Strahlendosimetrie

In der Vergangenheit war die ursprüngliche Einheit zur Messung der Radioaktivitätsmenge der Curie (Symbol Ci), eine Nicht-SI-Einheit der Radioaktivität, die 1910 definiert wurde. Die SI-Einheit zur Messung der Radioaktivitätsmenge ist das Becquerel (Symbol Bq). Der Becquerel ist nach Henri Becquerel benannt. Rutherford (Symbol Rd) ist auch eine Nicht-SI-Einheit, die als Aktivität einer Menge radioaktiven Materials definiert ist, bei der eine Million Kerne pro Sekunde zerfallen. Dieses Gerät wurde im Jahr 1946 eingeführt, aber nach der Einführung des Becquerel im Jahr 1975 wurde die Rutherford veraltet.

Berechnung der Radioaktivität

Eine Materialprobe enthält 1 Mikrogramm Jod-131. Es ist zu beachten, dass Iod-131 eine wichtige Rolle als radioaktives Isotop in Kernspaltungsprodukten spielt und einen wesentlichen Beitrag zu den Gesundheitsgefahren leistet, wenn es während eines Unfalls in die Atmosphäre freigesetzt wird. Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen.

Berechnung:

1. Die Anzahl der anfangs vorhandenen Iod-131-Atome.
2. Die Aktivität des Jod-131 in Curies.
3. Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben.
4. Die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen.

Lösung:

1. Die Anzahl der Atome von Iod-131 kann unter Verwendung der Isotopenmasse wie folgt bestimmt werden.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 & mgr; g ) x (6,02 × 10 ²³ Kerne / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 × 10 ¹⁵ Kerne

2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies kann anhand seiner Zerfallskonstante bestimmt werden :

Das Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen (692928 Sekunden) und daher ist seine Zerfallskonstante:

Mit diesem Wert für die Abklingkonstante können wir die Aktivität der Probe bestimmen:

3) und 4) Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben (N _50d ), und die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen, können unter Verwendung des Zerfallsgesetzes berechnet werden:

Wie zu sehen ist, wird nach 50 Tagen die Anzahl der Iod-131-Atome und damit die Aktivität etwa 75-mal geringer sein. Nach 82 Tagen ist die Aktivität ungefähr 1200-mal geringer. Daher wird die Zeit von zehn Halbwertszeiten (Faktor 2 ¹⁰ = 1024) häufig verwendet, um die Restaktivität zu definieren.

Die ursprüngliche Einheit zur Messung der Menge an Radioaktivität war der Curie (Symbol Ci), eine Nicht-SI-Einheit der Radioaktivität, definiert im Jahr 1910. Rutherford (Symbol Rd ) ist auch eine Nicht-SI-Einheit, definiert als die Aktivität einer Menge von radioaktives Material, in dem eine Million Kerne pro Sekunde zerfallen . Dieses Gerät wurde im Jahr 1946 eingeführt, aber nach der Einführung des Becquerel im Jahr 1975 wurde die Rutherford veraltet.

Derzeit ein rutherford ist äquivalent eine Megabecquerel :

1Rd = 1 × 10 ⁶ Bq = 1 MBq

Ein Rutherford ist ziemlich viel Aktivität. Der typische menschliche Körper enthält ungefähr 0,0037 Rd (14 mg) natürlich vorkommendes Kalium-40. Ebenso würde ein menschlicher Körper, der 16 kg Kohlenstoff enthält, ungefähr 0,0037 Rd Kohlenstoff-14 (24 Nanogramm) haben.

Rutherford – Beispiele

Die Beziehung zwischen der Halbwertszeit und der Menge eines Radionuklids, die erforderlich ist, um eine Aktivität von einem Rutherford zu ergeben, ist in der Figur gezeigt. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, was die Zerfallskonstante eines bestimmten Nuklids ist:

Die folgende Abbildung zeigt die Materialmenge, die für eine Radioaktivität von 37 Kilogramm erforderlich ist. Es ist offensichtlich, dass je länger die Halbwertszeit ist, desto mehr Radionuklid wird benötigt, um die gleiche Aktivität zu erzeugen. Natürlich bleibt die länger lebende Substanz viel länger radioaktiv. Wie zu sehen ist, kann die für eine Radioaktivität von 37 kRd erforderliche Materialmenge von einer zu geringen Menge (0,00088 g Cobalt-60) über 1 g Radium-226 bis zu fast drei Tonnen Uran-238 variieren .

Beispiel – Berechnung der Radioaktivität

Eine Materialprobe enthält 1 Mikrogramm Jod-131. Es ist zu beachten, dass Iod-131 eine wichtige Rolle als radioaktives Isotop in Kernspaltungsprodukten spielt und einen wesentlichen Beitrag zu den Gesundheitsgefahren leistet, wenn es während eines Unfalls in die Atmosphäre freigesetzt wird. Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen.

Berechnung:

1. Die Anzahl der anfänglich vorhandenen Iod-131-Atome.
2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies.
3. Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben.
4. Die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen.

Lösung:

1. Die Anzahl der Atome von Iod-131 kann unter Verwendung der Isotopenmasse wie folgt bestimmt werden.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 & mgr; g ) x (6,02 × 10 ²³ Kerne / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 × 10 ¹⁵ Kerne

2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies kann anhand seiner Zerfallskonstante bestimmt werden :

Das Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen (692928 Sekunden) und daher ist seine Zerfallskonstante:

Mit diesem Wert für die Abklingkonstante können wir die Aktivität der Probe bestimmen:

3) und 4) Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben (N _50d ), und die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen, können unter Verwendung des Zerfallsgesetzes berechnet werden:

Wie zu sehen ist, wird nach 50 Tagen die Anzahl der Iod-131-Atome und damit die Aktivität etwa 75-mal geringer sein. Nach 82 Tagen ist die Aktivität ungefähr 1200-mal geringer. Daher wird die Zeit von zehn Halbwertszeiten (Faktor 2 ¹⁰ = 1024) häufig verwendet, um die Restaktivität zu definieren.

Die SI-Einheit zur Messung der Radioaktivitätsmenge ist das Becquerel (Symbol Bq ). Das Becquerel ist nach Henri Becquerel benannt, einem französischen Physiker, der 1896 die Radioaktivität entdeckte. Ein Becquerel (1Bq) entspricht 1 Zerfall pro Sekunde .

Eine ältere Einheit der Radioaktivität ist der Curie. Der Curie wurde ursprünglich als äquivalent zur Anzahl der Zerfälle definiert, die ein Gramm Radium-226 in einer Sekunde durchmachen wird. Derzeit wird eine Kurie mit Becquerel als 1 Ci definiert = 3,7 x 10 ¹⁰ Zerfälle pro Sekunde. Deshalb

1Ci = 3,7 × 10 ¹⁰ Bq = 37 GBq

Ein Becquerel ist sehr wenig Aktivität. Der typische menschliche Körper enthält ungefähr 3,7 kBq (14 mg) natürlich vorkommendes Kalium-40. Ein menschlicher Körper, der 16 kg Kohlenstoff enthält, würde ebenfalls etwa 3,7 kBq Kohlenstoff-14 (24 Nanogramm) aufweisen. Aktivitäten, die in einem Kernkraftwerk gemessen werden (mit Ausnahme von bestrahlten Brennelementen), weisen normalerweise eine höhere Aktivität auf als Becquerel, und die folgenden Vielfachen werden häufig verwendet:

1 kBq (Kilobecquerel) = 1E3 Bq

1 MBq (Megabecquerel) = 1E6 Bq

1 GBq (Gigabecquerel) = 1E9 Bq

1 TBq (Terabecquerel) = 1E12 Bq

Becquerel – Beispiele

Die Beziehung zwischen der Halbwertszeit und der Menge eines Radionuklids, die erforderlich ist, um eine Aktivität von 37 GBq (1 Ci) zu ergeben, ist in der Abbildung dargestellt. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden, was die Zerfallskonstante eines bestimmten Nuklids ist:

Die folgende Abbildung zeigt die Materialmenge, die für 37 GBq Radioaktivität erforderlich ist. Es ist offensichtlich, dass je länger die Halbwertszeit ist, desto mehr Radionuklid wird benötigt, um die gleiche Aktivität zu erzeugen. Natürlich bleibt die länger lebende Substanz viel länger radioaktiv. Wie zu sehen ist, kann die für 37 GBq Radioaktivität erforderliche Materialmenge von einer zu geringen Menge (0,00088 g Cobalt-60) über 1 g Radium-226 bis zu fast drei Tonnen Uran-238 variieren .

Beispiel – Berechnung der Radioaktivität

Eine Materialprobe enthält 1 Mikrogramm Jod-131. Beachten Sie, dass Jod-131 eine wichtige Rolle als radioaktives Isotop in Kernspaltungsprodukten spielt und einen wichtigen Beitrag zu den Gesundheitsgefahren leistet, wenn es während eines Unfalls in die Atmosphäre freigesetzt wird. Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen.

Berechnung:

1. Die Anzahl der anfänglich vorhandenen Iod-131-Atome.
2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies.
3. Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben.
4. Die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen.

Lösung:

1. Die Anzahl der Atome von Iod-131 kann unter Verwendung der Isotopenmasse wie folgt bestimmt werden.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 & mgr; g ) x (6,02 × 10 ²³ Kerne / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 × 10 ¹⁵ Kerne

2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies kann anhand seiner Zerfallskonstante bestimmt werden :

Das Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen (692928 Sekunden) und daher ist seine Zerfallskonstante:

Mit diesem Wert für die Abklingkonstante können wir die Aktivität der Probe bestimmen:

3) und 4) Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben (N _50d ), und die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen, können unter Verwendung des Zerfallsgesetzes berechnet werden:

Wie zu sehen ist, wird nach 50 Tagen die Anzahl der Iod-131-Atome und damit die Aktivität etwa 75-mal geringer sein. Nach 82 Tagen ist die Aktivität ungefähr 1200-mal geringer. Daher wird die Zeit von zehn Halbwertszeiten (Faktor 2 ¹⁰ = 1024) häufig verwendet, um die Restaktivität zu definieren.

Die ursprüngliche Einheit , um die Menge an Radioaktivität gemessen wurde die Curie (Ci – Symbol), welches eine nicht-SI – Einheit der Radioaktivität definiert , in 1910. A Curie- wurde ursprünglich in ehrt benannter Pierre Curie , wurde aber von einigen zumindest in Betracht gezogen werden auch zu Ehren von Marie Curie. Ein Curie wurde ursprünglich als äquivalent zur Anzahl der Zerfälle definiert, die ein Gramm Radium-226 in einer Sekunde durchmachen wird . Derzeit ist ein Curie definiert als 1Ci = 3,7 × 10 ¹⁰ Zerfälle pro Sekunde . Deshalb:

1Ci = 3,7 × 10 ¹⁰ Bq = 37 GBq

Ein Curie ist eine große Menge an Aktivität. Der typische menschliche Körper enthält ungefähr 0,1 μCi (14 mg) natürlich vorkommendes Kalium-40. Ebenso würde ein menschlicher Körper, der 16 kg Kohlenstoff enthält, etwa 0,1 μCi Kohlenstoff-14 (24 Nanogramm) aufweisen. Aktivitäten, die in einem Kernkraftwerk gemessen werden (mit Ausnahme von bestrahlten Brennelementen), weisen in der Regel eine geringere Aktivität auf als Curie, und die folgenden Vielfachen werden häufig verwendet:

1 mCi (Milicurie) = 1E-3 Ci

1 uCi (Mikrocurie) = 1E-6 Ci

Während die fortgesetzte Verwendung von vielen Institutionen abgeraten wird, ist der Curie in der Regierung, der Industrie und der Medizin in der ganzen Welt nach wie vor weit verbreitet.

Curie – Beispiele

Die Beziehung zwischen der Halbwertszeit und der Menge eines Radionuklids, die erforderlich ist, um eine Aktivität von einem Curie zu ergeben, ist in der Figur gezeigt. Diese Materialmenge kann mit λ berechnet werden , was die Zerfallskonstante eines bestimmten Nuklids ist:

Die folgende Abbildung zeigt die Menge an Material, die für 1 Curie Radioaktivität erforderlich ist . Es ist offensichtlich, dass je länger die Halbwertszeit ist, desto mehr Radionuklid wird benötigt, um die gleiche Aktivität zu erzeugen. Natürlich bleibt die länger lebende Substanz viel länger radioaktiv. Wie zu sehen ist, kann die Menge an Material, die für 1 Curie Radioaktivität erforderlich ist, von einer zu geringen Menge (0,00088 Gramm Cobalt-60) über 1 Gramm Radium-226 bis zu fast drei Tonnen Uran-238 variieren .

Beispiel – Berechnung der Radioaktivität

Eine Materialprobe enthält 1 Mikrogramm Jod-131. Es ist zu beachten, dass Iod-131 eine wichtige Rolle als radioaktives Isotop in Kernspaltungsprodukten spielt und einen wesentlichen Beitrag zu den Gesundheitsgefahren leistet, wenn es während eines Unfalls in die Atmosphäre freigesetzt wird. Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen.

Berechnung:

1. Die Anzahl der anfänglich vorhandenen Iod-131-Atome.
2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies.
3. Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben.
4. Die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen.

Lösung:

1. Die Anzahl der Atome von Iod-131 kann unter Verwendung der Isotopenmasse wie folgt bestimmt werden.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 & mgr; g ) x (6,02 × 10 ²³ Kerne / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 × 10 ¹⁵ Kerne

2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies kann anhand seiner Zerfallskonstante bestimmt werden :

Das Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen (692928 Sekunden) und daher ist seine Zerfallskonstante:

Mit diesem Wert für die Abklingkonstante können wir die Aktivität der Probe bestimmen:

3) und 4) Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben (N _50d ), und die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen, können unter Verwendung des Zerfallsgesetzes berechnet werden:

Wie zu sehen ist, wird nach 50 Tagen die Anzahl der Iod-131-Atome und damit die Aktivität etwa 75-mal geringer sein. Nach 82 Tagen ist die Aktivität ungefähr 1200-mal geringer. Daher wird die Zeit von zehn Halbwertszeiten (Faktor 2 ¹⁰ = 1024) häufig verwendet, um die Restaktivität zu definieren.

Einheiten der Radioaktivität

Wie bereits geschrieben, ist Radioaktivität (Aktivität bestimmter Radionuklide) der Vorgang, bei dem ein instabiler Kern spontan und zufällig zerfällt , um einen anderen Kern (oder einen anderen Energiezustand – Gammazerfall) zu bilden, wobei Strahlung in Form atomarer Teilchen oder hoher Teilchen abgegeben wird Energiestrahlen. Dieser Abfall tritt mit einer konstanten, vorhersagbaren Rate auf, die als Abfallkonstante bezeichnet wird. Demzufolge basiert ein Maß für die Radioaktivität auf der Zählung der Zerfälle pro Sekunde. Die Aktivität hängt nur von der Anzahl der Zerfälle pro Sekunde ab, nicht von der Art des Zerfalls, der Energie der Zerfallsprodukte oder den biologischen Auswirkungen der Strahlung. Es kann verwendet werden, um die Emissionsrate ionisierender Strahlung zu charakterisieren.

Radioaktivitätseinheiten (Curie und Becquerel) können auch verwendet werden, um die Gesamtmenge der kontrollierten oder zufälligen Freisetzung radioaktiver Atome zu charakterisieren . Da die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls eine feste physikalische Größe ist, zerfällt für eine bekannte Anzahl von Atomen eines bestimmten Radionuklids eine vorhersagbare Anzahl in einer bestimmten Zeit. Beispielsweise betrugen nach Angaben der japanischen Nuklearsicherheitskommission (NSC) die während des Unfalls von Fukushima Daiichi zwischen dem 11. März und dem 5. April freigesetzten Gesamtaktivitätsmengen für Jod-131 etwa 130 PBq (Petabecquerel, 3,5 Megacuries) und für Cäsium 11 PBq -137.

Laut UNSCEAR wurden von 1998 bis 2002 die weltweiten jährlichen durchschnittlichen Freisetzungen von Tritium aus kerntechnischen Anlagen in die Atmosphäre und in die wässrige Umgebung auf 11,7 PBq bzw. 16,0 PBq geschätzt. Beachten Sie, dass Tritium energiearme Beta-Partikel mit einer geringen Reichweite im Körpergewebe abgibt und daher eine Gefahr für die Gesundheit darstellt, wenn es nur nach Einnahme von Trinkwasser oder Lebensmitteln oder nach Einatmen oder Absorption durch die Haut von innen exponiert wird. Laut ICRP beträgt eine biologische Halbwertszeit von Tritium 10 Tage für HTO und 40 Tage für OBT (organisch gebundenes Tritium), das im Körper von Erwachsenen aus HTO gebildet wird.

Siehe auch: QUELLEN, WIRKUNGEN UND RISIKEN VON IONISIERENDER STRAHLUNG, UNSCEAR 2016, ISBN: 978-92-1-142316-7.

In der Vergangenheit war die ursprüngliche Einheit zur Messung der Radioaktivitätsmenge der Curie (Symbol Ci), eine Nicht-SI-Einheit der Radioaktivität, die 1910 definiert wurde. Die SI-Einheit zur Messung der Radioaktivitätsmenge ist das Becquerel (Symbol Bq). Der Becquerel ist nach Henri Becquerel benannt. Rutherford (Symbol Rd) ist auch eine Nicht-SI-Einheit, die als Aktivität einer Menge radioaktiven Materials definiert ist, bei der eine Million Kerne pro Sekunde zerfallen. Dieses Gerät wurde im Jahr 1946 eingeführt, aber nach der Einführung des Becquerel im Jahr 1975 wurde die Rutherford veraltet.

Beispiel – Berechnung der Radioaktivität

Eine Materialprobe enthält 1 Mikrogramm Jod-131. Es ist zu beachten, dass Iod-131 eine wichtige Rolle als radioaktives Isotop in Kernspaltungsprodukten spielt und einen wesentlichen Beitrag zu den Gesundheitsgefahren leistet, wenn es während eines Unfalls in die Atmosphäre freigesetzt wird. Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen.

Berechnung:

1. Die Anzahl der anfänglich vorhandenen Iod-131-Atome.
2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies.
3. Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben.
4. Die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen.

Lösung:

1. Die Anzahl der Atome von Iod-131 kann unter Verwendung der Isotopenmasse wie folgt bestimmt werden.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 & mgr; g ) x (6,02 × 10 ²³ Kerne / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 × 10 ¹⁵ Kerne

2. Die Aktivität des Iod-131 in Curies kann anhand seiner Zerfallskonstante bestimmt werden :

Das Jod-131 hat eine Halbwertszeit von 8,02 Tagen (692928 Sekunden) und daher ist seine Zerfallskonstante:

Mit diesem Wert für die Abklingkonstante können wir die Aktivität der Probe bestimmen:

3) und 4) Die Anzahl der Iod-131-Atome, die in 50 Tagen verbleiben (N _50d ), und die Zeit, die die Aktivität benötigt, um 0,1 mCi zu erreichen, können unter Verwendung des Zerfallsgesetzes berechnet werden:

Wie zu sehen ist, wird nach 50 Tagen die Anzahl der Iod-131-Atome und damit die Aktivität etwa 75-mal geringer sein. Nach 82 Tagen ist die Aktivität ungefähr 1200-mal geringer. Daher wird die Zeit von zehn Halbwertszeiten (Faktor 2 ¹⁰ = 1024) häufig verwendet, um die Restaktivität zu definieren.

Bei der Analyse nuklearer Zerfallsreaktionen wenden wir die vielen Erhaltungsgesetze an . Kernzerfallsreaktionen unterliegen den klassischen Erhaltungsgesetzen für Ladung, Impuls, Drehimpuls und Energie (einschließlich Restenergien). Zusätzliche Erhaltungssätze, die die klassische Physik nicht vorwegnimmt, sind:

• Erhaltungssatz der Leptonzahl
• Gesetz zur Erhaltung der Baryonenzahl
• Gesetz zur Erhaltung der elektrischen Ladung

Einige dieser Gesetze werden unter allen Umständen befolgt, andere nicht. Wir haben die Erhaltung von Energie und Dynamik akzeptiert. In allen Beispielen wird davon ausgegangen, dass die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Neutronen getrennt erhalten bleiben. Wir werden Umstände und Bedingungen finden, unter denen diese Regel nicht zutrifft. Wenn wir nicht-relativistische Kernreaktionen betrachten, ist dies im Wesentlichen richtig. Wenn wir jedoch relativistische Kernenergien oder solche mit schwachen Wechselwirkungen in Betracht ziehen, werden wir feststellen, dass diese Prinzipien erweitert werden müssen.

Einige Erhaltungsprinzipien sind aus theoretischen Überlegungen entstanden, andere sind nur empirische Zusammenhänge. Ungeachtet dessen wird jede Reaktion, die nicht ausdrücklich durch die Erhaltungsgesetze verboten ist, im Allgemeinen stattfinden, wenn auch mit einer geringen Geschwindigkeit. Diese Erwartung basiert auf der Quantenmechanik. Sofern die Barriere zwischen dem Anfangszustand und dem Endzustand nicht unendlich hoch ist, besteht immer eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass ein System den Übergang zwischen ihnen vollzieht.

Für die Analyse nichtrelativistischer Reaktionen genügen vier grundlegende Gesetze, die diese Reaktionen regeln.

1. Erhaltung von Nukleonen . Die Gesamtzahl der Nukleonen vor und nach einer Reaktion ist gleich.
2. Erhaltung der Ladung . Die Summe der Ladungen aller Partikel vor und nach einer Reaktion ist gleich
3. Impulserhaltung . Der Gesamtimpuls der wechselwirkenden Teilchen vor und nach einer Reaktion ist der gleiche.
4. Energieeinsparung . Bei Kernreaktionen wird Energie, einschließlich Restmassenenergie, eingespart.

Referenz: Lamarsh, John R. Einführung in die Kerntechnik 2. Auflage

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Der Kernzerfall (radioaktiver Zerfall) tritt auf, wenn ein instabiles Atom durch Emission ionisierender Strahlung Energie verliert . Radioaktiver Zerfall ist ein zufälliger Vorgang auf der Ebene einzelner Atome, da nach der Quantentheorie nicht vorhergesagt werden kann, wann ein bestimmtes Atom zerfallen wird. Während des radioaktiven Zerfalls zersetzt sich ein instabiler Kern spontan und zufällig in einen anderen Kern (oder einen anderen Energiezustand – Gammazerfall) und gibt Strahlung in Form von Atomteilen oder energiereichen Strahlen ab. Dieser Abfall erfolgt mit einer konstanten, vorhersagbaren Rate, die als Halbwertszeit bezeichnet wird. Ein stabiler Kern unterliegt keinem solchen Zerfall und ist daher nicht radioaktiv.

Es gibt drei grundlegende Arten 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 verbunden 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 . Beta – Zerfall  oder  β Zerfall  stellt die Desintegration eines Mutterkerns mit einer Tochter durch die Emission des Betateilchen. Beta-Teilchen sind energiereiche, schnelle Elektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Durchdringungsbereich als Alpha-Partikel, sind aber immer noch viel kleiner als Gammastrahlen. Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlung bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.
• Gamma-Zerfall . Der Gamma-Zerfall  oder der  γ-Zerfall  repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission von  Gammastrahlen  (hochenergetische Photonen). Gammastrahlen sind elektromagnetische Strahlung (energiereiche Photonen) mit sehr hoher Frequenz und hoher Energie. Sie entstehen durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie, der als Gamma-Zerfall bezeichnet wird. Die meisten Kernreaktionen gehen mit einer Gamma-Emission einher.

Art der Radioaktivität

Atomkerne bestehen, wie geschrieben, aus Protonen und Neutronen, die sich durch die Kernkraft anziehen , während sich Protonen aufgrund ihrer positiven Ladung über 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 es zu viele gibt (Neutronen gehorchen auch dem Pauli-Ausschlussprinzip ) oder zu wenig Neutronen für eine bestimmte Anzahl von Protonen. Der entstehende Kern ist nicht stabil und zerfällt radioaktiv . Die meisten in der Natur vorkommenden Atome sind stabil und emittieren keine Partikel oder Energie, die sich im Laufe der Zeit verändern. Von den ersten 82 Elementen im Periodensystem haben 80 Isotope, die als stabil angesehen werden. Technetium, Promethium und alle Elemente mit einer Ordnungszahl über 82 sind instabil und zersetzen sich durch radioaktiven Zerfall. Instabile Isotope zerfallen spontan auf verschiedenen Wegen des radioaktiven Zerfalls , am häufigsten durch Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Zerfallsarten wie Spontanspaltung oder Neutronenemission sind bekannt.

Kernzerfall (radioaktiver Zerfall) tritt auf, wenn ein instabiles Atom durch Emission ionisierender Strahlung Energie verliert . Radioaktiver Zerfall ist ein zufälliger Vorgang auf der Ebene einzelner Atome, da nach der Quantentheorie nicht vorhergesagt werden kann, wann ein bestimmtes Atom zerfallen wird. Mit anderen Worten, ein Kern eines Radionuklids hat kein „Gedächtnis“. Ein Kern „altert“ nicht im Laufe der Zeit. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit seines Zerfalls nicht mit der Zeit, sondern bleibt konstant, egal wie lange der Kern existiert hat. Während seines unvorhersehbaren Zerfalls zersetzt sich dieser instabile Kern spontan und zufällig um einen anderen Kern (oder einen anderen Energiezustand – Gamma-Zerfall) zu bilden, der Strahlung in Form von Atomteilen oder energiereichen Strahlen abgibt.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Arten der Radioaktivität

Wie geschrieben wurde, bestehen Atomkerne aus Protonen und Neutronen, die sich durch die Kernkraft gegenseitig anziehen , während sich Protonen aufgrund ihrer positiven Ladung über die elektromagnetische Kraft gegenseitig abstoßen . Diese beiden Kräfte konkurrieren miteinander, 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 es zu viele gibt (Neutronen gehorchen auch dem Pauli-Ausschlussprinzip ) oder zu wenig Neutronen für eine bestimmte Anzahl von Protonen, der resultierende Kern ist nicht stabil und zerfällt radioaktiv . Die meisten in der Natur vorkommenden Atome sind stabil und emittieren keine Partikel oder Energie, die sich im Laufe der Zeit verändern. Von den ersten 82 Elementen im Periodensystem haben 80 Isotope, die als stabil angesehen werden. Technetium, Promethium und alle Elemente mit einer Ordnungszahl über 82 sind instabil und zersetzen sich durch radioaktiven Zerfall. Instabile Isotope zerfallen spontan über verschiedene radioaktive Zerfallswege , am häufigsten Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Arten des Zerfalls, wie spontane Spaltung oder Neutronenemission, sind bekannt.

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. Mit anderen Worten, ein Kern eines Radionuklids hat kein „Gedächtnis“. Ein Kern „altert“ nicht im Laufe der Zeit. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit seines Zusammenbruchs nicht mit der Zeit, sondern bleibt konstant, egal wie lange der Kern existiert. Während seines unvorhersehbaren Zerfalls zersetzt sich dieser instabile Kern spontan und zufälligeinen anderen Kern (oder einen anderen Energiezustand – Gamma-Zerfall) zu bilden, der Strahlung in Form von Atompartikeln oder hochenergetischen Strahlen abgibt. 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:

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  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 .

Naturschutzgesetze im nuklearen Zerfall

Bei der Analyse von Kernreaktionen wenden wir die vielen Erhaltungsgesetze an . Kernreaktionen unterliegen den klassischen Erhaltungsgesetzen für Ladung, Impuls, Drehimpuls und Energie (einschließlich Ruheenergien). Zusätzliche Erhaltungsgesetze, die von der klassischen Physik nicht erwartet werden, sind:

• Gesetz zur Erhaltung der Lepton-Zahl
• Gesetz zur Erhaltung der Baryonenzahl
• Gesetz zur Erhaltung der elektrischen Ladung

Bestimmte dieser Gesetze werden unter allen Umständen eingehalten, andere nicht. Wir haben die Erhaltung von Energie und Dynamik akzeptiert. In allen Beispielen nehmen wir an, dass die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Neutronen getrennt erhalten bleiben. Wir werden Umstände und Bedingungen finden, unter denen diese Regel nicht wahr ist. Wenn wir nicht-relativistische Kernreaktionen betrachten, ist dies im Wesentlichen wahr. Wenn wir jedoch relativistische Kernenergien oder solche mit schwachen Wechselwirkungen betrachten, werden wir feststellen, dass diese Prinzipien erweitert werden müssen.

Einige Erhaltungsprinzipien sind aus theoretischen Überlegungen hervorgegangen, andere sind nur empirische Beziehungen. Ungeachtet dessen wird jede Reaktion, die nicht ausdrücklich durch die Erhaltungsgesetze verboten ist, im Allgemeinen auftreten, wenn auch nur langsam. Diese Erwartung basiert auf der Quantenmechanik. Sofern die Barriere zwischen dem Anfangs- und dem Endzustand nicht unendlich hoch ist, besteht immer eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass ein System den Übergang zwischen ihnen vollzieht.

Zur Analyse nicht-relativistischer Reaktionen genügt es, vier der Grundgesetze zu beachten, die diese Reaktionen regeln.

1. Erhaltung der Nukleonen . Die Gesamtzahl der Nukleonen vor und nach einer Reaktion ist gleich.
2. Ladungserhaltung . Die Summe der Ladungen aller Partikel vor und nach einer Reaktion ist gleich
3. Impulserhaltung . Der Gesamtimpuls der wechselwirkenden Teilchen vor und nach einer Reaktion ist der gleiche.
4. Energieeinsparung . Energie, einschließlich Ruhemassenenergie, bleibt bei Kernreaktionen erhalten.

Referenz: Lamarsh, John R. Einführung in die Nukleartechnik 2. Auflage

Strahlenschutz ist die Wissenschaft und Praxis, Menschen und Umwelt vor den schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung zu schützen. Die Internationale Atomenergie-Organisation ( IAEO ) definiert Strahlenschutz als:

„Der Schutz der Menschen vor schädlichen Auswirkungen der Exposition gegenüber ionisierender Strahlung und die Mittel, um dies zu erreichen“

Es ist ein ernstes Thema nicht nur in Kernkraftwerken , sondern auch in der Industrie oder in medizinischen Zentren. Der Strahlenschutz lässt sich laut IAEO in drei Gruppen einteilen:

• beruflicher Strahlenschutz: Schutz der Arbeitnehmer in Situationen, in denen ihre Exposition in direktem Zusammenhang mit ihrer Arbeit steht oder von ihr verlangt wird
• Medizinischer Strahlenschutz: Schutz von Patienten, die im Rahmen ihrer Diagnose oder Behandlung Strahlen ausgesetzt sind
• öffentlicher Strahlenschutz, bei dem es sich um den Schutz einzelner Bürger und der Bevölkerung im Allgemeinen handelt

Gemäß der ICRP (Publikation 103) basiert das Strahlenschutzsystem auf den folgenden drei Prinzipien:

1. Begründung . „Jede Entscheidung, die die Strahlenexposition verändert, sollte mehr nützen als schaden.“
2. Optimierung des Schutzes . „Alle Dosen sollten unter Berücksichtigung wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Faktoren so niedrig wie möglich gehalten werden.“ (Bekannt als ALARA oder ALARP)
3. Dosisbegrenzung . „Die Gesamtdosis für eine Person … sollte die entsprechenden Grenzwerte nicht überschreiten.“

Siehe auch: ICRP, 2007. Die Empfehlungen 2007 der Internationalen Strahlenschutzkommission. ICRP Publication 103. Ann. ICRP 37 (2-4).

Die Internationale Strahlenschutzkommission ( ICRP ) ist eine unabhängige, internationale Nichtregierungsorganisation, die vom Internationalen Röntgenkongress von 1928 ins Leben gerufen wurde, um die Wissenschaft des Strahlenschutzes für die Öffentlichkeit voranzutreiben. Das ICRP ist eine Schwesterorganisation der Internationalen Kommission für Strahlungseinheiten und -messungen ( ICRU ), die als Normungsgremium Konzepte, Definitionen und Empfehlungen für die Verwendung von Größen und deren Einheiten für ionisierende Strahlung und deren Wechselwirkung mit Materie entwickelt in Bezug auf die durch Strahlung induzierten biologischen Wirkungen.

Externe Dosisaufnahme

Externe Exposition ist Strahlung, die von außerhalb unseres Körpers kommt und mit uns interagiert. In diesem Fall analysieren wir vorwiegend die Exposition durch Gammastrahlen, da Alpha- und Betapartikel im Allgemeinen keine externe Expositionsgefahr darstellen, da die Partikel im Allgemeinen nicht durch die Haut gelangen. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise ein Gerät sein, das die Strahlung wie ein Behälter mit radioaktiven Materialien oder wie ein Röntgengerät erzeugt. Beim Strahlenschutz gibt es drei Möglichkeiten, Menschen vor identifizierten externen Strahlungsquellen zu schützen:

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  Zeit begrenzen. Die Höhe der Strahlenexposition hängt direkt (linear) von der Zeit ab, die Menschen in der Nähe der Strahlungsquelle verbringen. Die Dosis kann durch Begrenzung der Expositionszeit reduziert werden .

• Entfernung. Die Höhe der Strahlenexposition hängt von der Entfernung von der Strahlungsquelle ab. Ähnlich wie bei einer Hitze von einem Feuer ist die Intensität der Wärmestrahlung hoch, wenn Sie zu nahe sind, und Sie können sich verbrennen. Wenn Sie in der richtigen Entfernung sind, können Sie dort problemlos standhalten und es ist außerdem bequem. Wenn Sie zu weit von der Wärmequelle entfernt sind, kann Sie auch die Unzulänglichkeit der Wärme verletzen. Diese Analogie kann in gewissem Sinne auch auf Strahlung von Strahlungsquellen angewendet werden.
• Abschirmung. Wenn die Quelle zu intensiv ist und Zeit oder Entfernung keinen ausreichenden Strahlenschutz bieten, muss die Abschirmung verwendet werden. Strahlenschutz besteht normalerweise aus Barrieren aus Blei, Beton oder Wasser. Es gibt viele verschiedene Materialien, die zur Strahlenabschirmung verwendet werden können, aber es gibt viele verschiedene Situationen beim Strahlenschutz. Dies hängt stark von der Art der abzuschirmenden Strahlung, ihrer Energie und vielen anderen Parametern ab. Zum Beispiel kann sogar abgereichertes Uran als guter Schutz vor Gammastrahlung verwendet werden, andererseits ist Uran eine absolut ungeeignete Abschirmung von Neutronenstrahlung .

Interne Dosisaufnahme

Wenn sich die Strahlungsquelle in unserem Körper befindet, sagen wir, handelt es sich um eine innere Exposition. Die Aufnahme von radioaktivem Material kann über verschiedene Wege erfolgen, beispielsweise durch Aufnahme radioaktiver Kontamination in Lebensmitteln oder Flüssigkeiten. Der Schutz vor innerer Exposition ist komplizierter. Die meisten Radionuklide geben Ihnen viel mehr Strahlendosis, wenn sie irgendwie in Ihren Körper gelangen können, als wenn sie draußen bleiben würden.

Öffentliche Exposition und Kernkraftwerke

Es muss angemerkt werden, dass Strahlung überall um uns herum ist. In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, die seit der Geburt unseres Planeten hier ist. Es gibt radioaktive Isotope in unseren Körpern, Häusern, Luft, Wasser und im Boden – und wir sind der Strahlung aus dem Weltraum ausgesetzt. Diese Strahlung wird als natürliche Hintergrundstrahlung bezeichnet.

Die Exposition von Kernkraftwerken und deren Brennstoffkreislauf gehört zu künstlichen Strahlungsquellen. Die mit Abstand bedeutendste Quelle für vom Menschen verursachte Strahlenexposition in der Öffentlichkeit sind medizinische Verfahren wie diagnostische Röntgenstrahlen und Nuklearmedizin. Darüber hinaus ist nach Angaben des Wissenschaftlichen Ausschusses der Vereinten Nationen für die Auswirkungen der Atomstrahlung (UNSCEAR) die öffentliche Exposition gegenüber Strahlung aus der Stromerzeugung durch Kernkraftwerke nur ein Bruchteil derjenigen von Kohlekraftwerken.

Siehe auch: QUELLEN, WIRKUNGEN UND RISIKEN DER IONISIERENDEN STRAHLUNG, UNSCEAR 2016. ISBN: 978-92-1-142316-7.