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Aktivität (Physik)

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Physikalische Größe
Name Aktivität
Formelzeichen der Größe A
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI Becquerel T−1

Die Aktivität oder Zerfallsrate einer radioaktiven Stoffmenge ist die Anzahl der Kernzerfälle pro Zeitintervall. Die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). 1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde. Eine veraltete Maßeinheit ist das Curie (Ci). Es gilt: 1 Ci = 3,7 · 1010 Bq. Übliches Formelzeichen der Aktivität ist z. B. A oder R.

Das Verhältnis der Aktivität zur Masse der Probe heißt spezifische Aktivität. Die SI-Einheit der spezifischen Aktivität ist demnach Bq/kg. Bei der spezifischen Aktivität muss immer angegeben werden, auf welche Masse sie bezogen ist: auf die Masse

  • des reinen Radionuklids,
  • des chemischen Elements einschließlich der übrigen Isotope,
  • der chemischen Verbindung
  • oder der gesamten Probe, die u. U. ein Stoffgemisch ist.

In der Nuklearmedizin wird die Aktivität eines Präparates vor seiner Anwendung in einem Aktivimeter gemessen.

Aktivität und Zerfallskonstante

Jedes Radionuklid hat eine Zerfallskonstante \lambda (lambda), die die „Geschwindigkeit“ des Zerfalls beschreibt. Zwischen \lambda und der Halbwertszeit T_{1/2} besteht die einfache Beziehung

\lambda = \frac {\ln 2}{T_{1/2}} = \frac {0{,}693\dots}{T_{1/2}} .

\lambda ist die Wahrscheinlichkeit pro Zeitintervall für den Zerfall eines einzelnen Atomkerns. Deshalb lässt sich die Aktivität einer Probe von N Atomen zum Zeitpunkt t ausdrücken als

A(t) = - \frac{\mathrm dN}{\mathrm dt}(t) = \lambda \cdot N(t) .

Multipliziert man das Zerfallsgesetz

N(t)= N_0 \cdot e^{-\lambda t}

( N_0 ist die Anzahl Atome zum Zeitpunkt t = 0) mit \lambda, folgt für die Aktivität des Präparates zu einem bestimmten Zeitpunkt t

A(t) = \lambda \cdot N(t) = \lambda \cdot N_0 \cdot e^{-\lambda t} = A_0 \cdot e^{-\lambda t}.

d. h. die Aktivität folgt demselben exponentiellen Zerfallsgesetz wie die Anzahl der radioaktiven Atome im Präparat.

Die Atomanzahl  N(t) ist gleich der Masse  m(t) des Präparats des reinen Radionuklids geteilt durch die Masse  m_0 eines Atoms dieses Nuklids, also

 N(t)=\frac {m(t)}{m_0} .

Damit ergibt sich für die Aktivität

A(t) = \frac{\ln(2)}{T_{1/2}} \cdot \frac{m(t)}{m_0} .

Spezifische Aktivität

Die Größe Spezifische Aktivität[1] a ist der Quotient der Aktivität A(t) und der Masse der Probe m(t),

a = \frac {A(t)} {m(t)} = \frac{\ln(2)}{T_{1/2}} \cdot \frac{1}{m_0} .

Wird die Masse in Gramm gemessen, so ergibt sich für die Masse eines Atoms

m_0=\frac {M} {N_{\mathrm{A}}}.

Für die spezifische Aktivität a folgt daraus

a = \frac{\ln(2)}{T_{1/2}} \cdot \frac{N_{\mathrm{A}}}{M} .

mit

T_{1/2} \mathrm{-} Halbwertszeit des Radionuklids
N_{\mathrm{A}}  \; \mathrm{-} Avogadro-Konstante: 6,022·1023 mol−1
M \; \; \mathrm{-} Molare Masse des Radionuklids in g·mol−1.

Die spezifische Aktivität, die Anzahl der Zerfälle pro Masse, hängt nicht vom Messzeitpunkt ab. Ist die Einheit Zerfälle pro Sekunde (Becquerel) und pro Gramm erwünscht, so ist die Halbwertszeit entsprechend in Sekunden in die Gleichung einzusetzen.

Rechenbeispiel

Polonium-210 hat eine Halbwertszeit von 138 Tagen (11923200 s). Ein Mol Polonium-210 hat die Masse 209,98 g und enthält ca. 6{,}022\cdot 10^{23} Atome (Avogadro-Konstante). Reines Polonium-210 hat somit eine spezifische Aktivität von

a =  \frac{\ln(2)}{11923200} \cdot \frac{6{,}022\cdot 10^{23}}{209{,}98}\,  = 1{,}67\cdot 10^{14}\, \mathrm{Bq/g}

oder  1{,}67\cdot 10^{17}\, \mathrm{Bq/kg}.

Beispiele für spezifische Aktivitäten

Element (natürliches Isotopengemisch) Spezifische Aktivität
Kalium 000000000031200.000000000031.200 Bq/kg
Rubidium 000000000913000.0000000000913.000 Bq/kg
Indium 000000000000250.0000000000250 Bq/kg
Tellur 000000000000100.0000000000100 Bq/kg
Lanthan 000000000000815.0000000000815 Bq/kg
Neodym 000000000000010.000000000010 Bq/kg
Samarium 000000000124000.0000000000124.000 Bq/kg
Gadolinium 000000000000002.00000000002 Bq/kg
Lutetium 000000000051600.000000000051.600 Bq/kg
Rhenium 000000001020000.00000000001.020.000 Bq/kg
Osmium 000000000000000.05500000000,055 Bq/kg
Platin 000000000000010.000000000010 Bq/kg
Bismut 000000000000000.00330000000,0033 Bq/kg
Thorium 000000008080000.00000000008.080.000 Bq/kg
Uran 000000025290000.000000000025.290.000 Bq/kg
Radionuklid Spezifische Aktivität
I-131 4,6 EBq/kg
Pu-239 2,3 TBq/kg
Th-232 4,06 MBq/kg
U-234 230 GBq/kg
U-235 80 MBq/kg
U-238 12 MBq/kg

Einzelnachweise

  1. Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. Vieweg+Teubner Verlag, 2007, ISBN 9783835101999, S. 124 f..


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