Die Wirkungen der radioaktiven Strahlungsarten

Die Wirkungen der radioaktiven Strahlungsarten Übung

• Gib die physikalisch richtigen Aussagen zur radioaktiven Strahlung an.

  Tipps

  Die Betastrahlung besteht nicht aus Protonen.

  Die Gammastrahlung ist keine Teilchenstrahlung.

  Zur Abschirmung von Alphastrahlung reicht schon ein Blatt Papier aus.

  Lösung

  • Die Alphastrahlung besteht aus doppelt positiv geladenen Heliumkernen.

  Die Entstehung der Alphastrahlung beruht auf dem Zerfall eines Radionuklids, der als Alphazerfall bezeichnet wird. Dabei werden zwei Protonen und zwei Neutronen aus einem Atomkern herausgelöst, die dann das sogenannte Alphateilchen bilden. Ein Alphateilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen ergibt einen doppelt positiv geladenen Heliumkern $ \ce{ ^{4}_{2} He}$.
  $\implies$ Diese Aussage ist richtig.

  
  

  • Die Betastrahlung besteht aus Elektronen oder Positronen.

  Die Entstehung der Betastrahlung beruht auf dem Zerfall eines Radionuklids, der als Betazerfall bezeichnet wird. Dabei findet ein Rollentausch zwischen Neutronen und Protonen statt: Ein Neutron verwandelt sich in ein Proton oder ein Proton verwandelt sich in ein Neutron. Ersteres wird als $\beta^-$-Zerfall, Letzteres als $\beta^+$-Zerfall bezeichnet. Beim $\beta^-$-Zerfall wird ein Elektron $ \ce{^{0}_{-1}e} $ und beim $\beta^+$-Zerfall ein Positron $ \ce{^{0}_{+1}e} $ frei.
  $\implies$ Diese Aussage ist richtig.

  
  

  • Die Gammastrahlung besteht aus Neutronen und Elektronen.

  Ein Gammazerfall findet statt, wenn die aus dem Alpha- oder Betazerfall resultierenden Produkte energetisch angeregt sind. Die Gammastrahlung ist keine Teilchenstrahlung, sondern eine hochenergetische elektromagnetische Strahlung.
  $\implies$ Diese Aussage ist falsch.

  
  

  • Gammastrahlung wird von einem Blatt Papier absorbiert.

  Nicht die Gammastrahlung wird von einem Blatt Papier absorbiert, sondern die Alphastrahlung. Gammastrahlung kann jedoch mithilfe einer circa $13~\text{mm}$ dicken Bleischicht effektiv abgeschwächt werden.
  $\implies$ Diese Aussage ist falsch.

• Fasse zu möglichen somatischen und genetischen Strahlenschäden wichtiges Wissen zusammen.

  Tipps

  Somatische Schäden betreffen immer die Person, die bestrahlt wurde.

  Immunschwächen sind keine somatischen Schäden.

  Lösung

  In der Tabelle siehst du die Unterteilung der Strahlenschäden in somatische und genetische Schäden:
  Somatische Schäden treten immer bei der Person auf, die bestrahlt wurde.
  Genetische Schäden können die Nachkommen der betroffenen Person erleiden.

  Somatische Schäden sind beispielsweise Fieber, Entzündungen der Schleimhäute, Leukämie und Krebs.

  Genetische Schäden betreffen das menschliche Erbgut. Sie können zu Fehlbildungen, Immunschwächen oder Stoffwechselerkrankungen führen.

• Beschreibe die Wechselwirkung radioaktiver Strahlung mit verschiedenen Stoffen.

  Tipps

  $\gamma$-Strahlung kann durch eine Bleiplatte hindurchgehen.

  Absorption beschreibt die Aufnahme eines Stoffes.

  Lösung

  Die Wechselwirkung von radioaktiver Strahlung mit verschiedenen Materialien ist von entscheidender Bedeutung, um ihre Eigenschaften und Wirkungen zu verstehen. $\alpha$-Strahlung beispielsweise wird von einem Blatt Papier vollständig absorbiert, während $\beta$-Strahlung eine vollständige Absorption durch ein $\pu{1 mm}$ dickes Aluminiumblech erfährt. $\gamma$-Strahlung hingegen zeigt eine Absorption von $50$ Prozent beim Durchgang durch eine $\pu{13 mm}$ dicke Bleiplatte.
  Diese Wechselwirkungen werden durch Begriffe wie Absorption und Transmission beschrieben, die das Verhalten der radioaktiven Strahlung in Bezug auf verschiedene Materialien und Substanzen verdeutlichen. Absorption bedeutet hierbei, dass die Strahlung von einem Stoff aufgenommen wird, während Transmission darauf hinweist, dass die Strahlung durch einen Stoff hindurchgeht.

  Folgende Zuordnungen sind richtig:

  • $\alpha$-Strahlung wird von einem Blatt Papier vollständig absorbiert.
  • $\beta$-Strahlung wird von einem $\pu{1 mm}$ dicken Aluminiumblech vollständig absorbiert.
  • $\gamma$-Strahlung erfährt beim Durchgang durch eine $\pu{13 mm}$ dicke Bleiplatte eine Absorption von $50$ Prozent.
  • Radioaktive Strahlung wird beim Auftreffen auf verschiedene Stoffe entweder absorbiert oder hindurch gelassen.
  • Absorption bedeutet, dass die radioaktive Strahlung von einem Stoff aufgenommen wird.
  • Transmission bedeutet, dass die radioaktive Strahlung durch einen Stoff hindurchgeht.

• Bestimme den prozentualen Anteil eines radioaktiven Stoffes nach einer $6$-fachen Halbwertszeit.

  Tipps

  Halbwertszeit bedeutet, dass der Bestand sich in diesem Zeitraum halbiert hat.

  Nach einer Halbwertszeit kann man den aktuellen Bestand mit $\dfrac{1}{2}$ multiplizieren, da sich der Bestand halbiert hat.

  Hier siehst du die Tabelle mit den Beständen des radioaktiven Stoffes nach vier Halbwertszeiten.

  Der Bestand nach der fünften Halbwertszeit berechnet sich durch:

  $ \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{N_0}{16} = \dfrac{N_{0}}{32} \approx 3{,}12\,\%$

  Lösung

  Gesucht ist der noch vorhandene prozentuale Anteil eines radioaktiven Stoffes nach einer $6$-fachen Halbwertszeit.

  Der prozentuale Anteil eines radioaktiven Stoffes nach einer Halbwertszeit beträgt $\dfrac{1}{2}$ oder $50$ Prozent der Anfangsmenge $(N_0)$.
  Um den prozentualen Anteil nach mehreren Halbwertszeiten zu bestimmen, können wir die Anfangsmenge $N_0$, welche stets $100$ Prozent sind, immer durch $2$ teilen:

  Die Ergebnisse für eine bis vier Halbwertszeiten siehst du in der Tabelle.

  Für die Weiteren gilt:

  $N(5) = \dfrac{N_{0}}{32} = 100\,\% \cdot \left( \dfrac{1}{2} \right)^5 = 100\,\% \cdot \left( \dfrac{1}{32} \right) \approx 3{,}12\,\%$

  $N(6) = \dfrac{N_{0}}{64} = 100\,\% \cdot \left( \dfrac{1}{2} \right)^6 = 100\,\% \cdot \left( \dfrac{1}{64} \right) \approx 1{,}56\,\%$

  Nach sechs Halbwertszeiten beträgt der noch vorhandene prozentuale Anteil des radioaktiven Stoffes nur noch $1{,}56$ Prozent der ursprünglichen Menge $(N_0)$.

• Gib die Gründe für die Rückkehr der Tiere in das radioaktive Gebiet von Tschernobyl an.

  Tipps

  Aus einem beschädigten Reaktor tritt radioaktive Strahlung aus.

  Radioaktive Substanzen haben eine Halbwertszeit und zerfallen in unterschiedlichen Zeiträumen.

  Lösung

  In Tschernobyl explodierte 1986 im Kernkraftwerk ein Reaktor. Eine große Menge radioaktiver Strahlung gelangte in die Umwelt.
  Zahlreiche Menschen und Tiere starben unmittelbar danach oder später an den Langzeitfolgen. Das Gebiet ist noch gesperrt aber etliche Tiere sind bereits zurückgekehrt.
  Viele radioaktive Substanzen sind zerfallen und geben inzwischen weniger Strahlung ab als zuvor.
  Es wird davon ausgegangen, dass die Tiere größere Widerstandskräfte gegen radioaktive Strahlung entwickelt haben als die Menschen. Außerdem haben die Tiere in Tschernobyl ein großes Gebiet, in dem sie nicht von den Menschen gestört werden.

• Schätze das Alter des Fossils mithilfe der Radiokarbonmethode.

  Tipps

  Hier kannst du den prozentualen Anteil der verbleibenden radioaktiven Substanz nach der jeweiligen Halbwertszeit sehen.

  Wir wissen, dass drei Halbwertszeiten vergangen sein müssen, wenn der Anteil eines radioaktiven Stoffes nur noch $12{,}5$ Prozent beträgt.

  Lösung

  Mithilfe der Radiokarbonmethode beziehungsweise $\ce{C14}$-Methode lässt sich das Alter von antiken Fossilen leicht schätzen: Das Kohlenstoff-Isotop $\ce{^{14}C}$ besitzt eine Halbwertszeit von 5 730 Jahren.

  Bei einem Anteil von $12{,}5$ Prozent können wir anhand des Diagramms sehen, dass drei Halbwertszeiten vergangen sein müssen.

  Das ist die Rechnung dazu:

  $ 100\,\% \cdot \left( \dfrac{1}{2} \right)^x = 12{,}5\,\% = 100\,\% \cdot \left( \dfrac{1}{8} \right)$

  $\Rightarrow x= 3$

  Der originale $\ce{C14}$-Anteil wurde insgesamt geachtelt. Pro Halbierung des $\ce{C14}$-Anteils sind 5 730 Jahre vergangen. Wartet man das dreimal ab, ergibt sich das ungefähre Alter des Fossils:

  $5\,730 \cdot 3 = 17\,190$

  Somit ist das Fossil rund 17 190 Jahre alt.