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Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung 10:34 min

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Transkript Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir machen heute weiter mit der Atomphysik und wollen uns mal die α-, β,- und γ-Strahlen genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr bereits das Video über die Radioaktivität gesehen haben, sowie das Video über das Periodensystem, damit ihr die korrekte Atomschreibweise kennt. Wir lernen heute, was eigentlich bei α-, β,- und γ-Zerfällen genau passiert, welche Eigenschaften die dabei entstehenden Strahlungsarten haben, wie die jeweiligen Zerfallsgleichungen dazu aussehen und wie man α-, β,- und γ-Strahlung abschirmen kann. Zuerst wollen wir aber noch einmal wiederholen was wir bis jetzt gelernt haben und für dieses Video dringend brauchen. Alle Atome bestehen aus einem Kern, dessen Bauteile die positiv geladenen Protonen und die neutralen Neutronen sind und einer Hülle, die aus Elektronen besteht. Radioaktive Strahlung entsteht, wenn ein instabiler Kern sich durch Zerfall versucht in einen stabileren Kern zu verwandeln. Außerdem wissen wir, dass ein Atomkern dann instabil wird, wenn er deutlich zu schwer ist oder wenn er ein ungünstiges Verhältnis zwischen Protonen und Neutronen hat. Als Erstes wollen wir uns den α-Zerfall genauer ansehen. α-Zerfall tritt auf, bei sehr schweren Kernen oder Kernen die deutlich mehr Protonen als Neutronen haben. Bei einem α-Zerfall, wird ein α-Teilchen, oder auch ein Helium-Kern, also 2 Protonen und 2 Neutronen, aus dem Kern geworfen. Dieses α-Teilchen hat eine Geschwindigkeit von circa 10% der Lichtgeschwindigkeit. Unter den Zerfallsarten, die wir uns heute ansehen, ist der α-Strahler mit Abstand die dickste Kanone. Deswegen ist aber seine Reichweite auch eher gering. In Luft strahlt ein α-Strahler nur wenige Zentimeter weit. Eine weitere wichtige Eigenschaft radioaktiver Strahlung ist das so genannte Ionisationavermögen. Wenn ihr das Video über das Periodensystem gesehen habt, erinnert ihr euch vielleicht, dass man Atome, die nicht die gleiche Elektronenanzahl wie Protonenanzahl haben, Ionen nennt. Wenn radioaktive Strahlung ein Material durchquert, kann sie Elektronen aus Atomhüllen herausschlagen. Die verschiedenen Strahlungstypen sind dafür unterschiedlich gut geeignet. Je besser eine Strahlung darin ist, desto höher ist ihr so genanntes Ionisationsvermögen. Da die α-Teilchen nicht nur groß und schwer, sondern auch doppelt positiv geladen sind, wegen ihrer 2 Protonen, haben sie ein hohes Ionisationsvermögen. Die Zerfallsgleichung eines α-Zerfalls sieht folgendermaßen aus: Die Massenzahl A verringert sich um 4, 2 Protonen und 2 Neutronen, während sich die Ordnungszahl Z um 2 verringert, wegen der 2 Protonen. Diese 2 Protonen und 2 Neutronen verlassen als α-Teilchen den Kern. Man kann statt α auch 4, 2 Helium schreiben. Zum Beispiel 238, 92 Uran ist ein α-Strahler. Es gibt einen Helium-Kern ab und wird dadurch zu einem 234, 90 Thorium. Als Nächstes wollen wir uns den β-Zerfall genauer ansehen. Hier gibt es 2 unterschiedliche Varianten. Den β- plus und den β-minus-Zerfall. Sie treten beide auf, wenn ein ungünstiges Protonen zu Neutronen-Verhältnis im Atomkern besteht. Das dabei entstehende Elektron, oder Positron, hat ungefähr eine Geschwindigkeit von 90% der Lichtgeschwindgkeit. Was passiert ist Folgendes: Je nachdem ob es zu viele Protonen oder zu viele Neutronen gibt, wird eines in das andere umgewandelt. Dazu muss sich die Ladung des Kerns ändern, es verlässt also entweder ein Elektron oder ein Positron, also ein positiv geladenes Elektron, den Kern. Dies ist aber noch nicht alles. Neben dem Elektron oder Positron, verlässt auch noch ein Neutrino den Atomkern. Neutrinos sind sehr leichte und ungeladene Teilchen, wodurch sie sehr schwer zu erkennen sind. Bei genauer Betrachtung des β-Zerfalls waren sich die Wissenschaftler relativ schnell einig, dass hier noch ein weiteres Teilchen beteiligt sein musste. Der Nachweis de Neutrinos gelang jedoch erst deutlich später. Genau sieht es also folgendermaßen aus: Bei einem β-minus Zerfall, verlässt ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino den Kern, wobei sich ein Neutron in ein Proton verwandelt. Bei einem β-plus Zerfall hingegen, verlässt ein Positron und ein Elektron-Neutrino den Kern und ein Proton verwandelt sich in ein Neutron. Die Reichweite der β-Strahlung ist schon deutlich höher, als die der α-Strahlung. In Luft kommt sie je nach Energie bis zu einigen Metern weit. Da die β-Strahlung deutlich leichter als die α-Strahlung ist und auch nur einfach negativ geladen, ist ihr Ionisationsvermögen ungefähr mittelhoch. Die Zerfallsgleichungen für den β-Zerfall sehen folgendermaßen aus: Beim β-minus-Zerfall, wird beim Ausgangsstoff, die Massenzahl gleich bleiben, aber die Ordnungszahl sich um 1 erhöhen. Dafür verlässt ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino den Kern. Als Beispiel gibt es hier zum Beispiel den Zerfall von 14, 6 Kohlenstoff. 14, 6 Kohlenstoff hat 8 Neutronen und 6 Protonen. Er könnte also durchaus ein Neutron durch ein Proton ersetzen. Er wandelt also eines der Neutronen durch β-minus-Zerfall um, und wird von 14, 6 Kohlenstoff zu 14, 7 Stickstoff, wobei er ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino abgibt. Beim β-plus-Zerfall ändert sich ebenfalls nicht die Massenzahl, die Ordnungszahl im Kern sinkt jedoch um 1. Dafür wird ein Positron abgegeben und ein Elektron-Neutrino. Als Beispiel für den β-plus-Zerfall haben wir hier 13, 7 Stickstoff. 13, 7 Stickstoff hat 6 Neutronen und 7 Protonen. Für ihn wäre es also günstig wenn sich eines der Protone in ein Neutron verwandelt. Dazu gibt er ein Positron und ein Elektron-Neutrino ab und wird zu 13, 6 Kohlenstoff. Als Nächstes wollen wir uns den γ-Zerfall ansehen. γ-Zerfall tritt auf, wenn nach einem Zerfall ein Kern angeregt ist, also sich in einem höheren Energiezustand befindet. Einfach ausgedrückt kann das zum Beispiel bedeuten; er routiert schnell oder schwingt. Wenn dies der Fall ist, wird der Kern irgendwann wieder in einen energetisch günstigeren oder tiefer liegenden Zustand übergehen. Das heißt, er wird aufhören sich so schnell zu drehen oder so schnell zu schwingen. Der Energieunterschied, der relativ groß ist, wird dann in Form eines Lichtquants oder Photons abgegeben. Das ist die γ-Strahlung. Ihr seht also beim γ-Zerfall zerfällt streng genommen eigentlich überhaupt nichts. Obwohl man also weiss, dass bei einem Kern der γ-Strahlung abgibt, die Kernbauteile völlig unverändert bleiben, spricht man auch heute noch von γ-Zerfall. Die Reichweite von γ-Strahlung ist enorm. Je nach Energie reicht γ-Strahlung in Luft viele 100 Meter weit, weil sie weder schwer noch irgendwie geladen ist, ist das Ionisationsvermögen der γ-Strahlung dagegen relativ gering. Da nicht wirklich etwas zerfällt, ist die Zerfallsgleichung der γ-Strahlung auch relativ einfach. Man schreibt, bei einem Kern AZX, den angeregten Zustand kennzeichnet man durch ein Sternchen, ändert sich weder A noch Z noch X, nur das Sternchen lässt man weg, um zu zeigen, dass es von einen angeregten Zustand, in einen Grundzustand hinübergegangen ist. Dafür wird ein γ-Teilchen, ein Photon abgegeben. Zum Beispiel 60, 27 Cobalt zerfällt per β-minus-Zerfall zu 60, 28 Nickel. Das Nickel bleibt in einem angeregten Zustand zurück. Dieser angeregte Zustand wird abgebaut, indem ein Lichtteilchen ausgesendet wird. Man schreibt also 60, 28 Nickel Stern wird zu 60, 28 Nickel + γ. Zuletzt wollen wir uns noch ansehen, wie man sich eigentlich vor radioaktiver Strahlung schützen kann. Oder genauer gesagt: Womit kann ich eigentlich α-, β,- und γ-Strahlung abschirmen? Wie wir bereits wissen, ist α-Strahlung groß, schwer und doppelpositiv geladen. Ihre Reichweite in Luft beträgt nur wenige Zentimeter. Das heißt, man kann sie sogar schon mit einem einfachen Blatt Papier abschirmen. β-strahlung hingegen ist deutlich leichter, kleiner und nur einfach negativ geladen. Um sie abzuschirmen braucht man schon ein wenig mehr. Es würde zum Beispiel reichen einige Milimeter Alluminiumblech zu verwenden, oder eine Plexiglasscheibe. Für γ-Strahlung muss man hingegen schon richtig schwere Geschütze, das heißt richtig große Mauern auffahren. Je nach Energie der γ-Strahlung, benötigt man mehrere Zentimeter eines besonders dichten Materials wie zum Beispiel Blei, um die Strahlung genügend abzuschirmen. Um ein einfaches Beispiel zu verwenden: Würdet ihr eure Hand in Strahlung halten, dann käme α-Strahlung kaum durch die Haut, β-Strahlung würde im Gewebe stecken bleiben und γ-Strahlung würde glatt hindurchgehen. So, wir wollen nochmal wiederholen was wir heute gelernt haben. Bei einem α-Zerfall wird ein α-Teilchen, also 2 Protonen und 2 Neutronen aus dem Kern abgestrahlt. Diese Strahlung ist bereits durch ein Blatt Papier abschirmbar. Beim α-Zerfall verringert sich die Massenzahl des Kerns um 4 und die Ordnungszahl um 2. Beim β-Zerfall gibt es 2 verschiedene Möglichkeiten. Dem β-plus und dem β-minus Zerfall. Beim β-minus-Zerfall werden ein Elektron und ein Antielektron-Neutrino abgestrahlt. Beim β- plus Zerfallein Positron und ein Elektron-Neutrino. β-Strahlung ist mit einigen Milimetern Alluminium abschirmbar. Beim β-minus-Zerfall erhöht sich die Ordnungszahl des Kerns um 1, während sie sich beim β-plus-Zerfall um 1 verringert. Die Massenzahl bleibt beim  β-Zerfall gleich. Der γ-Zerfall ist eigentlich gar kein Zerfall. Der Kern geht nur in einen energieärmeren Zustand über. γ-Strahlen sind Lichtteilchen und abschirmbar durch mehrere Zentimeter Blei. Da sich beim γ-Zerfall nichts an den Kernbauteilen ändert, hat er die einfachste Zerfallsgleichung. Vor dem Zerfall ist der Kern angeregt, man schreibt dazu einen Stern hinter dem Kern. Nach dem Zerfall befindet sich der Kern im Grundzustand. Man lässt also den Stern weg und schreibt dafür plus-γ für das ausgesendete Lichtteilchen dazu. So. Das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Ich wünsch euch einen schönen Tag. Bis zum nächsten Mal. Tschüss.        

15 Kommentare
  1. Hallo Irina Braun,

    ein „Nukleon“ ist ein Kernteilchen, also Protonen und Neutronen. Deren Summe ist die Nukleonenzahl.
    Daher meinst du vermutlich „Nuklid“, ein Nuklid ist jeder Atomkern-Typ, der sich durch eine definierte Anzahl von Protonen und Neutronen beschreiben lässt. Gibt es Atomkerne, die die gleiche Protonenanzahl, aber unterschiedliche Neutronenanzahl besitzen, bilden diese Nuklide die „Isotope“ eines Elements. Ein „Ion“ liegt dagegen vor, wenn sich die Elektronenanzahl in der Hülle von der Protonenanzahl im Kern unterscheidet. Letzteres wird bei der „Ionisierung“ als Worterklärung beschrieben.

    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Karsten Schedemann, vor 5 Monaten
  2. Das was er Ion nennt ist eigentlich ein Isotop/Nukleon!...

    Von Irina Braun, vor 5 Monaten
  3. Super video! Jetzt habe ich es verstanden
    Danke!

    Von Selma Kulow, vor fast 2 Jahren
  4. ich Bitte um eine Antwort

    Von Mvongierke, vor mehr als 2 Jahren
  5. Ich verstehe nicht ganz bei dem beta zerfall warum die elektronen den kern verlassen können weil im Kern sind doch gar keine Elektronen vorhanden???

    Von Mvongierke, vor mehr als 2 Jahren
  1. Hallo Kalle ich muss nochmal nachfragen: Beim Alpha-Zerfall, das ist eine Konstante, also es zerfallen immer A-4 und Z-2?

    Von Samy Osman, vor mehr als 4 Jahren
  2. Du bist super KALLE! :)

    Von Thomaslund, vor mehr als 5 Jahren
  3. Hallo Soeren, kannst du denn sagen, was genau du nicht verstehst oder was dir unklar ist?

    Von Maximilian T., vor mehr als 5 Jahren
  4. Sonst super videos aber dieses mal versteh ich nix.

    Von Soeren Leuckefeld, vor mehr als 5 Jahren
  5. Mein Lehrer brauchte für die Erklärung der Alpha Strahlung 45 min...-.- aber in 10 Minuten habe ich schon alle drei kennengelernt!! Super gemacht!

    Von Yunmi220, vor mehr als 5 Jahren
  6. Endlich klar, was eine Zerfall ist.

    Von Dw 69, vor mehr als 5 Jahren
  7. Einfach und kurz erklärt. Super Video!

    Von Mias, vor mehr als 5 Jahren
  8. Super Video !einfach erklärt und gut zu verstehen .danke !

    Von Vera Gerstberger, vor fast 6 Jahren
  9. Super erklärt so kann das Thema wirklich jeder verstehen. Danke dafür.

    Von Sina Denninger, vor etwa 6 Jahren
  10. Danke durch dieses Video habe ich das Grundprinzip endlich verstanden!:)

    Von Lara J., vor mehr als 6 Jahren
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Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Eigenschaften des $\alpha$-Zerfalls und des $\gamma$-Zerfalls.

    Tipps

    Nur bei einem der Zerfälle ändert sich das Element.

    Beim Durchdringungsvermögen gilt, je größer die Teilchen, desto weniger können sie durchdringen.

    Lösung

    Der $\alpha$-Zerfall erfolgt, wenn ein Kern deutlich mehr Protonen als Neutronen aufweist. Bei solchen Kernen wirkt sich die Coulombkraft zwischen den Protonen im Verhältnis zu den bindenden Kräften im Kern stärker aus. Durch die wirkenden Kräfte zerfällt der Kern und gibt dabei einen Heliumkern frei. Damit reduziert sich die Anzahl der Protonen und der Neutronen im Kern um jeweils zwei. Die Teilchen besitzen nur eine geringe Energiedichte und damit nur eine Reichweite von wenigen cm. In diesem Bereich können sie jedoch jegliche Materie stark ionisieren.

    Zerfallsgleichung: $\,{}^A_Z X\,\rightarrow\,{}^{A-4}_{Z-2} Y\,+\, \alpha$

    Der $\gamma$-Zerfall erfolgt nach einem Zerfall, wenn der Kern noch überschüssige Energie besitzt. Diese wird durch Abgabe eines Photons, also einer Energieportion, abgebaut. Die Gammastrahlung besitzt genauso wie Licht eine gewaltige Reichweite und ihr Durchdringungsvermögen ist noch wesentlich größer als das von Röntgenstrahlung. Dafür ist ihr Ionisierungsvermögen eher gering, da die Strahlung ungeladen ist und erst die Materie anregen muss.

    Zerfallsgleichung: $\,{}^A_Z X^*\,\rightarrow\,{}^A_Z X\,+\, \gamma$

  • Gib an, warum radioaktive Strahlung gefährlich ist.

    Tipps

    Vergleiche die radioaktive Strahlung mit Röntgenstrahlung.

    Lösung

    Radioaktive Strahlung kann sehr gefährlich für den Menschen sein. Dabei ist besonders die Fähigkeit Atome zu ionisieren gefährlich für den Menschen. Da die meiste Strahlung nur eine begrenzte Reichweite besitzt, sollte man sich ihr nur kurz aussetzen und Abstand bewahren. Da die Strahlung viele Materialien durchdringen kann, ist eine gute Abschirmung notwendig.

    Es gelten damit dieselben Regeln wie für den Umgang mit Röntgenstrahlung.

  • Gib das Durchdringungsvermögen der unterschiedlichen Strahlungsarten an.

    Tipps

    Je dicker die Abschirmung sein muss, desto größer ist das Durchdringungsvermögen.

    Von einer Strahlungart gibt es zwei mögliche Zerfallsarten mit zwei Strahlungsteilchen. Man gibt dem Zerfall den Zusatz Minus, wenn ein Elektron frei wird und Plus, wenn ein Positron frei wird.

    Lösung

    Es gibt insgesamt vier bekannte radioaktive Strahlungsarten: $\alpha$ (alpha), $\beta^+$ (beta-Plus), $\beta^-$ und $\gamma$ (gamma)-Strahlung.

    Diese haben nur die Gemeinsamkeit, dass sie bei einem radioaktiven Zerfall frei werden. Sie unterscheiden sich im frei werdenden Teilchen, dem Durchdringungsvermögen und dem Ionisierungsvermögen.

    Die $\alpha$-Strahlung besteht aus Heliumkernen, die auch $\alpha$-Teilchen genannt werden. Diese Teilchen weisen das höchste Gewicht und das größte Volumen der vier Teilchenarten auf. Zudem ist das Teilchen als Atomkern positiv geladen. Damit besitzt es das größte Ionisierungsvermögen und kann schwerste Schäden bewirken, wird aber auch schon von einem Blatt Papier aufgehalten.

    Die $\beta$-Strahlung kann durch zwei verschiedene Zerfälle hervorgerufen werden. Zum einen durch den $\beta^-$ -Zerfall, bei dem ein Elektron frei wird. Dieses Teilchen besitzt dieselbe Masse und Größe wie ein Elektron. Zum anderen durch den $\beta^+$ -Zerfall, bei dem ein Positron frei wird. Dieses Teilchen besitzt dieselbe Masse und Größe wie ein Elektron, weist jedoch eine positive Ladung vom selben Betrag auf. Dieses Teilchen ist ein sogenanntes Antiteilchen und gehört damit zur Antimaterie. Sowohl das Elektron als auch das Positron sind so klein, dass sie erst von einem Stück Metall aufgehalten werden können. Zudem sind sie in der Lage, mittelschwere Strahlungsschäden zu bewirken.

    Die $\gamma$-Strahlung besteht aus Photonen, also aus Energieportionen. Diese Teilchen können mühelos Materialien durchdringen. Sie gehören zum elektromagnetischen Spektrum und sind noch energiereicher als Röntgenstrahlung. Erst dicke Bleiplatten können diese Strahlung aufhalten.

  • Vergleiche die Entstehung einer Strahlenverbrennung durch $\gamma$-Strahlung mit der Entstehung eines Sonnenbrandes.

    Tipps

    Dem Spektrum kannst du wesentliche Informationen entnehmen.

    Die Ionisation ist ein Vorgang, bei dem ein Elektron eines Atoms durch die Zufuhr von Energie das Atom verlassen kann. Das Atom wird dadurch zum Ion.

    Lösung

    Die Entstehung eines Sonnenbrandes funktioniert auf folgendem Wege. Die Sonne sendet neben der Wärmestrahlung und dem sichtbaren Licht viel ultraviolette Strahlung aus den Bereichen UVA, UVB und auch UVC aus. Die UVB und UVC-Strahlung ist sehr stark ionisierend und wird glücklicherweise größtenteils von der Ozonschicht abgefangen. Einer der Gründe warum FCKW's verboten wurden ist, dass sie diese Schicht zerstören.

    Die UVB und UVA-Strahlung ist verantwortlich für die Bräunung der Haut durch die Aktivierung von Melanin. Sie kann aber auch bei zu starker und zu langer Einwirkung die Moleküle der Haut so stark anregen, dass diese ionisieren. Diese Energie, die die Haut aufnimmt, ist als Wärme im Gewebe spürbar. Die Ionisierung kann bei noch längerer Aussetzungszeit zu bleibenden Schäden wie zum Beispiel zu Hautkrebs führen. Die Sonnencreme bildet hierbei einen Puffer, der einen Teil der Strahlung abfängt und verlängert damit den Zeitraum, den man sich der Sonne aussetzen kann.

    Bei der Ionisierung regt die Strahlung die Atome eines Moleküls so stark an, dass deren Elektronen immer höhere Energieniveaus einnehmen. Bis zu dem Punkt, an dem sie genug Energie besitzen, um sich vom Kern zu lösen. Das Elektron ist danach frei und zurück bleibt ein Ion.

    Genauso funktioniert auch die Wechselwirkung der $\gamma$-Strahlung mit der Haut. Jedoch kann die Gammastrahlung mühelos den gesamten Körper durchdringen und überall die Moleküle ionisieren. Zudem besitzt sie durch die 10.000-fach höhere Frequenz viel mehr Energie und somit erfolgt die Ionisierung viel schneller.

  • Erkläre die Ionisierung durch Strahlung.

    Tipps

    Bei der Ionisation wird ein Atom zum Ion. So ein Teilchen hat entweder einen Elektronenüberschuss oder einen Protonenüberschuss.

    Lösung

    Jede radioaktive Strahlung kann Atome ionisieren. Dabei ionisieren die $\alpha$ und $\beta$-Teilchen die Moleküle direkt durch Einlagerung. Die $\gamma$-Strahlung regt die Elektronen des Atoms an, sodass sie sich immer weiter vom Kern entfernen, bis sie frei werden. Man spricht dabei vom Erreichen der Ionisierungsenergie.

    Diese ist vom Element abhängig und vom gebildeten Molekül. Dabei spielt die Elektronegativtät die größte Rolle, neben der Größe des Atoms. Steht man vor dem Periodensystem, nimmt die Elektronegativität von der linken unteren Ecke zur rechten oberen Ecke zu. So hat Franzium die niedrigste Elektronegativität und Fluor die größte, da die Edelgase keine Elektronen zusätzlich brauchen.

  • Erkläre, welcher Strahlungstyp für die Szintigraphie sinnvoll ist.

    Tipps

    Schaue dir die Animation genau an. Du kannst ihr wesentliche Informationen entnehmen.

    Vergleiche das Verfahren mit dem Röntgenverfahren.

    Lösung

    Wie beim Röntgen wird eine Strahlungsquelle für die Bildgebung genutzt. Jedoch befindet sich hier die Strahlungsquelle nicht hinter dem Körper, sondern sie wird in den Körper injiziert. Durch die Trägersubstanz verteilt es sich im Körper und lagert sich bevorzugt in Tumorzellen ein.

    Die Strahlungsdichte wird dann von außen gemessen und damit wird ein Bild erzeugt. Daher muss ein $\gamma$-Strahler verwendet werden, da nur dieser den Körper mühelos durchdringt und auch wieder verlässt.

    Durch die Trägersubstanz kann bestimmt werden, in welche Zellen sich die Substanz einlagern soll. So lässt sich auch die Blutzirkulation oder die Funktion von Schilddrüse und Nieren prüfen.