Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gammastrahlung

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.