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 

Folgende Referate könnten Dich ebenfalls interessieren:

Die nachfolgenden Dokumente passen thematisch zu dem von Dir aufgerufenen Referat:

• Psychoanalyse - die klassische Freudsche Therapie
• Seuchenbekämpfung Medizin des 19. Jahrhunderts
• Inflation in Deutschland (1914 - 1923) - Auswirkungen auf die Menschen und deren Verhältnis zum Staat
• Sprachkultur - Jugendsprache oder bis zum Anschlag zugetextet ...
• Fossilien - Überreste von Tieren und Pflanzen