Sexl Physik 8, Schulbuch

Untersuche, überlege, forsche: Radioaktivität 46.1 W 2  Nach wie vielen Halbwertszeiten ist nur mehr die Hälfte des ursprünglichen radioaktiven Isotops vorhanden? 46.2 E 2  Welche radioaktiven Quellen gibt es in deiner Umgebung? Untersuche mittels GMZ das Filterpapier eines Staubsaugers. Versuche herauszufinden, warum sich eine merkbare Änderung in der Anzeige des Geigerzählers ergibt. 46.3 W 2  Sind Materialien, die einer radioaktiven Strahlung ausgesetzt wurden, nun selbst radioaktiv? 46.4 W 1  Der Begriff Radioaktivität wurde nach dem Element Radium benannt. Erfor- sche die Geschichte des Radiums! 46.5 W 1  Am Radiuminstitut der Universität Wien haben seit seiner Gründung zahl­ reiche Physikerinnen gearbeitet. Über die Biografien erfährst du etwas unter: https://lise.univie.ac.at. Radioaktive Substanzen haben zahlreiche wichtige Anwendungen in Wissenschaft und Technik gefunden, wie die folgenden Beispiele zeigen. 1. Beispiel: Radioaktive Altersbestimmung Die radioaktive Altersbestimmung ist eines der wichtigsten Mittel der Bestimmung kultur- und erdgeschichtlicher Daten. Eine häufig verwendete Methode ist die so- genannte Radiokarbon-Methode . Trifft kosmische Strahlung (im Wesentlichen der Sonnenwind) auf die oberste At- mosphäre, so entstehen kaskadenförmig sehr viele verschiedene Teilchen (sekun- däre Höhenstrahlung). Trifft nun ein Neutron der sekundären kosmischen Strah- lung auf einen Stickstoffkern N-14 , so verwandelt sich dieser unter Aussendung eines Protons in das Kohlenstoffisotop C-14 : ​ 14 7 ​N+ ​  1 0 ​n ¥  ​ 14 6 ​C+ ​ 1 1 ​p. C-14 ist ein radioaktiver Betastrahler mit einer Halbwertszeit von 5730 a . Es mischt sich mit den chemisch identischen und stabilen Kohlenstoffisotopen C-12 und C-13 . Durch das Wettergeschehen werden die 14 C -Atome gleichmäßig in der gesamten At- mosphäre der Erde verteilt. Mit Sauerstoff bilden sie die Kohlendioxidmoleküle CO 2 . Das CO 2 wird von den Pflanzen aufgenommen und als Kohlenwasserstoff in diese eingebaut. So gelangen die C-14 -Atome in die gesamte Nahrungskette, somit auch in Tier und Mensch. Mit dem Tod des Organismus beginnt seine C-14 -Stoppuhr zu laufen, da von nun an kein neuer radioaktiver Kohlenstoff mehr zugeführt wird. Während sich C-14 mit einer Halbwertszeit von 5730 a abbaut, bleibt die Menge an C-12 und C-13 gleich. Das Verhältnis von C-14 zu C-12 ist daher ein Maß für die Zeit, die seit dem Tod des Lebewesens vergangen ist. Wegen der relativ geringen Halbwertszeit des C-14 ( T 1/2 = 5730 a ) ist die 14 C -Methode nicht geeignet, geologische Zeiträume zu erfassen. Dazu bieten sich K-40 ( T 1/2 = 1,3 · 10 9  a ) oder U-238 ( T 1/2 = 4,5 · 10 9  a ) an. Ein Beispiel für eine derartige Datie- rungsmethode ist die Uran-Blei-Methode, damit lässt sich z. B. das Alter uranhalti- ger Gesteine bestimmen. U-238 zerfällt in mehreren Schritten zu Pb-206 (s.  43.2 ). Man misst die im Gestein vorhandenen Mengen an U-238 und Pb-206 und berechnet aus dem Konzentrationsverhältnis dieser Isotope mittels des Zerfallsgesetzes das Alter des Gesteins. Das älteste Gestein auf der Erde scheint vor 3,2 ± 0,7Mrd . Jahre n erstarrt zu sein, das Alter eines Meteoriten konnte auf 4,55 ± 0,07Mrd. Jahren be- stimmt werden. 2. Beispiel: Künstliche Isotope Die ersten künstlichen Radioisotope wurden 1934 von F rederic J oliot und I rène J oliot -C urie (einer Tochter M arie C uries ) erzeugt. Sie bestrahlten Aluminium mit α -Teilchen: ​ 4 2 ​He + ​ 27 13 ​Al ¥  ​ 30 15 ​P+ ​  1 0 ​n. P-30 ist ein β + -Strahler und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 150 s in Silicium, wobei ein Positron ausgesendet wird: ​ 30 15 ​P ¥  ​ 30 14 ​Si + e +  + ν . 46.1 M arie C urie und ihre Tochter I rène J oliot -C urie . Marie Curie erhielt sowohl den Nobelpreis für Physik als auch jenen für Chemie, ihre Tochter Irène den Nobelpreis für Chemie. 46.2 Teil des 3-MV Tandem-Beschleunigers VERA an der Fakultät für Physik der Universität Wien. 1 mg Kohlenstoff eines lebendigen Orga- nismus enthält 6 · 10 7 C-14-Atome. Mittels der Massenspektrometrie, wie sie mit VERA durch- geführt wird, können 5 · 10 5 C-14-Atome pro Stunde gezählt werden. Die Methode wird u. a. zur Bestimmung von Umweltdaten verwendet. 46.3 Untersuchung einer Silberstiftzeichnung von Albrecht Dürer mit PIXE ( Proton Induced X-ray Emission analysis ) bei VERA. Das „Bildnis Albrecht Dürers der Ältere“ (um 1486) stammt aus der Albertina in Wien. Der Protonenstrahl ist unsichtbar und wird durch einen Laser- strahl sichtbar gemacht. Dadurch kann der Protonenstrahl (0,1mm ¿ ) auf die gewünschte Stelle des Bildes positioniert werden (siehe Ausschnitt). Ohne die Zeichnung zu zerstören kann auf diese Weise die chemische Zusam- mensetzung des Silberstifts analysiert werden.  46 Kernphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv