7 Periodensystem der Elemente vs. Nuklidkarte ca. 115 unterschiedliche chemische Elemente ⇒ Periodensystem der Elemente 2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (2) 8 ca. 2800 unterschiedliche Nuklide ⇒ Nuklidkarte 2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (3) Periodensystem der Elemente vs. Nuklidkarte stabile Nuklide instabile (radioaktive) Nuklide Neutronenzahl Protonenzahl
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2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (3) Periodensystem ......K e r n b i n d u n g s e n e r g i e p r o N u k l e o n i n M e V / u g/g-Kerne u/g, g/u-Kerne 2) Kernstabilität
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Periodensystem der Elemente vs. Nuklidkarte
ca. 115 unterschiedliche chemische Elemente ⇒ Periodensystem der Elemente
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (2)
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ca. 2800 unterschiedliche Nuklide ⇒ Nuklidkarte
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (3)
Periodensystem der Elemente vs. Nuklidkarte
stabile Nuklide
instabile (radioaktive) Nuklide
Neutronenzahl
Prot
onen
zahl
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Abhängigkeit der Kernstabilität von der Kernzusammensetzung
ß--Stabilitätslinie
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (4)
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Protonen/Neutron-Zahl
Statistisches Ergebnis bei der Betrachtung aller stabilen Nuklide
Protonenzahl Neutronenzahl Auftreten
gerade (g) gerade (g) sehr häufig, 158 Kerne
gerade (g) ungerade (u) häufig, 53 Kerne
ungerade (u) gerade (g) häufig, 50 Kerne
ungerade (u) ungerade (u) selten , nur 6 Kerne
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (5)
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Isobare Kerne 12X mit angenommenen Nukleonenorbitalen
Instabil Stabil Instabil
ß- Zerfall ß+ Zerfall
Die Theorie getrennter Protonen- und Neutronenorbitale
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (6)
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Kernbindungsenergie und Nuklidmassen
Mass number
Ker
nbin
dung
sene
rgie
pro
Nuk
leon
in M
eV/u g/g-Kerne
u/g, g/u-Kerne
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (7)
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Kernbindungsenergie undNuklidmassen
Beachte!
Protonenmasse: 1.67252 x 10-27 kgNeutronenmasse: 1.67482 x 10-27 kg
Die Masse eines Atomkerns ist stets kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile.
Masse eines Nuklids: M = Z MProton + N MNeutron - δM wobei δM dem Massendefekt entspricht.
E = m c2
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (8)
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α - StrahlungEmission eines Heliumkernes
- Die Kernladung nimmt um 2 Einheiten ab- Die Atommasse nimmt um 4 Einheiten ab
- Typisch für schwere Kerne- Das α-Teilchen übernimmt nahezu die gesamte Energie des Zerfalls (geringe Masse im Vergleich zum Rückstoßkern)
Nach der Gleichung ∆E = (MMutter -MTochter -Mα) c2 sollten alle Kerne mitA > 140 einem α-Zerfall unterliegen
- Ein He-Kern besitzt eine ausgesprochen hohe Kernbindungsenergie- Der Zerfall ist jedoch kinetisch gehindert (hohe Energiebarriere, die vom α-Teilchen getunnelt werden muss)
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (9)
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α - Strahlung
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (10)
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α - Strahlung
α-SpektrenTyp 1- Alle α-Teilchen stammen von einem definierten Übergang
- Die Teilchen sind monoenergetisch- Eine α-Linie wird im Spektrum beobachtet
Typ 2- Zwei oder mehrere Linien- Der α-Zerfall führt zu angeregten Zuständendes Tochternuklids
Typ 3- Eine Hauptlinie und mehrere (weniger intensive) Linien bei höheren Energien
- Angeregte Zustände des Mutternuklids sindeinbezogen
Übergänge eines „Typ 2“-Zerfalls
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (11)
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ß- - StrahlungEmission eines ß- -Teilchens („Kernelektron“)
- Ordnungszahl steigt um eine Einheit- Massenzahl bleibt (fast) unverändert
- Typisch für Kerne mit Neutronenüberschuss- interne Umwandlung eines Neutrons in ein Proton (+ ß--Teilchen + Antineutrino)
ß- Zerfall:
- Die Bildung eines Antineutrinos ist wegen des Drehimpuls- und desEnergieerhaltungssatzes dringend notwendig
- Aufteilung der Energie zwischen dem ß--Teilchen und dem Antineutrino- Kommt oft zusammen mit γ-Strahlung vor
ν00
01
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10 )()( ++→ −
− eKernpKernn
ß-Teilchen
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ß- - Strahlung
ß-Spektren
- ß-Teilchen eines Zerfalls besitzen keine definierte Energie
- Die Energie des Zerfalls verteilt sichzwischen dem ß-Teilchen und demAntineutrino
- Typische Parameter sind Emax und EDurchschnitt
- EDurchschnitt ist ca. 1/3 Emax
Typisches ß-SpektrumDurchschnitlicheEnergie
Rel
ativ
e H
äufig
keit
Energie in MeV
MaximaleEnergie
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ß+- StrahlungEmission eines Positrons (ß+-Teilchens)
- Ordnungszahl nimmt um eine Einheit ab- Massenzahl bleibt (fast) unverändert
- typisch für Nuklide mit Protonenüberschuss- Interne Umwandlung eines Protons in ein Neutron (+ Positron + Neutrino)
ß+ Zerfall:
- Die Bildung eines Neutrinos ist wegen des Drehimpuls- und desEnergieerhaltungssatzes dringend notwendig
- Ähnlicher Prozess wie beim ß--Zerfall- Emission eines Neutrinos
ν00
01
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11 )()( ++→ +eKernnKernp
Positron
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (14)
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ß+- Strahlung
Emission eines Positrons (ß+-Teilchens)
- Ein Positron ist nicht stabil und reagiert sofort mit einem Elektron unter Bildungzweier γ-Quanten
- Umwandlung von Materie in Energie
- keine ß+-Spektren messbar- Es werden zwei γ-Quanten mit definierter Energie (E = m c2) emittiert
- Die Quanten werden in einem Winkel von180° zueinander emittiert
Annihilation eines Positrons
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (15)
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γ- StrahlungEmission von elektromagnetischerStrahlung durch einen Kernzerfall
- Keine Änderung von Ordnungszahl undMassenzahl
- Relaxation eines angeregten Zustandsin den Grundzustand des Atomkerns
- γ-Strahlung kommt häufig in Verbindung mit α- oder ß-Prozessen vor
- reine γ-Emitter sind selten (metastabile Kernisomere)
- Elektromagnetische Strahlung mit hohem Durchdringungsvermögen
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (16)
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γ- Strahlungγ- Spektren- Diskrete Linienspektren stehen für die
γ-Übergänge eines Kernzerfalls- γ-Linien sind für definierte Übergänge repräsentativ
- nuklidspezifische Spektren
Typisches γ-Spektrum
- Für analytische Zwecke gutgeeignet
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (17)
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Neutronenstrahlung
- Bildung z.B. bei Kernspaltung- Neutronen besitzen keine Ladung - Keine direkte Wechselwirkungen mit derElektronenhülle
Typische Reaktion eines Neutrons
Neutroneneinfang
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Protonstrahlung
- Sehr seltener Zerfallstyp- erst 1982 entdeckt- findet bei protonenreichen Kernen statt
- Konkurrenz zum häufigerablaufenden ß+-Zerfall
Elektroneneinfang
- Einfang eines K-Elektrons bei protonenreichen Kernes
- Umwandlung eines Protons in ein Neutron
- mit Positronenzerfall vergleichbar - Ordnungszahl nimmt um eine Einheit ab
2) Kernstabilität und radioaktive Strahlung (19)
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Bremsstrahlung
- Keine direkte Kernstrahlung- Sekundärstrahlung, die entsteht,wenn ß-Teilchen die Elektronen-hüllen von Atomen durchqueren
- ß-Teilchen verlieren einen Teilihrer Energie
- Diese Energie wird vom Atomals sekundäre Röntgenstrahlung(Bremsstrahlung) abgegeben
- Bremsstrahlung nimmt mit der Kernladung des Absorbers zu
(Hat Konsequenzen für die Abschirmung von ß-Strahlung)