleitet.
Dies kann man mit unserem Sonnensystem vergleichen, bei dem die Planeten von der Sonne angezogen werden und in Bahnen um sie herum geleitet werden.
Bei diesem Vorgang werden die Elektronen stark abgebremst: Sie geben Wärme ab und sehr viel Energie. Bei dieser Abgabe entstehen Röntgenstrahlen, die auch Abbremsstrahlen genannt werden.
Die Röntgenstrahlen fallen durch das Strahlenaustrittsfenster auf das Objekt und durchleuchten ihn und fallen dann auf die darunter liegende Filmkassette, die aus Kunststoff und Blei besteht. Beim Auftreffen der Röntgenstrahlen auf den Kunststoff wandeln sich die Strahlen in sichtbares Licht um und der Film wird belichtet. Die Filmkassette wird in ein geschlossenes Filmentwicklungssystem gegeben und nach ca. 90 Sekunden erhält man die fertige Röntgenaufnahme.
3. Die Gefahr der Radioaktivität
Dass die Strahlen der Radioaktivität gefährlich sind, wussten die Physiker nicht von Anfang. Wie wir in dem Film von Fr. Thrun sehen konnten trug das Experimentieren mit radioaktiven Stoffen bei Marie Curie schwere Schäden davon. Dadurch, dass die radioaktiven Strahlen chemische Reaktionen erzeugen, setzten in den lebenden Zellen Prozesse ein, die den normalen Stoffwechsel stören. Hat ein Mensch hohe Strahlendosen abbekommen, können diese das Gewebe abtöten. Aber auch geringe Strahlenmengen können sich im Körper bemerkbar machen. Sie verursachen z.B Krebs oder Erbschädigungen. Es ist allerdings auch sehr gefährlich, radioaktive Stoffe mit der Nahrung, der Atemluft oder Wasser aufzunehmen. Denn Organe sammeln bestimmte radioaktive Stoffe, die somit hoher Strahlenbelastung ausgesetzt werden. Deswegen muss jeder, der in seinem Beruf mit radioaktiven Stoffen zu tun hat, sich mit Strahledosiermetern schützen.
Quellennachweis:
-Internet: Suchmaschine: Google, Wikipedia
-Physiklexikon
-Brockhaus
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