Big Bang HTL 4, Schulbuch

Radioaktivität 15 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 141 Je instabiler ein Stoff, desto schneller zerfällt er (Tab. 15.2 und Abb. 15.5). Die Halbwertszeiten reichen von unvorstell- bar kurz bis unvorstellbar lang. Bei körperlichem Kontakt sind lange Halbwertszeiten ungünstig, weil dadurch der Organismus stärker belastet wird. In der Nuklearmedizin (Kap. 15.3) verwendet man daher möglichst schnell zer- fallende Isotope. Abb. 15.15: Zerfall eines radioaktiven Stoffs Abb. 15.16: Trifft kosmische Strahlung (1) auf die Atmosphäre, werden Neutronen aus Atomkernen herausgeschlagen. (2) Prallen diese auf Stickstoffatome, entsteht C-14 (3). Gemeinsam mit Sauerstoff bildet sich radioaktives Kohlendioxid (4), das von den Organismen aufgenommen wird. Radioaktiver Zerfall lässt sich ähnlich wie eine Uhr verwen- den, und das macht man sich bei der Altersbestimmung zu Nutze. In unserer Atmosphäre gibt es neben C-12 auch das radioaktive Isotop C-14 . Weil es durch die kosmische Strah- lung in den oberen Schichten der Atmosphäre pausenlos nachgebildet wird (Abb. 15.16), entsteht ein gleich bleiben- des Verhältnis zwischen C-12 und C-14! Da Lebewesen durch ihren Stoffwechsel mit der Luft ständig Kohlenstoff austauschen, herrscht in allen lebenden Orga- nismen dasselbe Kohlenstoffverhältnis wie in der Atmo- sphäre. Stirbt ein Organismus, nimmt er keinen Kohlenstoff mehr auf. Der Anteil von C-14 zerfällt mit einer Halbwerts- zeit von 5736 Jahren. Durch das Bestimmen dieses Anteils kann man auf das Alter rückschließen, wie man das etwa bei Ötzi gemacht hat. Man spricht von der C-14- oder Radio- karbon-Methode. Bei einem Probenalter von mehr als 55.000 Jahren (entspricht rund 10 Halbwertszeiten) ist der C-14-Gehalt unter 1‰ seines Ausgangswerts gesunken. Da- mit ist die Nachweisgrenze durch diese Methode erreicht. Eine Grundvoraussetzung für die C-14-Methode ist die An- nahme, dass der „natürliche“ Kohlenstoffgehalt in der Atmo- sphäre immer den heutigen Wert hatte. Tendenziell wird bei der Radiokarbonmethode ein höheres Alter als bei archeo- metrischen Verfahren ermittelt. Info: CLIL – How old is „Ötzi“? Zusammenfassung Der Zeitpunkt des Zerfalls eines radioaktiven Atoms ist zwar zufällig, bei einer großen Menge kann man aber sehr genau sagen, wann ein bestimmter Prozentsatz zerfallen ist. Das macht man sich bei der Altersbestimmung durch C-14 zu Nutze. 15.3 Strahlen-Messer und Tse-Tse-Fliege Anwendungen der Radioaktivität Man bringt Radioaktivität meist mit Atomkraft in Ver- bindung. Es gibt aber noch viele andere Anwendungen. Wir sehen uns Beispiele aus drei Bereichen an: Medizin, Biologie und Technik. Radioaktive Substanzen können dem Körper schaden. Trotz- dem kommen sie im Rahmen der Nuklearmedizin zum Ein- satz. Die Strahlungsbelastung bei einer Untersuchung be- trägt dabei bis etwa 1mSv (Kap. 15.1.4) und ist mit einem Oberkörperröntgen vergleichbar. Die Belastungen durch medizinische Untersuchungen liegen allgemein im Schnitt bei weniger als 50% der Gesamtbelastung (siehe Abb. 15.11). Werden sie gezielt eingesetzt, ist diese zusätzliche Belas- tung durchaus vertretbar. CLIL – How old is „Ötzi“? The pure carbon is first extracted from the organic material to be investigated. One mole has 12g, 1 g thus 6 · 10 23 /12 = 5 · 10 22 atoms. For 1.3 · 10 12 carbon atoms is one C-14 atom. Thus, in 1 g of carbon, there are 6.5 · 10 10 C-14 atoms. The half-life of C-14 is 5736 years or 1.8 · 10 11 seconds. The decay constant λ is therefore λ = ln2/ T 1/2 = 3.83 · 10 –12 s. How many C-14 atoms decay per gram of carbon in one minute? Info: Zerfallsgesetz -> S. 140 N (60 s) = N 0 · e – λ t = 6.5 · 10 10 · = e –60·3,83·10 –12 = 6.49999999851 · 10 10 ⇒ N 0 – N (60 s) = 14.9 Per gram of carbon, there are 14.9 decays per minute in a living organism ! In Ötzi , about 8 decays per minute could be detected per gram of carbon. In its tissue, therefore, only 53.7% of the original C-14 content is present. How old is Ötzi ( F7 )? 0.537 = 1 · e – λ t ⇒ t = ln (0.537)/(– λ ) = = 1.624 · 10 11 s = 5145a i Z Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv