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Was ist Radioaktivität?

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Ein Stoff liegt einfach nur da – und doch sendet er unsichtbare Strahlung aus. Man kann sie messen, sie kann Material durchdringen und Zellen schädigen. Was ist Radioaktivität? Und warum nimmt sie mit der Zeit ab?

Radioaktivität bedeutet: Ein instabiler Atomkern wandelt sich spontan in einen anderen Kern um. Dabei wird Energie frei – als ionisierende Strahlung (Teilchen und/oder Gammastrahlung). Der Zerfall eines einzelnen Kerns ist zufällig, aber für viele Kerne zusammen ist die Abnahme gut berechenbar.

Wikipedia: Radioaktivität | Ionisierende Strahlung | Alphastrahlung | Betastrahlung | Gammastrahlung | Zerfallsgesetz | Halbwertszeit

Begriffe: Atomkern, Isotop, instabil, Kernzerfall, ionisierend, Alpha, Beta, Gamma, Halbwertszeit, Aktivität, Becquerel, Zerfallsgesetz

Hintergrund

Radioaktivität wurde 1896 entdeckt: Antoine Henri Becquerel bemerkte, dass Uranverbindungen eine unsichtbare Strahlung aussenden. Diese Strahlung kann Materie durchdringen und ist energiereich genug, Atome zu ionisieren. Darum sagt man heute oft: ionisierende Strahlung.

Im Atomkern sitzen Protonen und Neutronen. Manche Kombinationen sind stabil, andere nicht. Ein instabiler Kern „sucht“ einen stabileren Zustand und zerfällt. Dabei wird Energie frei.

Wichtig: Der Zerfall eines einzelnen Kerns ist nicht vorhersagbar. Man kann aber sehr gut beschreiben, wie schnell eine große Menge Kerne insgesamt abnimmt. Das macht die Halbwertszeit so nützlich.

Die drei wichtigsten Strahlungsarten

Alphastrahlung

Beim Alphazerfall wird ein Heliumkern (2 Protonen + 2 Neutronen) aus dem Atomkern herausgeschleudert. Alphastrahlung kommt nicht weit, gibt aber auf kurzer Strecke sehr viel Energie ab. Darum ist sie besonders gefährlich, wenn Alphastrahler in den Körper gelangen (Einatmen, Essen).

Alphazerfall: Ein Heliumkern wird ausgesendet. (Grafik aus deinem Material)

Reichweite: wenige Zentimeter in Luft.
Abschirmung: Papier oder die oberste Hautschicht reicht oft schon.

Beispiel für einen Alphazerfall. (Grafik aus deinem Material)

Betastrahlung

Bei Betazerfall werden im Kern Protonen und Neutronen „umgebaut“. So kann ein instabiler Kern stabiler werden. Man unterscheidet Beta-minus und Beta-plus.

Beta-minus (β⁻): Ein Neutron wird zu einem Proton. Es wird ein Elektron ausgesendet (und zusätzlich ein Antineutrino).
Reichweite: einige Meter in Luft.
Abschirmung: z.B. dünnes Metall (Aluminium) oder Kunststoff, je nach Energie.

Beispiel: Beta-minus-Zerfall. (Grafik aus deinem Material)

Typisches Beispiel: Kohlenstoff-14 zerfällt zu Stickstoff-14 (β⁻). Das ist wichtig für die Altersbestimmung (Radiokarbonmethode).

Beta-plus (β⁺): Ein Proton wird zu einem Neutron. Es wird ein Positron ausgesendet (und zusätzlich ein Neutrino).
Reichweite/Abschirmung: ähnlich wie bei β⁻, abhängig von der Energie.

Beispiel: Beta-plus-Zerfall. (Grafik aus deinem Material)

Gammastrahlung

Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung (wie Licht, aber viel energiereicher). Sie entsteht oft nach einem Alpha- oder Betazerfall: Der Kern ist dann „angeregt“ und gibt überschüssige Energie als Gammaquanten ab. Dabei ändern sich Protonen- und Neutronenzahl nicht.

Beispiel: Gammaübergang / Gammastrahlung. (Grafik aus deinem Material)

Gammastrahlung ist sehr durchdringend.
Abschirmung: dichte Materialien (z.B. Blei, Beton), je nach Energie und Stärke.

Beispiele aus deinem Material

  1. Polonium (Po-210)

Polonium-210 ist ein stark radioaktives Isotop (Alphastrahler). Schon sehr kleine Mengen können im Körper extrem gefährlich sein.

Polonium-210: Beispiel für einen starken Alphastrahler. (Grafik aus deinem Material)
  1. Gammastrahlung (z.B. Cobalt-60)

Cobalt-60 zerfällt unter Beta-Zerfall zu Nickel-60 und sendet dabei oft auch Gammastrahlung aus. Die Halbwertszeit beträgt etwa 5,27 Jahre. Halbwertszeit bedeutet: Nach dieser Zeit ist im Mittel nur noch die Hälfte der ursprünglichen Kerne (oder Aktivität) vorhanden.

  1. Halbwertszeit beim Auto (Analogie)

Viele Prozesse nehmen ähnlich ab wie Radioaktivität: exponentiell. Zum Beispiel sinkt oft auch der Wiederverkaufswert eines Autos ungefähr exponentiell. Das ist keine Radioaktivität, aber die gleiche Mathematik (exponentielle Abnahme).

Das Zerfallsgesetz

Die Anzahl der noch nicht zerfallenen Kerne nimmt exponentiell ab. Dafür gibt es zwei gleichwertige Schreibweisen.

N(t)=N0e−λtN(t)=N_0\,e^{-\lambda t}
N(t)=N0(12)tT1/2N(t)=N_0\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{t}{T_{1/2}}}

Dabei ist N(t) die Anzahl der noch nicht zerfallenen Kerne nach der Zeit t, N₀ die Anfangsanzahl, λ die Zerfallskonstante und T1/2 die Halbwertszeit.

Aktivität bedeutet: Zerfälle pro Sekunde. Auch die Aktivität nimmt exponentiell ab und folgt derselben Halbwertszeit.

A(t)=A0(12)tT1/2A(t)=A_0\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{t}{T_{1/2}}}

Wie misst man Radioaktivität?

Aktivität (Becquerel, Bq): Anzahl der Zerfälle pro Sekunde im Durchschnitt.
1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde.

Energiedosis (Gray, Gy): aufgenommene Energie pro Masse.
1 Gy = 1 J/kg.

Äquivalentdosis (Sievert, Sv): berücksichtigt, wie stark eine Strahlenart biologisch wirkt.
Für Beta- und Gammastrahlung ist der Bewertungsfaktor ungefähr 1, für Alphastrahlung viel größer.

Ist Radioaktivität gefährlich?

Ionisierende Strahlung kann Atome und Moleküle in Zellen verändern. Das kann Zellen schädigen und auch DNA treffen. Ob es gefährlich ist, hängt stark ab von: Strahlenart, Energie, Dosis, Zeit und ob die Quelle außerhalb oder innerhalb des Körpers ist.

Wofür nutzt man Radioaktivität?

Technik: Materialprüfung (Durchstrahlung), Dickenmessung, Rauchmelder (je nach Typ).
Medizin: Nuklearmedizin (Tracer), Strahlentherapie (Tumorbehandlung), Sterilisation von Materialien.
Forschung: Altersbestimmung (z.B. Radiokarbonmethode).

Fragen

  1. Warum zerfällt ein einzelner Atomkern zufällig, aber eine große Menge ist berechenbar?
  2. Was unterscheidet Alpha-, Beta- und Gammastrahlung?
  3. Warum ist Alphastrahlung außerhalb oft leicht abzuschirmen, im Körper aber sehr gefährlich?
  4. Was bedeutet Halbwertszeit?
  5. Was ist der Unterschied zwischen Becquerel (Bq) und Sievert (Sv)?

Rechenbeispiele zum Zerfallsgesetz

  1. Halbwertszeit anwenden (einfach):

    Ein Stoff hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen. Nach 24 Tagen: Wie viel Prozent sind noch nicht zerfallen?

  2. Aktivität nach einer Zeit:

    Eine Probe hat anfangs eine Aktivität von 3200 Bq. Die Halbwertszeit beträgt 6 Stunden. Wie groß ist die Aktivität nach 18 Stunden?

  3. Halbwertszeit bestimmen:

    Eine Probe hat anfangs 80 mg eines radioaktiven Stoffes. Nach 15 Tagen sind noch 20 mg übrig. Wie groß ist die Halbwertszeit?

Immer noch interessiert?

  1. Podcast Welt der Physik: Radioaktivität (Folge erklärt, warum Kerne zerfallen und wie man Strahlung misst.)
  2. Warum ist „Halbwertszeit“ mathematisch eine exponentielle Funktion?
  3. Was zeigt ein Geiger-Müller-Zählrohr wirklich: Strahlung oder Zerfälle?

Wichtige Wörter: Radioaktivität, zerfallen, umwandeln, ionisieren, durchdringen, abschirmen, gefährlich, messen, abnehmen, zufällig, berechenbar

Was muss ich mir merken?

  • Radioaktivität ist die Umwandlung instabiler Atomkerne.
  • Dabei entsteht ionisierende Strahlung (Alpha, Beta, Gamma).
  • Der einzelne Zerfall ist zufällig, die Abnahme vieler Kerne ist berechenbar.
  • Die Halbwertszeit sagt: Nach dieser Zeit bleibt die Hälfte übrig.
  • Bq misst Zerfälle pro Sekunde, Sv beschreibt die biologische Wirkung.