Nick Connor

Die Uran-Actinium-Reihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-235 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Actiniumreihen ist der stabile Kern Blei-207.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Uran-Actinium-Reihe als 4n + 3-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Uran-235 an Blei-207 freigesetzt wird, einschließlich der Energie, die an Neutrinos verloren geht, beträgt 46,4 MeV.

Aktivität natürlicher Proben – Uran-Actinium-Reihe

Die Uran-Actinium-Reihe beeinflusst die Radioaktivität natürlicher Proben und natürlicher Materialien, obwohl in diesem Fall die Aktivität natürlicher Proben hauptsächlich durch Uran-238 bestimmt wird. Uran-235 , das allein 0,72% des natürlichen Urans ausmacht, hat eine Halbwertszeit von 7,04 × 10 ⁸ Jahren ( 6,5-mal kürzer als das Isotop 238 ) und daher ist seine Häufigkeit geringer als ²³⁸ U.(99,28%). Alle Nachkommen von Uran-235 und Uran-238 sind zumindest vorübergehend in jeder natürlichen uranhaltigen Probe vorhanden, ob Metall, Verbindung oder Mineral. Beispielsweise ist reines Uran-238 schwach radioaktiv (proportional zu seiner langen Halbwertszeit), aber ein Uranerz ist aufgrund seiner Tochterisotope (z. B. Radon, Radium usw.) etwa 13-mal radioaktiver als das reine Uran-238-Metall. es beinhaltet. Instabile Radiumisotope sind nicht nur signifikante Radioaktivitätsemitter, sondern erzeugen als nächste Stufe in der Zerfallskette auch Radon, ein schweres, inertes, natürlich vorkommendes radioaktives Gas. Darüber hinaus trägt die Zerfallswärme von Uran und seinen Zerfallsprodukten (z. B. Radon, Radium usw.) zur Erwärmung des Erdkerns bei.

Zerfallsarten in Uran-Actinium-Reihe

Innerhalb jeder radioaktiven Serie gibt es zwei Hauptmodi des radioaktiven Zerfalls:

• Alpha-Zerfall . Der Alpha-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse (mehr als das 7000-fache der Masse des Beta-Partikels) und seiner Ladung ionisiert es das Material schwer und hat eine sehr kurze Reichweite .
• Beta-Zerfall . Der Beta-Zerfall oder β-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Beta-Partikels. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Durchdringungsbereich als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen. Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.

Die Uran-Radium-Reihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-238 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Uranreihen ist der stabile Kern Blei-206.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Als Ergebnis der Uran – Serie ist bekannt als die 4n + 2 – Serie .

Die Gesamtenergie, die von Uran-238 an Blei-206 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 51,7 MeV.

Uran-Radium-Reihe und Uran-234

Das Isotop von Uran-234 ist ein Mitglied dieser Reihe. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von nur 2,46 × 10 ⁵ Jahren und gehört daher nicht zu den Urnukliden (im Gegensatz zu ²³⁵ U und ²³⁸ U ). Andererseits ist dieses Isotop immer noch in der Erdkruste vorhanden, was jedoch darauf zurückzuführen ist, dass ²³⁴ U ein indirektes Zerfallsprodukt von ²³⁸ U ist . ²³⁸ U zerfällt über Alpha-Zerfall in ²³⁴ U. ²³⁴U zerfällt durch Alpha-Zerfall in 230Th, mit Ausnahme eines sehr kleinen Anteils (in der Größenordnung von ppm) von Kernen, der durch spontane Spaltung zerfällt.

In einer natürlichen Uranprobe liegen diese Kerne in unveränderlichen Anteilen des radioaktiven Gleichgewichts der ²³⁸ U-Filiation in einem Verhältnis von einem Atom von ²³⁴ U für etwa 18 500 Kerne von ²³⁸ U vor. Als Ergebnis dieses Gleichgewichts sind diese beiden Isotope ( ²³⁸ U und ²³⁴ U) tragen gleichermaßen zur Radioaktivität von natürlichem Uran bei.

Aktivität natürlicher Proben – Uranreihe

Die Uran-Radium-Reihe beeinflusst die Radioaktivität von natürlichen Proben und natürlichen Materialien. Alle Nachkommen sind zumindest vorübergehend in jeder natürlichen uranhaltigen Probe vorhanden, ob Metall, Verbindung oder Mineral. Beispielsweise ist reines Uran-238 schwach radioaktiv (proportional zu seiner langen Halbwertszeit), aber ein Uranerz ist aufgrund seiner Tochterisotope (z. B. Radon, Radium usw.) etwa 13-mal radioaktiver als das reine Uran-238-Metall. es beinhaltet. Instabile Radiumisotope sind nicht nur signifikante Radioaktivitätsemitter, sondern erzeugen als nächste Stufe in der Zerfallskette auch Radon, ein schweres, inertes, natürlich vorkommendes radioaktives Gas. Darüber hinaus trägt die Zerfallswärme von Uran und seinen Zerfallsprodukten (z. B. Radon, Radium usw.) zur Erwärmung des Erdkerns bei.

Zerfallsarten in Uran-Radium-Reihe

Innerhalb jeder radioaktiven Serie gibt es zwei Hauptmodi des radioaktiven Zerfalls:

• Alpha-Zerfall . Der Alpha-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse (mehr als das 7000-fache der Masse des Beta-Partikels) und seiner Ladung ionisiert es das Material schwer und hat eine sehr kurze Reichweite .
• Beta-Zerfall . Der Beta-Zerfall oder β-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Beta-Partikels. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Durchdringungsbereich als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen. Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.

Die Thorium-Reihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Thorium-232 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Bei Thoriumreihen ist der stabile Kern Blei-208.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Thoriumreihe als 4n-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Thorium-232 an Blei-208 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 42,6 MeV.

Aktivität natürlicher Proben – Thorium-Reihe

Die Thorium-Reihe signifikant beeinflusst Radioaktivität von natürlichen Proben und natürlichen Materialien. Alle Nachkommen sind zumindest vorübergehend in jeder natürlichen thoriumhaltigen Probe vorhanden, egal ob Metall, Verbindung oder Mineral. Zum Beispiel reines Thorium-232 ist schwach radioaktiv (proportional zu seiner langen Halbwertszeit), aber ein Thoriumerz ist aufgrund seiner Tochterisotope (z. B. Radon, Radium usw.), die es enthält, etwa zehnmal radioaktiver als das reine Thorium-232-Metall. Instabile Radiumisotope sind nicht nur signifikante Radioaktivitätsemitter, sondern erzeugen als nächste Stufe in der Zerfallskette auch Radon, ein schweres, inertes, natürlich vorkommendes radioaktives Gas. Darüber hinaus trägt die Zerfallswärme von Thorium und seinen Zerfallsprodukten (z. B. Radon, Radium usw.) zur Erwärmung des Erdkerns bei. Zusammen mit Uran und Kalium-40 im Erdmantel wird angenommen, dass diese Elemente die Hauptwärmequelle sind, die den Erdkern flüssig hält.

Zerfallsarten in der Thorium-Reihe

Innerhalb jeder radioaktiven Serie gibt es zwei Hauptmodi des radioaktiven Zerfalls:

• Alpha-Zerfall . Der Alpha-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse (mehr als das 7000-fache der Masse des Beta-Partikels) und seiner Ladung ionisiert es das Material schwer und hat eine sehr kurze Reichweite .
• Beta-Zerfall . Der Beta-Zerfall oder β-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Beta-Partikels. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Durchdringungsbereich als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen. Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.

Die Zerfallsreihen sind drei natürlich vorkommende radioaktive Zerfallsketten und eine künstliche radioaktive Zerfallskette instabiler schwerer Atomkerne, die durch eine Folge von Alpha- und Beta-Zerfällen zerfallen, bis ein stabiler Kern erreicht ist. Die meisten Radioisotope zerfallen nicht direkt in einen stabilen Zustand, und alle Isotope innerhalb der Reihe zerfallen auf die gleiche Weise. In der Physik des nuklearen Zerfalls wird der zerfallende Kern üblicherweise als Elternkern und der nach dem Ereignis verbleibende Kern als Tochterkern bezeichnet . Da Alpha-Zerfall die Auflösung von a darstelltElternkern einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) gibt es nur vier Zerfallsreihen . Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Thoriumreihe als 4n-Reihe, die Neptunium-Reihe als 4n + 1-Reihe, die Uran-Reihe als 4n + 2-Reihe und die Actinium-Reihe als 4n + 3-Reihe bekannt.

Drei der Sets heißen natürliche oder klassische Serien. Der vierte Satz, die Neptunium-Reihe, wird von Neptunium-237 geleitet. Seine Mitglieder werden künstlich durch Kernreaktionen hergestellt und kommen nicht auf natürliche Weise vor.

• die Thorium-Reihe (4n-Reihe) ,
• die Uran-Radium-Reihe (4n + 2-Reihe) ,
• die Uran-Actinium-Reihe (4n + 3-Reihe) ,
• die Neptunium-Reihe (4n + 1-Reihe) .

Die klassischen Reihen werden von ursprünglichen instabilen Kernen geleitet . Urnuklide sind auf der Erde gefundene Nuklide, die in ihrer gegenwärtigen Form seit der Entstehung der Erde existieren. Die vorherigen vier Reihen bestehen aus den Radioisotopen, die Nachkommen von vier schweren Kernen mit langen und sehr langen Halbwertszeiten sind:

• die Thorium-Reihe mit Thorium-232 (mit einer Halbwertszeit von 14,0 Milliarden Jahren),
• die Uran-Radium-Reihe mit Uran-238 (das 4,47 Milliarden Jahre lebt),
• die Uran-Actinium-Reihe mit Uran-235 (mit einer Halbwertszeit von 0,7 Milliarden Jahren).
• die Neptunium-Reihe mit Neptunium-237 (mit einer Halbwertszeit von 2 Millionen Jahren).

Die Halbwertszeiten aller Tochterkerne sind extrem variabel, und es ist schwierig, eine Reihe von Zeitskalen darzustellen, die von einzelnen Sekunden bis zu Milliarden von Jahren reichen. Da Tochterradioisotope unterschiedliche Halbwertszeiten haben, ist nach einiger Zeit ein säkulares Gleichgewicht erreicht. In der langen Zerfallskette für ein natürlich radioaktives Element wie Uran-238 , in der sich alle Elemente in der Kette im säkularen Gleichgewicht befinden, hat sich jeder der Nachkommen zu einer Gleichgewichtsmenge aufgebaut und alle zerfallen mit der von der ursprünglicher Elternteil. Wenn und wann ein Gleichgewicht erreicht ist, ist jedes aufeinanderfolgende Tochterisotop in direktem Verhältnis zu seiner Halbwertszeit vorhanden. Seit seiner Tätigkeit ist umgekehrt proportional zu seiner Halbwertszeit, jedes Nuklid in der Zerfallskette trägt schließlich so viele individuelle Transformationen bei wie der Kopf der Kette.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, tritt in allen vier radioaktiven Reihen eine Verzweigung auf. Das bedeutet, dass der Zerfall einer bestimmten Art auf mehrere Arten erfolgen kann. Beispielsweise zerfällt in der Thoriumreihe Wismut-212 teilweise durch negative Beta-Emission zu Polonium-212 und teilweise durch Alpha-Emission zu Thallium-206.

Die radioaktive Kaskade beeinflusst die Radioaktivität von natürlichen Proben und natürlichen Materialien. Alle Nachkommen sind zumindest vorübergehend in jeder natürlichen Probe vorhanden, ob Metall, Verbindung oder Mineral. Beispielsweise ist reines Uran-238 schwach radioaktiv (proportional zu seiner langen Halbwertszeit), aber ein Uranerz ist aufgrund seiner Tochterisotope (z. B. Radon, Radium usw.) etwa 13-mal radioaktiver als das reine Uran-238-Metall. es beinhaltet. Instabile Radiumisotope sind nicht nur signifikante Radioaktivitätsemitter, sondern erzeugen als nächste Stufe in der Zerfallskette auch Radon, ein schweres, inertes, natürlich vorkommendes radioaktives Gas. Darüber hinaus trägt die Zerfallswärme von Uran und seinen Zerfallsprodukten (z. B. Radon, Radium usw.) zur Erwärmung des Erdkerns bei.

Siehe auch: Radioaktives Gleichgewicht

Zerfallsarten

Innerhalb jeder radioaktiven Serie gibt es zwei Hauptmodi des radioaktiven Zerfalls:

• Alpha-Zerfall . Der Alpha-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse (mehr als das 7000-fache der Masse des Beta-Partikels) und seiner Ladung ionisiert es das Material schwer und hat eine sehr kurze Reichweite .
• Beta-Zerfall . Der Beta-Zerfall oder β-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Beta-Partikels. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Durchdringungsbereich als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen. Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.

Thorium-Reihe

Die Thorium-Reihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Thorium-232 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Bei Thoriumreihen ist der stabile Kern Blei-208.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Thorium-Reihe als 4n-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Thorium-232 an Blei-208 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 42,6 MeV.

Neptunium-Reihe

Die Neptunium-Reihe ist eine radioaktive Reihe, die mit Neptunium-237 beginnt. Seine Mitglieder werden künstlich durch Kernreaktionen hergestellt und treten nicht auf natürliche Weise auf, da die Halbwertszeit des am längsten lebenden Isotops in der Reihe im Vergleich zum Alter der Erde kurz ist. Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Neptuniumreihen ist der stabile Kern Wismut-209 (mit einer Halbwertszeit von 1,9E19 Jahren) und Thallium-205.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Neptunium-Reihe als 4n + 1-Reihe bekannt .

Die von Neptunium-237 an Thallium-205 freigesetzte Gesamtenergie , einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 50,0 MeV.

In einer Art Rauchmelder können Sie Radionuklide aus dieser Serie treffen. Ionisationsrauchmelder verwenden normalerweise ein Radioisotop, typischerweise Americium-241 , um Luft zu ionisieren und Rauch zu erkennen. In diesem Fall zerfällt Americium-241 zu Neptunium-237 und ist tatsächlich ein Mitglied der Neptunium-Reihe.

Uran-Radium-Reihe

Die Uran-Radium-Reihe , auch Radiumreihe genannt, ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-238 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Uranreihen ist der stabile Kern Blei-206.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Als Ergebnis der Uran – Serie ist bekannt als die 4n + 2 – Serie .

Die Gesamtenergie, die von Uran-238 an Blei-206 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 51,7 MeV.

Uran-Serie und Uran-234

Das Isotop von Uran-234 ist ein Mitglied dieser Reihe. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von nur 2,46 × 10 ⁵ Jahren und gehört daher nicht zu den Urnukliden (im Gegensatz zu ²³⁵ U und ²³⁸ U ). Andererseits ist dieses Isotop immer noch in der Erdkruste vorhanden, was jedoch darauf zurückzuführen ist, dass ²³⁴ U ein indirektes Zerfallsprodukt von ²³⁸ U ist . ²³⁸ U zerfällt über Alpha-Zerfall in ²³⁴ U. ²³⁴U zerfällt durch Alpha-Zerfall in 230Th, mit Ausnahme eines sehr kleinen Anteils (in der Größenordnung von ppm) von Kernen, der durch spontane Spaltung zerfällt.

In einer natürlichen Uranprobe liegen diese Kerne in unveränderlichen Anteilen des radioaktiven Gleichgewichts der ²³⁸ U-Filiation in einem Verhältnis von einem Atom von ²³⁴ U für etwa 18 500 Kerne von ²³⁸ U vor. Als Ergebnis dieses Gleichgewichts sind diese beiden Isotope ( ²³⁸ U und ²³⁴ U) tragen gleichermaßen zur Radioaktivität von natürlichem Uran bei.

Uran-Actinium-Reihe

Die Uran-Actinium-Reihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-235 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Actiniumreihen ist der stabile Kern Blei-207.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Uran-Actinium-Reihe als 4n + 3-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Uran-235 an Blei-207 freigesetzt wird, einschließlich der Energie, die an Neutrinos verloren geht, beträgt 46,4 MeV.

In der Physik ist eine radioaktive Zerfallskette eine Folge instabiler Atomkerne und ihrer Zerfallsmodi , die zu einem stabilen Kern führt. Die Quellen dieser instabilen Kerne sind unterschiedlich, aber die meisten Ingenieure befassen sich mit natürlich vorkommenden radioaktiven Zerfallsketten, die als radioaktive Reihen bekannt sind . Es ist zu beachten, dass es in Kernreaktoren viele Arten von Zerfallsketten von Spaltfragmenten gibt . Spaltfragmente sind sehr instabil (radioaktiv) und zerfallen weiter radioaktiv , um sich zu stabilisieren. Diese „künstlichen“ Zerfallsketten gehören nicht zu den natürlich vorkommenden radioaktiven Reihen.

Radioaktive Serie – Radioaktive Kaskade

Radioaktive Reihen (auch als radioaktive Kaskaden bekannt) sind drei natürlich vorkommende  radioaktive Zerfallsketten und eine künstliche radioaktive Zerfallskette  instabiler schwerer Atomkerne, die durch eine Folge von Alpha- und Beta-Zerfällen zerfallen, bis ein stabiler Kern erreicht ist. Die meisten Radioisotope zerfallen nicht direkt in einen stabilen Zustand, und alle Isotope innerhalb der Reihe zerfallen auf die gleiche Weise. In der Physik des nuklearen Zerfalls wird der zerfallende Kern üblicherweise als Elternkern und der nach dem Ereignis verbleibende Kern als Tochterkern bezeichnet . Da Alpha-Zerfall die Auflösung von a darstelltElternkern einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) gibt es nur vier Zerfallsreihen . Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Thoriumreihe als 4n-Reihe, die Neptunium-Reihe als 4n + 1-Reihe, die Uran-Reihe als 4n + 2-Reihe und die Actinium-Reihe als 4n + 3-Reihe bekannt.

Drei der Sets heißen natürliche oder klassische Serien. Der vierte Satz, die Neptunium-Reihe, wird von Neptunium-237 geleitet. Seine Mitglieder werden künstlich durch Kernreaktionen hergestellt und kommen nicht auf natürliche Weise vor.

• die Thoriumreihe (4n-Reihe) ,
• die Uranreihe (4n + 2-Reihe) ,
• die Actinium-Reihe (4n + 3-Reihe) ,
• die Neptunium-Reihe (4n + 1-Reihe) .

Die klassischen Reihen werden von ursprünglichen instabilen Kernen geleitet . Urnuklide sind auf der Erde gefundene Nuklide, die in ihrer gegenwärtigen Form seit der Entstehung der Erde existieren. Die vorherigen vier Reihen bestehen aus den Radioisotopen, die Nachkommen von vier schweren Kernen mit langen und sehr langen Halbwertszeiten sind:

• die Thoriumreihe mit Thorium-232 (mit einer Halbwertszeit von 14,0 Milliarden Jahren),
• die Uranreihe mit Uran-238 (das 4,47 Milliarden Jahre lebt),
• die Actinium-Reihe mit Uran-235 (mit einer Halbwertszeit von 0,7 Milliarden Jahren).
• die Neptunium-Reihe mit Neptunium-237 (mit einer Halbwertszeit von 2 Millionen Jahren).

Die Halbwertszeiten aller Tochterkerne sind extrem variabel, und es ist schwierig, eine Reihe von Zeitskalen darzustellen, die von einzelnen Sekunden bis zu Milliarden von Jahren reichen. Da Tochterradioisotope unterschiedliche Halbwertszeiten haben, ist nach einiger Zeit ein säkulares Gleichgewicht erreicht. In der langen Zerfallskette für ein natürlich radioaktives Element wie Uran-238 , in der sich alle Elemente in der Kette im säkularen Gleichgewicht befinden, hat sich jeder der Nachkommen zu einer Gleichgewichtsmenge aufgebaut und alle zerfallen mit der von der ursprünglicher Elternteil. Wenn und wann ein Gleichgewicht erreicht ist, ist jedes aufeinanderfolgende Tochterisotop in direktem Verhältnis zu seiner Halbwertszeit vorhanden. Seit seiner Tätigkeit ist umgekehrt proportional zu seiner Halbwertszeit, jedes Nuklid in der Zerfallskette trägt schließlich so viele individuelle Transformationen bei wie der Kopf der Kette.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, tritt in allen vier radioaktiven Reihen eine Verzweigung auf. Das bedeutet, dass der Zerfall einer bestimmten Art auf mehrere Arten erfolgen kann. Beispielsweise zerfällt in der Thoriumreihe Wismut-212 teilweise durch negative Beta-Emission zu Polonium-212 und teilweise durch Alpha-Emission zu Thallium-206.

Die radioaktive Kaskade beeinflusst die Radioaktivität ( Zerfall pro Sekunde) erheblich) von natürlichen Proben und natürlichen Materialien. Alle Nachkommen sind zumindest vorübergehend in jeder natürlichen Probe vorhanden, ob Metall, Verbindung oder Mineral. Beispielsweise ist reines Uran-238 schwach radioaktiv (proportional zu seiner langen Halbwertszeit), aber ein Uranerz ist aufgrund seiner Tochterisotope (z. B. Radon, Radium usw.) etwa 13-mal radioaktiver als das reine Uran-238-Metall. es beinhaltet. Instabile Radiumisotope sind nicht nur signifikante Radioaktivitätsemitter, sondern erzeugen als nächste Stufe in der Zerfallskette auch Radon, ein schweres, inertes, natürlich vorkommendes radioaktives Gas. Darüber hinaus trägt die Zerfallswärme von Uran und seinen Zerfallsprodukten (z. B. Radon, Radium usw.) zur Erwärmung des Erdkerns bei.

Arten des Verfalls

Innerhalb jeder radioaktiven Serie gibt es zwei Hauptmodi des radioaktiven Zerfalls:

• Alpha-Zerfall . Der Alpha-Zerfall  repräsentiert den Zerfall eines  Elternkerns  zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Alpha-Teilchen  bestehen aus zwei Protonen und zwei  Neutronen  , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse (mehr als das 7000-fache der Masse des Beta-Partikels) und seiner Ladung  ionisiert es das  Material schwer und hat eine  sehr kurze Reichweite .
• Beta-Zerfall . Der Beta-Zerfall  oder  β-Zerfall  repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Beta-Partikels. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen  größeren  Durchdringungsbereich als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen. Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.

Thorium-Serie

Die Thoriumreihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Thorium-232 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Bei Thoriumreihen ist der stabile Kern Blei-208.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Thoriumreihe als 4n-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Thorium-232 an Blei-208 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 42,6 MeV.

Neptunium-Serie

Die Neptunium-Reihe ist eine radioaktive Reihe, die mit Neptunium-237 beginnt. Seine Mitglieder werden künstlich durch Kernreaktionen hergestellt und treten nicht auf natürliche Weise auf, da die Halbwertszeit des am längsten lebenden Isotops in der Reihe im Vergleich zum Alter der Erde kurz ist. Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Neptuniumreihen ist der stabile Kern Wismut-209 (mit einer Halbwertszeit von 1,9E19 Jahren) und Thallium-205.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Neptunium-Reihe als 4n + 1-Reihe bekannt .

Die von Neptunium-237 an Thallium-205 freigesetzte Gesamtenergie , einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 50,0 MeV.

In einer Art Rauchmelder können Sie Radionuklide aus dieser Serie treffen. Ionisationsrauchmelder verwenden normalerweise ein Radioisotop, typischerweise Americium-241 , um Luft zu ionisieren und Rauch zu erkennen. In diesem Fall zerfällt Americium-241 zu Neptunium-237 und ist tatsächlich ein Mitglied der Neptunium-Reihe.

Uran-Serie

Die Uranreihe , auch Radiumreihe genannt, ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-238 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Uranreihen ist der stabile Kern Blei-206.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Als Ergebnis der Uran – Serie ist bekannt als die 4n + 2 – Serie .

Die Gesamtenergie, die von Uran-238 an Blei-206 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 51,7 MeV.

Uran-Serie und Uran-234

Das Isotop von Uran-234 ist ein Mitglied dieser Reihe. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von nur 2,46 × 10 ⁵ Jahren und gehört daher nicht zu den Urnukliden (im Gegensatz zu ²³⁵ U und ²³⁸ U ). Andererseits ist dieses Isotop immer noch in der Erdkruste vorhanden, was jedoch darauf zurückzuführen ist, dass ²³⁴ U ein indirektes Zerfallsprodukt von ²³⁸ U ist . ²³⁸ U zerfällt über Alpha-Zerfall in ²³⁴ U. ²³⁴U zerfällt durch Alpha-Zerfall in 230Th, mit Ausnahme eines sehr kleinen Anteils (in der Größenordnung von ppm) von Kernen, der durch spontane Spaltung zerfällt.

In einer natürlichen Uranprobe liegen diese Kerne in unveränderlichen Anteilen des radioaktiven Gleichgewichts der ²³⁸ U-Filiation in einem Verhältnis von einem Atom von ²³⁴ U für etwa 18 500 Kerne von ²³⁸ U vor. Als Ergebnis dieses Gleichgewichts sind diese beiden Isotope ( ²³⁸ U und ²³⁴ U) tragen gleichermaßen zur Radioaktivität von natürlichem Uran bei.

Actinium-Serie

Die Actinium-Reihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-235 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Actiniumreihen ist der stabile Kern Blei-207.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Actinium-Reihe als 4n + 3-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Uran-235 an Blei-207 freigesetzt wird, einschließlich der Energie, die an Neutrinos verloren geht, beträgt 46,4 MeV.

Röntgenstrahlen , auch als Röntgenstrahlung bekannt , beziehen sich auf elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind hochenergetische Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von niederenergetischen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu hochenergetischen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Abschirmung gegen Röntgenstrahlen

Siehe auch: Abschirmung ionisierender Strahlung

Wenn die hochenergetischen Photonen Material passieren, nimmt ihre Energie ab. Dies wird als Dämpfung bezeichnet . Die Dämpfungstheorie gilt auch für Röntgen- und Gammastrahlen . Es stellt sich heraus, dass Photonen mit höherer Energie (harte Röntgenstrahlen) leichter durch Gewebe wandern als Photonen mit niedriger Energie (dh Photonen mit höherer Energie interagieren weniger wahrscheinlich mit Materie). Ein Großteil dieses Effekts hängt mit dem photoelektrischen Effekt zusammen . Die Wahrscheinlichkeit einer photoelektrischen Absorption ist ungefähr proportional zu (Z / E) ³wobei Z die Ordnungszahl des Gewebeatoms und E die Photonenenergie ist. Wenn E größer wird, sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung schnell. Für höhere Energien wird die Compton-Streuung dominant. Die Compton-Streuung ist für verschiedene Energien ungefähr konstant, obwohl sie bei höheren Energien langsam abnimmt.

Wie zu sehen ist, beruht eine wirksame Abschirmung von Röntgenstrahlen in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

• hohe Materialdichte.
• hohe Ordnungszahl des Materials (Materialien mit hohem Z)

Materialien mit niedriger Dichte und Materialien mit niedrigem Z können jedoch mit einer erhöhten Dicke kompensiert werden, die bei Abschirmanwendungen ebenso wichtig ist wie Dichte und Ordnungszahl.

Ein Blei wird häufig als Röntgenschutz verwendet . Der Hauptvorteil des Bleischildes liegt in seiner Kompaktheit aufgrund seiner höheren Dichte. Ein Blei wird häufig als Gammaschild verwendet. Auf der anderen Seite ist  abgereichertes Uran  aufgrund seines höheren Z viel effektiver. Abgereichertes Uran wird zur Abschirmung in tragbaren Gammastrahlenquellen verwendet.

In  Kernkraftwerken kann die  Abschirmung eines  Reaktorkerns  durch Materialien des Reaktordruckbehälters, Reaktoreinbauten ( Neutronenreflektor ) erfolgen. Auch schwerer Beton wird normalerweise verwendet, um sowohl Neutronen  als auch Gammastrahlung abzuschirmen  .

Im Allgemeinen ist die Röntgenabschirmung komplexer und schwieriger als die  Alpha-  oder  Betastrahlungsabschirmung . Um umfassend zu verstehen, wie ein Röntgenstrahl seine Anfangsenergie verliert, wie er abgeschwächt und wie er abgeschirmt werden kann, müssen wir seine Interaktionsmechanismen genau kennen.

Siehe auch mehr Theorie:  Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Siehe auch Rechner:  Gamma-Aktivität zur Dosisleistung (mit / ohne Schild)

Siehe auch XCOM – Photonenquerschnittsdatenbank:  XCOM: Photonenquerschnittsdatenbank

Halbwertsschicht – Röntgenstrahlen

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird . Es gibt zwei Hauptmerkmale der Halbwertsschicht:

• Die Halbwertsschicht nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers ab. Zum Beispiel werden 35 m Luft benötigt, um die Intensität eines 100 keV-Röntgenstrahls um den Faktor zwei zu reduzieren, während nur 0,12 mm Blei dasselbe bewirken können.
• Die Halbwertsschicht für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen zu. Zum Beispiel von 0,26 cm für Eisen bei 100 keV bis etwa 0,64 cm bei 200 keV.

Beispiel:

Wie viel Wasserschutz benötigen Sie, wenn Sie die Intensität eines monoenergetischen 100-keV -Röntgenstrahls ( schmaler Strahl ) auf 1% seiner Einfallsintensität reduzieren möchten ? Die Halbwertsschicht für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 4,15 cm und der lineare Dämpfungskoeffizient für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 0,167 cm ^–1 . Das Problem ist recht einfach und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Wenn die Halbwertsschicht für Wasser 4,15 cm beträgt, beträgt der lineare Dämpfungskoeffizient:Jetzt können wir die exponentielle Dämpfungsgleichung verwenden:

Die erforderliche Wasserdicke beträgt also ca. 27,58 cm . Dies ist eine relativ große Dicke und wird durch kleine Atomzahlen von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht. Wenn wir das gleiche Problem für Blei (Pb) berechnen , erhalten wir die Dicke x = 0,077 cm .

Tabelle der Halbwertsschichten

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Röntgenstrahlen , auch als Röntgenstrahlung bekannt , beziehen sich auf elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind hochenergetische Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von niederenergetischen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu hochenergetischen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Halbe Wertebene

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird . Es gibt zwei Hauptmerkmale der Halbwertsschicht:

• Die Halbwertsschicht nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers ab. Zum Beispiel werden 35 m Luft benötigt, um die Intensität eines 100 keV-Röntgenstrahls um den Faktor zwei zu reduzieren, während nur 0,12 mm Blei dasselbe bewirken können.
• Die Halbwertsschicht für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen zu. Zum Beispiel von 0,26 cm für Eisen bei 100 keV bis etwa 0,64 cm bei 200 keV.

Halbwertsschicht – Beispiel:

Wie viel Wasserschutz benötigen Sie, wenn Sie die Intensität eines monoenergetischen 100-keV -Röntgenstrahls ( schmaler Strahl ) auf 1% seiner Einfallsintensität reduzieren möchten ? Die Halbwertsschicht für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 4,15 cm und der lineare Dämpfungskoeffizient für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 0,167 cm ^–1 . Das Problem ist recht einfach und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Wenn die Halbwertsschicht für Wasser 4,15 cm beträgt, beträgt der lineare Dämpfungskoeffizient:Jetzt können wir die exponentielle Dämpfungsgleichung verwenden:

Die erforderliche Wasserdicke beträgt also ca. 27,58 cm . Dies ist eine relativ große Dicke und wird durch kleine Atomzahlen von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht. Wenn wir das gleiche Problem für Blei (Pb) berechnen , erhalten wir die Dicke x = 0,077 cm .

Halbe Wertebenen

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Unter Röntgenstrahlung , auch Röntgenstrahlung genannt , versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind energiereiche Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von energiearmen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu energiereichen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Absorptionskoeffizient – Röntgenstrahlen

Die Abschwächung von Röntgenstrahlen kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden.

I = I ₀ .e ^-μx

, Wobei I Intensität nach der Dämpfung, I _o ist , einfallende Intensität, μ der lineare Abschwächungskoeffizient (cm ^-1 ), und die physikalische Dicke des Absorbers (cm).

Die in der Tabelle aufgeführten Materialien sind Luft, Wasser und verschiedene Elemente von Kohlenstoff ( Z = 6) bis Blei ( Z = 82). Ihre linearen Schwächungskoeffizienten sind für zwei Röntgenenergien angegeben. Es gibt zwei Hauptmerkmale des linearen Dämpfungskoeffizienten:

• Der lineare Dämpfungskoeffizient steigt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers.
• Der lineare Dämpfungskoeffizient für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen ab.

Massendämpfungskoeffizient

Bei der Charakterisierung eines absorbierenden Materials können wir manchmal den Massendämpfungskoeffizienten verwenden.  Der Massendämpfungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis des linearen Dämpfungskoeffizienten und der Absorberdichte (μ / ρ) . Die Abschwächung von Röntgenstrahlen kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

I = I ₀ .e ^{– (μ / ρ) .ρl}

wobei ρ die Materialdichte ist, (μ / ρ) der Massendämpfungskoeffizient ist und ρ.l die Massendicke ist. Die Maßeinheit für den Massendämpfungskoeffizienten cm ² g ^-1 . Für Zwischenenergien dominiert die Compton-Effekt und verschiedene Absorber haben ungefähr gleiche Massendämpfungskoeffizienten . Dies liegt an der Tatsache, dass der Querschnitt der Compton-Effekt proportional zum Z (Ordnungszahl) ist und daher der Koeffizient proportional zur Materialdichte ρ ist. Bei kleinen Werten der Röntgenenergie, bei denen der Koeffizient proportional zu höheren Potenzen der Ordnungszahl Z ist (für den photoelektrischen Effekt σ _f ~ Z ³ ), ist der Dämpfungskoeffizient μ keine Konstante.

Siehe auch Rechner:  Gamma-Aktivität zur Dosisleistung (mit / ohne Schild)

Siehe auch XCOM – Photonenquerschnittsdatenbank:  XCOM: Photonenquerschnittsdatenbank

Beispiel:

Wie viel Wasserschutz benötigen Sie, wenn Sie die Intensität eines monoenergetischen 100-keV -Röntgenstrahls ( schmaler Strahl ) auf 1% seiner Einfallsintensität reduzieren möchten ? Die Halbwertsschicht für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 4,15 cm und der lineare Dämpfungskoeffizient für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 0,167 cm ^–1 . Das Problem ist recht einfach und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Wenn die Halbwertsschicht für Wasser 4,15 cm beträgt, beträgt der lineare Dämpfungskoeffizient:Jetzt können wir die exponentielle Dämpfungsgleichung verwenden:

Die erforderliche Wasserdicke beträgt also ca. 27,58 cm . Dies ist eine relativ große Dicke und wird durch kleine Atomzahlen von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht. Wenn wir das gleiche Problem für Blei (Pb) berechnen , erhalten wir die Dicke x = 0,077 cm .

Lineare Dämpfungskoeffizienten

Tabelle der linearen Dämpfungskoeffizienten (in cm ^-1 ) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Unter Röntgenstrahlung , auch Röntgenstrahlung genannt , versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind energiereiche Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von energiearmen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu energiereichen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Röntgenschwächung

Während die hochenergetischen Photonen durch das Material laufen, nimmt ihre Energie ab. Dies wird als Dämpfung bezeichnet . Die Abschwächungstheorie gilt auch für Röntgen- und Gammastrahlen . Es stellt sich heraus, dass Photonen mit höherer Energie (harte Röntgenstrahlen) leichter durch Gewebe wandern als Photonen mit niedriger Energie (dh die Photonen mit höherer Energie interagieren weniger wahrscheinlich mit Materie). Ein Großteil dieses Effekts hängt mit dem photoelektrischen Effekt zusammen . Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption ist ungefähr proportional zu (Z / E) ³, wobei Z die Ordnungszahl des Gewebeatoms und E die Photonenenergie ist. Wenn E größer wird, sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung schnell. Bei höheren Energien wird die Compton-Effekt dominant. Die Compton-Effekt ist für verschiedene Energien ungefähr konstant, nimmt jedoch bei höheren Energien langsam ab.

Exponentielle Dämpfung

Angenommen, monoenergetische Röntgenstrahlen werden zu einem schmalen Strahl gebündelt , und der Detektor hinter dem Material erfasst nur die Röntgenstrahlen, die durch das Material hindurchgegangen sind, ohne dass eine Wechselwirkung mit diesem Material vorliegt. Dann sollte die Abhängigkeit eine einfache exponentielle Abschwächung der Röntgenstrahlen sein . Bei jeder dieser Wechselwirkungen wird das Photon entweder durch Absorption oder durch Streuung von der Detektorrichtung aus dem Strahl entfernt. Daher können die Wechselwirkungen durch eine feste Auftrittswahrscheinlichkeit pro Weglängeneinheit im Absorber charakterisiert werden. Die Summe dieser Wahrscheinlichkeiten wird Absorptionskoeffizient genannt :

μ = τ _{(fotoelektrisch)} + σ _(Compton)

Absorptionskoeffizient – Röntgenstrahlen

Die Abschwächung von Röntgenstrahlen kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden.

I = I ₀ .e ^-μx

wobei I die Intensität nach der Dämpfung ist, I _o die Einfallsintensität ist, μ der lineare Dämpfungskoeffizient (cm ^–1 ) und die physikalische Dicke des Absorbers (cm) ist.

Die in der Tabelle aufgeführten Materialien sind Luft, Wasser und verschiedene Elemente von Kohlenstoff ( Z = 6) bis Blei ( Z = 82). Ihre linearen Dämpfungskoeffizienten sind für zwei Röntgenenergien angegeben. Es gibt zwei Hauptmerkmale des linearen Dämpfungskoeffizienten:

• Der lineare Dämpfungskoeffizient nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers zu.
• Der lineare Dämpfungskoeffizient für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen ab.

Halbe Wertebene

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird . Es gibt zwei Hauptmerkmale der Halbwertsschicht:

• Die Halbwertsschicht nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers ab. Zum Beispiel werden 35 m Luft benötigt, um die Intensität eines 100 keV-Röntgenstrahls um den Faktor zwei zu reduzieren, während nur 0,12 mm Blei dasselbe bewirken können.
• Die Halbwertsschicht für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen zu. Zum Beispiel von 0,26 cm für Eisen bei 100 keV bis etwa 0,64 cm bei 200 keV.

Massendämpfungskoeffizient

Bei der Charakterisierung eines absorbierenden Materials können wir manchmal den Massendämpfungskoeffizienten verwenden.  Der Massendämpfungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis des linearen Dämpfungskoeffizienten und der Absorberdichte (μ / ρ) . Die Abschwächung von Röntgenstrahlen kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

I = I ₀ .e ^{– (μ / ρ) .ρl}

wobei ρ die Materialdichte ist, (μ / ρ) der Massendämpfungskoeffizient ist und ρ.l die Massendicke ist. Die Maßeinheit für den Massendämpfungskoeffizienten cm ² g ^-1 . Für Zwischenenergien dominiert die Compton-Effekt und verschiedene Absorber haben ungefähr gleiche Massendämpfungskoeffizienten . Dies liegt an der Tatsache, dass der Querschnitt der Compton-Effekt proportional zum Z (Ordnungszahl) ist und daher der Koeffizient proportional zur Materialdichte ρ ist. Bei kleinen Werten der Röntgenenergie, bei denen der Koeffizient proportional zu höheren Potenzen der Ordnungszahl Z ist (für den photoelektrischen Effekt σ _f ~ Z ³ ), ist der Dämpfungskoeffizient μ keine Konstante.

Siehe auch Rechner:  Gamma-Aktivität zur Dosisleistung (mit / ohne Schild)

Siehe auch XCOM – Photonenquerschnittsdatenbank:  XCOM: Photonenquerschnittsdatenbank

Beispiel:

Wie viel Wasserschutz benötigen Sie, wenn Sie die Intensität eines monoenergetischen 100-keV -Röntgenstrahls ( schmaler Strahl ) auf 1% seiner Einfallsintensität reduzieren möchten ? Die Halbwertsschicht für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 4,15 cm und der lineare Dämpfungskoeffizient für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 0,167 cm ^–1 . Das Problem ist recht einfach und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Wenn die Halbwertsschicht für Wasser 4,15 cm beträgt, beträgt der lineare Dämpfungskoeffizient:Jetzt können wir die exponentielle Dämpfungsgleichung verwenden:

Die erforderliche Wasserdicke beträgt also ca. 27,58 cm . Dies ist eine relativ große Dicke und wird durch kleine Atomzahlen von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht. Wenn wir das gleiche Problem für Blei (Pb) berechnen , erhalten wir die Dicke x = 0,077 cm .

Lineare Dämpfungskoeffizienten

Tabelle der linearen Dämpfungskoeffizienten (in cm ^-1 ) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Halbe Wertebenen

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Gültigkeit des Exponentialgesetzes

Das Exponentialgesetz beschreibt immer die Dämpfung der Primärstrahlung durch Materie. Wenn Sekundärteilchen erzeugt werden oder wenn die Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. Die Strahlung dringt tiefer in die Materie ein, als es das Exponentialgesetz allein vorschreibt. Der Prozess muss bei der Bewertung der Wirkung der Strahlenabschirmung berücksichtigt werden.

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Unter Röntgenstrahlung , auch Röntgenstrahlung genannt , versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind energiereiche Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von energiearmen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu energiereichen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Da die Röntgenstrahlen (insbesondere harte Röntgenstrahlen) im Wesentlichen energiereiche Photonen sind, sind sie sehr durchdringende Materie und daher biologisch gefährlich. Röntgenstrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und leicht durch den menschlichen Körper gelangen.

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie. Die Stärke dieser Wechselwirkungen hängt von der Energie der Röntgenstrahlen und der Elementzusammensetzung des Materials ab, nicht jedoch von den chemischen Eigenschaften, da die Röntgenphotonenenergie viel höher ist als die chemischen Bindungsenergien. Die photoelektrische Absorption dominiert bei niedrigen Röntgenenergien , während die Compton-Effekt bei höheren Energien dominiert.

• Photoelektrische Absorption
• Compton-Effekt
• Rayleigh-Streuung

Photoelektrische Absorption von Röntgenstrahlen

Beim photoelektrischen Effekt unterliegt ein Photon einer Wechselwirkung mit einem in einem Atom gebundenen Elektron. Bei dieser Wechselwirkung verschwindet das einfallende Photon vollständig und ein energetisches Photoelektron wird vom Atom aus einer seiner gebundenen Schalen ausgestoßen . Die kinetische Energie des ausgestoßenen Photoelektron (E _e ) ist gleich der einfallenden Photonenenergie (hν) minus der Bindungsenergie des Photoelektron in seiner ursprünglichen Hülle (E _b ).

E _e = hν-E _b

Daher Photoelektronen werden nur durch den photoelektrischen Effekt , wenn emittierten Photonen erreicht oder überschreitet einen Energieschwelle – die Bindungsenergie des Elektrons – die Austrittsarbeit des Materials. Für sehr hohe Röntgenstrahlen mit Energien von mehr als Hunderten keV führt das Photoelektron den größten Teil der einfallenden Photonenenergie ab – hν.

Bei kleinen Werten der Gammastrahlenenergie dominiert der photoelektrische Effekt . Der Mechanismus wird auch für Materialien mit hoher Ordnungszahl Z verbessert. Es ist nicht einfach, einen analytischen Ausdruck für die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Gammastrahlen pro Atom über alle Bereiche von Gammastrahlenenergien abzuleiten. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu:

τ _{(photoelektrisch)} = Konstante x Z ^N / E ^3.5

wobei Z die Ordnungszahl ist, variiert der Exponent n zwischen 4 und 5. E ist die Energie des einfallenden Photons. Die Proportionalität zu höheren Potenzen der Ordnungszahl Z ist der Hauptgrund für die Verwendung von Materialien mit hohem Z wie Blei oder abgereichertem Uran in Gammastrahlenschilden.

Obwohl die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Photonen im Allgemeinen mit zunehmender Photonenenergie abnimmt, gibt es scharfe Diskontinuitäten in der Querschnittskurve. Diese werden als „Absoptionskanten“ bezeichnet.und sie entsprechen den Bindungsenergien von Elektronen aus den gebundenen Schalen des Atoms. Für Photonen mit einer Energie knapp über dem Rand reicht die Photonenenergie gerade aus, um die photoelektrische Wechselwirkung mit Elektronen aus der gebundenen Schale, beispielsweise der K-Schale, einzugehen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Wechselwirkung ist knapp über dieser Kante viel größer als die von Energiephotonen etwas unterhalb dieser Kante. Für Photonen unterhalb dieser Kante ist die Wechselwirkung mit Elektronen aus der K-Schale energetisch unmöglich und daher fällt die Wahrscheinlichkeit abrupt ab. Diese Kanten treten auch bei Bindungsenergien von Elektronen aus anderen Schalen (L, M, N… ..) auf.

Compton-Effekt von Röntgenstrahlen

Die Compton-Formel wurde 1923 in der Physical Review veröffentlicht. Compton erklärte , dass die X-ray Verschiebung von partikelartigen verursacht Impulse von Photonen . Die Compton-Effektsformel ist die mathematische Beziehung zwischen der Verschiebung der Wellenlänge und dem Streuwinkel der Röntgenstrahlen. Bei der Compton-Effekt  kollidiert das Photon der Frequenz  f mit einem ruhenden Elektron. Bei einer Kollision prallt das Photon vom Elektron ab und gibt einen Teil seiner Anfangsenergie ab (gegeben durch die Plancksche Formel E = hf). Während das Elektron an Impuls gewinnt (Masse x Geschwindigkeit), kann das  Photon seine Geschwindigkeit nicht senken. Aufgrund des Impulserhaltungsgesetzes muss das Photon seinen Impuls senken, der gegeben ist durch:

Die Abnahme des Photonenimpulses muss also in eine  Abnahme der Frequenz  (Zunahme der Wellenlänge Δλ = λ ‚- λ ) übersetzt werden. Die Verschiebung der Wellenlänge nahm mit dem Streuwinkel gemäß  der Compton-Formel zu :

wobei λ  die anfängliche Wellenlänge des Photons ist, λ ‚  die Wellenlänge nach der Streuung ist, h  die Planck-Konstante = 6,626 × 10 ^–34  Js ist, m _e  die Elektronenruhmasse (0,511 MeV) ist c  die Lichtgeschwindigkeit ist Θ  die Streuung ist Winkel. Die minimale Änderung der Wellenlänge ( λ ‚  –  λ ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) und mindestens Null ist. Die maximale Änderung der Wellenlänge ( λ ′  –  λ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). In diesem Fall überträgt das Photon so viel Impuls wie möglich auf das Elektron. Die maximale Änderung der Wellenlänge kann aus der Compton-Formel abgeleitet werden:

Die Größe h / m _e c ist als  Compton-Wellenlänge  des Elektrons bekannt und beträgt  2,43 × 10 ^–12 m . 

Rayleigh-Streuung – Thomson-Streuung

Rayleigh-Streuung , auch als Thomson-Streuung bekannt, ist die energiearme Grenze der Compton-Effekt. Die kinetische Energie der Teilchen und die Photonenfrequenz ändern sich infolge der Streuung nicht. Rayleigh-Streuung tritt als Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen einem einfallenden Photon und einem Elektron auf, dessen Bindungsenergie signifikant größer ist als die des einfallenden Photons. Es wird angenommen, dass die einfallende Strahlung das Elektron in eine erzwungene Resonanzschwingung versetzt, so dass das Elektron Strahlung mit derselben Frequenz, jedoch in alle Richtungen, wieder emittiert. In diesem Fall beschleunigt das elektrische Feld der einfallenden Welle (Photon) das geladene Teilchen, wodurch es wiederum Strahlung mit der gleichen Frequenz wie die einfallende Welle emittiert und somit die Welle gestreut wird. Die Rayleigh-Streuung ist bis zu ≈ 20 keV signifikant und wie die Thomson-Streuung elastisch. Der Gesamtstreuquerschnitt wird zu einer Kombination der Rayleigh- und Compton-gebundenen Streuquerschnitte. Thomson-Streuung ist ein wichtiges Phänomen in der Plasmaphysik und wurde zuerst vom Physiker JJ Thomson erklärt. Diese Wechselwirkung hat im Bereich der Röntgenkristallographie eine große Bedeutung.