Wie funktioniert Radioaktiver Zerfall

Die radioaktiven Zerfallsarten. Es gibt drei Hauptarten des radioaktiven Zerfalls, die in der Natur vorkommen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Die radioaktiven Zerfallsarten. Die meisten der natürlich vorkommenden Elemente sind Isotopengemische, das heißt die Atomkerne enthalten eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen. Nuklidkarten sind, ähnlich einem erweiterten Periodensystem, Ordnungsschemata für diese große Anzahl an Nukliden.

Alphastrahlung

Neben dem stabilen Tal finden sich in der Nuklidkarte auch Bereiche der unterschiedlichen radioaktiven Zerfallsarten. In den ersten Jahren der Erforschung der Radioaktivität hatten Physiker noch keine Ahnung, um was es sich bei der radioaktiven Strahlung handelte. Also gaben sie den einzelnen Arten der Strahlung Namen, die einerseits ein bisschen an „Durchzählen im griechischen Alphabet“ erinnern, andererseits aber auch deren geheimnisvolle Natur zum Ausdruck bringen sollten. So nannte auch Conrad Röntgen seine Entdeckung „X-Strahlen“ (im Englischen auch heute noch „x-rays“).

Alphastrahlung hat Teilchencharakter. Sie besteht aus nichts anderem als Heliumkernen, also zwei Neutronen und zwei Protonen. Tatsächlich reichert sich in einem luftdicht abgeschlossenen Behälter, der einen Alphastrahler enthält, Helium an. Fast alle schweren radioaktiven Kerne geben bei ihrem Zerfall Protonen oder Neutronen nicht einzeln ab, sondern aus energetischen Gründen kompakte Alphateilchen. Mit dem Aussenden eines Heliumkerns verwandelt sich der Atomkern in einen ganz anderen Kern, auch Zerfallsprodukt genannt. Durch den Verlust der beiden Protonen handelt es sich um das chemische Element, das zwei Plätze weiter zurück im Periodensystem eingeordnet ist.

Die Alphateilchen haben in der Luft zwar eine Reichweite von etlichen Zentimetern, lassen sich aber schon durch sehr dünne Metallfolien und auch einem Blatt Papier wirkungsvoll abschirmen. So unglaublich es klingt: Bereits dünne Sommerkleidung ist ein ausreichender Schutz gegen Alphateilchen, wenn sie von außen kommen. Selbst wo sie die Haut treffen, können sie kaum eindringen. Schon die obersten, verhornten Hautschichten schirmen uns vor diesen Teilchen vollständig ab. Das Einatmen in die Lunge oder die Aufnahme mit Nahrungsmitteln ist dagegen ein anderes Problem.

Betastrahlung

Betastrahlen, die von leichten instabilen Nukliden mit Neutronenüberschuss abgegeben werden, haben ebenfalls Teilchencharakter. Sie bestehen aus Elektronen, die allerdings nicht, wie man zunächst vermuten würde, aus der Elektronenhülle stammen, sondern vom Atomkern emittiert werden (Abb. 1). Bei diesem Prozess wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um, das dann abgestrahlt wird. Zusätzlich entsteht noch ein exotisches Teilchen, das Antineutrino, das hier aber nicht zu interessieren braucht.

Beim Betazerfall entsteht als Zerfallsprodukt ein Proton, der Kern hat sich also in ein Element mit der nächsthöheren Ordnungszahl im Periodensystem umgewandelt. Dafür besitzt der entstandene Kern ein Neutron weniger. Der Betazerfall stellt somit die ideale Möglichkeit für Kerne dar, sich ihrer überschüssigen Neutronen zu entledigen. Betastrahlen können allerdings nicht durch dünne Schichten abgeschirmt werden, erst eine zentimeterdicke Aluminiumplatte erfüllt diesen Zweck.

Gammastrahlung

Gammastrahlung besteht, im Gegensatz zum Alpha- und Betazerfall, nicht aus Teilchen. Es handelt sich um nicht sichtbare elektromagnetische Wellen, ähnlich der Röntgenstrahlung. Allerdings ist die Wellenlänge sehr viel kleiner und die Strahlung somit energiereicher. Gewöhnlich tritt Gammastrahlung in Verbindung mit anderen Strahlungsarten auf, denn sie entsteht, wenn der Atomkern nach einem Zerfall in einem energetisch angeregten Zustand verbleibt und Neutronen und Protonen wieder eine neue Ordnung untereinander finden müssen. Die überschüssige Energie wird dann in Form von Gammastrahlung abgegeben.

In Luft hat Gammastrahlung eine Reichweite von mehreren hundert Metern. Sie kann auch mühelos dickere Schichten fester Materialien und den menschlichen Körper durchdringen. Wie Röntgenstrahlung kann man sie wirksam nur mit dickeren Bleischichten oder Plexiglas-Blei- Schichtungen abschirmen.

Künstliche Kernumwandlungen: Neue Elemente entstehen

Die erste künstliche Kernumwandlung erzeugte Ernest Rutherford in einer Kernreaktion, bei der er Stickstoffkerne mit Alphateilchen aus einer radioaktiven Quelle bestrahlte (Abb. 2). Das Stickstoffgas wurde bei diesem Experiment in das Rohr eingefüllt und mit den Teilchen einer Radiumquelle beschossen. Dabei entsteht ein Isotop des Fluor, nämlich F-18, das sich durch Zerfall in Sauerstoff umwandelt. Damit war im Prinzip der Traum der Alchimisten, die Umwandlung einzelner Elemente in andere, zum ersten Mal realisiert. Aus Blei Gold machen…..aber natürlich nur in winzigen Mengen.

Große Energiemengen beim radioaktiven Zerfall

Das eigentlich Überraschende an der Radioaktivität war aber die enorme Größenordnung ihrer Energie, die von dem kleinen Atomkern freigesetzt wird. Schon Rutherford hatte die Geschwindigkeit der Alphateilchen gemessen und festgestellt, dass sie etliche Tausend Kilometer pro Stunde betrug. Auch Pierre Curie entdeckte, dass die in einer Radiumprobe durch den radioaktiven Zerfall entstehende Wärme ausreicht, die Probe innerhalb weniger Stunden zum Schmelzen zu bringen, wenn die Wärme nicht entweichen kann. In ganz gewöhnlicher Materie war also ein Energievorrat eingeschlossen, der die Vorstellungskraft der damaligen Forscher überstieg. Eine Schrecken erregende Überraschung, die zur damaligen Zeit aber (noch) nicht erklärt werden konnte.

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