Strahlendosimetrie

Halbwertszeit und Zerfallskonstante

Das  radioaktive Zerfallsgesetz  besagt, dass die Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit, mit der ein Kern zerfällt, unabhängig von der Zeit konstant ist. Diese Konstante wird als  Abklingkonstante bezeichnet  und mit λ, „Lambda“ bezeichnet.

Einer der nützlichsten Begriffe zur Abschätzung, wie schnell ein Nuklid zerfällt, ist die  radioaktive Halbwertszeit  ( t _1/2 ). Die  Halbwertszeit  ist definiert als die Zeit, die ein bestimmtes Isotop benötigt, um die Hälfte seiner Radioaktivität zu verlieren.

Bei der Berechnung der Radioaktivität muss einer von zwei Parametern ( Zerfallskonstante oder Halbwertszeit ) bekannt sein, die die Zerfallsrate charakterisieren. Es gibt eine Beziehung zwischen der Halbwertszeit (t _1/2 ) und der Abklingkonstante λ. Die Beziehung kann durch Einstellung N = ½ N von Zerfallsgesetz ableiten _o . Das gibt:

wobei ln 2 (das natürliche log von 2) 0,693 beträgt. Wenn die Abklingkonstante (λ) angegeben ist, ist es einfach, die Halbwertszeit zu berechnen und umgekehrt.

Beispiel – Radioaktives Zerfallsgesetz

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.

Zerfallskonstante und Radioaktivität

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 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.

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.

Weiche und harte Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen werden üblicherweise durch ihre maximale Energie beschrieben, die durch die Spannung zwischen den Elektroden bestimmt wird. Röntgenstrahlen mit hoher Photonenenergie (über 5–10 keV) werden als harte Röntgenstrahlen bezeichnet , Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie (und längerer Wellenlänge) als weiche Röntgenstrahlen . Aufgrund ihres Durchdringungsvermögens werden harte Röntgenstrahlen häufig verwendet, um das Innere von visuell undurchsichtigen Objekten abzubilden. Die am häufigsten gesehenen Anwendungen sind in der medizinischen Radiographie. Da die Wellenlängen harter Röntgenstrahlen der Größe von Atomen ähnlich sind, eignen sie sich auch zur röntgenkristallographischen Bestimmung von Kristallstrukturen. Im Gegensatz dazu absorbieren weiche Röntgenstrahlen leicht Luft. Die Dämpfungslänge von 600 eV Röntgenstrahlen in Wasser beträgt weniger als 1 Mikrometer.

Röntgen – Produktion

Da Röntgenstrahlen energiereiche Photonen sind , die elektromagnetischer Natur sind , können sie immer dann erzeugt werden, wenn geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen) mit ausreichender Energie auf ein Material treffen. Es ähnelt dem photoelektrischen Effekt , bei dem beim Auftreffen auf die Metallplatte Photonen vernichtet werden können, die jeweils ihre kinetische Energie an ein Elektron abgeben .

Röntgenstrahlen können durch eine Röntgenröhre erzeugt werden , eine Vakuumröhre, die eine Hochspannung verwendet, um die von einer heißen Kathode freigesetzten Elektronen auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Kathode muss erhitzt werden, um Elektronen zu emittieren. Elektronen, die durch Potentialdifferenzen von Zehntausenden von Volt beschleunigt werden, zielen auf ein Metalltarget (üblicherweise aus Wolfram oder einem anderen Schwermetall) in einer Vakuumröhre. Je größer die Spannung zwischen den Elektroden ist, desto höher ist die Energie, die die Elektronen erreichen. Beim Auftreffen auf das Ziel werden die beschleunigten Elektronen abrupt gestoppt und röntgenund Wärme werden erzeugt. Der größte Teil der Energie wird in der Anode (die gekühlt werden muss) in Wärme umgewandelt. Nur 1% der kinetischen Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Röntgenstrahlen werden üblicherweise senkrecht zum Weg des Elektronenstrahls erzeugt.

Eine spezielle Röntgenquelle, die in der Forschung immer häufiger eingesetzt wird, ist der Teilchenbeschleuniger, der Strahlung erzeugt, die als Synchrotronstrahlung bekannt ist . Wenn sich ultrarelativistisch geladene Teilchen durch Magnetfelder bewegen, müssen sie sich auf einem gekrümmten Pfad bewegen. Da sich ihre Bewegungsrichtung ständig ändert, beschleunigen sie auch und emittieren Bremsstrahlung, in diesem Fall wird sie als Synchrotronstrahlung bezeichnet .

Röntgenstrahlen können auch durch schnelle Protonen oder andere positive Ionen erzeugt werden. Die protoneninduzierte Röntgenemission oder die partikelinduzierte Röntgenemission wird häufig als Analyseverfahren verwendet.

Röntgenspektrum – charakteristisch und kontinuierlich

Bei Röntgenstrahlen, die von einer Röntgenröhre erzeugt werden, variiert der Teil der Energie, der in Strahlung umgewandelt wird, von Null bis zur maximalen Energie des Elektrons, wenn es auf die Anode trifft. Die maximale Energie des erzeugten Röntgenphotons wird durch die Energie des einfallenden Elektrons begrenzt, die gleich der Spannung an der Röhre mal der Elektronenladung ist, sodass eine 100-kV-Röhre keine Röntgenstrahlen mit einer Energie von mehr als 100 erzeugen kann keV. Wenn die Elektronen auf das Ziel treffen, werden Röntgenstrahlen durch zwei verschiedene atomare Prozesse erzeugt:

• Bremsstrahlung . Die Bremsstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung eines Elektrons erzeugt wird, wenn es durch starke elektromagnetische Felder von Zielkernen mit hohem Z (Protonenzahl) abgelenkt wird . Der Name Bremsstrahlung stammt aus dem Deutschen. Die wörtliche Übersetzung lautet „Bremsstrahlung“ . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen, wenn es beschleunigt oder abgebremst wird, Energie ausstrahlen. Die Bremsstrahlung ist eine der möglichen Wechselwirkungen von lichtgeladenen Teilchen mit Materie (insbesondere mit hohen Atomzahlen)). Diese Röntgenstrahlen haben ein kontinuierliches Spektrum. Die Intensität der Röntgenstrahlen steigt linear mit abnehmender Frequenz von Null bei der Energie der einfallenden Elektronen, der Spannung an der Röntgenröhre. Das Ändern des Materials, aus dem das Target in der Röhre besteht, hat keinen Einfluss auf das Spektrum dieser kontinuierlichen Strahlung. Wenn wir beispielsweise von einem Molybdän-Target zu einem Kupfer-Target wechseln würden, würden sich alle Merkmale des Röntgenspektrums mit Ausnahme der Grenzwellenlänge ändern.
• Charakteristische Röntgenemission. Wenn das Elektron genug Energie hat, kann es ein Orbitalelektron aus der inneren Elektronenhülle eines Metallatoms schlagen. Da der Prozess eine Lücke in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt, aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach unten , um die unteren Atomebenen zu füllen, und normalerweise werden eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen emittiert. Infolgedessen erscheinen scharfe Intensitätsspitzen im Spektrum bei Wellenlängen, die für das Material charakteristisch sind, aus dem das Anodentarget hergestellt ist. Die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlen können aus dem Bohr-Modell vorhergesagt werden.

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.

Röntgen – Produktion

Da Röntgenstrahlen energiereiche Photonen sind , die elektromagnetischer Natur sind , können sie immer dann erzeugt werden, wenn geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen) mit ausreichender Energie auf ein Material treffen. Es ähnelt dem photoelektrischen Effekt , bei dem beim Auftreffen auf die Metallplatte Photonen vernichtet werden können, die jeweils ihre kinetische Energie an ein Elektron abgeben .

Röntgenstrahlen können durch eine Röntgenröhre erzeugt werden , eine Vakuumröhre, die eine Hochspannung verwendet, um die von einer heißen Kathode freigesetzten Elektronen auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Kathode muss erhitzt werden, um Elektronen zu emittieren. Elektronen, die durch Potentialdifferenzen von Zehntausenden von Volt beschleunigt werden, zielen auf ein Metalltarget (üblicherweise aus Wolfram oder einem anderen Schwermetall) in einer Vakuumröhre. Je größer die Spannung zwischen den Elektroden ist, desto höher ist die Energie, die die Elektronen erreichen. Beim Auftreffen auf das Ziel werden die beschleunigten Elektronen abrupt gestoppt und röntgenund Wärme werden erzeugt. Der größte Teil der Energie wird in der Anode (die gekühlt werden muss) in Wärme umgewandelt. Nur 1% der kinetischen Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Röntgenstrahlen werden üblicherweise senkrecht zum Weg des Elektronenstrahls erzeugt.

Eine spezielle Röntgenquelle, die in der Forschung immer häufiger eingesetzt wird, ist der Teilchenbeschleuniger, der Strahlung erzeugt, die als Synchrotronstrahlung bekannt ist . Wenn sich ultrarelativistisch geladene Teilchen durch Magnetfelder bewegen, müssen sie sich auf einem gekrümmten Pfad bewegen. Da sich ihre Bewegungsrichtung ständig ändert, beschleunigen sie auch und emittieren Bremsstrahlung, in diesem Fall wird sie als Synchrotronstrahlung bezeichnet .

Röntgenstrahlen können auch durch schnelle Protonen oder andere positive Ionen erzeugt werden. Die protoneninduzierte Röntgenemission oder die partikelinduzierte Röntgenemission wird häufig als Analyseverfahren verwendet.

Weiche und harte Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen werden üblicherweise durch ihre maximale Energie beschrieben, die durch die Spannung zwischen den Elektroden bestimmt wird. Röntgenstrahlen mit hoher Photonenenergie (über 5–10 keV) werden als harte Röntgenstrahlen bezeichnet , Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie (und längerer Wellenlänge) als weiche Röntgenstrahlen . Aufgrund ihres Durchdringungsvermögens werden harte Röntgenstrahlen häufig verwendet, um das Innere von visuell undurchsichtigen Objekten abzubilden. Die am häufigsten gesehenen Anwendungen sind in der medizinischen Radiographie. Da die Wellenlängen harter Röntgenstrahlen der Größe von Atomen ähnlich sind, eignen sie sich auch zur röntgenkristallographischen Bestimmung von Kristallstrukturen. Im Gegensatz dazu absorbieren weiche Röntgenstrahlen leicht Luft. Die Dämpfungslänge von 600 eV Röntgenstrahlen in Wasser beträgt weniger als 1 Mikrometer.

Röntgenspektrum – charakteristisch und kontinuierlich

Bei Röntgenstrahlen, die von einer Röntgenröhre erzeugt werden, variiert der Teil der Energie, der in Strahlung umgewandelt wird, von Null bis zur maximalen Energie des Elektrons, wenn es auf die Anode trifft. Die maximale Energie des erzeugten Röntgenphotons wird durch die Energie des einfallenden Elektrons begrenzt, die gleich der Spannung an der Röhre mal der Elektronenladung ist, sodass eine 100-kV-Röhre keine Röntgenstrahlen mit einer Energie von mehr als 100 erzeugen kann keV. Wenn die Elektronen auf das Ziel treffen, werden Röntgenstrahlen durch zwei verschiedene atomare Prozesse erzeugt:

• Bremsstrahlung . Die Bremsstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung eines Elektrons erzeugt wird, wenn es durch starke elektromagnetische Felder von Zielkernen mit hohem Z (Protonenzahl) abgelenkt wird . Der Name Bremsstrahlung stammt aus dem Deutschen. Die wörtliche Übersetzung lautet „Bremsstrahlung“ . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen, wenn es beschleunigt oder abgebremst wird, Energie ausstrahlen. Die Bremsstrahlung ist eine der möglichen Wechselwirkungen von lichtgeladenen Teilchen mit Materie (insbesondere mit hohen Atomzahlen)). Diese Röntgenstrahlen haben ein kontinuierliches Spektrum. Die Intensität der Röntgenstrahlen steigt linear mit abnehmender Frequenz von Null bei der Energie der einfallenden Elektronen, der Spannung an der Röntgenröhre. Das Ändern des Materials, aus dem das Target in der Röhre besteht, hat keinen Einfluss auf das Spektrum dieser kontinuierlichen Strahlung. Wenn wir beispielsweise von einem Molybdän-Target zu einem Kupfer-Target wechseln würden, würden sich alle Merkmale des Röntgenspektrums mit Ausnahme der Grenzwellenlänge ändern.
• Charakteristische Röntgenemission. Wenn das Elektron genug Energie hat, kann es ein Orbitalelektron aus der inneren Elektronenhülle eines Metallatoms schlagen. Da der Prozess eine Lücke in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt, aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach unten , um die unteren Atomebenen zu füllen, und normalerweise werden eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen emittiert. Infolgedessen erscheinen scharfe Intensitätsspitzen im Spektrum bei Wellenlängen, die für das Material charakteristisch sind, aus dem das Anodentarget hergestellt ist. Die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlen können aus dem Bohr-Modell vorhergesagt werden.

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.

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.

Eigenschaften von Röntgenstrahlen – Eigenschaften

Die wichtigsten Eigenschaften von Röntgenstrahlen sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

• Röntgenstrahlen sind hochenergetische Photonen (etwa 100- bis 1000-mal so viel Energie wie die sichtbaren Photonen), die gleichen Photonen wie die Photonen, die den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bilden – Licht.
• Röntgenstrahlen werden üblicherweise durch ihre maximale Energie beschrieben, die durch die Spannung zwischen den Elektroden bestimmt wird. Sie kann von etwa 20 kV bis 300 kV reichen. Strahlung mit niedriger Spannung wird als “ weich “ bezeichnet – und Strahlung mit hoher Spannung wird als “ hart “ bezeichnet.
• Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender.
• Röntgenstrahlen ionisieren Materie durch indirekte Ionisation .
• Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.
  • Photoelektrischer Effekt
  • Compton-Effekt
  • Rayleigh-Streuung
• Röntgenstrahlen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und können Hunderte von Metern in der Luft zurücklegen, bevor sie ihre Energie verbrauchen.
• Da die harten Röntgenstrahlen sehr durchdringende Materie sind, muss sie durch sehr dichte Materialien wie Blei oder Uran abgeschirmt werden.
• 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 .
• Für Röntgenstrahlen, die mit einer Röntgenröhre erzeugt werden, gibt es zwei verschiedene Arten von Röntgenspektren:
  • Bremsstrahlung
  • Charakteristische Röntgenstrahlen
• Charakteristische Röntgenstrahlen begleiten häufig einige Arten von nuklearen Zerfällen, wie z. B. interne Umwandlung und Elektroneneinfang .

Entdeckung von Röntgenstrahlen – Wilhelm Conrad Röntgen

Röntgenstrahlen wurden am 8. November 1895 von dem deutschen Physikprofessor Wilhelm Conrad Röntgen entdecktan der Universität Würtzburg in Deutschland. Er untersuchte elektrische Entladungen in Glasröhren, die mit verschiedenen Gasen bei sehr niedrigem Druck gefüllt waren. In diesen Experimenten hatte Röntgen die Röhre mit etwas schwarzem Papier bedeckt und den Raum abgedunkelt. Dann entdeckte er, dass ein mit einem fluoreszierenden Farbstoff bemaltes Stück Papier in einiger Entfernung von der Röhre glühen würde, wenn er die Hochspannung zwischen den Elektroden in der Röhre einschaltete. Er erkannte, dass er ein zuvor unbekanntes „unsichtbares Licht“ oder einen Strahl erzeugt hatte, der aus der Röhre ausgestrahlt wurde und der durch das schwere Papier, das die Röhre bedeckte, hindurchtreten konnte. Röntgen bezeichnete die Strahlung als „X“, um anzuzeigen, dass es sich um eine unbekannte Art von Strahlung handelte.

Röntgen erkannte die Bedeutung seiner Entdeckung und konzentrierte sich ganz auf die Untersuchung dieser neuen Strahlung, die die ungewöhnliche Eigenschaft hatte, durch schwarzes Papier hindurchzugehen. Durch zusätzliche Experimente fand er auch heraus, dass der neue Strahl die meisten Substanzen durchdringen würde, die Schatten von festen Objekten wie Holzklötzen, Büchern und sogar seiner Hand werfen. Er fand heraus, dass sich Röntgenstrahlen in geraden Linien ausbreiten, von denen sie weder durch elektrische noch durch magnetische Felder abgelenkt werden. Das erste Röntgenbild war ein Bild der Hand seiner Frau auf einer durch Röntgenstrahlen entstandenen Fotoplatte. Seine Entdeckung breitete sich schnell auf der ganzen Welt aus und Wilhelm Conrad Röntgen erhielt für seine Entdeckung den ersten Nobelpreis für Physik.

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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.

Im Allgemeinen ist Kernspaltung eine Kernreaktion, bei der sich der Kern eines Atoms in kleinere Teile (leichtere Kerne) aufspaltet . Der Spaltprozess erzeugt oft freie Neutronen und Photonen (in Form von Gammastrahlen ) und setzt eine große Menge Energie frei . Kernspaltung ist in der Kernphysik entweder eine Kernreaktion oder ein radioaktiver Zerfallsprozess . Der Fall des Zerfalls wird als spontane Spaltung bezeichnet  und ist ein sehr seltener Vorgang.

Eine spontane Spaltung ist auch möglich, wenn wir die Kernbindungskurve untersuchen . Diese Art des Zerfalls ist für einen Kern mit A> 100 energetisch möglich. Obwohl erwartet wird, dass die Spontanspaltung mit zunehmender Massenzahl wahrscheinlicher wird, ist sie selbst in Uran immer noch ein sehr seltener Prozess.

Eine spontane Spaltung ist über praktische Beobachtungszeiten nur für Massenzahlen von mehr als etwa 232 möglich. Zum Beispiel sind ²³² Th, ²³⁵ U und ²³⁸ U Urnuklide und haben Hinweise auf eine spontane Spaltung in ihren Mineralien hinterlassen.

Für schwere transurane Elemente nimmt die Übergangsrate der spontanen Spaltung mit der Massenzahl zu und kann bei Massenzahlen von mehr als etwa 260 zum dominanten Zerfallsmodus werden.

Ähnlich wie beim Alpha-Zerfall tritt auch eine spontane Spaltung aufgrund von Quantentunneln auf . Spontane Spaltungen setzen wie alle Spaltungen Neutronen frei und tragen so zum Neutronenfluss in einem unterkritischen Reaktor bei . Als Neutronenquelle können Radioisotope verwendet werden, für die die spontane Spaltung nicht zu vernachlässigen ist. Beispielsweise kann Kalifornium-252 (Halbwertszeit 2,645 Jahre, SF-Verzweigungsverhältnis etwa 3,1 Prozent) für diesen Zweck verwendet werden.

Die spontane Spaltung von natürlich vorkommenden Isotopen des Urans (Uran-238 und Uran-235) hinterlässt Spuren von Schäden in der Kristallstruktur von uranhaltigen Mineralien, wenn die Spaltfragmente durch sie zurückschießen. Eine radiometrische Datierungstechnik, die auf Analysen dieser Schadensspuren oder -spuren basiert, die von Spaltfragmenten in bestimmten uranhaltigen Mineralien und Gläsern hinterlassen werden, ist als Spaltspurdatierung bekannt .

Spontane Spaltung bestimmter Kerne

Die Hauptisotope, die im Brennstoffkreislauf aller kommerziellen Leichtwasserreaktoren berücksichtigt werden müssen, sind:

Isotope von Uran

• ²³⁸ U . ²³⁸U gehört zur Gruppe derfruchtbaren Isotope. ²³⁸U zerfällt durchAlpha-Zerfallauf²³⁴Th mit einer Halbwertszeit von ~ 4,5 × 10⁹Jahren. ²³⁸U zerfällt gelegentlich durch spontane Spaltung mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,000055%. Seine spezifische Aktivität ist sehr gering (3,4 × 10^-7 Ci / g).
• ²³⁵ U . ²³⁵U gehört zur Gruppe derspaltbaren Isotope. Tatsächlich ist²³⁵U der einzige vorhandene spaltbare Kern aus natürlich vorkommenden Isotopen und daher ein äußerst strategisches Material. ²³⁵U zerfällt über Alpha-Zerfall (über Thorium-231) in²³¹Pa mit einer Halbwertszeit von ~ 7 × 10⁸Jahren. ²³⁵U zerfällt gelegentlich durch spontane Spaltung mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit von 0,0000000072%. Seine spezifische Aktivität ist mit 2,2 x 10 & supmin; & sup6; Ci / g sehr gering.
• ²³⁴ U . ²³⁴U gehört zur Gruppe derfruchtbaren Isotope. ²³⁴U zerfällt durch Alpha-Zerfall auf²³⁰Th mit einer Halbwertszeit von 246 000 Jahren. ²³⁴U zerfällt gelegentlich durch spontane Spaltung mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit von 0,0000000017%. Seine spezifische Aktivität ist viel höher als 0,0063 Ci / g.

Isotope von Plutonium

• ²³⁸ Pu . ²³⁸ Pu gehört zur Gruppe der fruchtbaren Isotope. ²³⁸ Pu zerfällt über Alpha-Zerfall auf ²³⁴ U  mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren. ²³⁸ Pu erzeugt sehr hohe Zerfallswärme und weist eine sehr hohe Spontanspaltungsrate auf.
• ²³⁹ Pu . ²³⁹Pu gehört zur Gruppe der spaltbaren Isotope. ²³⁹Pu zerfällt über Alpha-Zerfall auf ²³⁵ U mit einer Halbwertszeit von 24100 Jahren. Dieses Isotop ist das am häufigsten verwendete spaltbare Isotop.
• ²⁴⁰ Pu . ²⁴⁰Pu gehört zur Gruppe derfruchtbaren Isotope. ²⁴⁰Pu zerfallen über Alpha-Zerfall auf ²³⁶ U mit einer Halbwertszeit von 6560 Jahren. ²⁴⁰Pu hat eine sehr hohe Spontanspaltungsrate und einen hohen Strahlungseinfangquerschnitt für thermische und auch für Resonanzneutronen.
• ²⁴¹ Pu . ²⁴¹Pu gehört zur Gruppe der spaltbaren Isotope. ²⁴¹Pu zerfällt durch negativen Beta-Zerfall auf²⁴¹Am mit einer Halbwertszeit von 14,3 Jahren. Dieses spaltbare Isotop zerfällt zu einem nicht spaltbaren Isotop mit hohem Strahlungseinfangquerschnitt für thermische Neutronen. Ein Einfluss auf die Reaktivität des Kernbrennstoffs ist offensichtlich.

Andere Isotope

• ²⁴² cm. ²⁴² cm Zerfall durch Alpha-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 162 Tagen. ²⁴² cm zerfallen gelegentlich durch spontane Spaltung mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,0000061%.
• ²⁵² Vgl. ²⁵² Cf (Halbwertszeit 2,645 Jahre, SF-Verzweigungsverhältnis etwa 3,1 Prozent) können in der primären Neutronenquelle zur besseren Überwachung des Anlaufens und Abschaltens des Reaktors verwendet werden, wenn der Reaktor unterkritisch ist.

Spontane Spaltung und Quellenneutronen

Der Begriff “ Quellneutronen „ bezieht sich auf andere Neutronen als Neutronen mit sofortiger oder verzögerter Spaltung . Im Allgemeinen stammen sie aus anderen Quellen als der Neutronen-induzierten Spaltung. Diese Neutronen sind beim Starten und Herunterfahren des Reaktors sehr wichtig, wenn der Reaktor unterkritisch ist, da sie es ermöglichen, die Unterkritikalität eines Reaktors normalerweise über Exore-Neutronendetektoren im Quellbereich zu überwachen.

In Kernreaktoren ist unter diesem Gesichtspunkt auch die spontane Spaltung sehr wichtig. In bestrahlten Kernbrennelementen gibt es Nuklide, die einen Prozess der spontanen Spaltung durchlaufen. Wie geschrieben wurde, ist die spontane Spaltung tatsächlich eine Form des radioaktiven Zerfalls, der nur in sehr schweren chemischen Elementen (insbesondere transuranischen Elementen) zu finden ist. Zum Beispiel hat ²⁴⁰ Pu eine sehr hohe Rate an spontaner Spaltung. Bei Brennstoffen mit hohem Abbrand werden die Quellneutronen überwiegend durch spontane Spaltung von Curiumkernen (Cm-242 und Cm-244) bereitgestellt.

Hauptquelle für Neutronen

Manchmal müssen dem System Quellneutronen künstlich hinzugefügt werden. Die externe Neutronenquelle enthält ein Material, das Neutronen und Ummantelungen emittiert, um eine Barriere zwischen dem Reaktorkühlmittel und dem Material zu bilden. Externe Quellen werden normalerweise direkt in den Reaktorkern geladen (z. B. in Führungshülsen). Neutronenquellen, die auf spontaner Spaltung beruhen, werden als Primärquellen bezeichnet . Die primäre Neutronenquelle muss nicht bestrahlt werden, um Neutronen zu erzeugen. Diese Quellen können insbesondere im Fall eines ersten Kerns verwendet werden (dh eines Kerns, der nur aus frischem Brennstoff besteht). Die primäre Neutronenquelle basiert auf der spontanen Spaltreaktion. Die am häufigsten verwendete Quelle für spontane Spaltungen ist das radioaktive Isotop californium-252. Cf-252 und alle anderen Neutronenquellen mit spontaner Spaltung werden durch Bestrahlung von Uran oder einem anderen transuranischen Element in einem Kernreaktor hergestellt, wobei Neutronen im Ausgangsmaterial und seinen nachfolgenden Reaktionsprodukten absorbiert werden und das Ausgangsmaterial in das SF-Isotop umgewandelt wird.

Protonenzerfall ist eine seltene Art des radioaktiven Zerfalls von Kernen, die überschüssige Protonen enthalten , wobei ein Proton einfach aus dem Kern ausgestoßen wird . Dieser Artikel beschreibt hauptsächlich die spontane Protonenemission (Protonenzerfall) und nicht den Zerfall eines freien Protons. Es ist zu beachten, dass ein freies Proton (ein Proton, das nicht an Nukleonen oder Elektronen gebunden ist) ein stabiles Teilchen ist, von dem nicht beobachtet wurde, dass es sich spontan zu anderen Teilchen zersetzt.

Siehe auch: Stabilität von Protonen

Protonenemission tritt in den am meisten protonenreichen / neutronenarmen Nukliden (prompte Protonenemission) und auch in hoch liegenden angeregten Zuständen in einem Kern nach einem positiven Beta-Zerfall auf . Ähnlich wie bei der Neutronenemission wird die Emissionsrate dieser Neutronen nach einem positiven Beta-Zerfall in erster Linie durch den Beta-Zerfall bestimmt. Daher wird diese Emission als Beta-verzögerte Protonenemission bezeichnet.

Der Mechanismus des Zerfalls ist dem des Alpha-Zerfalls sehr ähnlich . Der Protonenzerfall ist auch ein Quantentunnelungsprozess . Um emittiert zu werden, muss das Proton eine Potentialbarriere durchdringen. Damit ein Proton aus einem Kern entweicht, muss die Protonentrennungsenergie negativ sein – das Proton ist also ungebunden und tunnelt in endlicher Zeit aus dem Kern heraus. Einige Kerne zerfallen durch doppelte Protonenemission, beispielsweise ⁴⁵ Fe.

Wenn ein Kern durch Protonenemission zerfällt, ändern sich Atom- und Massenzahlen um eins und ein Tochterkern wird zu einem anderen Element. Kerne, die durch diesen Modus zerfallen können, werden als hoch über der Neutronentropflinie liegend beschrieben. Protonenemission ist in natürlich vorkommenden Isotopen nicht zu sehen. Protonenradioaktive Isotope können durch Kernreaktionen hergestellt werden, üblicherweise unter Verwendung von Teilchenbeschleunigern.