Der radioaktive Zerfall

Hallo und herzlich willkommen.
Das heutige Thema lautet: Der radioaktive Zerfall
Nach dem Film weißt du, was Radioaktivität ist und welche Arten radioaktiver Strahlung es gibt. Folgende Begriffe solltest du allerdings bereits kennen:
- Atom
- Proton
- Neutron
- Elektron
- Element
- Isotop
- Ordnungszahl
und
- Massenzahl
Wenn man von Radioaktivität spricht, dann sollte man sich Folgendes unbedingt immer vor Augen halten:
Radioaktive Zerfallsprozesse betreffen stets den Atomkern, also nicht die Elektronenhülle. Sie gehören folglich zu den Kernreaktionen. Reaktionen also, bei denen der Atomkern sich verändert. Das bedeutet auch, dass wir es häufig mit einer sogenannten Elementumwandlung haben, also dass ein Atom eines Elements sich in ein Atom eines anderen Elements umwandelt. Warum finden radioaktive Zerfallsprozesse überhaupt statt?
Nun, wie ihr wisst, besteht ein Atomkern aus Protonen und Neutronen. Erhöhen wir die Anzahl von Neutronen und Protonen, dann wird der Kern irgendwann so groß, dass er instabil wird. Und wenn ein Atomkern instabil wird, dann beginnt er, zu zerfallen. Ein klein wenig kann man das mit einem Kartenhaus vergleichen, dass immer größer und größer und größer wird. Irgendwann ist es so groß, dass es instabil wird und es fällt in sich zusammen.
Allerdings hinkt dieser Vergleich an einer Stelle. Atomkerne zerfallen nicht plötzlich und total wie ein Kartenhaus, sondern eher Stück für Stück, indem sie Strahlung abgeben. Zunächst aber einmal etwas zur Frage, wann Kerne überhaupt instabil werden, oder warum. Nun, zunächst kann man sich merken, dass alle Kerne die mehr als 83 Protonen besitzen, instabil sind. Und da die Protonenzahl ja auch gleichzeitig die Ordnungszahl eines Elements ist, kann man sagen: Alle Elemente mit einer Ordnungszahl >83 sind radioaktiv. Kerne können aber auch unstabil sein, weil sie zu viele Neutronen enthalten. Das bedeutet, dass von jedem Element durch Hinzufügen von Neutronen radioaktive Isotope hergestellt werden können. Als Beispiel für instabile Atomkerne: Radon (Rn) ist ein radioaktives Element, weil seine Ordnungszahl 86 beträgt. Das heißt, es besitzt 86 Protonen im Kern. Ein 2. Beispiel: Vom Kohlenstoff kennt man 3 Isotope, C12, C13 und C14.
Wie alle Isotope unterscheiden sie sich nur in der Neutronenzahl. C14 besitzt so viele Neutronen, dass es instabil ist. Das heißt, es gibt auch ein radioaktives Kohlenstoffisotop. Was aber passiert genau beim radioaktiven Zerfall eines Atomkerns? Wie zerfällt der Atomkern?
Ganz allgemein kann man sagen, instabile Atomkerne stoßen Elementarteilchen oder kleine Kernbruchstücke aus. Dadurch verändert sich die Ordnungszahl und manchmal auch die Massenzahl, des betreffenden Atoms. Man unterscheidet zwischen 3 verschiedenen Strahlungsarten.
-λ-Strahlung
-β- Strahlung
und
-γ- Strahlung
Zunächst zur λ-Strahlung. Beim λ-Zerfall werden Helium 4 Kerne ausgestoßen. Die Ordnungszahl vermindert sich dabei um 2, die Massenzahl um 4. Wie ist das gemeint? Ein instabiler Kern, der auf dem λ-Weg zerfällt, emittiert, also stößt Partikel aus, die genauso aussehen wie ein Helium-Kern, die also aus 2 Protonen und 2 Neutronen bestehen. Der Verlust von 2 Protonen vermindert die Ordnungszahl um 2 und der Verlust von 2 Protonen und 2 Neutronen vermindert die Massenzahl um 4. Hier ein Beispiel:
Sagen wir, wir gehen von einem Radium-Atom aus, welches die Ordnungszahl 88 hat und die Massenzahl 226. Nach dem λ-Zerfall hat es 2 Protonen weniger, also nur noch die Ordnungszahl 86, und da die Veränderung der Ordnungszahl auch gleichzeitig eine Elementumwandlung bedeutet, haben wir es nicht mehr mir Radium zu tun, sondern mit Radon, Rn. Außerdem hat sich die Massenzahl verändert, von 226 auf 222. Nun haben sich die 2 Protonen und 2 Neutronen ja nicht einfach in Luft aufgelöst, sondern sie wurden von unserem Atom abgestoßen. Als so genannter Helium-Kern, auch λ-Teilchen genannt. Der Helium-Kern selbst ist die λ-Strahlung.
Ein 2. Beispiel wäre das Uran 238, mit der Ordnungszahl 92 und der Massenzahl 238, welches sich durch λ-Zerfall in Thorium 234 verwandelt, mit der Ordnungszahl 90, der Massenzahl 234. Auch hier wird wieder ein λ-Teilchen emittiert, ein Helium-Kern. Wir können also sagen:
λ-Strahlung besteht aus Helium-Kernen. Aus Gebilden also, die aus 2 Neutronen und 2 Protonen bestehen.
Nun zur β-Strahlung. Beim β-Zerfall wird im Kern des Atoms ein Neutron umgewandelt in ein Proton und ein Elektron. Das wird hier dargestellt durch die Gleichung:
n→p+, also das Proton +, e-, also das Elektron.
Nachdem das passiert ist, verlässt das Elektron den Kern und das Proton bleibt im Kern zurück. Bei diesem Vorgang erhöht sich die Ordnungszahl um 1, da ja 1 Proton entstanden ist, also 1 Proton jetzt mehr ist, aber die Massenzahl die verändert sich nicht, da ein Elektron zwar den Kern verlässt, aber Elektronen tragen ja bekanntlich nichts zur Massenzahl bei, können sie also nicht verändern. Wichtig ist, dass dieser Vorgang im Kern des Atoms stattfindet. Obwohl wir es hier mit Elektronen zu tun haben, sind es Elektronen, die im Kern entstanden sind und die nicht aus der Elektronenhülle des Atoms stammen. Auch hierzu ein Beispiel: Ausgehend von einem Kalium-Atom, mit der Ordnungszahl 19 und der Massenzahl 40, erhalten wir nach dem β-Zerfall, ein Calcium-Atom, mit der Ordnungszahl 20. Die Ordnungszahl ist deshalb um 1 erhöht, weil ein Proton entstanden ist. Die Massenzahl ist die gleiche geblieben. Weiterhin erhalten wir ein Elektron, welches als β-Strahlung vom Atom ausgestoßen wird, also emittiert wird. Noch ein Beispiel: Ein Polonium-Atom, mit der Ordnungszahl 84 und der Massenzahl 215, verwandelt sich durch β-Zerfall in ein Astat-Atom mit der Ordnungszahl 85, also um 1 erhöht, aber mit gleicher Massenzahl 215. Auch hier wird wieder ein Elektron emittiert, das wir auch β-Teilchen nennen können, beziehungsweise β-Strahlung. β-Strahlung besteht aus Elektronen.
Die 3. Strahlung im Bunde ist die γ-Strahlung. γ-Strahlung ist sehr energiereiche, elektromagnetische Strahlung. Sie tritt als Begleiterscheinung von λ-und β-Zerfallsprozessen auf. Mit anderen Worten: Jedes mal wenn ein λ- oder β-Zerfall stattfindet, dann wird automatisch auch γ-Strahlung als Nebenprodukt emittiert. Diese γ-Strahlung ist sehr energiereich. Und wie gesagt handelt es sich dabei um elektromagnetische Strahlung, also Strahlung die ähnlich ist, wie sichtbares Licht oder Mikrowellen oder Röntgenstrahlung, aber die sehr viel energiereicher ist. Aus diesem Grunde ist sie, für den menschlichen Körper, auch sehr viel gefährlicher als Licht oder Mikrowellen, oder sogar als Röntgenstrahlung.
So, wir haben gerade gelernt, was Radioaktivität ist und welche Strahlungsarten es gibt. Dabei hatten wir zunächst den λ-Zerfall besprochen, der sich schematisch so darstellen lässt:
Ein Kern K, der Ordnungszahl n und der Massenzahl m, zerfällt in einen Kern K`Strich mit der Ordnungszahl n-2 und der Massenzahl m-4. Außerdem entsteht ein λ-Teilchen, ein Helium-Kern, der dann die λ-Strahlung bildet.
Beim β-Zerfall, zerfällt der Kern K, mit der Ordnungszahl n und der Massenzahl m, in den Kern K`Strich mit der Ordnungszahl n+1 und der Massenzahl m, die sich nicht verändert hat. Emittiert wird ein Elektron, ein β-Teilchen, welches die β-Strahlung bildet. Als Begleiterscheinung beider Zerfallsprozesse haben wir die γ- Strahlung, eine sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung.
Vielen Dank fürs Zuschauen, Tschüss und bis zum nächsten Mal.