Strahlung und Materie

• Alpha-Teilchen:

  • Ionisieren Atome und Moleküle
  • Sind energiereiche zweifach positiv geladene Heliumkerne
  • Stammen aus dem Kern eines Atoms
  • Abschirmung: Papier
• Beta-Teilchen:

  • Haben dieselbe Masse/Ladung wie Elektronen
  • Ionisieren Atome und Moleküle
  • Stammen aus dem Kern eines Atoms
  • Abschirmung: 5mm Aluminiumblech
• Beta-Minus-Teilchen:

  • Sind energiereiche Elektronen
• Beta-Plus-Teilchen:

  • Sind energiereiche Positronen
• Gamma-Teilchen:

  • Haben keine elektrische Ladung
  • Stammen aus den Atomkernen
  • Gehören zum Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
  • Besitzen Teilchen- und Welleneigenschaften
  • Abschirmung: Durchdringen kaum dicke Bleischichten
• Alpha -Zerfall

  · Atomkern sendet ein Alpha-Teilchen aus

  -> Kernladungszahl Z und Neutronenzahl N veringern sich um 2

  -> Nukleonenzahl A veringert sich um 4

  => Atom mit neuen physikalischen chemischen Eigenschaften

  => Veränderung in der Atomhülle nach Zerfall
• Beta-Minus-Zerfall

  • Im Atomkern Wandelt sich ein Neutron unter Aussendung eines Elektrons und eines Antineutrions in ein Proton um

  -> kern besitzt ein Neutron weniger und ein Proton mehr

  -> Nukleonenzahl A bleibt Konstant

  -> Kernladungszahl z um 1 größer
• Beta-Plus-Zerfall

  • Im Kern zerfällt ein Positron in ein Neutron, unter Aussendung eines Positron und eines Neutrinos

  -> Nukleonenzahl A bleibt Konstant

  -> Kernladungszahl z um 1 kleiner
• Gamma- Zerfall

  • Alpha oder Beta-Zerfall führt in einen angeregten Zustand

  des Tochter Kerns

  • durch Aussendung eines U-Teilchen zerfällt er in seinen Grundzustand

  -> Kernladungszahl Z, Neutronenzahl N und Nukleonenzahl A verändert sich nicht
• Proton ist kein Elementarteilchen

  • Im Protonen befinden sich nämlich zwei up Quark und ein down Quark
  • Ladung eines Proton: 2*2/3e - 1*1/3e = 1e
• Elementarladung ist nicht elementar

  • Es gibt Bruchteile der Elementarladung, zum Beispiel 1/3 e
  • Elementar: Teilchen, die eigenständig sind und nicht weiter zerlegbar sind
• Baryon

  • Es ist ein subatomares Teilchen und besteht aus drei Quarks
  • -> Quark sind Quantenobjekte durch welche Baryonen in einem energetisch angeregten Zustand kurzzeitig existieren können
• Antiteilchen

  • Jedes Teilchen hat ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung, aber gleich bleibenden Eigenschaften
• Meson

  • Es wird gebildet durch zwei Quarks oder durch ein Quark mit einem Antiquark
• Teilchen leihen Energie

  Die Teilchen leihen sich die Energie aus dem Vakuum, denn nach der Quantenphysik ist das Vakuum niemals leer. Ständig entstehen und Vergehen virtuelle Teilchen, denen nach dem Heisenbergschen unschärferealation erlaubt ist, für kurze Zeit, eine gewisse Energie zu besitzen.
• Confinement

  • Es ist eine Eigenschaft, welche Eingeschlossenheit bedeutet.
  • Denn es ist unmöglich, ein einzelnes Quark zu isolieren beziehungsweise ihre Drittladung oder ihre Masse zu bestimmen
• kernumwandlung: Beta-minus Zerfall

  • Beim Beta Zerfall geht im Atomkern das down-Quark des Neutronen in das Up-Quark des Proton über. Das W-minus-Boson trägt die Ladung -e davon und zerfällt in ein Elektron und in sein Antineutrinos.
  • durch die Entstehung eines Elektrons und eines Antineutrionums ist, wird die Ladungserhaltung nicht verletzt
• Starke Wechselwirkung

  • Gluoeneband
  • -> vermittelt farbkraft zwischen Quarks
  • -> verantwortlich für den Zusammenhalt des Atomkerns
  • -> denn je weiter man Quarks voneinander weg zieht, desto mehr Energie braucht man beim Abstand von circa 10^15 m reißt das Band
  • -> am Riss entsteht aus der benötigten Energie, ein neues Quarkpaar
• Starke Wechselwirkung:

  • Wirkt zwischen Quarks
  • Koppelt an die Farbladung
  • Virtuelle Gluonen sind die Feldquanten
  • Gluonen tragen Farbe und Antifarbe
  • Kraft ist sehr groß im Vergleich zu anderen Wechselwirkungen und hängt kaum vom Abstand ab
  • Farbladungen von Baryonen und Mesonen neutralisieren sich nach außen hin
• Schwache Wechselwirkung:

  • Feldquanten sind W-Minus-Boson, W-Plus-Boson und das Z-Boson
  • Können mit allen elementaren Teilchen wechselwirken
  • Sehr massereich und kurze Lebensdauer -> kein leichter Reaktionspartner
  • Hat nur einen sehr kleinen Wirkungsbereich und ist im Vergleich zu anderen Wechselwirkungen sehr schwach
  • Einzige Wechselwirkung, die Teilchen mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen ineinander umwandeln kann
• Aufbau der Atome

  Ein Atom besteht aus Atomkern X und Atomhülle. Die Atomhülle enthält Z negativ geladene Elektronen, der Atomkern Z positiv geladene Protonen und N ungeladene Neutronen.

  A = Z + N neunt man Nukleonenzahl.
• Elektromagnetisches Spektrum

  Im elektromagnetischen Spektrum sind alle Strahlungsarten zusammengefasst, die sich Wie eine elektromagnetische Welle verhalten.

  zu den elektromagnetischen Wellen gehören U. a.: Die Wellen. mit denen man Rundfunk, Fernsehen und Handy betreibt, Mikrowellen, Licht einschließlich Infrarot und Ultraviolett sowie Röntgen-und Gammastrahlung
• Röntgenstrahlung

  Info

  • Unsichtbare Strahlung
  • Durchdringungfähigkeit in Materie
  • schwärzt Fotoplatten
  • keine Beeinflussung durch elektrische/magnetische Felden

  Verwendung

  • Medizin Röntgendiagnosti, Strahlentherapie

  Gefahren

  • Erbgut wird beschädigt (DNA)
  • Erhöht Krebsrisiko
  • Organschädigung
• Röntenröhre

  In der Röntgenröhre wird die Anode mit Elektronen hoher Energie beschossen. Beim abbremsen der Elektronen entsteht die Röntgenstrahlung.

  Denn immer dann, wenn dektrische Ladung beschleunigt oder abgebremst wird, entsteht elektromagnetische Strahlung

  
• Energieniveau

  Die diskrete Energie, die als Energiestand zu einem quantenmechanischen Zustand eines System gehört. Die diskrete Zustandsänderung in solcheinem Quantensystem nennt man Quantensprung
• Linienspektrum

  Die Zerlegung des Licht in Linien, oft durch einen Spalt oder Lichtfäden hevorgerufen. Dies entsteht wenn Atome von einem diskret angeregten Zustand in einen diskreten energetisch tieferliegenden Zustand übergehen.
• Spektralanalyse

  1. Licht aus der Spektroskopröhre trifft auf die Eintrittsöffnung des Lichtleiters und wird von dort durch den Lichtleiter zu einem festen Gitter im Spektrometer geleitet

  2. Das reseultierende Lichtspektrum wird von einem Detektor, einem lichtempfindlichen elektronischen Bauteil, aufgezeichnet

  3. Gleichzeitig misst es die Intensität der einzelnen Spektrallinien

  4. Das resultierende elektrische Signal wird von einem Computer ausgewertet und zeigt die Intensität der einzelnen Linien im Wellenlängenbereich an

  5. Dadurch entsteht auf dem Monitor ein Linienspektrum
• Energiequantelung in der Atomhülle

  Die Energie in der Atomhülle ist quantiert. Die Elektronen nehmen dort nur diskrete Zustände mit scharf bestimmten Energiewerten ein. Jedes Elektron in der Atomhülle befindet sich in einem dieser Energieniveaus.

  Quantensprünge des Atoms sind mit Elektronenübergängen zwischen den einzelnen diskreten Energieniveaus der Atomhülle verbunden.

  Mit dem Aufbau der Atomhülle lassen sich u. a. Linienspektren, Flammfärbung, Frauenhoferlinien im Sonnenspektrum und charakteristische Röntgenlinien erklären.
• Flammfärbung

  Eine wichtige Methode der chemischen Analyse, bei der man Elemente in Proben identifiziert.

  Die Flammfärbung entsteht wenn Atome durch thermisch

  Anregung mit anschließendem Quantensprung aus angeregten

  Zuständen in energetisch tierferliegende Zustände übergehen.
• Frauenhoferlinien

  Wenn man die Absorptionsspektren der Sonne aufnimmt, kann

  man die chemische Zusammensetzung ihrer Analysieren. So findet

  man im Spektrom des Sonnenlichts dunkle Absorptionslinien

  bzw. Frauenhoferlinien
• Charakteristische Röntgenstrahlen

  Wenn ein Atom auf die Anode trifft, entsteht eine Wechselwirkung, bei der Elektronen nur Elektronen aus der H-Schale, der innersten Schale, einer Atomhülle herausschlagen können.

  Daraufhin rückt ein Elektron aus der L oder aus der M. Schale in die K-Schale nach. Die Energiedifferenz wird nun in Form von Röntgenstrahlung abgegeben.

  Je nachdem aus welcher Schale ein Elektron nachrückt. entstehen verschiedene Röntgenlinien

  
• Geiger-Müller-Zählrohr

  Durch das dünne Glimmerfenster kommen energiereiche Teilchen ins innere und ionisieren Atome. Die dadurch freigesetzten Elektronen Wandern zum geladenen Draht. Unterwegs bekommen sie so viel Energie, das sie weitere Elektronen herausschlagen können, die auch ionisieren. Durch diese Kettenreaktion entsteht eine Elektronenlawine. Das Gas wird leitend und im Stromkreis gibt es einen Stromstoß. Am Widerstand tritt Teilspannung auf dadurch sinkt die Spannung am Zählrohr soweit das die Reaktion abbricht. Das Gas wird zum Isolator.
• Nachweisbarkeit von a-Strahlung(GM)

  • a-Strahlung wird sehr leicht abgeschirmt
  • Großer Anteil der a-Teilchen wird in der Folie des Eintrittsfensters absorbiert
  • Nur sehr kleiner Teil der a-Strahlung gelangt in das Innere des GM-Zählers und löst dort Ionisationsereignisse aus
  • Trotz großer Ionisierungsfähigkeit wird a-Strahlung nur zu sehr geringem Anteil nachgewiesen
• Stochastische Strahlenwirkungen

  • Erkrankung die erst nach Jahren auftritt (Krebs)
  • Wahrscheinlichkeit für den Eintritt der Erkrankung hängt mit der Energiedosis zusammen
  • Schwere der Erkrankung hängt nicht mit der Energiedosis zusammen
• Deterministische Strahlenwirkung


  • Erkrankungen die in naher Zukunft auftreten
  • Schwere der Erkrankung hängt mit der Energiedosis zusammen
  • Dosisschwelle, unterhalb keine Krankheitssymptome auftreten