Die radioaktiven Zerfallsarten

Radioaktivität – Definition

Alle Materie, egal ob Festkörper, Gas oder Flüssigkeit, ist aus Teilchen zusammengesetzt. Lange Zeit wurde angenommen, dass diese Teilchen die kleinsten sind, die es gibt. Seit der Entdeckung der Radioaktivität wissen wir, dass Atome nicht unteilbar sind, sondern zerfallen können, es also noch kleinere Teilchen geben muss.

Entdeckung der Radioaktivität

1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel (1852-1908) eher zufällig, dass Uransalze von selbst unsichtbare Strahlung abgeben. Die polnische, in Paris lebende Physikerin Marie Sklodowska Curie (1867-1934) untersuchte Becquerels Strahlung zusammen mit ihrem Mann Pierre Curie (1859-1906), prägte für sie den Namen “radioaktiv” und entdeckte noch weitere radioaktive Elemente. Sie erhielt zusammen mit ihrem Mann und Becquerel 1903 den Nobelpreis für Physik. Der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford konnte 1903 die drei natürlich vorkommenden Arten der radioaktiven Strahlung aufgrund ihres Durchdringungsvermögens von Materie voneinander abgrenzen und benannte sie nach den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets $\alpha$-, $\beta$- und $\gamma-$Strahlung.

Atommodelle

Wenn Atome zerfallen oder gespalten werden können, müssen sie selbst aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sein. Wir wissen heute, dass diese Teilchen Elektronen, Protonen und Neutronen sind.

Rutherfordscher Streuversuch

Rutherford hatte durch Experimente festgestellt, dass die Materie im Atom nicht gleichmäßig verteilt sein konnte.

• Es musste einen festen Kern geben, der sowohl den Großteil der Masse als auch die gesamte positive Ladung des Atoms enthält.

• Da das Atom nach außen neutral ist, muss die Hülle aus negativ geladenen, sehr leichten Teilchen bestehen (die wir heute als Elektronen bezeichnen).

Der Atomkern ist dabei viel kleiner als das Atom. Das hat einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa $10^{-10}~\text{m}$. Der Kern ist dagegen nur $10^{-14}~\text{m}$ groß, er ist also etwa $10.000$-mal kleiner. Um diesen Größenunterschied etwas anschaulicher zu machen, kannst du dir eine $1~\text{Cent}$ Münze vorstellen. Wenn diese den Atomkern darstellt, wäre das Atom etwa so groß wie der Eiffelturm oder ein Fußballplatz.

Aufbau der Atomkerne

Heute wissen wir, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. Man nennt diese Teilchen deswegen auch Nukleonen. Neutronen sind, wie der Name schon vermuten lässt, elektrisch neutral. Protonen sind einfach positiv geladen, weswegen man ihre Anzahl im Kern auch Kernladungszahl $Z$ nennt. Jedes chemische Element $X$ ist eindeutig durch seine Kernladungszahl definiert. Sie steht in der Symbolschreibweise der Kerne links unten:

$_{\text{Z}}\text{X}$

Während ein Element durch die Anzahl der Protonen $Z$ klar definiert ist, kann die Anzahl der Neutronen $N$ im Kern für ein Element unterschiedliche Werte annehmen. Dadurch ändert sich dann auch die Massenzahl $A$, die gleich der Summe aus $Z$ und $N$ ist . Man nennt diese Kerne unterschiedlicher Masse bei gleicher Kernladung Isotope.

In der Symbolschreibweise steht die Massenzahl links oben:

$_{Z}^{A}\text{X}$

Beispiele für Isotope sind Helium-3 und Deuterium. Ein Heliumkern besteht eigentlich aus zwei Protonen und zwei Neutronen, hat also die Kernladungszahl $2$ und die Massenzahl $4$. Helium-3 ist ein stabiles Isotop, das nur ein Neutron, also die Massenzahl $3$, hat. Deuterium ist ein Isotop von Wasserstoff, das als leichtestes aller Elemente aus nur einem Proton besteht. Deuterium besitzt zusätzlich ein Neutron und hat demnach die Massenzahl $2$.

$\text{Helium}: Z=2, N=2 \rightarrow _{2}^{4} \text{He} \newline \text{Helium-3}: Z=2, N=1 \rightarrow _{2}^{3} \text{He}$

$\text{Wasserstoff}: Z=1, N=0 \rightarrow _{1}^{1} \text{H} \newline \text{Deuterium}: Z=1, N=1 \rightarrow _{1}^{2} \text{H}$

Stabilität des Nuklids

Du hast dich vielleicht schon gewundert, weshalb der Kern überhaupt zusammenhält. Denn die positiven Protonen stoßen sich natürlich aufgrund der Coulombkraft gegenseitig ab – der Atomkern dürfte also gar nicht zusammenhalten. Dennoch gibt es stabile Isotope vieler Elemente.

Verantwortlich dafür ist die starke Wechselwirkung oder auch Kernbindungskraft, die zwar eine extrem kurze Reichweite hat, dafür aber viel stärker ist als die Coulombkraft. Diese wirkt anziehend zwischen allen Nukleonen und sorgt dafür, dass der Kern zusammenhält. Aber es handelt sich hierbei um keine perfekte Lösung. Von den 3300 bekannten Isotopen sind nur etwa 240 stabil. Es gibt entweder zu viele oder zu wenig Neutronen im Kern. Um das Ungleichgewicht abzubauen und einen energetisch günstigeren Zustand zu erreichen, gibt es in der Natur drei bzw. vier verschiedene Mechanismen des radioaktiven Zerfalls. Der Kern wandelt sich dabei in einen anderen Kern mit kleinerer Massenzahl um. Die Energie wird dabei in Form von elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung frei und deshalb nennt man solche Stoffe auch radioaktiv oder spricht von radioaktivem Zerfall. Das Wort Radius kommt nämlich aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie Strahl.

Radioaktiver Zerfall

Mit Alltagsanalogien lassen sich die verschiedenen Zerfallsmechanismen beschreiben als:

• Ballastabwerfen

• Rollentausch

• sich abreagieren

$\alpha$-Zerfall

Der Alpha-Zerfall ist die drastischste Maßnahme zum Abbau der Spannung innerhalb des Atomkerns. Er besteht darin, dass vier Nukleonen, zwei Protonen und zwei Neutronen, aus dem Atomkern herausgestoßen werden, die ein sogenanntes Alphateilchen bilden.

Die allgemeine Zerfallsgleichung des Alphazerfalls sieht folgendermaßen aus:

$^{A}_{Z} \text{X} \rightarrow ^{A-4}_{Z-2} \text{Y} + ^{4}_{2} \text{He}$

Das Alphateilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen ist ein Heliumkern.

Ein Beispiel für den Alpha-Zerfall liefert Uran-238:

Uran-238 zerfällt zum Beispiel zu Thorium-234.

Die Differenz der Masse sagt uns, wie viel Energie bei diesem Zerfall frei wird, wenn wir sie in die berühmte Formel von Einstein einsetzen. Auch Thorium-234 ist instabil und zerfällt. Das passiert solange, bis ein stabiler Kern erreicht ist. Man nennt den Weg vom Ausgangskern bis zu einem stabilen Kern eine Zerfallsreihe.

$\beta$-Zerfall

Beim Beta-Zerfall findet ein Rollentausch statt. Ein Neutron verwandelt sich in ein Proton ($\beta^{-}$-Zerfall) oder ein Neutron verwandelt sich in ein Proton ($\beta^{+}$-Zerfall).

$\beta^{-}$-Zerfall

Die allgemeine Zerfallsgleichung des Beta-Minus-Zerfalls sieht folgendermaßen aus:

$_{Z}^{A} \text{X} \rightarrow _{Z+1}^{A} \text{Y}+_{-1}^{~~~0} \text{e} + \bar{\nu} _\text{e}$

bzw. auf Teilchenebene

$_{0}^{1} \text{n} \rightarrow _{1}^{1} \text{p}+_{-1}^{~~~0} \text{e} + \bar{\nu} _\text{e}$

Dabei wird ein Elektron frei und ein sogenanntes Antielektron-Neutrino.

Das Neutrino wurde 1930 von Wolfgang Pauli (1900-1958) erdacht, um zu erklären, dass die Betateilchen nicht nur eine bestimmte kinetische Energie hatten, sondern ein ganzes Spektrum, ohne dabei Energie- und Impulserhaltungssatz zu verletzen. Es wurde 1956 experimentell nachgewiesen.

Ein Beispiel für einen Beta-Minus-Zerfall ist

$ ^{214}_{82} \text{Pb} \rightarrow ^{214}_{83} \text{Bi}+^{0}_{-1} \text{e}+ \bar{\nu} _\text{e}$

Auch beim Beta-Minus-Zerfall entsteht ein neues Element; es hat eine um eins höhere Ordnungszahl als das Augangselement und liegt rechts davon im Periodensystem der Elemente.

$\beta^{+}$-Zerfall

Bei künstlich erzeugten radioaktiven Nukliden kommt auch der Beta-Plus-Zerfall vor.

Die allgemeine Zerfallsgleichung des Beta-Plus-Zerfalls sieht folgendermaßen aus:

$_{Z}^{A} \text{X} \rightarrow _{Z-1}^{A} \text{Y}+_{+1}^{~~~0} \bar{\text{e}} +\nu_\text{e}$

bzw. auf Teilchenebene

$_{1}^{1} \text{p} \rightarrow _{0}^{1} \text{n}+_{+1}^{~~~0} \bar{\text{e}} + \nu _\text{e}$

Hierbei ist nicht das Neutrino ein Antiteilchen, sondern das Beta-Plus-Teilchen selbst: das Positron.

Dieses war 1928/29 durch den britischen Physiker Paul Dirac vorhergesagt und spätestens 1932 von Carl David Anderson, einem US-amerikanischen Physiker, in der kosmischen Strahlung nachgewiesen worden.

Ein Beispiel für einen Beta-Plus-Zerfall ist

$^{22}_{11} \text{Na} \rightarrow ^{22}_{10}\text{Ne}+\ _{+1}^{~~~0} \bar{e} + \nu _\text{e}$

Das neue Element liegt diesmal links vom Ausgangskern.

$\gamma$-Zerfall

Gammazerfall findet dann statt, wenn das Produkt eines Alpha- oder Betazerfalls noch energetisch angeregt ist.

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

Die dabei frei werdende Gammastrahlung ist hochenergetische, nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung.

Radioaktivität – Halbwertszeit

Die Zerfälle eines Kerns passieren dabei spontan, also unvorhersehbar. Über einen einzelnen Kern kann man überhaupt keine Aussage machen, wann er wohl zerfallen könnte. Aber normalerweise liegen radioaktive Kerne, sog. Radionuklide nicht einzeln, sondern in großen Zahlen vor. Für eine große Zahl von Kernen lässt sich ein statistisches Maß angeben, die sog. Halbwertszeit eines bestimmten Radionuklids. Sie gibt an, nach welcher Zeit etwa die Hälfte eines Materials zerfallen ist.

Zerfallsprozesse dieser Art kommen in der Natur häufig vor; ihnen alles ist gemeinsam, dass in einem bestimmten Zeitintervall umso mehr Zerfälle stattfinden, je mehr Ausgangsobjekte, die zerfallen könne, vorhanden sind.

Dann ergibt sich ein exponentielles Zerfallsgesetz:

Es gilt:

$N(t)=N_{0}\cdot e^{-\lambda \cdot}$

Dabei ist $\lambda$ die Zerfallskonstante.

In welchem Zusammenhang stehen nun die Halbwertzeit $T_{\frac{1}{2}}$ und die Zerfallskonstante $\lambda$?

Nach Definition der Halbwertzeit $T_{\frac{1}{2}}$ gilt:

$N(T_{\frac{1}{2}})=N_{0}\cdot e^{-\lambda \cdot T_{\frac{1}{2}}} = \frac{1}{2}\cdot N_{0}$

Daraus folgt:

$e^{-\lambda \cdot T_{\frac{1}{2}}}=\frac{1}{2}~\vert~~ ln$

$-\lambda \cdot T_{\frac{1}{2}}=\ln(\frac{1}{2})$

$-\lambda \cdot T_{\frac{1}{2}}=-\ln2$

$\lambda=\frac{\ln 2}{T_{\frac{1}{2}}}$

Eine einfachere Zerfallsgleichung ist also:

Radioaktivität – Alltag, Kraftwerk, Krieg

Uran gehört neben vielen anderen zu den natürlichen Radionukliden. Sie kommen überall in unserer Umwelt, im Boden und in Baustoffen und sogar in Nahrungsmitteln und im menschlichen Körper vor. Wer zum Beispiel eine Banane isst, nimmt damit eine kleine Menge radioaktiver Strahlung auf. Und durch die Radionuklide in der Umwelt gibt es überall eine natürliche Hintergrundstrahlung.

Neben den natürlichen Radionukliden gibt es auch künstlich erzeugte Elemente mit Radioaktivität. Einige davon werden in Medizin und Technik verwendet, wie zum Beispiel Iod-123, mit dem man die Funktion der Schilddrüse untersuchen kann. Ebenso können durch gezielte Strahlung schädliche Zellen zerstört werden, wie zum Beispiel bei der Strahlentherapie von Krebs.

Eine der bekanntesten Anwendungen der Radioaktivität ist die Erzeugung von Energie in Kernkraftwerken. Über diese Form der Energieerzeugung wird heutzutage wieder viel diskutiert. Kernenergie ist nämlich einerseits neben der Windenergie eine der Energieformen mit dem geringsten Ausstoß von Treibhausgasen. Andererseits birgt sie auch schwer kalkulierbare Risiken und Gefahren, wie zum Beispiel die radioaktiven Abfälle.

Ein Kernkraftwerk - Aufbau und Funktion

Kernkraftwerke gibt es in vielen Industrienationen der Erde. Ein Kernkraftwerk dient der Stromerzeugung. Sie nutzen die Energie, die beim Spalten von Uran oder Plutonium frei wird, um Wasser zu verdampfen und damit Turbinen anzutreiben. Ein Druckwasserreaktor besteht aus drei Kreisläufen. Der Primärkreislauf (1) besteht aus einem Tank, in dem sich Brennstäbe aus spaltbarem Material (Uran bzw. angereichertes Uran) befinden.

Durch einen initialen Neutronenbeschuss wird eine kontrollierte Kettenreaktion gestartet: Trifft ein Neutron auf einen Urankern, so wird dieser in kleinere Töchterkerne sowie neue Neutronen gespalten. Diese können anschließend weitere Kerne spalten. Damit die Kettenreaktion nicht außer Kontrolle gerät, werden Moderatoren eingesetzt, die einen Teil der freien Neutronen abfangen. Bei jedem Spaltvorgang werden große Mengen Energie frei, die das Wasser im Tank auf mehrere hundert Grad erhitzen. Da es unter Druck steht, bleibt es trotzdem flüssig.

Im Sekundärkreislauf (2) wird die enorme Hitze des ersten Kreislaufs genutzt, um Wasser zu verdampfen und damit Turbinen anzutreiben (3), die Strom erzeugen (4). Anschließend wird der heiße Wasserdampf abgekühlt, kondensiert und erneut dem Kreislauf zugeführt. Zum Abkühlen des Wasserdampfs verwendet man häufig kaltes Flusswasser. Charakteristisch für Kernkraftwerke sind die großen Kühltürme (5), die man meist schon aus der Entfernung sehen kann. Der Dampf, der aus den Kühltürmen kommt, ist dabei nichts anderes als Wasserdampf und nicht, wie vielerorts behauptet wird, schädliches Abgas.

Vor- und Nachteile der Kernkraftwerke

Bei Unfällen etwaiger Natur kann es passieren, dass die Kettenreaktion nicht mehr kontrolliert werden kann. Dann kann es zu Reaktorunfällen kommen, wie die Beispiele Tschernobyl und Fukushima zeigen. Außerdem gibt es das Problem der Endlagerung. Kernkraftwerke stehen deshalb oft in der Kritik. In Deutschland werden sie in einigen Jahren sogar ganz abgestellt. Unfälle sind aber sehr selten, da die großen Industrienationen sich genügend Sicherheitsvorkehrungen leisten können.

Die Vorteile der Kernenergie sind, dass die Stromerzeugung sehr billig und umweltfreundlich ist. Außerdem gewinnt man viel mehr Energie als mit Kohlekraftwerken: 1 Kilogramm Uran liefert so viel Energie wie 30 Tonnen Kohle, ohne dabei $CO_2$ auszustoßen.

Typen von Kernkraftwerken

Neben dem beschrieben Druckwasserreaktor gibt es außerdem den Sidewasserreaktor, der auf den Sekundärkreislauf verzichtet. Hier wird die Hitze der Kernspaltung direkt dazu verwendet, Wasserdampf zu erzeugen. Der Nachteil hierbei ist, dass die Turbine kontaminiert wird. Diese beiden Reaktortypen sind die häufigsten. In Ländern, die sich die Anreicherung von Uran nicht leisten können, findet man häufig Schwerwasserreaktoren. Schweres Wasser enthält mehr Neutronen. Außerdem gibt es Brutreaktoren, die gefährlicher sind, aber mehr Anteile des Urans nutzen als herkömmliche Reaktoren.

Die Atombombe

Auch die Atombombe nutzt die enorme Energie der Kernspaltung. Wird eine Atombombe gezündet, wird ähnlich wie in einem Reaktor eine Kettenreaktion initialisiert, sodass alle Urankerne nahezu gleichzeitig gespalten werden. Anders als beim Kernkraftwerk wird diese nicht kontrolliert, stattdessen wird ihrer gesamten Zerstörungskraft freier Lauf gelassen. Mit der Atombombe hält die Menschheit die Bombe zu ihrer eigen Vernichtung in den Händen. Erst zweimal wurde eine Atombombe gegen Menschen eingesetzt und zwar um das japanische Kaiserreich im Zweiten Weltkrieg zur Kapitulation zu zwingen.

So wurden durch das US-Militär zwei Atombomben auf die japanischen Städte Hiroshima (6. August 1945) und Nagasaki (9. August) abgeworfen. Am 15. August wurde das Kriegsende ausgesprochen und am 2. September kapitulierte Japan. Allein bis Ende 1945 starben mehr als 230.000 Menschen durch diesen Angriff.

Während des kalten Krieges entwickelte sich die Technik sehr schnell weiter. Heutige Atombomben und Wasserstoffbomben haben ein Vielfaches der Sprengkraft von Hiroshima.

Radioaktivität – Einheiten

Aktivität

Zur Beschreibung der Aktivität $A$ eines Radionuklids verwenden wir die Einheit Bq, benannt nach dem Entdecker der Radioaktivität, Henri Becquerel.

Sie gibt an, wie viele Zerfälle pro Sekunde stattfinden.

Es gilt:

$[A]=1~\text{Bq}=1~\frac{\text{Zerfall}}{\text{s}}$

Radioaktivität – Strahlenschutz

Die Maßeinheit der Radioaktivität, die im Strahlenschutz genutzt wird, ist das Sievert. Es gibt an, wie viel Energie durch die Strahlung auf einen Körper übertragen wird, und wird mit $\text{Sv}$ abgekürzt. Dabei entspricht $1~\text{Sievert}$ einem $\text{Joule}$ pro $\text{Kilogramm}$. In der folgenden Tabelle findet ihr ein paar Beispiele:

¹ UN Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (2008). Sources and effects of ionizing radiation. NY: U. N. (published 2010).

² Grajewski, Barbara et al.; (2002). „Radiation dose estimation for epidemiologic studies of flight attendants“. American Journal of Industrial Medicine. 41 (1).

³ Hosoda, Masahiro et al.; „The time variation of dose rate artificially increased by the Fukushima nuclear crisis“. Scientific Reports. 1: 87.

⁴ „F. Typical Sources of Radiation Exposure“. National Institute of Health.

Radioaktivität messen

Messen kann man die Radioaktivität zum Beispiel mit Geigerzählern.

Das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein Gerät zum Nachweis ionisierender Strahlung. Ein durch das Fenster eindringendes Teilchen – auch ein Gamma-Quant – lösen in dem Zählrohr einen Impuls aus. Die Impulse können gezählt werden und geben dann Auskunft über die Anzahl der Zerfälle.

Um die Energieaufnahme und damit eventuell die Gefährlichkeit der Strahlung zu messen, verwendet man Dosimeter.

Radioaktivität – Wirkung auf Organismen

Allen radioaktiven Strahlungsarten ist gemeinsam, dass sie ionisierend wirken. Dies kann auf den menschlichen Körper verschiedene Wirkungen haben.

Dabei unterscheidet man zwischen genetischen und somatischen Schäden. Die somatischen Schäden werden unterschieden in Frühschäden, die sofort oder unmittelbar nach der Bestrahlung auftreten, und Spätschäden. Bei bösartigen Spätschäden wie Krebs dürfte die Wahrscheinlichkeit des Eintretens abhängig von der Strahlendosis sein, bei den anderen die Schwere des Schadens.

Radioaktivität – Schutz

Radioaktivität und ionisierende Strahlung kann abhängig von der Intensität und Bestrahlungsdauer sehr gefährlich für Menschen sein. So kann etwa die DNA geschädigt werden, was zu Krebs und Erbkrankheiten führen kann. Berufsgruppen, die regelmäßig in Kontakt mit Radioaktivität kommen, müssen sich daher schützen und an Strahlenschutz-Richtlinien halten. Dazu zählen u.A. Reaktorarbeiter, Ärzte, Piloten und Bergmänner. Um vergleichen zu können, wer wie viel der gefährlichen Strahlung ausgesetzt war, wurde die Energieäquivalenzdosis $H$ mit der Einheit Sievert (1 Sv) eingeführt. Diese berechnet sich aus Art der Strahlung, Bestrahlungsdauer und -intensität.

Häufig gestellte Fragen zur Radioaktivität