Unter Radioaktivität oder radioaktivem Zerfall oder Kernzerfall versteht man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende Energie wird in Form ionisierender Strahlung, nämlich energiereicher Teilchen und/oder Gammastrahlung, abgegeben.

1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel, dass Stoffe, die Uran enthalten, eine nicht sichtbare Strahlung aussenden. Die Strahlung schaffte es, undurchsichtige Stoffe zu durchdringen! Man unterscheidet Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. In der modernen Sprache wird radioaktive Strahlung nicht mehr verwendet. Man spricht von ionisierender Strahlung, da sie energiereich genug ist, andere Atome in Kern und Hülle zu zerlegen, sie zu ionisieren. Das ist auch der Schaden, den diese Strahlung in Lebewesen anrichten kann.

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Wikipedia Stichworte: Radioaktivität, Ionisierende Strahlung, AlphaBeta– und Gammastrahlung, Zerfallsgesetz

  1. Polonium

Im November 2006 kam das Isotop Po-210 dadurch in die internationalen Schlagzeilen, dass der ehemalige russische Geheimdienstagent Alexander Walterowitsch Litwinenko durch diese Substanz starb.

  1. Gammastrahlung

Das radioaktive Cobaltisotop Co-60 wandelt sich unter Aussendung von Beta- und Gammastrahlung in das stabile Nickelisotop Ni-60 um. Die Halbwertszeit beträgt 5,26 Jahre. Das bedeutet, dass nach dieser Zeit nur mehr die Hälfte der Menge an Cobaltatomen vorhanden ist, der Rest wurde umgewandelt.

  1. Halbwertszeit beim Auto

Der Wiederverkaufswert eines PKW sinkt annähernd exponentiell mit seinem Alter, bei einer Halbwertszeit von ca. 4–5 Jahren. Beispielsweise liegt der Preis eines Neuwagens des Modells VW-Beetle heute (2006) bei etwa 20.000 €, das Modell aus dem Jahr 2002 kostet etwa 10.000 €, das von 1998 etwa 5.000 € und das von 1995 etwa 2.500 €.

Die freiwerdende Energie beim Zerfall von Atomen wird nach Albert Einsteins Formel E=mc2 berechnet: Das ursprüngliche große Atom hat eine größere Masse als die Einzelteile des zerfallenen Atoms. Die Massendifferenz wird in Energie umgewandelt. Schon geringe Massendifferenzen führen zu einer hohen Energieabgabe. Darin besteht der “technische Reiz” der Anwendung von Kernspaltung in Atom-Bombe und Atom-Kraftwerk.

Radioaktivität passiert immer zufällig. Es ist unmöglich, den Zerfall eines einzelnen Atoms genau vorherzusagen. Man kann jedoch angeben, nach welcher Zeit z. B. die Hälfte der bestehenden Atome zerfallen sind: Halbwertszeit.

Aufbau eines Atoms:

Der Kern – der fast die gesamte Masse ausmacht – besteht aus positiv geladenen Protonen und ladungsneutralen Neutronen. Wird das Verhältnis zwischen Neutronen & Protonen von etwa 3:2 überschritten, wird der Kern instabil und er strebt eine günstigere Kern-Konfiguration durch Zerfall an.

Der Alphazerfall

Der instabile Kern schleudert dabei ein positiv geladenes Heliumteilchen mit 0,1c und damit sehr hoher kinetischer Energie heraus. Diese Alphastrahlung hat auf lebendes Gewebe eine besonders hohe schädliche Wirkung. 

Reichweite: nur einige Zentimeter

Abschirmung: ein Blatt Papier reicht aus (He- Teilchen bleibt darin stecken).

Beispiel: 

Der Beta-Minus-Zerfall

Hier herrscht ein Überschuss an Neutronen vor. Im Atomkern zerfällt ein Neutron in ein Proton (bleibt im Kern) und ein Elektron, das ausgesendet wird. Gleichzeitig wird noch ein weiteres Teilchen (Antineutrino) ausgesendet, welches keine Ladung trägt. Reichweite: ca. 7-8m in Luft, Abschirmung: es sind 12 mm starke Aluminiumplatten notwendig.

Beispiel:

Kohlenstoff wird in Stickstoff umgewandelt, unter Abgabe eines Elektrons (Beta-PlusStrahlung) und eines Anti-Elektorn-Neutrinos.

Der Beta-Plus-Zerfall

Hier herrscht ein Überschuss an Protonen im Kern vor. Im Kern wandelt sich ein Proton in ein Neutron um. Dabei entsteht ein Positron (Antiteilchen des Elektrons), das den Kern verlässt, ebenso ein Neutrino. Reichweite und Abschirmung: wie bei Beta-Minus-Strahlung.

Beispiel: 

Stickstoff wird in Kohlenstoff umgewandelt, unter Abgabe eines Positrons (Beta-Plus-Strahlung) und eines Elektron-Neutrinos.

Die Gammastrahlung

Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung. Der Gammazerfall ist kein Zerfall sondern eine Zustandsänderung im Atomkern. Dabei geht z. B. ein Proton oder Neutron im Kern von einem angeregten Niveau in einen tieferen Energiezustand über. Die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern ändert sich dabei nicht. Der Gammazerfall ist eine Möglichkeit für das Atom, überschüssige Energie durch elektromagnetische Strahlung (wie Licht, nur höherfrequent und damit energiereicher) abzugeben. Abschirmung: Unter Umständen nur durch meterdicke Blei- & Betonplatten.

Beispiel: 

Cobalt ist ein Beta-Strahler, der zu einem angeregten Zustand von NIckel-60 zerfällt, das Gammastrahlung aussendet.

Weitere Zerfallsarten

Spontane Spaltung: Besonders schwere Kerne zerfallen dabei in zwei oder mehrere Bruchstücke, dabei entstehen in der Regel zusätzlich zwei oder drei Neutronen.

Spontane Nukleonenemission: Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl können spontan Protonen und Neutronen abgegeben werden.

Beispiel: 

Wie lautet das Radioaktive Zerfallsgesetz?

 

Zerfallsgesetz Menge an nicht zerfallenen Atomen
Diese Formel beschreibt die exponentielle Abnahme der Anzahl radioaktiver Atome im Laufe der Zeit. Unter Halbwertszeit versteht man jene Zeit, in der diese Menge auf die Hälfte der Ausgangsmenge abgenommen ist.Es gilt folgender Zusammenhang: 

 

 

Wie kann man Radioaktivität messen?

Es gibt mehrere Möglichkeiten.

Als Aktivität bezeichnet man die Anzahl der Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit, die in einer Probe eines radioaktiven oder radioaktiv kontaminierten Stoffes auftritt.

Einheit Becquerel: 1Bq. = 1 Zerfall pro Sekunde im Durchschnitt.

Als Energiedosis bezeichnet man die von einem bestrahlten Objekt, z. B. Körpergewebe, über einen Belastungszeitraum absorbierte massenspezifische Energiemenge. Sie ist abhängig von der Intensität der Bestrahlung, der Absorptionsfähigkeit des bestrahlten Stoffes für die gegebene Strahlungsart und -Energie und geometrischen Faktoren.

Einheit Gray Gy, 1 Gray = 1 J / kg

Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die Stärke der biologischen Wirkung einer bestimmten Strahlendosis. Gleich große Äquivalentdosen sind somit unabhängig von der Strahlenart in ihrer Wirkung auf den Menschen vergleichbar. Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem Qualitätsfaktor, der sog. Relativen biologischen Wirksamkeit, die von der Strahlungsart und -Energie abhängt. Für β- und γ-Strahlung ist der Qualitätsfaktor 1, das heißt 1 Sv = 1 Gy. Für α-Strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt.

Einheit Sievert Sv: 1 Sv = 1 J/kg

Ist Radioaktivität gefährlich?

Radioaktive (ionisierende) Strahlung ist für die Zellen lebender Organismen schädlich, da es sich um eine Energieübertragung handelt. Es kann im besonderen auch die DNA (Erbgut) verändert werden. Im Normalfall ist das eine wesentlicher Ursache für die Evolution, ihre Lebewesen ständig zu verändern, allerdings kann dadurch auch Krebs ausgelöst werden.

Gibt es Anwendungen der Radioaktivität?

Technische Anwendungen: Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung, Rauchmelder messen die Leitfähigkeit der durch Alphastrahlen ionisierten Luft, die durch Rauchpartikel vermindert wird.

Medizinische Anwendungen: Nuklearmedizin zur bildgebenden Diagnostik, Bestrahlung von Tumoren.