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Titel / Referat: Radionuklide (oder radioaktive Nuklide) - instabile Atomsorten, deren Kerne radioaktiv zerfallen (Anwendungsgebiete)

Schlagwörter: Anwendungsgebiete von Radionukliden, Altersbestimmung mit Radionukliden, C-14-Methode, Anwendung von Radionukliden in Medizin und Technik, Bestrahlungsverfahren, Durchstrahlungsverfahren, Makierungsverfahren Hausaufgabe, Referat

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Radionuklide oder radioaktive Nuklide


Altersbestimmung mit Radionukliden

  • Altersbestimmung von Gesteinen, archäologischen Funden und anderen Objekten auf Grundlage der Ermittlung der in ihnen enthaltenen Radionuklide, deren Zerfallsprodukten oder der Isotopenzusammensetzung


C-14-Methode

  • bekannteste Methode radioaktiver Zeitmessung
  • Alter organischer Überreste bestimmen


Geschichte:

  • von amerikanischen Physiker WILLARD FRANK LIBBY (1908–1980) entwickelt
  • auch Radiokohlenstoffmethode oder Radiokarbonmethode
  • 1960: Nobelpreis für Chemie


Grundlagen:

  • radioaktiver Kohlenstoff-14 entsteht in der Luft durch Kernumwandlung von Stickstoff infolge des ständigen „Beschusses“ mit Neutronen der Höhenstrahlung
  • Pflanzen nehmen bei Assimilation radioaktives C-14 und nicht radioaktives C-12 auf
  • Pflanzen von Tieren gefressen, Menschen essen pflanzliche und tierische Produkte -> festes Verhältnis von C-14 und C-12 in allen Lebewesen
  • Annahme: Prozess läuft seit Jahrtausenden ab, Anteil an C-14-Isotopen in der Atmosphäre weitgehend gleich
  • Tod eines Lebewesens: Aufnahme von Kohlenstoff endet
  • Anteil von C-14 am Kohlenstoff des toten Materials nimmt mit Halbwertszeit von 5 730 Jahren ab
  • mit Mengenverhältnis von C-14 und C-12 kann auf das Alter eines Fundes geschlossen werden


Beispiel:

  • beim Fund einer Mumie beträgt der C-14-Anteil nur noch 50% des heutigen Anteils -> es muss einmal die Halbwertszeit vergangen sein
    1*5730 Jahre = 5730 Jahre


Ötzi

  • September 1991 gefunden
  • 3252±102 v. Chr., 5300 Jahre alte Mumie


Ursachen für Messungenauigkeiten:

  • Annahme: stabiles Verhältnis der beiden Kohlenstoffisotope C–12 und C–14 zueinander, aber Erkenntnisse über Schwankungen
  • Halbwertszeit von C–14 : 5 730 +/- 40 Jahre
  • Messfehler bei Bestimmung des Mengenverhältnisses der Isotope -> Messungenauigkeit von 1 % zu einer Altersunsicherheit von +/- 83 Jahre
  • mit dieser und anderen Methoden radioaktiver Altersbestimmung immer nur ein ungefähres Alter bestimmen
  • C–14–Methode: durchschnittlichen Fehler von +/- 200 Jahren


Weitere Methoden

1. Tritiummethode:

  • ähnlich wie bei Kohlenstoff : Tritium, also schwerer Wasserstoff (Wasserstoff–3) bildet sich in Atmosphäre
    z. B. in Wasser näherungsweise konstantes Verhältnis von radioaktivem Wasserstoff– 3 und Wasserstoff–1
  • Wassermenge von Luft abgeschlossen -> Verhältnis verändert sich durch Zerfall des Tritiums
  • zur Bestimmung des Alters von Wasser angewendet
  • geringen Halbwertszeit des Tritiums von 12,3 Jahren -> nur Alter bis etwa 50 Jahre bestimmbar


2. Bleimethode:

  • drei in Natur existierende Zerfallsreihen (Uran–Radium Reihe, Uran–Actinium–Reihe, Thorium–Reihe) führen über eine Reihe von Folgekernen zu stabilem Blei
  • Zusammensetzung einer Probe hängt von Zeit ab
  • Bestimmung des Verhältnisses der Anteile des radioaktiven Ausgangsnuklids zu seinen Zerfallsprodukten -> Altersbestimmung der Probe über Halbwertszeiten
  • Altersbestimmungen über große Zeiträume hinweg
  • in Geologie und Kosmologie angewendet


3. andere Radionuklide, die sich in ein stabiles Nuklid umwandeln

  • Kalium–40
  • Rubidium–87 (Alter der ältesten Mineralien auf der Erde auf etwa 4 Milliarden Jahre datiert) 

 

Anwendung von Radionukliden in Medizin und Technik

  • Radionuklide in verschiedenen Bereichen der Technik und der Medizin eingesetzt
  • Anwendungen auf drei grundlegende Verfahren zurückführen: Bestrahlungsverfahren, Durchstrahlungsverfahren und Markierungsverfahren


Das Bestrahlungsverfahren

  • Eigenschaft radioaktiver Strahlung in Stoffen chemische, biologische oder physikalische Veränderungen hervorzurufen, genutzt (Zellen beeinflussen)


Verbesserung der Lagerfähigkeit von Lebensmitteln:

  • Lagerung von Lebensmittel über einen längeren Zeitraum mit möglichst wenig Qualitätsverlusten
  • Qualitätsverluste vor allem durch Keimung
  • Bestrahlung mit radioaktiver Strahlung -> besonders empfindliche Keimzellen
    so beeinflusst, dass kaum Keimung auftritt, Verbesserung der Lagerfähigkeit
  • bestrahlten Stoffe zwar beeinflusst, werden aber selbst nicht radioaktiv
  • nachteilige Folgen für Verbraucher nicht bekannt


Strahlentherapie:

  • Zellen nicht nur schädigen, sondern zerstören
  • Bekämpfung von Tumoren
  • intensive Bestrahlung der Tumorzellen; Bündelung der Strahlung, Bestrahlung aus unterschiedlichen Richtungen
    -> Schonung des umliegenden Gewebes
  • relativ hohen Strahlendosis gearbeitet (zwischen 40 Gy und 70 Gy)


Nutzung in der Technik:

  • beeinflusst Zellen von Werkstoffen -> Veränderung der Eigenschaften
  • Verbesserung der Reißfestigkeit dünner Folien aus Hochpolymeren (Polystyrol, Polyethylen) durch Bestrahlung
  • gezielt Veränderung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern


Das Durchstrahlungsverfahren

  • Durchdringungsfähigkeit radioaktiver Strahlung von Stoffen und ihr Absorptionsvermögen in Stoffen genutzt
  • Werkstoffprüfungen; Dichte, Konzentration oder Dicke von Stoffen messen; Füllstandsmessungen


Prüfung von Werkstoffen:

  • bei massiven Werkstücken (Trägern, Behältern, Lagerungen für Brücken) mögliche Fehler oder Mängel von außen meist nicht erkennbar
  • Werkstoffprüfung mithilfe radioaktiver Strahlung
  • Werkstück durchstrahlt; hindurchtretende radioaktive Strahlung mit Strahlungsmessgerät erfasst
  • Fehler im Werkstück -> andere Absorption radioaktiver Strahlung als bei benachbarten Bereichen; andere Intensität der hindurchtretenden Strahlung
  • Erfassen von Einschlüsse oder Luftblasen; Qualität von Schweißnähten prüfen


Dicken– und Füllstandsmessungen:

  • Herstellung von Folien aus Kunststoff oder von Papier
    -> kontinuierlichen Dickenmessungen
  • Anbringen einer Strahlungsquelle mit einem langlebigen Radionuklid oberhalb der Folienbahn
  • unterhalb: Empfänger, registriert durch Folien hindurchtretende Strahlung
  • bestimmten Schichtdicke -> hindurchtretende Strahlung hat bestimmten Wert
  • Schichtdicke ändert -> sich mehr oder weniger radioaktive Strahlung registriert
  • Materialzufuhr über Regelungsmechanismus verändert
  • Füllstandsmessungen in Behältern: Absorptionsvermögen radioaktiver Strahlung genutzt
  • geringen Füllstand -> Strahlung direkt zum Empfänger
  • höherer Füllstand -> radioaktive Strahlung teilweise absorbiert


Messungen der Dichte und der Konzentration von Stoffen:

  • chemische Stoffe durch Rohrleitungen transportiert
  • Intensität der Strahlung am Strahlungsempfänger bestimmten Dichte oder Konzentration des Stoffes 


Das Makierungsverfahren

  • Verfolgung der Anreicherung oder den Weg von Stoffen im menschlichen Körper, bei Tieren und Pflanzen, in Rohrleitungen, in Maschinen und Anlagen oder im Erdboden
  • Grundprinzip: an r geeigneter Stelle ein Radionuklid -> Anreicherung dieses Radionuklids an bestimmten Stellen oder sein Weg verfolgt
  • Registrierung mithilfe von Strahlungsmessgeräten -> erfassen räumliche Verteilung
  • 1913 zum ersten Mal von den Radiochemikern G. HEVESY und F. PANETH angewendet


Untersuchung der Schilddrüse:

  • Schilddrüse auf krankhafte Veränderungen untersuchen
  • Eigenschaft der Schilddrüse: bevorzugte Anreicherung von Iod
  • Konzentration in einzelnen Teilen -> Rückschlüsse auf Organfunktion
  • zunächst radioaktives Iod gespritzt
  • Iod reichert sich sehr schnell in der Schilddrüse an, gibt radioaktive Strahlung ab
  • Strahlung des radioaktiven Iods registriert, mithilfe eines Computers ausgewertet -> Bild: Szintigramm, krankhafte Veränderungen erkennbar
  • früher das Radionuklid Iod–131 mit einer Halbwertszeit von etwa 8 Tagen
  • heute Iod–123 mit einer Halbwertszeit von 12,3 Stunden oder Technetium–99 verwendet -> Strahlenbelastung des Patienten deutlich geringer
  • Aktivitäten der Radionuklide zwischen 2 MBq und 40 MBq
  • auch Leber und Bauchspeicheldrüse untersucht
  • in welches Organ ein Radionuklid bevorzugt wandert, hängt davon ab, in welche chemische Verbindung es eingebaut worden ist.


Weg von Stoffen in einer Pflanze:

  • Wasser, das die Pflanze aufnimmt, ein Radionuklid beigegeben -> radioaktive Strahlung in zeitlichen Abständen gemessen
  • Bild 1: Radionuklid Phosphor–32 im Stängel konzentriert.
  • Bild 2: in den Blättern 

 

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