Lexikon: Radioaktivität

 

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Bild: Radioaktiv.png W05:
„Warnung vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen“]]

Unter Radioaktivität oder radioaktivem Zerfall versteht man die spontane Umwandlung instabiler Atomkerne unter Energieabgabe. Die freiwerdende Energie wird in Form energiereicher Teilchen und/oder ionisierende Strahlung|ionisierender Strahlung abgegeben. Bei der Kernumwandlung kann sich die Kernladungszahl (Ordnungszahl) ändern (Umwandlung in ein anderes chemisches Element), oder nur die (Umwandlung in ein anderes desselben Elements). Daneben gibt es Übergänge, bei denen sich nur der Anregungszustand des Kerns ändert (Übergang zwischen verschiedenen Kernisomere|Isomeren des selben Isotops). Die Stärke der Radioaktivität wird durch den physikalischen Begriff der „Aktivität (Physik)|Aktivität” beschrieben und in der Einheit Becquerel (Einheit)|Becquerel angegeben.

Radioaktiver Zerfall ist kein Determinismus|deterministischer Prozess. Der Zerfallszeitpunkt ist absolut Zufall|zufällig. Allerdings ist für jedes Nuklid die Zerfallswahrscheinlichkeit ein fester Wert, der durch die angegeben wird. Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die Hälfte der instabilen Atomkerne einer Menge zerfallen sind. Sie kann nur Sekundenbruchteile, aber auch einige Milliarden Jahre betragen. Derartige Nuklide sind beispielsweise -238 und Uran-235, Thorium oder -40. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer die Radioaktivität.

Nicht nur der Zeitpunkt des Zerfalls ist zufällig, sondern unter Umständen auch die Art des Zerfalls. 212Bismut kann beispielsweise mit jeweils unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf drei verschiedene Arten zerfallen. Eine Liste aller Nuklide mit Art und Anteil der möglichen Zerfälle und Halbwertszeit jedes bekannten Nuklids findet sich in einer Nuklidkarte.

Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keinen radioaktiven Zerfall gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt. Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, beim Helium enthält das stabile Isotop Helium-3 zwei Protonen und ein Neutron. Beim Lithium und allen schwereren Elementen müssen mindestens gleich viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, und bei schwereren Kernen überwiegen immer mehr die Neutronen. Ab einer gewissen Zahl von Nukleonen werden alle Atomkerne instabil. Unter Einwirkung von Korpuskularstrahlung (insbesondere Neutronen; Neutronenaktivierung) können stabile Atomkerne in andere Atomkerne umgewandelt werden, die instabil sind.

Zerfallsmodi

Bild: Radioaktiver-zerfall.png

Im Atomkern wirken im Wesentlichen zwei Wechselwirkungen.

  • Die starke Wechselwirkung, auch „Kernkraft” genannt, bewirkt die Bindung der Protonen und en aneinander.
  • Die elektromagnetische Wechselwirkung, welche eine gegenseitige Abstoßung der Protonen bewirkt.

Bei allen Zerfallsarten kann zusätzlich emittiert werden.

Alphazerfall

Ist der Atomkern sehr schwer, enthält also viele Protonen und Neutronen, kommt es zum Alphazerfall. Die starke Wechselwirkung kann den Mutterkern dann nicht mehr zusammen halten. Die freiwerdende Energie wird in Form von kernen mit einer Geschwindigkeit von unter 0,1 Lichtgeschwindigkeit|c emittiert. Dieses Verhalten ist trotz der hohen Potentialbarriere aufgrund des Tunneleffekt (Physik)|Tunneleffekts möglich. Der Restkern, auch Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, verringert bei diesem Vorgang seine Nukleonenzahl um vier und die Kernladungszahl um zwei. Die Strahlung hat in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern, besitzt aber eine extrem schädliche biologische Wirkung.

Beispiel: {}^{238}\mathrm U \to {}^{234}\mathrm{Th} + \alpha

Betazerfall

Wenn ein ungünstiges Verhältnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall ein.

Dabei wird beim \beta^--Zerfall im Kern ein in ein Proton umgewandelt und ein hochenergetisches sowie ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine erhöht sich um eins.

Beispiel: {}^{14}_6 \mathrm C \to {}^{14}_7 \mathrm N + e^- + \overline{\nu_e}

Beim \beta^+-Zerfall wird im Kern ein Proton in ein und ein hochenergetisches Positron umgewandelt und ein Elektron- emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um eins.

Beispiel: {}^{13}_7 \mathrm N \to {}^{13}_6 \mathrm C + e^+ + \nu_e

Durch einige Meter Luft oder eine dünne Metallschicht lässt sich die abschirmen.

Die Neutrinostrahlung ist sehr schwer nachzuweisen, da s nur der Schwache Wechselwirkung|schwachen Wechselwirkung unterliegen.

Elektroneneinfang, ε-Zerfall

Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht darin, ein Elektron aus der Elektronenhülle|Atomhülle in den Kern „zu ziehen”, dem sogenannten Elektroneneinfang (Englische Sprache|englisch: electron capture - EC). Nach der Bezeichnung der typischsten betroffenen Elektronenschale (K-Schale) wird der Elektroneneinfang auch als K-Einfang bezeichnet. Das Proton des Kerns wird in ein Neutron umgewandelt und ein Elektronneutrino emittiert.

Bei diesem Umwandlungsmechanismus ist der Kern den selben Änderungen unterworfen wie beim \beta^{+}-Zerfall, die Nukleonenzahl bleibt unverändert, die Ordnungszahl verringert sich um eins. Der Elektroneneinfang konkurriert daher mit dem \beta^{+}-Zerfall und wird auch als eine Variante des Betazerfalls angesehen. Da das eingefangene Elektron meist aus der innersten Elektronenschale stammt, wird in dieser ein Platz frei und Elektronen aus den äußeren Schalen rücken nach, wobei charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird.

Doppelter Betazerfall

Bei einigen Kernen ist ein einfacher Betazerfall energetisch nicht möglich, sie können aber unter Abstrahlung zweier Elektronen zerfallen. Derartige Zerfälle haben typischerweise sehr lange Halbwertszeiten und sind erst in jüngster Zeit nachgewiesen worden. Noch offen ist die Frage, ob beim doppelten Betazerfall stets zwei Neutrinos emittiert werden, oder ob auch ein neutrinoloser doppelter Betazerfall vorkommt.

Gammazerfall

Ein Gammazerfall|γ-Zerfall (γ ist der griechische Buchstabe gamma) ist möglich, wenn der Atomkern in energetisch angeregten Zustand vorliegt. (Strenggenommen ist der Begriff "Zerfall" hier falsch, da der Kern nicht zerfällt.) Die unterschiedlichen Anregungszustände des selben Nuklids nennt man Isomere. Der Übergang in energetisch niedrigere Isomere kann durch Emission hochfrequenter Elektromagnetische Welle|elektromagnetischer Strahlung, sogenannter Gammastrahlung|γ-Strahlung erfolgen. Je nach Energie kann die γ-Strahlung dicke Bleiplatten durchdringen. \gamma-Strahlung ist eine Photonenstrahlung wie Licht, trägt aber viel mehr Energie und ist unsichtbar.


Innere Konversion

Die freiwerdende Energie beim Übergang eines Atomkerns in ein energetisch niedrigeres Isomer kann auch an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden. Diesen Vorgang nennt man Innere Konversion. Konversionselektronen sind im Gegensatz zu \beta-Teilchen monoenergetisch.

Spontane Spaltung

Die spontane Kernspaltung ist ein weiterer radioaktiver Umwandlungsprozess, der bei besonders schweren Kernen auftritt. Der Atomkern zerfällt in zwei oder mehrere Bruchstücke. Beispiel:

252Cf → 142Ba + 106Mo + 4 1n

Auch die natürlich vorkommenden Uranisotope zerfallen zu einem kleinen Teil durch spontane Spaltung.

Spontane Nukleonenemission

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission also Protonenemission oder Neutronenemission kommen. Atomkerne mit sehr hohem Protonenüberschuss können ein Proton abgeben, Atomkerne mit hohem Neutronenüberschuss können Neutronen abgeben. Isotope, die durch spontane Nukleonenemission zerfallen, haben sehr kurze Halbwertszeiten und müssen künstlich hergestellt werden.

Weitere Zerfallsarten

Clusterzerfall: Statt einzelner Nukleonen oder Heliumkerne werden in sehr seltenen Fällen auch ganze Atomkerne anderer Nukleonenzahl emittiert.

Zwei-Protonen-Zerfall: Bei extremem Protonenüberschuss (wie zum Beispiel bei 45Eisen) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden.

Einheiten

SI-Einheitensystem|SI-Einheit Alte Einheiten
Aktivität Becquerel (Einheit)|Becquerel Curie (Einheit)|Curie
Strahlendosis|Dosis Gray (Einheit)|Gray Rad (Begriffsklärung)|Rad
Äquivalentdosis Sievert (Einheit)|Sievert Rem (Physik)|Rem
Becquerel (Einheit)|Becquerel Bq
Einheit radioaktiver Aktivität (Physik)|Aktivität (Zerfallsereignisse je Sekunde). Das Becquerel löst die alte Einheit Curie ab; Umrechnung: 1 Ci = 3,7 · 1010 Zerfallsereignisse pro Sekunde = 37 Milliarden Bq; 1 Bq = 2,7 · 10-11 Ci
Curie_(Einheit)|Curie Ci
Alte Einheit radioaktiver Aktivität (Physik)|Aktivität, abgelöst durch Becquerel (Einheit)|Becquerel (s.d.). 1 Ci = 37 GBq = 3,7 · 1010 Bq
Gray (Einheit)|Gray Gy
(SI-Einheitensystem|SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab. Es gibt an, wie viel Energie von einem Kilogramm Körpermasse aufgenommen wird. 1 Rad = 0,01 Gray; 1 Gray = 100 Rad
Rad (Begriffsklärung)|Rad
radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy)
Rem (Physik)|Rem
roentgen-equivalent men; alte Einheit der Personendosis, abgelöst durch Sievert (Sv)
Röntgen (Einheit)|Röntgen
alte Einheit der Ionendosis
Sievert (Einheit)|Sievert Sv
Einheit der Sievert (Einheit)|Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung Rem (roentgen-equivalent-men) ab. Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem Relative_biologische_Wirksamkeit|biologischen Qualitätsfaktor. Für \beta- und \gamma-Strahlung ist dieser Faktor 1, das heißt Sv = Gy. Für \alpha-Strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt.

Geschichte

1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel, dass enthaltende Stoffe eine Strahlung aussenden. Diese vermag es, undurchsichtige Stoffe zu durchdringen. Dies stellte er fest, als er in Papier gehüllte fotografische Platte|fotografische Platten geschwärzt vorfand. Er stellte zudem fest, dass diese Radioaktivität nicht einheitlich ist, sondern verschiedene Komponenten enthalten kann:

  1. eine Komponente mit hohem Durchdringungsvermögen, die im Elektrisches Feld|elektrischen Feld nicht abgelenkt wird ()
  2. eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Pluspol abgelenkt wird und ein mittleres Durchdringungsvermögen hat ()
  3. eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Minuspol abgelenkt wird und ein geringes Durchdringungsvermögen hat ().

Die wesentlich beteiligten Personen, die auf dem Gebiet der weiteren Aufklärung der natürlichen Radioaktivität forschten, waren Marie Curie, Pierre Curie und Ernest Rutherford.

Anwendung

Technische Anwendung

Isotopenbatterien finden häufig in der Raumfahrt und in Herzschrittmachern Anwendung. Hierbei wird Wärme, die bei der Absorption der Strahlung eines Radionuklids entsteht, technisch genutzt. Der Temperaturunterschied zur Umgebung wird hier durch ein Thermoelement in elektrische Energie umgewandelt (Wirkungsgrad ≈5%). Hierbei werden am häufigsten \alpha-Strahler, besonders Plutonium-238, eingesetzt.

Eine andere technische Anwendung ist die Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung. Hierbei wird ein Stoff radioaktiv (mit Gammastrahlung|Gamma-Strahlen) bestrahlt und ein Zähler ermittelt aufgrund der durchdringenden Strahlen und des Absorptionsgesetzes die Dichte. Diese Technik findet auch bei der Prüfung von Schweißnähten und Werkstoffen Anwendung (zum Beispiel zur qualitativen Überprüfung einer Schweißnaht).

Bei Uhren und anderen radioaktiven Lichtquellen wird die leuchtende Eigenschaft „Lumineszenz“, die durch Beigabe von radioaktiven Substanzen (Tritium, früher Radium oder ) zu Zinksulfidkristallen erreicht wird, genutzt.

Biologische und Chemische Anwendungen

In der wird hauptsächlich die en fördernde und sterilisierende Wirkung genutzt. In der Pflanzenzüchtung werden zum Beispiel durch „strahlungsinduzierte Mutationen“ Mutanten erzeugt, durch die neue und verbesserte Art (Biologie)|Arten hervorgebracht werden können. Ein sehr erfolgreiches Einsatzfeld ist die „Sterile-Insekten-Technik“, kurz SIT. Dabei werden männliche Schadinsekten sterilisiert und dann im Zielgebiet freigelassen. Das Ausbleiben von Nachkommen führt zur Verringerung der Population. Vorteil hierbei ist auch, dass keine schädlichen Chemikalien eingesetzt werden müssen und andere Insekten unbetroffen bleiben. Weiterhin eignet sich Radioaktivität auch zur Sterilisation von Geräten, Implantaten oder Lebensmitteln. Hierbei werden Mikroorganismen, ähnlich wie bei der Hitzesterilisation, neutralisiert. Hierfür gelten jedoch strenge Auflagen. Weiterhin kann das Wachstum eines Keimlings durch schwache Strahlung verbessert werden, wohingegen zu starke Strahlung wachstumshemmend wirkt. Die Vernetzung von en ohne Wärmeentwicklung ist ebenfalls möglich, wobei auch große Komponenten vernetzt werden können. Interessant ist auch die Farbänderung von Edelsteinen, Gläsern und pigmentierten Kunststoffen durch Radioaktivität.

Medizinische Anwendung

In der findet man primär die Szintigraphie. Hierbei wird eine geringe Menge eines radioaktiven Stoffes in den Körper injiziert (meist \gamma-Strahler). Dieser strahlt dann aus dem Körper heraus, was eine Untersuchung ermöglicht. Die Strahlen werden von einem Detektor aufgefangen und mittels eines Computertomographen bildlich dargestellt. Dabei kann aus mehreren abgetasteten zweidimensionalen Bildern auch ein dreidimensionales Bild errechnet werden.

Für jedes Organ gibt es spezielle radioaktive Verbindungen. So injiziert man zum Beispiel radioaktives , das sich in der anlagert, um sie untersuchen zu können. (Aufgrund der Strahlenbelastung wird diese Methode nur noch zur Tumorbekämpfung angewandt).

Ein weiteres bildgebendes Verfahren, das Radioaktivität nutzt, ist die Positronen-Emissions-Tomografie (PET).

Ein weiteres Einsatzfeld ist die Radionuklidbehandlung zur Schmerzlinderung bei Metastase|Knochenmetastasen. Hier wird in krankhaften Knochenbereichen der Metastase ein Radionuklid angereichert, was eine schmerzlindernde Wirkung hat. Jedoch haben diese Methoden auch ein gewisses Risiko, da teilweise auch gesundes Gewebe zerstört wird, was zu einer Immunschwächung oder Funktionsstörung des Knochenmarkes führen kann.

Strahlenbelastung und biologische Wirkung

Die Strahlenbelastung für Lebewesen wird als Dosis|effektive Dosis mit der Einheit Sievert (Einheit)|Sievert gemessen. Dabei wird die unterschiedliche Schädlichkeit von \alpha-,\beta- und \gamma-Strahlen sowie die unterschiedliche Empfindlichkeit einzelner Gewebe berücksichtigt.


Radionuklide sind nicht die einzige Quelle ionisierender Strahlung. wird z. B. in Röntgenröhren oder Fernsehgeräten erzeugt, die Höhenstrahlung stammt aus dem All. In vielen Anlagen der Hochenergiephysik entstehen verschiedene Arten ionisierender Strahlung.

Jeder Mensch ist natürlicher Strahlenbelastung ausgesetzt. Die natürliche Strahlenbelastung kann von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein und hängt stark von der Höhe über dem Meeresspiegel (je höher, desto mehr kosmische Höhenstrahlung) und der geologischen Umfeld zusammen. Ursache ist etwa zur Hälfte Radon und seine Zerfallsprodukte, das in Gestein und Mauerwerk vorkommt. Wichtige andere natürliche Strahlenquellen sind 40Kalium, kosmische Strahlung und terrestrische Strahlung. In Deutschland beträgt die natürliche Strahlenbelastung etwa 2,4 mSv pro Jahr.

Die künstliche Strahlenbelastung von im Durchschnitt 1,5 mSv im Jahr stammt fast ausschließlich aus der Medizin. Aber auch häufige Flugreisen können zu einer signifikanten zusätzlichen Strahlenbelastung führen.

Alle Formen der Radioaktivität können für gesundheitsschädlich sein. Die Kurzzeitfolge einer zu hohen Dosis Radioaktivität wird Strahlenkrankheit genannt. Sie äußert sich durch ein geschwächtes und en. Die Strahlenkrankheit tritt etwa ab einer kurzfristigen Belastung von 0,25 Sv auf. 4 Sv sind in der Regel tödlich. Die Langzeitfolgen der Radioaktivität sind en am Genom|Erbgut und Krebs (Medizin)|Krebs.

Bakterien können sehr viel stärkere Radioaktivität als Menschen ertragen, Rekordhalter ist Deinococcus radiodurans, der sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben kann.

Zur Verwendung des Begriffs

Das Wort „Radio” (lat. radiare, strahlen) bedeutet Strahlung. Man kann das Wort Radioaktivität so verstehen, dass es sich um „strahlungsaktive” Stoffe oder andere Quellen handelt im Sinne des oben genannten Prinzips. Deswegen handelt es sich bei dem Begriff „radioaktive Strahlung” um einen Pleonasmus und der Begriff sollte in diesem Zusammenhang nicht verwendet werden.

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