Anwendung von Radioaktivität

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Tracer ✔ | Strahlentherapie ✔ | Untersuchung auf Risse und Brüche ✔ | Überwachung von Herstellprozessen ✔ | Kohlenstoffdatierung ✔ | Altersbestimmung von Gesteinen ✔

Radioaktive Isotope werden auch Radionuklide (oder Radioisotope) genannt. Einige können in einem Kernreaktor künstlich hergestellt werden, wenn Atomkerne Neutronen oder Gammastrahlung aufnehmen. Zum Beispiel handelt es sich bei dem natürlich vorkommenden Element Cobalt um das stabile Isotop Cobalt-59. Wenn Cobalt-59 ein Neutron aufnimmt, wird es zu Cobalt-60, das radioaktiv ist. Im Folgenden werden einige Anwendungen von Radionukliden vorgestellt:

Tracer

Radionuklide können schon in sehr kleinen (und damit sicheren) Mengen im Körper nachgewiesen werden, so dass sie als Tracer (= Bewegungen können nachverfolgt werden) in der Nuklearmedizin verwendet werden können. Beispiele:

  • Überprüfung der Funktionstüchtigkeit von Organen. Um beispielsweise die Schilddrüsenfunktion zu überprüfen, trinkt ein Patient eine Flüssigkeit, die Iod-123, einen Gammastrahler, enthält. In den nächsten 24 Stunden misst ein Detektor die Aktivität dieses Tracers, um herauszufinden, wie schnell er sich in der Schilddrüse ansammelt.
  • Nachverfolgung der Aufnahme von Düngemitteln von den Wurzeln bis in die Blätter durch Hinzufügen eines Tracers zum Gießwasser.
  • Erkennen von Lecks in unterirdischen Rohren durch Hinzufügen eines Tracers zur Flüssigkeit im Rohr.

Für solche Tests werden künstliche Radioisotope mit kurzen Halbwertszeiten verwendet, so dass nach einigen Tagen keine Strahlung mehr nachweisbar ist.

Strahlentherapie


Tomotherapie
Ein konzentrierter Gammastrahl aus einer Kobalt-60-Quelle wird auf einen kleinen Bereich des Kopfes dieses Patienten gerichtet, um die Krebszellen in einem Tumor abzutöten.

Cobalt-60 ist ein starker Gammastrahler. Gammastrahlen können tief in den Körper eindringen und lebende Zellen töten. Daher kann ein hochkonzentrierter Strahl aus einer Cobalt-60-Quelle zum Abtöten von Krebszellen verwendet werden. Eine solche Behandlung nennt man Strahlentherapie.

Untersuchung auf Risse und Brüche

Gammastrahlen haben die gleichen Eigenschaften wie kurzwellige Röntgenstrahlen, so dass sie zum Fotografieren von Metallen verwendet werden können, um Risse aufzudecken. Eine Cobalt-60-Gammaquelle ist kompakt und benötigt keine elektrische Energie wie eine Röntgenröhre.

Überwachung von Herstellprozessen

In manchen Produktionsprozessen muss eine konstante Materialstärke eingehalten werden. Das folgende Diagramm zeigt eine Möglichkeit, dies zu tun.


Überwachung eines Herstellungsprozesses mit radioaktiver Strahlung
Für die Untersuchung eines Bandes aus Walzdraht wird auf einer Seite eine Beta-Quelle und auf der anderen Seite ein Detektor angebracht. Wenn der Draht - von den Walzen bewegt - zu dünn wird, erreicht mehr Beta-Strahlung den Detektor. Dieser sendet ein Signal an die Steuereinheit, die den Abstand zwischen den Walzen neu einstellt.

Kohlenstoffdatierung

Kohlenstoff kommt in der Atmosphäre (in Form von Kohlenstoffdioxid $\mathrm {CO_2}$) und in den Körpern von Pflanzen Tieren und vor. Ein kleiner Anteil ist radioaktiver Kohlenstoff-14 (Halbwertszeit 5730 Jahre). Obwohl Kohlenstoff-14 kontinuierlich zerfällt, ändert sich die Menge in der Atmosphäre kaum, weil durch die kosmische Strahlung in der oberen Atmosphäre Stickstoff in Kohlenstoff-14 umgewandelt wird. Da Pflanzen und Tiere atmen und fressen, nehmen sie Kohlenstoff auf oder geben ihn ab, so dass der Anteil von Kohlenstoff-14 in ihrem Körper konstant bleibt. Aber wenn sie sterben, wird kein Kohlenstoff mehr aufgenommen und der Anteil von Kohlenstoff-14 wird durch radioaktiven Zerfall allmählich reduziert. Durch die Messung der Aktivität einer Probe kann das Alter von pflanzlichen oder tierischen Überresten geschätzt werden. Dies wird als Kohlenstoff-Datierung bezeichnet. Man kann diese Methode verwenden, um das Alter von organischen Materialien wie Holz oder Stoff zu bestimmen. Bei dieser Messung geht man allerdings davon aus, dass der Anteil von Kohlenstoff-14 in der Atmosphäre vor hunderten oder tausenden von Jahren derselbe war wie heute.


Radiokohlenstoffdatierung vom Tollundmann in Dänemark
Die Überreste des Tollund-Mannes, der in einem Moor in Dänemark gefunden wurde. Mit der Radiokohlenstoffdatierung fand man heraus, dass er um 290 v.Chr. (±80 Jahre) gestorben ist.

Altersbestimmung von Gesteinen

Wenn sich Gesteine bilden, werden einige Radioisotope in ihnen eingeschlossen. Zum Beispiel wird Kalium-40 eingeschlossen, wenn geschmolzenes Material abkühlt und sich magmatisches Gestein bildet. Wenn das Kalium-40 zerfällt, wird mehr und mehr von seinem stabilen Zerfallsprodukt Argon-40 erzeugt. Solange nichts von diesem Argon (ein Gas) entwichen ist, kann das Alter des Gesteins (das Hunderte von Millionen von Jahren betragen kann) aus dem Verhältnis von Kalium-40 zu Argon-40 geschätzt werden. So eine Untersuchung nennt man Kalium-Argon-Datierung. Magmatisches Gestein kann auch durch das Verhältnis von Uran zu Blei-Isotopen datiert werden - Blei ist das endgültige, stabile Produkt einer Reihe von Zerfällen, die mit Uran beginnen. So eine Untersuchung nennt man Uranreihen-Datierung.


Fragen

1. Frage

  1. Was sind Radionuklide?
  2. Wie kann man Radionuklide künstlich herstellen?
  3. Nenne zwei Anwendungen von Radionukliden in der Medizin.

Richtig ist:

Richtig ist:

3. Schau dir das Bild von der Messung der Dicke oben an:

  1. Warum wird eine Beta-Quelle anstelle einer Alpha- oder Gammaquelle verwendet?
  2. Wie reagiert der Detektor, wenn die Dicke des Strangs zunimmt?

Richtig ist:

4. Frage

  1. Nenne zwei radioaktive Tracer.
  2. Warum ist es wichtig, dass man radioaktive Tracer mit kurzen Halbwertszeiten verwendet?

Richtig ist:

5. Kohlenstoff-14 ist ein radioaktives Isotop des Kohlenstoffs.

  1. Was passiert mit dem Anteil von Kohlenstoff-14 in einer Pflanze oder im Körper eines Tieres, während es lebt?
  2. Warum gibt der Anteil von Kohlenstoff-14 in den Überresten von toten Pflanzen und Tieren Hinweise auf ihr Alter?

Richtig ist:


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