Wie weit ist die Reichweite von Neutronenstrahlung in der Atmosphäre?



  • Wenn eine Atombombe explodiert, dann entsteht dabei auch Neutronenstrahlung (Prinzip der Kernspaltung).
    Es wird allerdings nicht jedes Neutron vom Urankern eingefangen und auch nicht jedes vom Reflektor der Bombe reflektiert, daher ist anzunehmen, dass es einige Neutronen durch die Bombe schaffen.

    Nun würde ich gerne wissen, wie hoch die Reichweite dieser Neutronenstrahlung ist?
    Wird sie gleich vom nächsten Molekül in der Luft absorbiert, oder fliegt das Neutron noch 5 km um irgendwann auf den Boden zu treffen?
    Und falls letzteres gilt, aktiviert es dort dann ein anderes Element oder ist die Energie dann so niedrig, dass ein Neutroneneinfang nicht mehr möglich ist.
    Falls ja, was passiert dann? Wird es dann zu einem Deuterium?



  • Ein paar tausend Meter scheint die passende Größenordnung zu sein:

    https://www.mirion.com/introduction-to-radiation-safety/types-of-ionizing-radiation/


  • Mod

    Das kommt sehr stark auf die Energie der Neutronen an. Die Art von Neutronen, die aus einer Kernwaffe tatsächlich nach außen dringt, hat eine hohe Energie und kann Luft mehrere hundert Meter bis hin zu mehrere Kilometer durchdringen. Neutronen dieser Energie können sehr viele Stöße mit Atomkernen durchführen (und dabei chemische Bindungen des zugehörigen Atoms zerstören -> biologische und Materialschäden) bis sie eine genügend niedrige Energie haben, um überhaupt von einem Kern absorbiert zu werden. Wenn sie diese hinreichend niedrige Energie erreicht haben, dann werden sie auch tatsächlich sehr schnell absorbiert, was dann in der Regel dazu führt, dass ein instabiler Kern entsteht, mit wahrscheinlichen weiteren Folgeschäden in Lebewesen und Materialien. Die Stöße, um das Neutron zu verlangsamen, sind dabei ziemlich häufig, das heißt alle Neutronen mit der gleichen Energie kommen am Ende ungefähr genau gleich weit, weil die statistischen Schwankungen klein sind. Die genaue Vorhersage wie weit sie Strahlung genau kommt ist hingegen schwierig, weil es aus den gleichen Gründen empfindlich auf die Umgebungsbedingungen ankommt. Hohe Luftfeuchtigkeit würde beispielsweise die Reichweite deutlich verringern.

    Wird es dann zu einem Deuterium?

    Du meinst, wenn es von einem Wasserstoffkern absorbiert wird? Ja, das ist ein sehr wahrscheinliches Ende eines niedrigenergetischen Neutrons in lebenden Materialien. Und nicht gut für das Lebewesen. Beim Verlangsamen von Neutronen zählt eher Quantität als Qualität. Die Wirkungsquerschnitte von Neutronen mit verschiedenen Atomkernen sind nicht all zu verschieden (das ist natürlich nicht ganz richtig, sondern nur eine Tendenz), daher sind Materialien mit vielen Atomkernen pro Volumen (-> wasserstoffhaltige Materialien, aka Lebewesen (und natürlich Wasser)) besonders stark von der Wirkung von Neutronenstrahlung betroffen, eine Bleiabschirmung ist hingegen vergleichsweise ineffektiv.

    Ob du bei einer Kernwaffenexplosion an Neutronen oder an etwas anderem stirbt, hängt von der Waffe ab. Neutronen sind wichtig für den Mechanismus der Waffe selbst, daher sind Nuklearwaffen tendenziell so gebaut, dass möglichst wenige Neutronen überhaupt entweichen. Bei großen Explosionen ist der Radius der tödlichen, nicht-neutronenbasierten Wirkung daher deutlich größer als der Radius der Neutronenstrahlung. Es gibt aber Waffen, die so gebaut sind, dass sie eine einstellbare Explosionswirkung haben. Wenn man eine kleinere Explosion wünscht, lässt man mehr Neutronen entkommen. Ab einem gewissen Punkt ist dann die tödliche Neutronenwirkung (wie oben gesagt, hunderte bis tausende Meter) größer als die sonstige Wirkung. Das sind dann die berühmt berüchtigten Neutronenbomben.



  • SeppJ schrieb:

    Du meinst, wenn es von einem Wasserstoffkern absorbiert wird?

    Ja.

    Die Wirkungsquerschnitte von Neutronen mit verschiedenen Atomkernen sind nicht all zu verschieden (das ist natürlich nicht ganz richtig, sondern nur eine Tendenz), daher sind Materialien mit vielen Atomkernen pro Volumen (-> wasserstoffhaltige Materialien, aka Lebewesen (und natürlich Wasser)) besonders stark von der Wirkung von Neutronenstrahlung betroffen, eine Bleiabschirmung ist hingegen vergleichsweise ineffektiv.

    Verstehe, es ist also nicht die Dichte entscheidend, sondern nur die Anzahl an Atomen und da kriegt man mit Wasserstoff bei gleichem Volumen eine größere Anzahl an Atomen hin, als mit Blei.
    Ist dies so richtig?

    Aber wenn dem so ist, dann müsste die Atmosphäre doch auch ganz brauchbar sein um Neutronen abzufangen. Brauchbarer als Blei.
    Denn auch hier hat man ja mehr Atome pro Volumen als bei einem Stück Blei, das zwar eine hohe Dichte hat, also viele Protonen und Neutronen im Bleikern selbst, aber es gibt halt nicht so viele Bleikerne, wegen dem Platzverbrauch.

    Ob du bei einer Kernwaffenexplosion an Neutronen oder an etwas anderem stirbt, hängt von der Waffe ab. Neutronen sind wichtig für den Mechanismus der Waffe selbst, daher sind Nuklearwaffen tendenziell so gebaut, dass möglichst wenige Neutronen überhaupt entweichen. Bei großen Explosionen ist der Radius der tödlichen, nicht-neutronenbasierten Wirkung daher deutlich größer als der Radius der Neutronenstrahlung.

    Verstehe, dann besteht die größte Gefahr für die Leute, die in Bunkern sitzen und weniger für Leute, die in einiger Entfernung von der Explosion stehen.

    Es gibt aber Waffen, die so gebaut sind, dass sie eine einstellbare Explosionswirkung haben. Wenn man eine kleinere Explosion wünscht, lässt man mehr Neutronen entkommen. Ab einem gewissen Punkt ist dann die tödliche Neutronenwirkung (wie oben gesagt, hunderte bis tausende Meter) größer als die sonstige Wirkung. Das sind dann die berühmt berüchtigten Neutronenbomben.

    Wusste ich nicht, ziemlich Krank auf was für Ideen die Bombenbauer kommen.
    Dann ist es doch besser, wenn die Explosion ganz groß ist, damit man nicht von den Neutronen dahingerafft wird.



  • Wenn ein Verkehrsflugzeug von New York nach Europa fliegt und sich über dem Atlantik kurz vor der Küste Englands oder Frankreich befindet, während in Frankreich oder England die ersten Bomben explodieren, dann haben so gesehen, die Piloten die schlechteste Überlebenserwartung, denn die sitzen ja ganz vorne.
    Je weiter ein Passagier sitzt, desto höher ist somit seine Überlebenschance, da zwischen ihm und der Spitze des Flugzeugs viele Menschen sind und die bestehen alle aus ca. 70 % Wasser, welches die Neutronen gut einfängt.
    Ist meine Überlegung so richtig?

    Dann sagst du noch weiter unten, dass Wasserdampf zum Schutz helfen würde.
    Dies bedeutet also, dass die Überlebenschance der Passagiere größer wird, wenn der Pilot von 30000 Fuß auf eine Höhe von etwa 2000 Fuß runterfliegt um so nicht mehr über dem Wetter zu fliegen, sondern in dem Wetter. Also in Wolken und ähnlichem, die ja wieder viel Wasser enthalten.
    Ist das so richtig?



  • @Atompilz: Deine Überlegungen sind falsch.

    1. Ein Stück Blei hat definitiv eine höhere Anzahl an Atomen pro Volumen als Luft im gasförmigen Zustand.

    2. Dein Flugzeug fliegt eh jenseits der Reichweite der Neutronen. Am ehesten wird es vermutlich durch die Druckwelle der Explosion zum Absturz gebracht.

    3. Oberhalb des Wetters zu fliegen ist natürlich auch besser als mitten drin. Wenn mehr Distanz zwischen Dir und der Explosion ist, dann wird auch mehr abgeschirmt. Warum sollte man nur eine "halbe Wolke" Abschirmung haben, wenn man eine ganze und noch jede Menge Luftsäule als Abschirmung haben kann?



  • Gregor schrieb:

    @Atompilz: Deine Überlegungen sind falsch.

    1. Ein Stück Blei hat definitiv eine höhere Anzahl an Atomen pro Volumen als Luft im gasförmigen Zustand.

    Ich bin jetzt davon ausgegangen, dass Bleiatome größer sind, ergo passen weniger in das gleiche Volumen.

    Oder wie soll ich sonst SeppJs Äußerung bezüglich Quantität und

    Wirkungsquerschnitte von Neutronen mit verschiedenen Atomkernen sind nicht all zu verschieden

    interpretieren?

    2. Dein Flugzeug fliegt eh jenseits der Reichweite der Neutronen. Am ehesten wird es vermutlich durch die Druckwelle der Explosion zum Absturz gebracht.

    Wenn Neutronen 2000 km weit durch die Luft fliegen können, dann treffen die auch auf das Flugzeug über dem Meer.

    3. Oberhalb des Wetters zu fliegen ist natürlich auch besser als mitten drin. Wenn mehr Distanz zwischen Dir und der Explosion ist, dann wird auch mehr abgeschirmt. Warum sollte man nur eine "halbe Wolke" Abschirmung haben, wenn man eine ganze und noch jede Menge Luftsäule als Abschirmung haben kann?

    Weil die Explosion in dem Fall ja nicht unter einem wäre, sondern vor einem.

    In der größeren Höhe ist der Wassergehalt niedriger und die Luft dünner, d.h. die Neutronen fliegen noch weiter.

    Einfache Grafik:

    |F1
    |
    |
    |
    |F2__W__W__W__W_______X
    |
    

    X = Explosion
    W = Wolke
    F1 = Flugzeug in großer Höhe
    F2 = Flugzeug in Wolkenhöhe

    Ein Neutronenstrahl von X nach F1 hat kaum Hindernisse und fliegt durch wasserarme dünne Luft.
    F2 ist durch die vielen wasserhaltigen Wolken dagegen gut geschützt.

    Ergo ist eine niedrige Höhe besser als eine hohe.



  • @Atompilz:

    1. Klar sind Wasserstoffatome kleiner als Bleiatome. Aber die Atmosphäre ist gasförmig, während ein Stück Blei ein Festkörper ist. In der gasförmigen Phase haben die Atome typischerweise einen größeren Abstand zu einander. Da ändert auch nichts dran, dass sie kleiner sind. Die Atmosphäre besteht Übrigens im Wesentlichen aus Stickstoff und Sauerstoff. Erst danach kommen irgendwelche Moleküle, die auch Wasserstoffatome enthalten.

    2. Neutronen fliegen eher 2000m als 2000km durch die Luft.



  • Gregor schrieb:

    @Atompilz:

    1. Klar sind Wasserstoffatome kleiner als Bleiatome. Aber die Atmosphäre ist gasförmig, während ein Stück Blei ein Festkörper ist. In der gasförmigen Phase haben die Atome typischerweise einen größeren Abstand zu einander.

    Warum sollte der Abstand größer sein?

    Das mag vielleicht bei einer Temperaturdifferenz stimmen, wenn man einen Festkörper bei niedriger Temperatur und die gleichen Elemente bei hoher Temperatur als Gas hat, aber wenn die Temperatur gleich ist und nur die Elemente sich unterscheiden, dann sollte das bei dieser Temperatur gasförmige Element genauso zusammengedrückt werden, wie das bei dieser Temperatur feste Element.

    Man könnte sogar noch einen Schritt weiter gehen und sagen, dass dass gasförmige Element wesentlich dichter zusammengepresst liegt, als ein festes Element im Kristallgitter, denn gasförmige Stoffe sind kompressibel, Festkörper sind das in der Regel nicht.

    Da ändert auch nichts dran, dass sie kleiner sind. Die Atmosphäre besteht Übrigens im Wesentlichen aus Stickstoff und Sauerstoff. Erst danach kommen irgendwelche Moleküle, die auch Wasserstoffatome enthalten.

    Das weiß ich.

    2. Neutronen fliegen eher 2000m als 2000km durch die Luft.

    Das ist die Frage des Threads.


  • Mod

    Atompilz schrieb:

    Warum sollte der Abstand größer sein?

    Weil die Gasgleichung nicht für Festkörper gilt.

    2. Neutronen fliegen eher 2000m als 2000km durch die Luft.

    Das ist die Frage des Threads.

    Und wurde in den ersten beiden Beiträgen beantwortet, wo klar gesagt wurde, dass die Reichweite hunderte bis tausende Meter ist. Danke für's Nichtlesen.



  • Habe hunderttausende gelesen.



  • Hi,

    die Reichweite in der Luft ist vermutlich wesentlich größer als hier vermutet.
    http://www.kernenergie.de/kernenergie-wAssets/docs/service/013radioaktivitaet-u-strahlenschutz2012.pdf

    Berechnungen haben ergeben, dass die Hülle des
    Wasserstoffatoms einen Durchmesser von etwa
    0,000 000 1 mm (zehnmillionstel Millimeter) hat.
    Der Kern (Proton) dagegen hat einen Durchmesser
    von etwa 0,000 000 000 001 Millimeter. Er
    ist fast 100.000-mal kleiner als der Durchmesser
    der Hülle

    Es wird immer gerne der Vergleich mit dem in den Wald schießen genommen. Aber in der Luft ist der Passende Vergleich nicht das Schießen in den Wald, sondern das schießen in eine Wüste, in der ab und an mal ein Pflänzchen steht.
    Wenn man bedenkt, dass auch die einzelnen Atome bzw. Moleküle nicht dicht an Dicht gepcjt sind, dann wird einem schnell klar, dass da die Trefferrate nicht der Brüller ist.
    Da außerdem Luft nur zu unbedeutendem Anteil aus Wasserstoff besteht, spielen die Atomkerne kaum eine Rolle. Beim Zusammenstoß mit größeren Teilchen wird aber weniger Energie abnbgegeben.
    Sicher ist auch die Reichweite durch Luft nicht unbegrenzt, aber die messbare Reichweite wird durch zwei andere Faktoren viel mehr begrenzt. Zum einen nimmt die Strahlungsintensität mit dem Quadrat der Entfernung ab, ganz einfach, weil der Strahl auffächert (ist ja kein Laser) und somit die gleiche Anzahl Teilchen auf eine immer größere Zielfläche verteilt wird.
    Die andere Reichweitenbegrenzung liegt in der Erdkrümmung begründet. Je nach Emmissionshöhe kommt nach merh oder minder großer Entfernung ganz einfach die Erdoberfläche dazwischen.

    Gruß Mümmel


  • Mod

    Meinste nicht, dass Kernphysiker vielleicht auch über die Beschaffenheit von Luft Bescheid wissen? Vielleicht sogar besser als du, der du mit so komischen Worten wie "Durchmesser" kommst, wenn von Elementarteilchenwechselwirkungen die Rede ist?



  • SeppJ schrieb:

    Meinste nicht, dass Kernphysiker vielleicht auch über die Beschaffenheit von Luft Bescheid wissen? Vielleicht sogar besser als du, der du mit so komischen Worten wie "Durchmesser" kommst, wenn von Elementarteilchenwechselwirkungen die Rede ist?

    Hi SeppJ,

    Die werden schon Bescheid wissen. Aber die meinen halt was anderes. Wenn die von einer Reichweite sprechen, dann meinen sie nicht, wieweit ewinzelne Teilchen kommen, sondern wie weit ein bestimmter Prozentsatz der Ausgangsmenge kommt. Aber da hindert einzelne Teilchen nicht, weit über die Grenzen des Sonnensystems hinaus zu gelangen.

    Und da Neutronen eben Neutral sind, unterliegen sie auch keinen magnetischen oder elektrischen Beeinflussungen. Da alle Stoffe (außer einem schwarzen Loch) fast nur aus leerem Raum bestehen, gibts immer gute Chancen für einzelne Neutronen durchzukommen. Neutrinos durchfliegen ja sogar die ganze Sonne.

    Gruß Mümmel


  • Mod

    muemmel schrieb:

    SeppJ schrieb:

    Meinste nicht, dass Kernphysiker vielleicht auch über die Beschaffenheit von Luft Bescheid wissen? Vielleicht sogar besser als du, der du mit so komischen Worten wie "Durchmesser" kommst, wenn von Elementarteilchenwechselwirkungen die Rede ist?

    Hi SeppJ,

    Die werden schon Bescheid wissen. Aber die meinen halt was anderes. Wenn die von einer Reichweite sprechen, dann meinen sie nicht, wieweit ewinzelne Teilchen kommen, sondern wie weit ein bestimmter Prozentsatz der Ausgangsmenge kommt. Aber da hindert einzelne Teilchen nicht, weit über die Grenzen des Sonnensystems hinaus zu gelangen.

    Und da Neutronen eben Neutral sind, unterliegen sie auch keinen magnetischen oder elektrischen Beeinflussungen. Da alle Stoffe (außer einem schwarzen Loch) fast nur aus leerem Raum bestehen, gibts immer gute Chancen für einzelne Neutronen durchzukommen. Neutrinos durchfliegen ja sogar die ganze Sonne.

    Gruß Mümmel

    Wen interessieren solche Überlegungen, wenn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen weiter als ein paar hundert Meter kommt < 0.00000000000000000000000000001 ist?

    Abgesehen davon hat ein freies Neutron eine Halbwertszeit von ein paar Minuten, also nix mit Sonnensystem durchfliegen. Oder eben wieder mit einer Wahrscheinlichkeit von 10^-1000, wenn du dies als erwähnenswert ansiehst.


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