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Radioisotope (Radionuclide) 11:34 min

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Transkript Radioisotope (Radionuclide)

Guten Tag und herzlich willkommen. Im diesem Video geht es um Radioisotope (Radionuclide). Als Vorkenntnisse solltet Ihr bereits wissen, was Radioaktivität ist, worum es sich bei α-, β- und γ-Strahlung handelt. Die Begriffe Isotop und Nuclid sollten Euch bekannt sein. Mein Ziel ist es, Euch einen Überblick über die medizinisch relevanten Radionuclide zu verschaffen. Den Film habe ich in fünf Abschnitte unterteilt: 1. Radioaktivität 2.verschiedene Strahlen 3.Periodensystem der medizinisch bedeutsamen Radionuklide 4. Medizinische Anwendungen 5. Zusammenfassung

  1. Radioaktivität Radioaktivität wurde entdeckt vom Franzosen Henri Becquerel im Jahre 1896. 1903 erhielt er dafür den Nobelpreis. Das ist schon verwunderlich. Denn auf der Sonne laufen schon seit Jahrmillionen radio-chemische Prozesse ab. Die Wissenschaftler haben die Kernspaltung und Kernfusion intensiv untersucht. Leider wurde die Kernspaltung zur Zerstörung menschlicher Leben, wie durch Fatman bei Nagasaki missbraucht. Die Kernfusion der Wasserstoffbombe wurde glücklicherweise bei Kriegshandlungen nie eingesetzt. Seit vielen Jahren gewinnen die Industrieländer einen großen Anteil ihres Stroms durch Kernkraftwerke. Sie sind in den letzten Jahren stark in Verruf geraten, nicht erst nach Fokushima. Die anderen sogenannten Anwendungen entbehren jeglicher vernünftigen Diskussion. Wir sollen und müssen sie ersatzlos von der Liste menschlicher Zivilisation streichen. Was bleibt sind Anwendungen genau auf dem Gebiet, das uns interessiert, nämlich der Medizin. Wie hätte Theophrastus Bombastus von Hohenheim, genannt Paracelsus, gesagt: Die Dosis machts. Wir begeben uns damit in das Gebiet der modernen Medizin.

  2. verschiedene Strahlen Es lässt sich zeigen, dass strahlende Substanzen in Abhängigkeit von der Zeit an Masse verlieren. Man nennt diese Stoffe radioaktiv und bezeichnet sie mit einem Sternchen. Durch das Experiment konnte gezeigt werden, dass dreierlei Arten von Strahlung diese Substanzen verlassen. Man nennt diese Strahlen Alpha-Strahlen, Beta-Strahlen und Gamma-Strahlen. Bei Alpha-Strahlen handelt es sich um Heliumkerne, das sind zweifach positiv geladene Ionen. Beta-Strahlen sind energiereiche schnelle Elektronen. Gamma-Strahlen sind harte elektromagnetische Wellen. Das sind solche Wellen, deren Lichtquant eine hohe Energie E besitzt. Weil E=h×f ist, heißt das, dass sie eine sehr hohe Frequenz haben. Energie, Durchdringung und Schädlichkeit bishin zum letalen Ausgang steigen in der Richtung von den alpha zu den gamma-Strahlen. Kommen wir nun zum Kernpunkt dieses Videos.

3.Periodensystem der medizinisch bedeutsamen Radionuklide Aus der Vielzahl anwendbarer Nuklide, habe ich ein Dutzend ausgewählt. Lassen wir und diese auf der Zunge zergehen: Wasserstoff, Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Cobalt, Strontium, Yttrium, Technetium, Jod, Radon, Radium, Uran. Natürlich sind bloß ganz bestimmte Kerne, bestimmte Nuklide, mit einer ganz bestimmten Masse radioaktiv. Beim Wasserstoff beträgt die relative Masse 3, das ist das sogenannte Tritium. Das Kohlenstoffnuklid hat die Masse 14, das des Phosphors entspricht 32 und das des Schwefels 35. Von der breiten Palette an Iodnukliden wird jenes mit der Masse 125 verwendet. Diese Nuklide werden als sogenannte Tracer verwendet. Das heißt, Sie dienen zur Markierung und Beobachtung von Atomen, Atomgruppen und Molekülen, um deren Bewegungen und Ort lokalisieren zu können. Vier weitere Radionuklide haben ein anderes wichtiges Anwendungsgebiet. Es handelt sich hierbei um Cobalt 60, Strontium 90, Yttrium 90 und Radium 226. Das als Tracer verwendete Phosphorisotop 32 gehört auch dazu. Diese Radionuklide werden in der Strahlentherapie verwendet, bei der Behandlung bösartiger Tumore. Ein drittes Anwendungsfeld erschließt sich durch drei Protagonisten. Das sind die Radionuklide Schwefel 35, bereits genannt, Technetium 99m und das Iodisotop 123. Dieses Gebiet ist die medizinische Diagnostik. Also die Feststellung von Gesundheit, respektive Krankheit innerer menschlicher Organe. Das Edelgas Radon kommt in der Natur nur als radioaktives Nuklid 222 vor. Es wird für Kuren verwendet. Als Letztes soll schließlich das chemische Element Uran genannt werden. Obwohl es keine medizinische, weder diagnostische noch therapeutische Bewandtnis hat. Radioaktives Uran wird für die Herstellung von Transuranen verwendet. Das sind chemische Elemente, deren Ordnungszahl größer als die Ordnungszahl des Urans ist.

  1. Medizinische Anwendungen Ich möchte hier auf drei Verfahren kurz eingehen. Das sind a) die Strahlentherapie, b) die medizinische Diagnostik und c) die Altersbestimmung verstorbener Organismen. Bei der medizinischen Strahlentherapie werden radioaktive Verbindungen verwendet damit deren beta-, gamma- und x-Strahlen, das sind die Röntgenstrahlen, zielgerichtet auf Zellen einwirken. Die behandelten Zellen werden dabei geschädigt. Es kann zur Zellzerstörung kommen. Da gesunde Zellen die Eigenschaft haben, weniger geschädigt zu werden als Tumorzellen, kommt es zu einem Heilungseffekt. Das Prinzip ist immer dasselbe, obwohl die Ausführung verschieden sein kann. So kann zum Beispiel der Patient auf dem Bestrahlungstisch behandelt werden. Oder Implantate mit Radionukliden werden an den geeigneten Ort gebracht, wie bei der Prostatakrebsbehandlung. b) Die medizinische Diagnostik Es werden hauptsächlich vier Radionuklide verwendet. Phosphor 32, Schwefel 35, Technetium 99m und Iod 123. Das Prinzip ist relativ einfach. Ich möchte es hier an einem Beispiel veranschaulichen. Das hier ist de medizinische Behandlungstisch. Auf ihm liegt der Patient. Mit orangener Farbe, hab ich seine Schilddrüse gekennzeichnet. Dem Patienten wurde ein Radionuklid injiziert, welches sich in der Schilddrüse ansammelt. Das Radionuklid sendet gamma-Strahlen aus. Die gamma-Strahlen werden von einem Strahlendetektor erfasst. Mit entsprechender Messelektronik findet die Auswertung statt. Der Diagnostiker enthält ein aussagefähiges Bild über die Schilddrüse. Man kann sehr gut erkennen, wo sie vergrößert ist. c) Altersbestimmung von abgestorbener ehemals lebender organischer Materie Dieses Verfahren hat nur bedingt etwas mit medizinischer Anwendung zu tun. Ich möchte es trotzdem kurz vorstellen, um zu zeigen, wofür Radionuklide verwendet werden können. Ein gewisser Anteil der Kohlenstoffatome, aus denen wir bestehen, hat die Massenzahl 14. Diese Nuklide sind radioaktiv. Das Verhältnis von C14 zu C12 ist beim lebenden Organismus stets gleich. Erst nach seinem Tod beginnt der Anteil von C14 zu sinken. Wiegt man den Anteil an C14 gegen die Zeit t auf, so erhält man folgende exponentielle Abhängigkeit. Weil der vorhandene funktionelle Zusammenhang klar ist, kann man aus  vorgegebenen Anteil von C14 das Alter des entsprechenden toten Organismus bestimmen. Dafür muss man allerdings die Halbwertszeit des Nuklids C14 kennen. Das ist stets die Zeit, nachdem die Hälfte des Stoffes zerfallen ist. Das Kohlenstoffnuklid mit der Masse 14 hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren. Die Halbwertszeit bildet zusammen mit der Zerfallskonstante k einen festen Zusammenhang. k=ln2/τ. Der radioaktive Zerfall selbst kann durch die Zerfallsgleichung einer Reaktion 1. Ordnung beschrieben werden: c=c0×e-k×t, wobei c0 die Zeit zu Beginn des Prozesses ist.

  2. Zusammenfassung Die natürliche Radioaktivität wurde vom französischen Wissenschaftler Henri Bequerel im Jahre 1896 entdeckt. Kernprozesse laufen auf der Sonne schon seit Jahrmillionen ab. Radionuklide senden alpha-, beta und gamma-Strahlen aus. Bei alpha-Strahlen handelt es sich um Heluimkerne. Beta-Strahlen sind schnelle Elektronen, in einigen Fällen kann es sich aber auch um schnelle Positronen handeln. Gamma-Strahlung ist harte elektromagnetische Strahlung. In der Medizin werden Radionuklide als Tracer in der Strahlentherapie für die Diagnostik und für Kuren verwendet. Tracer sind Radionuklide, die in chemischen Verbindungen eingebaut werden. Sie markieren diese damit, so kann man diese im Organismus lokalisieren. Strahlentherapie bedeutet Krebstherapie, die Behandlung bösartiger Tumore. Diagnostik bedeutet die Untersuchung innerer Organe mit Hilfe von Radionukliden. Ein Beispiel dafür ist die Untersuchung der Schilddrüse. Das Isotop Kohlenstoff 14 kann für die Altersbestimmung gestorbener Organismen verwendet werden.

Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

2 Kommentare
  1. Klingt lustig. Ich hab mich schon daran gewöhnt.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 3 Jahren
  2. danke für das video! gute infos zu den radioisotopen... aber der bürgerliche name von paracelsus - diese info ist eindeutig die beste!!!! #mademyday #bombastus

    Von Timea1212, vor fast 3 Jahren

Radioisotope (Radionuclide) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Radioisotope (Radionuclide) kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme die Nuklide mit gleicher Protonenzahl.

    Tipps

    Isotope sind Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen und unterschiedlicher Anzahl an Neutronen.

    Eisen-54 und Eisen-56 sind zueinander Isotope.

    Lösung

    Isotope sind Arten von Atomen, die in ihrem Atomkern gleich viele Protonen (gleiche Ordnungszahl), aber verschieden viele Neutronen enthalten. Deswegen haben sie unterschiedliche Massenzahlen, stellen aber das gleiche Element dar.

  • Definiere folgende Begriffe.

    Tipps

    $\alpha$-Strahlung

    $\gamma$-Strahlung hat eine sehr hohe Frequenz, ($v$) nach $E = h \cdot v$

    Lösung

    Nuklide sind Atomsorten mit einer bestimmten Anzahl an Protonen und Neutronen. Als Radionuklide werden sie bezeichnet, wenn sie dazu instabil, d.h radioaktiv, sind. Die Nuklide unterteilen sich in einige Gruppen, wie z.B. Isotone (gleiche Neutronenzahl), Isobare oder Iostope. Isotope sind Arten von Atomen, die in ihrem Atomkern gleich viele Protonen (gleiche Ordnungszahl), aber verschieden viele Neutronen enthalten. Deswegen haben sie unterschiedliche Massenzahlen, stellen aber das gleiche Element dar.

    Ein Radionuklid kann entweder Alphastrahlung (ionisierende Strahlung durch Aussendung von ${}^4_2He$-Kernen), Betastrahlung (ionisierende Aussendung von Positronen ${}^0_{+1}e$ oder Elektronen ${}^0_{-1}e$) oder Gammastrahlung (elektromagnetische Wellen) aussenden.

  • Bestimme die Anwendungsbereiche folgender Radionuklide.

    Tipps

    Strahlentherapien werden mit $\beta$- oder $\gamma$-Strahlen durchgeführt.

    Damit ein Nuklid ein Betatstrahler ist, muss er neutronenreich oder protonenreich sein.

    Lösung

    Ein Tracer (eng. trace → Spur) ist eine künstliche, meist radioaktive markierte Substanz, die nach Einbringung in den Körper am Stoffwechsel teilnimmt. Die Tracer können körpereigen oder körperfremd sein und erleichtern bzw. ermöglichen unterschiedliche Untersuchungen. Sie dienen zur Beobachtung von Atomen und Atomgruppen in Molekülen.

    In der Strahlentherapie werden Radiopharmaka (Nuklide) eingesetzt, die $\beta$-, $\gamma$- oder X-Strahlen aussenden. Diese wirken dann zielgerichtet auf bestimmte Zellen, wobei gesunde Zellen weniger gestört werden als bösartige Zellen.

    Zur Aussendung von Betastrahlung muss ein neutronenreiches oder protonenreiches Nuklid vorliegen. Alpha-Strahlung - zur Traceranwendung - senden schon sehr kleine Nuklide, wie z.B. ${}^{14}_6C$, aus. Deswegen werden bei der Strahlentherapie vor allem die Nuklide mit relativ großen Ordnungszahlen angewendet, wie z.B. ${}^{90}_{38}Sr$.

  • Ergänze folgende Kernreaktionsgleichungen.

    Tipps

    Alphastrahlung ist die Aussendung von einem Kern mit 2 Protonen und einer Massenzahl von 4.

    Lösung

    Wie bei allen Reaktionsgleichungen müssen die Zahlen auf der rechten und linken Seite vom Reaktionspfeil übereinstimmen. Das bedeutet, dass die Summe der Massen- und Ordnungszahlen auf beiden Seiten gleich groß sein muss.

    Die aufgeführten Reaktionen sind $\alpha$- oder $\beta$-Zerfallsreaktionen (${\beta}^-$).

    $\begin{array}{c|c|c} {\beta}^+ & {\beta}^- & {\alpha} \\ \hline \text{Zerfall}~{}^1_1p & \text{Zerfall}~{}^1_0n & \text{Abspaltung}~{}^4_2He \\ \hline {}^1_1p \rightarrow {}^1_0n~+~e^+~+v_e & {}^1_0n \rightarrow {}^1_1p~+~e^-~+ \overline{v_e} & -\\ \hline {}^A_ZX \rightarrow {}^A_{Z-1}Y~+~e^+~+~v_e & {}^A_ZX \rightarrow {}^A_{Z+1}Y~+~e^-+~ \overline{v_e} & {}^A_ZX \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y~+~{}^4_2He\\ \end{array}$

  • Bestimme die Zerfallsprodukte bei einer Strahlentherapie mit Yttrium-90.

    Tipps

    Ein $\beta$-Strahler kann sowohl Positronen ${}^0_{+1}e$ als auch Elektronen ${}^0_{-1}e$ freisetzen.

    Lösung

    Der $\beta$-Zerfall ist ein radioaktiver Zerfall von einem Atomkern. Während des Zerfalls verlassen entweder ein Elektron und ein Antineutrino oder ein Positron und ein Neutrino den Kern. Je nach Art der abgegebenen Teilchen wird zwischen dem Beta-Minus-Zerfall und dem Beta-Plus-Zerfall unterschieden:

    • Der ${\beta}^+$-Zerfall tritt bei protonenreichen Atomen auf. Dabei wird ein Proton des Kerns in ein Neutron umgewandelt, wobei ein Positron ($e^+;~{}^0_{+1}e$) und ein Neutrino ($v_e$) freiwerden. Nach dem ersten Zerfall hat der Kern zwar ein Neutron mehr, aber ein Proton weniger, deswegen bleibt die Massenzahl (A) gleich, aber die Kernladungszahl (Z) nimmt um 1 ab.
    • Der ${\beta}^-$-Zerfall findet bei einen Überschuss an Neutronen statt. Dabei wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt unter Freisetzung eines Elektrons ($e^-;~{}^0_{-1}e$) und eines Antineutrinos ($\overline{v_e}$). Da sich nach dem Zerfall zwar ein Neutron weniger, aber ein Proton mehr im Kern befindet, bleibt die Massenzahl konstant und die Kernladungszahl steigt um 1 an.
    $\begin{array}{c|c} {\beta}^+ & {\beta}^- \\ \hline \text{Zerfall}~{}^1_1p & \text{Zerfall}~{}^1_0n \\ \hline {}^1_1p \rightarrow {}^1_0n~+~e^+~+v_e & {}^1_0n \rightarrow {}^1_1p~+~e^-~+ \overline{v_e}\\ \hline {}^A_ZX \rightarrow {}^A_{Z-1}Y~+~e^+~+~v_e & {}^A_ZX \rightarrow {}^A_{Z+1}Y~+~e^-+~ \overline{v_e} \\ \end{array}$

  • Ermittle das Alter des Fundstücks.

    Tipps

    Nur bei einer Reaktion 1. Ordnung ist die Halbwertszeit unabhängig von der Konzentration.

    Lösung

    Jeder radioaktive Zerfall folgt dem Gesetzen der Reaktion 1. Ordnung. Für eine Reaktion $A~\rightarrow~B$ ergibt sich das Geschwindigkeitsgesetz aus:

    1. Geschwindigkeitsgesetz: $\frac{d[A]}{dt} = - k [A]$
    2. Trennung der Variablen: $\frac{d[A]}{[A]} = -k~\cdot~t$
    3. Integration: $ln \left( \frac{[A]}{[{A_0}]} \right) = -k~\cdot~t$
    Um das Alter zu berechnen, fehlt aus dem Geschwindigkeitsgesetz nur noch die Größe der Geschwindigkeitskonstanten k. Diese kann über die Halbwertszeit bestimmt werden. Das Gesetz für die Halbwertszeit ergibt sich definitionsgemäß durch Einsetzen von $c = \frac{c_0}{2};~ t = t_{1/2}$:

    1. Halbwertszeit: $ln \left( \frac{\frac{[{A_0}]}{2}}{[{A_0}]} \right) = -k~\cdot~t_{1/2}$ → $ln2 = k \cdot t_{1/2}$
    2. Geschwindigkeitskonstante: $k = \frac{ln2}{t_{1/2}} = \frac{0,6931}{5730~a} = 1,21 \cdot 10^{-4} \frac{1}{a}$
    3. Altersbestimmung: $t = -~ln \left( \frac{\frac{[A]}{[{A_0}]}}{k}\right) = -a~ln \left( ~\frac{\frac{100%}{72%}}{1,21 \cdot 10^{-4}}\right) = 2714 a$
    Damit hat das Fundstück ein Alter von 2714 Jahren.