Nick Connor

Es gibt verschiedene Formen und Arten ionisierender Strahlung. Ionisierende Strahlung wird nach der Art der Teilchen oder elektromagnetischen Wellen kategorisiert, die den ionisierenden Effekt erzeugen. Diese Partikel / Wellen haben unterschiedliche Ionisationsmechanismen und können wie folgt eingeteilt werden:

• Direkt ionisierend . Geladene Teilchen ( Atomkerne, Elektronen, Positronen, Protonen, Myonen usw. ) können Atome durch fundamentale Wechselwirkung durch die Coulomb-Kraft direkt ionisieren, wenn sie über ausreichende kinetische Energie verfügen. Diese Teilchen müssen sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, um die erforderliche kinetische Energie zu erreichen. Sogar Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind), die sekundäre (indirekte) Ionisierung ist jedoch viel bedeutender.
  • Alpha-Strahlung . Alphastrahlung besteht aus Alphapartikeln mit hoher Energie / Geschwindigkeit. Die Produktion von Alpha-Partikeln wird als Alpha-Zerfall bezeichnet. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen verbunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und doppelt positiv geladen. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie bewegen sich nur wenige Zentimeter, geben aber auf ihren kurzen Wegen alle Energie ab.
  • Beta-Strahlung . Beta-Strahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischer Geschwindigkeit. Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzelne negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen, aber dünnes Aluminiummetall kann sie aufhalten. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt auf ihrem Weg weniger Energie abgeben als Alphateilchen.
• Indirekt ionisierend . Indirekte ionisierende Strahlung ist elektrisch neutral und interagiert daher nicht stark mit Materie. Der Hauptteil der Ionisationseffekte ist auf sekundäre Ionisationen zurückzuführen.
  • Photonenstrahlung ( Gamma- oder Röntgenstrahlung). Photonenstrahlung besteht aus energiereichen Photonen . Diese Photonen sind Teilchen / Wellen (Welle-Teilchen-Dualität) ohne Ruhemasse oder elektrische Ladung. Sie können 10 Meter oder mehr in der Luft zurücklegen. Dies ist eine große Entfernung im Vergleich zu Alpha- oder Betateilchen. Gammastrahlen lagern jedoch weniger Energie auf ihren Wegen ab. Blei, Wasser und Beton stoppen die Gammastrahlung. Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome direkt durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt ionisieren, wobei das relativ energetische Elektron erzeugt wird. Das Sekundärelektron wird weiterhin mehrere Ionisationsereignisse erzeugen , daher ist die sekundäre (indirekte) Ionisation viel bedeutender.
  • Neutronenstrahlung . Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen bei beliebigen Energien / Geschwindigkeiten. Neutronen können durch Kernspaltung oder durch den Zerfall einiger radioaktiver Atome freigesetzt werden. Neutronen haben keine elektrische Ladung und können keine direkte Ionisation verursachen. Neutronen ionisieren Materie nur indirekt . Wenn beispielsweise Neutronen auf die Wasserstoffkerne treffen, entsteht Protonenstrahlung (schnelle Protonen). Neutronen können von Teilchen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Energie bis zu Teilchen mit niedriger Geschwindigkeit und niedriger Energie (sogenannte thermische Neutronen) reichen. Neutronen können Hunderte von Fuß in der Luft ohne Interaktion reisen.

Nuclear Stabilität ist ein Konzept , das die Stabilität eines Isotops zu identifizieren hilft. Um die Stabilität eines Isotops zu bestimmen, muss das Verhältnis von Neutronen zu Protonen ermittelt werden. Um die Stabilität eines Isotops zu bestimmen, können Sie das Verhältnis Neutron / Proton (N / Z) verwenden. Um dieses Konzept besser zu verstehen, gibt es auch eine Karte der Nuklide, die als Segre-Karte bezeichnet wird. Diese Grafik zeigt eine graphische Darstellung der bekannten Nuklide als Funktion ihrer Atom- und Neutronenzahlen. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass in Nukliden mit Z größer als etwa 20 (Calcium) mehr Neutronen als Protonen vorhanden sind . Diese zusätzlichen Neutronen sind für die Stabilität der schwereren Kerne notwendig. Die überschüssigen Neutronen wirken wie Kernkleber.Siehe auch: Livechart – iaea.org

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich durch die Kernkraft anziehen , während sich Protonen aufgrund ihrer positiven Ladung gegenseitig durch die elektrische Kraft abstoßen . Diese beiden Kräfte konkurrieren, was zu einer unterschiedlichen Stabilität der Kerne führt. Es gibt nur bestimmte Kombinationen von Neutronen und Protonen, die stabile Kerne bilden .

Neutronen stabilisieren den Kern , weil sie sich und Protonen anziehen, was dazu beiträgt, die elektrische Abstoßung zwischen Protonen auszugleichen. Infolgedessen wird mit zunehmender Anzahl von Protonen ein zunehmendes Verhältnis von Neutronen zu Protonen benötigt , um einen stabilen Kern zu bilden. Wenn für eine bestimmte Anzahl von Protonen zu viele oder zu wenige Neutronen vorhanden sind, ist der entstehende Kern nicht stabil und zerfällt radioaktiv . Instabile Isotope zerfallen auf verschiedenen Wegen des radioaktiven Zerfalls, am häufigsten durch Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Zerfallsarten wie Spontanspaltung oder Neutronenemission sind bekannt. Es sollte beachtet werden, dass alle diese Zerfallswege von der nachfolgenden Emission von begleitet sein könnenGammastrahlung . Reine Alpha- oder Betazerfälle sind sehr selten.

Was ist Strahlung?

Die allgemeinste Definition ist, dass Strahlung Energie ist, die von einer Quelle kommt und sich durch ein Material oder durch den Raum bewegt. Licht, Wärme und Schall sind Strahlungsarten. Dies ist eine sehr allgemeine Definition. Die in diesem Artikel diskutierte Strahlungsart wird als ionisierende Strahlung bezeichnet . Die meisten Menschen verbinden den Begriff Strahlung nur mit ionisierender Strahlung, aber er ist nicht korrekt. Strahlung ist überall um uns herum. In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist eine natürliche Energiekraft, die uns umgibt. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, die seit der Geburt unseres Planeten hier ist. Wir sollten unterscheiden zwischen:

• Nichtionisierende Strahlung . Die kinetische Energie von Partikeln ( Photonen , Elektronen usw. ) nichtionisierender Strahlung ist zu gering, um beim Durchgang durch Materie geladene Ionen zu erzeugen . Die Teilchen (Photonen) haben nur genügend Energie, um die Rotations-, Vibrations- oder Elektronenvalenzkonfigurationen von Zielmolekülen und -atomen zu ändern. Sonnenlicht, Radiowellen und Handysignale sind Beispiele für nichtionisierende (Photonen-) Strahlung. Allerdings kann es immer noch Schaden anrichten , wie wenn man einen Sonnenbrand bekommen.

• Ionisierende Strahlung . Die kinetische Energie der Teilchen ( Photonen, Elektronen usw. ) ionisierender Strahlung ist ausreichend, und die Teilchen können Zielatome ionisieren (um Ionen durch Elektronenverlust zu bilden), um Ionen zu bilden. Durch ionisierende Strahlung können Elektronen aus einem Atom herausgeschleudert werden.

Die Grenze ist nicht scharf definiert, da verschiedene Moleküle und Atome bei verschiedenen Energien ionisieren. Dies ist typisch für elektromagnetische Wellen. Zu den elektromagnetischen Wellen gehören in der Reihenfolge zunehmender Frequenz (Energie) und abnehmender Wellenlänge: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Gammastrahlen , Röntgenstrahlen und der höhere ultraviolette Teil des Spektrums ionisieren, wohingegen das niedrigere ultraviolette, sichtbare Licht (einschließlich Laserlicht), Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen als nicht ionisierende Strahlung gelten.

Stabile Kerne – Instabile Kerne

Eine nukleare Stabilität wird durch den Wettbewerb zweier grundlegender Wechselwirkungen bestimmt. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich durch die  Kernkraft anziehen  , während sich Protonen  aufgrund ihrer positiven Ladung gegenseitig durch die elektromagnetische Kraft abstoßen  . Diese beiden Kräfte konkurrieren, was zu einer unterschiedlichen Stabilität der Kerne führt. Es gibt nur bestimmte Kombinationen von Neutronen und Protonen, die  stabile Kerne bilden . Neutronen stabilisieren den Kern , weil sie sich und Protonen anziehen, was dazu beiträgt, die elektrische Abstoßung zwischen Protonen auszugleichen. Infolgedessen wird mit zunehmender Anzahl von Protonen  ein zunehmendes Verhältnis von Neutronen zu Protonen benötigt um einen stabilen Kern zu bilden. Wenn für eine bestimmte Anzahl von Protonen zu viele ( Neutronen halten sich ebenfalls an das Pauli-Ausschlussprinzip ) oder zu wenige Neutronen vorhanden sind, ist der entstehende Kern nicht stabil und  zerfällt radioaktiv . Instabile Isotope  zerfallen auf verschiedenen Wegen des radioaktiven Zerfalls, am häufigsten durch Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Zerfallsarten wie Spontanspaltung oder Neutronenemission sind bekannt.

Das  Pauli-Prinzip  beeinflusst auch die  kritische Energie  von  spaltbaren  und  spaltbarem Kern . Beispielsweise sind Aktiniden mit ungerader Neutronenzahl normalerweise spaltbar (spaltbar mit langsamen Neutronen), während Aktiniden mit gerader Neutronenzahl normalerweise nicht spaltbar sind (aber spaltbar mit schnellen Neutronen). Schwere Kerne mit einer geraden Anzahl von Protonen und einer geraden Anzahl von Neutronen sind (aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips) dank des Auftretens von ‚Paired Spin‘ sehr stabil. Andererseits sind Kerne mit einer ungeraden Anzahl von Protonen und Neutronen meist instabil.

Magische Zahlen von Protonen und Neutronen

Eine magische Zahl ist eine Anzahl von Nukleonen in einem Kern , die vollständigen Schalen innerhalb des Atomkerns entsprechen. Atomkerne, die aus einer solchen magischen Anzahl von Nukleonen bestehen, haben eine höhere durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon, als man aufgrund von Vorhersagen wie der Massenformel von Weizsaecker (auch als semi-empirische Massenformel – SEMF – bezeichnet ) erwarten würde, und sind daher stabiler gegen nuklearen Verfall. Magische Zahlen werden vom Kernschalenmodell vorhergesagtund werden durch Beobachtungen bewiesen, die gezeigt haben, dass es plötzliche Diskontinuitäten in den Protonen- und Neutronentrennungsenergien bei spezifischen Werten von Z und N gibt. Diese entsprechen dem Schließen von Schalen (oder Unterschalen). Kerne mit geschlossenen Schalen sind fester gebunden als die nächsthöhere Zahl. Das Schließen der Schalen erfolgt bei Z oder N = 2, 8, 20, 28, (40), 50, 82, 126. Es wurde festgestellt, dass Kerne mit gerader Anzahl von Protonen und Neutronen stabiler sind als Kerne mit ungerader Anzahl. Kerne, deren Neutronenzahl und Protonenzahl einer der magischen Zahlen entsprechen, können als „ doppelt magisch “ bezeichnet werden und haben sich als besonders stabil erwiesen.

Instabile Kerne – Zerfallsmodi

Der nukleare Zerfall (radioaktiver Zerfall) tritt auf, wenn ein instabiles Atom durch Emission ionisierender Strahlung Energie verliert. Der radioaktive Zerfall ist ein zufälliger Prozess  auf der Ebene einzelner Atome, da es nach der Quantentheorie unmöglich ist, vorherzusagen, wann ein bestimmtes Atom zerfallen wird. Während des radioaktiven Zerfalls zersetzt sich ein instabiler Kern spontan und zufällig unter Bildung eines anderen Kerns (oder eines anderen Energiezustands – Gamma-Zerfall), wobei Strahlung in Form von Atompartikeln oder energiereichen Strahlen abgegeben wird. Dieser Zerfall erfolgt mit einer konstanten, vorhersagbaren Rate, die als Halbwertszeit bezeichnet wird. Ein stabiler Kern wird dieser Art von Zerfall nicht unterliegen und ist daher nicht radioaktiv. Es gibt viele Arten des radioaktiven Zerfalls:

• Alpha-Radioaktivität . Alpha-Zerfall ist die Emission von Alpha-Partikeln (Heliumkernen). 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-Radioaktivität . Beta-Zerfall ist die Emission von Beta-Partikeln . 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.
• Gammaradioaktivität . Gammaradioaktivität besteht aus Gammastrahlen. Gammastrahlen sind elektromagnetische Strahlung (hochenergetische Photonen) mit einer sehr hohen Frequenz und einer hohen Energie. Sie entstehen durch den Zerfall von Kernen, wenn sie von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie übergehen, der als Gamma-Zerfall bekannt ist. Die meisten Kernreaktionen gehen mit einer Gamma-Emission einher.
• Neutronenemission . Die Neutronenemission ist eine Art radioaktiver Zerfall von Kernen, die überschüssige Neutronen (insbesondere Spaltprodukte) enthalten, bei denen ein Neutron einfach aus dem Kern ausgestoßen wird. Diese Art von Strahlung spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung von Kernreaktoren , da diese Neutronen verzögerte Neutronen sind .

Die Rate des nuklearen Zerfalls wird auch als Halbwertszeit gemessen  . Die Halbwertszeit ist die Zeit, die ein bestimmtes Isotop benötigt, um die Hälfte seiner Radioaktivität zu verlieren. Die Halbwertszeiten reichen von  Millionstelsekunden für hochradioaktive  Spaltprodukte bis zu  Milliarden von Jahren für langlebige Materialien  (wie natürlich vorkommendes  Uran ). Beachten Sie, dass  kurze Halbwertszeiten mit großen Zerfallskonstanten einhergehen. Radioaktives Material mit einer kurzen Halbwertszeit ist (zum Zeitpunkt der Herstellung) viel radioaktiver, verliert jedoch offensichtlich schnell seine Radioaktivität. Unabhängig davon, wie lang oder kurz die Halbwertszeit ist, bleibt nach Ablauf von sieben Halbwertszeiten weniger als 1 Prozent der ursprünglichen Aktivität übrig.

Ionisationsenergie

Ionisierungsenergie , auch Ionisierungspotential genannt , ist die Energie, die zur Entfernung eines Elektrons aus dem neutralen Atom erforderlich ist.

X + Energie → X ⁺ + e ^–

wo X irgendein Atom oder Molekül ist, das ionisiert werden kann, ist X ⁺ das Atom oder Molekül mit einem entfernten Elektron (positives Ion) und e ^– ist das entfernte Elektron.

Für jedes entfernte Elektron wird eine Ionisierungsenergie erzeugt. Die Elektronen, die den Kern kreisen, bewegen sich in ziemlich genau definierten Bahnen. Einige dieser Elektronen sind im Atom fester gebunden als andere. Beispielsweise sind nur 7,38 eV erforderlich, um das äußerste Elektron von einem Bleiatom zu entfernen, während 88.000 eV erforderlich sind, um das innerste Elektron zu entfernen.

• Die Ionisierungsenergie ist für die Alkalimetalle am niedrigsten, die ein einzelnes Elektron außerhalb einer geschlossenen Hülle haben.
• Die Ionisierungsenergie steigt in einer Reihe auf dem periodischen Maximum für die Edelgase, die geschlossene Schalen haben.

Beispielsweise benötigt Natrium nur 496 kJ / mol oder 5,14 eV / atom, um es zu ionisieren. Andererseits benötigt Neon, das im Periodensystem unmittelbar davor liegende Edelgas, 2081 kJ / mol oder 21,56 eV / Atom.

Die mit der Entfernung des ersten Elektrons verbundene Ionisierungsenergie wird am häufigsten verwendet. Die n- te Ionisierungsenergie bezieht sich auf die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron mit einer Ladung von ( n- 1) von der Spezies zu entfernen .

1. Ionisierungsenergie

X → X ⁺ + e ^–

2. Ionisierungsenergie

X ⁺ → X ²⁺ + e ^–

3. Ionisierungsenergie

X ²⁺ → X ³⁺ + e ^–

Zum Beispiel sind nur 7,38 eV erforderlich, um das äußerste Elektron von einem Bleiatom zu entfernen, während 88.000 eV erforderlich sind, um das innerste Elektron zu entfernen.

Elektronenvolt – Energieeinheit

Elektronenvolt (Einheit: eV) . Elektronenvolt sind eine traditionelle Energieeinheit, insbesondere in der Atom- und Kernphysik . Elektronvolt ist gleich Energie von einem einzigen Elektron gewonnen , wenn er beschleunigt durch 1 Volt von elektrischer Potentialdifferenz. Die Arbeit an der Ladung erfolgt durch die Ladezeiten der Spannungsdifferenz gegeben, damit das Werkstück W auf Elektron ist: W = qv = (1,6 x 10 ^-19 C) x (1 J / C) = 1,6 × 10 ^-19 J . Da dies eine sehr kleine Einheit ist, ist es bequemer, ein Vielfaches von Elektronenvolt zu verwenden: Kiloelektronenvolt (keV), Megaelektronenvolt (MeV), Gigaelektronenvolt (GeV) und so weiter. Da hat Albert Einstein das gezeigtMasse und Energie sind äquivalent und ineinander umwandelbar , der Elektronenvolt ist auch eine Masseneinheit. In der Teilchenphysik, in der Masse- und Energieeinheiten häufig vertauscht werden, ist es üblich, Masse in Einheiten von eV / c ² auszudrücken , wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist (von E = mc ² ). Zum Beispiel kann gesagt werden, dass das Proton eine Masse von 938,3 MeV hat , obwohl es genau genommen 938,3 MeV / c ^{2 sein sollte} . In einem anderen Beispiel tritt eine Elektron-Positron-Vernichtung auf, wenn ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Positron (jeweils mit einer Masse von 0,511 MeV / c ²⁾ vorliegen) kollidieren. Wenn ein Elektron und ein Positron kollidieren, vernichten sie sich, was zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie (gemäß der Formel E = mc ² ) in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV- Gammastrahlen (Photonen) führt.

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0,511 MeV)

• 1 eV = 1,603 × 10 ^–19 J.
• 1 eV = 3,83 × 10 ^–20 cal
• 1 eV = 1,52 × 10 ^–22 BTU

Beispiel für Energien in Elektronenvolt

• Thermische Neutronen sind Neutronen im thermischen Gleichgewicht mit einem umgebenden Medium mit einer Temperatur von 290 K (17 ° C oder 62 ° F) . Die wahrscheinlichste Energie bei 17 ° C (62 ° F) für die Maxwellsche Verteilung beträgt 0,025 eV (~ 2 km / s).
• Die Wärmeenergie eines Moleküls liegt bei Raumtemperatur bei etwa 0,04 eV .
• Etwa 1 eV entspricht ein Infrarot – Photonen mit einer Wellenlänge von 1240 nm.
• Photonen mit sichtbarem Licht haben Energien im Bereich von 1,65 eV (rot) bis 3,26 eV (violett).
• Die erste Resonanz in der n + ²³⁸ U- Reaktion liegt bei 6,67 eV (Energie des einfallenden Neutrons), was dem ersten virtuellen Pegel in ²³⁹ U entspricht , hat eine Gesamtbreite von nur 0,027 eV und die mittlere Lebensdauer dieses Zustands beträgt 2,4 × 10 ^-14 s.
• Die Ionisierungsenergie von atomarem Wasserstoff beträgt 13,6 eV .
• Kohlenstoff-14 zerfällt durch Beta-Zerfall (reiner Beta-Zerfall) in Stickstoff-14 . Die emittierten Beta-Partikel haben eine maximale Energie von 156 keV, während ihre gewichtete mittlere Energie 49 keV beträgt .
• Medizinische Röntgenphotonen mit hoher Energiediagnose haben kinetische Energien von etwa 200 keV.
• Thallium 208, eines der Nuklide in der ²³² U- Zerfallskette, emittiert Gammastrahlen von 2,6 MeV, die sehr energisch und stark durchdringend sind.
• Die typische kinetische Energie von Alpha-Partikeln aus dem radioaktiven Zerfall beträgt etwa 5 MeV . Es wird durch den Mechanismus ihrer Produktion verursacht.
• Die in einem Reaktor freigesetzte Gesamtenergie beträgt etwa 210 MeV pro ²³⁵ U-Spaltung , verteilt wie in der Tabelle gezeigt. In einem Reaktor beträgt die durchschnittliche rückgewinnbare Energie pro Spaltung etwa 200 MeV , was der Gesamtenergie abzüglich der Energie der Energie von Antineutrinos entspricht , die abgestrahlt werden.
• Kosmische Strahlung kann Energien von 1 MeV – 1000 TeV haben .

Wasser als Schutz vor Gammastrahlung

Kurz gesagt basiert eine wirksame Abschirmung von Gammastrahlung in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

• hohe Materialdichte.
• hohe Ordnungszahl des Materials (hohe Z-Materialien)

Obwohl Wasser weder ein Material mit hoher Dichte noch mit hohem Z-Gehalt ist , wird es üblicherweise als Gamma-Schutzschild verwendet. Wasser bietet eine Strahlungsabschirmung für Brennelemente in einem Becken für abgebrannte Brennelemente während der Lagerung oder während des Transports von und in den Reaktorkern . Obwohl Wasser ein Material mit niedriger Dichte und niedrigem Z-Wert ist, wird es üblicherweise in Kernkraftwerken verwendet, da diese Nachteile mit einer erhöhten Dicke ausgeglichen werden können.

Halbe Wertschicht Wasser

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

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

Wasser als Neutronenschutz

Wasser ist aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts und der Verfügbarkeit eine wirksame und gemeinsame Neutronenabschirmung . Aufgrund der geringen Atomzahl von Wasserstoff und Sauerstoff ist Wasser jedoch kein akzeptabler Schutz vor Gammastrahlen. Andererseits kann in einigen Fällen dieser Nachteil (geringe Dichte) durch eine hohe Dicke des Wasserschildes ausgeglichen werden. Im Falle von Neutronen mäßigt Wasser Neutronen perfekt, wobei jedoch durch Absorption von Neutronen durch Wasserstoffkerne sekundäre Gammastrahlen mit hoher Energie erzeugt werden. Diese Gammastrahlen dringen stark in Materie ein und können daher die Anforderungen an die Dicke des Wasserschilds erhöhen. Zugabe einer  Borsäure kann bei diesem Problem helfen (Neutronenabsorption an Borkernen ohne starke Gamma-Emission), führt aber zu weiteren Problemen bei der Korrosion von Baumaterialien.

Siehe auch: Abschirmung von Neutronen

Ein Ganzkörperzähler ist ein Instrument, das die Menge an Gamma-emittierenden Radionukliden im Körper misst (dh es ist ein Gammaspektrometer ). In kerntechnischen Anlagen werden diese Zähler zur Messung der Radioaktivität im menschlichen Körper verwendet , dh zur Messung der inneren Kontamination . Dies ist nicht zu verwechseln mit einem „Ganzkörper-Monitor“, der zur Überwachung des Ausstiegs von Personen verwendet wird. Dies ist der Begriff, der im Strahlenschutz für die Überprüfung der äußeren Kontamination eines ganzen Körpers einer Person verwendet wird, die einen durch radioaktive Kontamination kontrollierten Bereich verlässt. Ganzkörperzähler sind sehr empfindliche Geräte und daher häufig von großen Mengen an Bleiabschirmung umgeben, um das zu reduzierenHintergrundstrahlung . Ein Ganzkörperzähler besteht beispielsweise aus einer Standkabine mit zwei großflächigen NaI-Szintillationsdetektoren . Der obere Detektor überwacht die Lunge, der untere den Magen-Darm-Trakt.

Es ist zu beachten, dass alle Menschen von Geburt an einige radioaktive Isotope in ihrem Körper haben . Diese Isotope sind insbesondere Kalium-40 , Kohlenstoff-14 sowie die Isotope von Uran und Thorium . Die durchschnittliche jährliche Strahlungsdosis einer Person aus anderen radioaktiven Materialien als Radon beträgt etwa 0,3 mSv / Jahr, wovon:

• 2 mSv / Jahr kommt aus Kalium-40,
• 12 mSv / Jahr stammen aus der Uran- und Thoriumreihe,
• 12 μSv / Jahr stammen aus Kohlenstoff-40.

Die Variation der Strahlendosis von einer Person zur anderen ist nicht so groß, wird aber auch von einem Ganzkörperzähler erfasst.

Gammaspektroskopie

Wenn ein Gammastrahl aufgrund des radioaktiven Zerfalls von einem radioaktiven Element im menschlichen Körper ausgestrahlt wird und seine Energie ausreicht, um zu entweichen, kann er erfasst werden. Dies würde mittels Gammaspektrometer erfolgen. Spektroskope oder Spektrometer sind hochentwickelte Geräte, mit denen die spektrale Leistungsverteilung einer Quelle gemessen werden kann. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann. Die meisten radioaktiven Quellen erzeugen Gammastrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität. Gammastrahlen begleiten häufig die Emission von Alpha- und Betastrahlen . Wenn diese Emissionen mit einem Spektroskopiesystem erfasst und analysiert werden, aEs kann ein Gammastrahlen-Energiespektrum erzeugt werden. Gammastrahlen des radioaktiven Zerfalls liegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit angemessen langer Lebensdauer entspricht. Wie geschrieben wurde, werden sie durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie erzeugt. Eine detaillierte Analyse dieses Spektrums wird typischerweise verwendet, um die Identität und Menge der in einer Probe vorhandenen Gammastrahler zu bestimmen , und ist ein wichtiges Instrument im radiometrischen Assay. Das Gamma-Spektrum ist charakteristisch für die in der Quelle enthaltenen Gamma-emittierenden Nuklide.

Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV sind zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung, anorganische Szintillatoren wie NaI (T1) und Halbleiterdetektoren . In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Photovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Photovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Genauigkeiten und Zählraten. Aufgrund der hohen Ordnungszahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

Wenn jedoch eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis verwenden , beispielsweise den HPGe-Detektor . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopie sowie die Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderlich ist: 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letztere auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

Interne Dosisaufnahme

Wenn die Strahlungsquelle in unserem Körper ist, sagen wir, ist es innere Exposition . Die Aufnahme von radioaktivem Material kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, z. B. durch Aufnahme radioaktiver Kontamination in Lebensmitteln oder Flüssigkeiten, Einatmen radioaktiver Gase oder durch intakte oder verletzte Haut. Die meisten Radionuklide geben Ihnen viel mehr Strahlendosis, wenn sie irgendwie in Ihren Körper eindringen können, als wenn sie draußen bleiben würden. Bei der internen Dosierung sollte zunächst zwischen Aufnahme und Aufnahme unterschieden werden. Aufnahme bedeutet, was eine Person aufnimmt. Aufnahme bedeutet, was eine Person behält.

Wenn eine radioaktive Verbindung in den Körper gelangt, nimmt die Aktivität mit der Zeit sowohl aufgrund des radioaktiven Zerfalls als auch aufgrund der biologischen Clearance ab . Die Abnahme variiert von einer radioaktiven Verbindung zur anderen. Zu diesem Zweck wird die biologische Halbwertszeit im Strahlenschutz definiert.

Die biologische Halbwertszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um die Menge eines bestimmten Elements im Körper auf die Hälfte seines Anfangswertes zu senken, allein aufgrund der Eliminierung durch biologische Prozesse, wenn die Entfernungsrate ungefähr exponentiell ist. Die biologische Halbwertszeit hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der der Körper normalerweise eine bestimmte Verbindung eines Elements verwendet. Radioaktive Isotope, die über andere Wege aufgenommen oder aufgenommen wurden, werden nach und nach über Darm, Nieren, Atmung und Schweiß aus dem Körper entfernt. Dies bedeutet, dass eine radioaktive Substanz ausgestoßen werden kann, bevor sie zerfallen kann.

Infolgedessen beeinflusst die biologische Halbwertszeit die effektive Halbwertszeit und die Gesamtdosis aufgrund innerer Kontamination erheblich. Wenn eine radioaktive Verbindung mit radioaktiver Halbwertszeit (t _1/2 ) mit einer biologischen Halbwertszeit tb aus dem Körper entfernt wird, ergibt sich die effektive Halbwertszeit (t _e ) aus dem Ausdruck:

Wie zu sehen ist, verringern die biologischen Mechanismen immer die Gesamtdosis aufgrund innerer Kontamination . Wenn außerdem t _1/2 im Vergleich zu t _b groß ist , ist die effektive Halbwertszeit ungefähr dieselbe wie t _b .

Beispielsweise hat Tritium eine biologische Halbwertszeit von etwa 10 Tagen, während die radioaktive Halbwertszeit etwa 12 Jahre beträgt. Andererseits haben Radionuklide mit sehr kurzen radioaktiven Halbwertszeiten auch sehr kurze effektive Halbwertszeiten. Diese Radionuklide liefern für alle praktischen Zwecke die gesamte Strahlendosis innerhalb der ersten Tage oder Wochen nach der Einnahme.

Für Tritium beträgt die jährliche Grenzaufnahme (ALI) 1 x 10 ⁹ Bq. Wenn Sie 1 x 10 ⁹ Bq Tritium einnehmen , erhalten Sie eine Ganzkörperdosis von 20 mSv. Die festgelegte wirksame Dosis E (t) beträgt daher 20 mSv. Es kommt nicht darauf an, ob eine Person diese Menge an Aktivität in kurzer Zeit oder in langer Zeit aufnimmt. In jedem Fall erhält diese Person die gleiche Ganzkörperdosis von 20 mSv.