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Die radioaktiven Zerfallsarten

Du weißt schon, dass Atome aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt, den Elektronen, Protonen und Neutronen sind. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen und werden durch starke Wechselwirkung zusammengehalten. Radioaktivität bezeichnet den Zerfall instabiler Kerne, bei dem Energie freigesetzt wird. Was hat das mit Radioaktivität zu tun? Lies weiter, um herauszufinden!

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Team Digital
Die radioaktiven Zerfallsarten
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Die radioaktiven Zerfallsarten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Die radioaktiven Zerfallsarten kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die Bestandteile des Atoms.

    Tipps

    Das Elektron trägt eine elektrische Ladung.

    Das Neutron ist elektrisch neutral.

    Das Proton ist 1 836-mal schwerer als das Elektron.

    Lösung

    In der Natur bestehen Atome im Wesentlichen aus drei grundlegenden Bausteinen. Zwei davon, das Elektron und das Proton, tragen eine elektrische Ladung, während das dritte, das Neutron, elektrisch neutral ist.

    Das Elektron besitzt eine negative Ladung und ist sehr leicht, während das Proton eine positive Ladung hat und 1 836-mal schwerer als das Elektron ist.

    Das Neutron ist etwas schwerer als das Proton. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Ladungen ziehen sich ungleiche Ladungen an, während sich gleiche Ladungen abstoßen. Im Atomkern wirkt zwischen den massiven Teilchen eine starke anziehende Kraft, bekannt als starke Kernkraft – allerdings nur dann, wenn sie sehr dicht beieinanderliegen.

  • Beschreibe die dargestellten Vorgänge mit den richtigen Begriffen.

    Tipps

    Beim Alphazerfall emittiert der Atomkern ein Alphateilchen.

    Beim Betazerfall wandelt sich ein Neutron um.

    Beim Gammazerfall gibt ein Atomkern überschüssige Energie ab.

    Lösung

    Alphazerfall:

    • Emittierung eines Alphateilchens aus zwei Protonen und zwei Neutronen

    Beim Alphazerfall emittiert der Atomkern ein Alphateilchen, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Dieser Prozess führt zu einer Reduzierung der Massenzahl um $4$ und der Ordnungszahl um $2$.


    Betazerfall:

    • Neutron wird in Proton umgewandelt

    Der Betazerfall ist ein Phänomen des radioaktiven Zerfalls, das in Atomkernen auftritt. Dabei gibt der Kern ein energiereiches Betateilchen – entweder ein Elektron oder ein Positron – ab, während gleichzeitig ein Antineutrino beziehungsweise Neutrino entsteht. Diese Art des Zerfalls wird je nach Art der emittierten Teilchen unterschieden: Wenn ein Elektron emittiert wird, dann spricht man von Beta-Minus-Zerfall $(\beta^-)$, während bei der Abgabe eines Positrons von Beta-Plus-Zerfall $(\beta^+)$ die Rede ist.


    Gammazerfall:

    • Energieabgabe in Form von Gammastrahlung

    Beim Gammazerfall gibt ein Atomkern überschüssige Energie in Form von hochenergetischer Gammastrahlung ab. Dieser Prozess führt nicht zu einer Veränderung der Massen- oder Ordnungszahl des Atoms, sondern dient dazu, den Kern in einen stabilen Zustand zu bringen.

  • Erläutere die radioaktiven Zerfallsarten.

    Tipps

    Beim Beta-minus-Zerfall verwandelt sich ein Neutron in ein Proton, wobei ein Elektron abgegeben wird. Dieses Elektron wird als Betateilchen bezeichnet.

    Beim Beta-minus-Zerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt, während beim Beta-plus-Zerfall ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird.

    Beim Gammazerfall gibt ein Kern überschüssige Energie in Form von Gammastrahlung ab, ohne dass sich die Massenzahl oder Ordnungszahl ändert.

    Beim Beta-plus-Zerfall wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt und es wird ein positiv geladenes Elektron abgegeben.

    Lösung
    • Wenn ein Neutron in ein Proton verwandelt wird oder umgekehrt, dann entsteht ein Betateilchen.

    Diese Aussage bezieht sich auf den Betazerfall, genauer gesagt den Beta-minus-Zerfall. Beim Beta-minus-Zerfall verwandelt sich ein Neutron in ein Proton, wobei ein Elektron abgegeben wird. Dieses Elektron wird als Betateilchen bezeichnet, da es beim Betazerfall freigesetzt wird.


    • Beim Betazerfall – ob Beta-minus-Zerfall oder Beta-plus-Zerfall – entsteht ein Betateilchen, wenn sich innerhalb des Kerns ein Neutron in ein Proton oder ein Proton in ein Neutron umwandelt.

    Diese Aussage verdeutlicht, dass der Betazerfall – unabhängig davon, ob es sich um den Beta-minus-Zerfall oder den Beta-plus-Zerfall handelt – mit der Umwandlung von Neutronen in Protonen oder umgekehrt einhergeht. Dabei wird jeweils ein Betateilchen freigesetzt, das ein Elektron (im Fall des Beta-minus-Zerfalls) oder ein Positron (im Fall des Beta-plus-Zerfalls) sein kann.


    • Wenn ein energetisch angeregter Kern unter Abgabe von Energie in Form von Gammastrahlung in seinen Grundzustand zerfällt, dann bleiben die Massenzahl und die Ordnungszahl gleich.

    Diese Aussage beschreibt den Gammazerfall. Beim Gammazerfall gibt ein Kern überschüssige Energie in Form von Gammastrahlung ab, ohne dass sich die Massenzahl oder Ordnungszahl ändert. Gammastrahlung besteht aus Photonen, hat jedoch keine Masse oder Ladung. Daher bleiben die Massenzahl und die Ordnungszahl des Kerns unverändert.


    • Wenn sich beim Beta-plus-Zerfall ein Proton in ein Neutron verwandelt, dann gibt es ein positiv geladenes Elektron ab.

    Diese Aussage beschreibt den Beta-plus-Zerfall. Beim Beta-plus-Zerfall wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt und es wird ein positiv geladenes Elektron abgegeben. Dieses positiv geladene Elektron wird Positron genannt und ist das Antiteilchen zum Elektron.

  • Entscheide, welche Art von Zerfall die Gleichungen darstellen.

    Tipps

    $\substack{A \\ Z}\text{X}$ steht für das Ausgangsnuklid mit Massenzahl $A$ und Ordnungszahl $Z$.

    $\substack{4 \\ 2}\alpha$ ist das emittierte Alphateilchen, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht.

    $\substack{~~~0 \\ -1}\beta^-$ stellt das emittierte Betateilchen dar, das ein Elektron ist und eine Ladung von $-1$ hat.

    $\substack{A \\ Z}\text{X}$ repräsentiert das Nuklid in seinem Grundzustand nach dem Gammazerfall.

    Lösung

    Alphazerfall:

    $\substack{A \\ Z}\text{X}\rightarrow\substack{A-4 \\ Z-2}\text{Y}+\substack{4 \\ 2}\alpha$

    Dabei steht $\substack{A \\ Z}\text{X}$ für das Ausgangsnuklid mit Massenzahl $A$ und Ordnungszahl $Z$.
    Der Term $\substack{A-4 \\ Z-2}\text{Y}$ repräsentiert das entstehende Nuklid mit einer um $4$ verringerten Massenzahl und einer um $2$ verringerten Ordnungszahl.
    $\substack{4 \\ 2}\alpha$ ist das emittierte Alphateilchen, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht.

    $\substack{293 \\ 92}\ce{U}\rightarrow\substack{229 \\ 90}\ce{Th}+\substack{4 \\ 2}\ce{He}$


    Betazerfall:

    $\substack{A \\ Z}\text{X}\rightarrow\substack{A \\ Z+1}\text{Y}+\substack{~~~0 \\ -1}\beta ^-$

    $\substack{A \\ Z}\text{X}$ steht auch hier für das Ausgangsnuklid mit Massenzahl $A$ und Ordnungszahl $Z$.
    Der Term $\substack{A \\ Z+1}\text{Y}$ repräsentiert das entstehende Nuklid mit derselben Massenzahl und einer um $1$ erhöhten Ordnungszahl.
    Außerdem stellt $\substack{~~~0 \\ -1}\beta^-$ das emittierte Betateilchen dar, das ein Elektron ist und eine Ladung von $-1$ hat.

    $\substack{214 \\ 82}\ce{Pb}\rightarrow\substack{214 \\ 83}\ce{Bi}+\substack{~~~0 \\ -1}e$


    Gammazerfall:

    $\substack{A \\ Z}\text{X}^*\rightarrow\substack{A \\ Z}\text{X}+\gamma$

    $\substack{A \\ Z}\text{X}^*$ bezeichnet das angeregte Nuklid mit Massenzahl $A$ und Ordnungszahl $Z$.
    Der Term $\substack{A \\ Z}\text{X}$ repräsentiert das Nuklid in seinem Grundzustand nach dem Gammazerfall.
    $\gamma$ steht für das emittierte Gammastrahlenphoton, das elektromagnetische Strahlung ohne Masse oder Ladung ist.

  • Welcher Baustein eines Atoms ist elektrisch neutral?

    Tipps

    Die Bausteine eines Atomkerns sind Elektronen, Neutronen und Protonen.

    Hier kannst du die Ladungen der Bausteine eines Atomkerns sehen.

    Lösung

    Elektron:

    • Ein Elektron ist ein negativ geladenes Teilchen, das sich um den Atomkern bewegt. Da es eine negative Ladung besitzt, ist es nicht elektrisch neutral.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort falsch.


    Proton:

    • Ein Proton ist ein positiv geladenes Teilchen, das sich im Atomkern befindet. Aufgrund seiner positiven Ladung ist ein Proton nicht elektrisch neutral.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort falsch.


    Neutron:

    • Ein Neutron ist ein neutrales Teilchen, das sich im Atomkern befindet. Im Gegensatz zu Elektronen und Protonen besitzt es keine elektrische Ladung, weshalb es elektrisch neutral ist.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.


    Gammastrahlung:

    • Gammastrahlung ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die vom Atomkern emittiert wird. Sie besteht aus energiereichen Photonen und hat daher keine elektrische Ladung. Allerdings handelt es sich bei Gammastrahlung nicht um einen Baustein eines Atoms, sondern um eine Form von Strahlung, die bei bestimmten Kernprozessen freigesetzt wird.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort falsch.

  • Stelle die Alphazerfallsgleichung für das Isotop Radium auf.

    Tipps

    Das Element mit der Ordnungszahl $222$ heißt Radon ($\ce{Rn}$).

    Das Ausgangsnuklid ist Radium-$226$ $(^{226}_{88}\ce{Ra})$. Die obere Zahl $(226)$ stellt die Massenzahl dar und die untere Zahl $(88)$ ist die Ordnungszahl.

    Die Alphazerfallsgleichung hat diese Form:

    $\substack{A \\ Z}\text{X}\rightarrow\substack{A-4 \\ Z-2}\text{Y}+\substack{4 \\ 2}\ce{He}$

    Dabei steht $\text{X}$ für das Ausgangsnuklid, $\text{Y}$ für das Tochternuklid, und $\ce{He}$ für das emittierte Alphateilchen.

    Für den Alphazerfall von Radium-$226$ wird das Tochternuklid Radon-$222$ $(^{222}_{86}\ce{Rn})$ und das emittierte Alphateilchen Helium-$4$ $(^{4}_{2}\ce{He})$ produziert.

    Lösung

    Folgende Gleichung stellt den Alphazerfall des Isotops Radium-$226$ dar:

    $\displaystyle \substack{226 \\ 88}\ce{Ra}\rightarrow\substack{222 \\ 86}\ce{Rn} + \substack{4 \\ 2}\ce{He}$

    Hier ist die Erläuterung und wie du zu dieser Lösung gelangst:

    Das Ausgangsnuklid ist Radium-$226$ $(^{226}_{88}\ce{Ra})$. Die obere Zahl $(226)$ stellt die Massenzahl dar und die untere Zahl $(88)$ ist die Ordnungszahl. Die Alphazerfallsgleichung hat diese Form:

    $\displaystyle \substack{A \\ Z}\text{X} \rightarrow \substack{A-4 \\ Z-2}\text{Y} + \substack{4 \\ 2}\ce{He}$

    Dabei steht $\text{X}$ für das Ausgangsnuklid, $\text{Y}$ für das Tochternuklid und $\ce{He}$ für das emittierte Alphateilchen. Für den Alphazerfall von Radium-$226$ wird das Tochternuklid Radon-$222$ $(^{222}_{86}\ce{Rn})$ und das emittierte Alphateilchen Helium-$4$ $(^{4}_{2}\ce{He})$ produziert. Daher führt der Alphazerfall von Radium-$226$ zur Bildung von Radon-$222$ und Helium-$4$.