Die radioaktiven Zerfallsarten

Einleitung

Alle Materie, egal ob Festkörper, Gas oder Flüssigkeit, ist aus Teilchen zusammengesetzt. Lange Zeit wurde angenommen, dass diese Teilchen die kleinsten sind, die es gibt. Daher kommt auch ihr Name Atome. Das stammt vom altgriechischen atomos ab, was unteilbar bedeutet. Spätestens seit der Entdeckung der Radioaktivität wissen wir, dass Atome nicht unteilbar sind, sondern zerfallen oder sogar gespalten werden können. Wir wollen uns heute damit beschäftigt, was Radioaktivität ist und wie sie entsteht. Dazu wiederholen wir das rutherfordsche Atommodell.

Atommodelle

Wenn Atome zerfallen oder gespalten werden können, müssen sie selbst aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sein. Wir wissen heute, dass diese Teilchen Elektronen, Protonen und Neutronen sind. Eines der ersten Atommodelle, das zumindest Elektronen und Protonen berücksichtigte, war das rutherfordsche Atommodell. Rutherford hatte durch Experimente festgestellt, dass Elektronen und Protonen nicht gleichmäßig im Atom verteilt sein können. Es musste einen festen Kern geben, der sowohl den Großteil der Masse als auch die gesamte positive Ladung des Atoms enthält. Sein Modell war die Grundlage aller Atommodelle, die wir heute kennen, und beschreibt ihren Aufbau folgendermaßen:

Im Zentrum des Atoms befindet sich der Atomkern, der positiv geladen ist. Er ist umgeben von der Atomhülle, die aus negativ geladenen Elektronen besteht. Wie genau sich diese Elektronen um den Kern bewegen, wusste Rutherford nicht. Er nahm aber an, dass man sich die Bewegung ähnlich wie die kreisförmige Bewegung von kleinen Objekten um Planeten vorstellen könnte. Die Anzahl der Elektronen entspricht dabei genau der Kernladungszahl, also der Anzahl positiver Ladungen im Kern – Atome sind also nach außen hin elektrisch neutral. Der Atomkern ist dabei viel kleiner als das Atom. Das hat einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa $10^{-10}~\text{m}$. Der Kern ist dagegen nur $10^{-14}~\text{m}$ groß, er ist also etwa $10.000$-mal kleiner. Um diesen Größenunterschied etwas anschaulicher zu machen, kannst du dir eine $1~\text{Cent}$ Münze vorstellen. Wenn diese den Atomkern darstellt, wäre das Atom etwa so groß wie der Eiffelturm oder ein Fußballplatz.

Aufbau der Atomkerne

Heute wissen wir, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. Man nennt diese Teilchen deswegen auch Nukleonen. Neutronen sind, wie der Name schon vermuten lässt, elektrisch neutral. Protonen sind einfach positiv geladen, weswegen man ihre Anzahl im Kern auch Kernladungszahl $Z$ nennt. Jedes chemische Element $X$ ist eindeutig durch seine Kernladungszahl definiert. Sie steht in der Symbolschreibweise der Kerne links unten:

$_{\text{Z}}\text{X}$

Während ein Element durch die Anzahl der Protonen $Z$ klar definiert ist, kann die Anzahl der Neutronen $N$ im Kern für ein Element unterschiedliche Werte annehmen. Dadurch ändert sich dann auch die Massenzahl $A$, die gleich der Summe aus $Z$ und $N$ ist . Man nennt diese Kerne unterschiedlicher Masse bei gleicher Kernladung Isotope.

In der Symbolschreibweise steht die Massenzahl links oben:

$_{Z}^{A}\text{X}$

Beispiele für Isotope sind Helium-3 und Deuterium. Ein Heliumkern besteht eigentlich aus zwei Protonen und zwei Neutronen, hat also die Kernladungszahl $2$ und die Massenzahl $4$. Helium-3 ist ein stabiles Isotop, das nur ein Neutron, also die Massenzahl $3$, hat. Deuterium ist ein Isotop von Wasserstoff, das als leichtestes aller Elemente aus nur einem Proton besteht. Deuterium besitzt zusätzlich ein Neutron und hat demnach die Massenzahl $2$.

$\text{Helium}: Z=2, N=2 \rightarrow _{2}^{4} \text{He} \newline \text{Helium-3}: Z=2, N=1 \rightarrow _{2}^{3} \text{He}$

$\text{Wasserstoff}: Z=1, N=0 \rightarrow _{1}^{1} \text{H} \newline \text{Deuterium}: Z=1, N=1 \rightarrow _{1}^{2} \text{H}$

Du hast dich vielleicht schon gewundert, weshalb der Kern überhaupt zusammenhält. Denn die positiven Protonen stoßen sich natürlich aufgrund der Coulombkraft gegenseitig ab. Verantwortlich dafür ist die starke Wechselwirkung oder auch Kernbindungskraft, die zwar eine extrem kurze Reichweite hat, dafür aber viel stärker ist als die Coulombkraft. Diese wirkt anziehend zwischen allen Nukleonen und sorgt dafür, dass der Kern zusammenhält.

Protonen und Neutronen haben in etwa die gleiche Masse, sind aber etwa $2.000$-mal schwerer als ein Elektron:

$m_{Elektron} \approx 9,1 \cdot 10^{-31} ~\text{kg} \newline \newline \downarrow \cdot 2.000 \newline \newline m_{Neutron} \approx m_{Proton} \approx 1,67 \cdot 10^{-27} ~\text{kg} $

Und genau hier kommt Albert Einstein ins Spiel. Denn wenn man sich die Masse von Neutronen und Protonen anschaut und sie mit der Masse eines Kerns aus $N$ Neutronen und $Z$ Protonen vergleicht, stellt man etwas Verblüffendes fest: Der Kern besitzt weniger Masse als die Summe seiner Bestandteile:

$N \cdot m_{Neutron} + Z \cdot m_{Proton} > m_{Kern}$

Aber wie kann das sein? Die Erklärung für dieses Phänomen lieferte Einstein mit seiner berühmten Formel aus der speziellen Relativitätstheorie:

$E = m\cdot c^{2}$

Diese Formel, in der $c$ für die Lichtgeschwindigkeit steht, besagt, dass Masse $m$ und Energie $E$ ineinander umgewandelt werden können. Das, was dem Kern an Masse fehlt, ist an Bindungsenergie frei geworden.

Radioaktivität

Bisher haben wir nur von stabilen Kernen gesprochen. Es gibt aber auch instabile Kerne, wie zum Beispiel Uran-238:

$_{92}^{238} \text{U}$

Solche Kerne neigen dazu, zu zerfallen und dabei Energie freizusetzen. Der Kern wandelt sich dabei in einen anderen Kern mit kleinerer Massenzahl um. Die Energie wird dabei in Form von elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung frei und deshalb nennt man solche Stoffe auch radioaktiv oder spricht von radioaktivem Zerfall. Das Wort Radius kommt nämlich aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie Strahl. Uran-238 zerfällt zum Beispiel zu Thorium-234, indem es einen Heliumkern, also zwei Protonen und zwei Neutronen, emittiert. Im Zusammenhang mit Zerfallsprozessen nennt man den Heliumkern auch Alphateilchen und schreibt als Formelzeichen den griechischen Buchstaben $\alpha$:

$_{92}^{238} \text{U} \rightarrow _{90}^{234} \text{Th} + _{2}^{2} \alpha + Energie$

Die Masse der Ausgangsprodukte ist dabei kleiner als die Masse des Ursprungskerns, also:

$m_{\text{U-238}} > m_{\text{Th-234}} + m_{\text{He}}$

Die Differenz der Masse sagt uns wieder, wie viel Energie bei diesem Zerfall frei wird, wenn wir sie in die berühmte Formel von Einstein einsetzen. Auch Thorium-234 ist instabil und zerfällt. Das passiert solange, bis ein stabiler Kern erreicht ist. Man nennt den Weg vom Ausgangskern bis zu einem stabilen Kern eine Zerfallsreihe. Die Zerfälle eines Kerns passieren dabei spontan. Man kann nicht voraussagen, zu welchem Zeitpunkt ein Kern genau zerfällt, sondern nur eine bestimmte Wahrscheinlichkeit angeben. Mithilfe dieser Wahrscheinlichkeit kann man dann die Halbwertszeit der Radioaktivität bestimmen, die angibt, nach welcher Zeit etwa die Hälfte eines Materials zerfallen ist.

Uran gehört neben vielen anderen zu den natürlichen Radionukliden. Sie kommen überall in unserer Umwelt, im Boden und in Baustoffen und sogar in Nahrungsmitteln und im menschlichen Körper vor. Wer zum Beispiel eine Banane isst, nimmt damit eine kleine Menge radioaktiver Strahlung auf. Und durch die Radionuklide in der Umwelt gibt es überall eine natürliche Hintergrundstrahlung. Diese kleinen Mengen sind allerdings überhaupt nicht gefährlich.

Neben den natürlichen Radionukliden gibt es auch künstlich erzeugte Elemente mit Radioaktivität. Einige davon werden in Medizin und Technik verwendet, wie zum Beispiel Iod-123, mit dem man die Funktion der Schilddrüse untersuchen kann. Ebenso können durch gezielte Strahlung schädliche Zellen zerstört werden, wie zum Beispiel bei der Strahlentherapie von Krebs.

Eine der bekanntesten Anwendungen der Radioaktivität ist die Erzeugung von Energie in Kernkraftwerken. Über diese Form der Energieerzeugung wird heutzutage wieder viel diskutiert. Kernenergie ist nämlich einerseits neben der Windenergie eine der Energieformen mit dem geringsten Ausstoß von Treibhausgasen. Andererseits birgt sie auch schwer kalkulierbare Risiken und Gefahren, wie zum Beispiel die radioaktiven Abfälle.

Radioaktivität – Einheit und Beispiele

Die Maßeinheit der Radioaktivität, die im Strahlenschutz genutzt wird, ist das Sievert. Es gibt an, wie viel Energie durch die Strahlung auf einen Körper übertragen wird, und wird mit $\text{Sv}$ abgekürzt. Dabei entspricht $1~\text{Sievert}$ einem $\text{Joule}$ pro $\text{Kilogramm}$. In der folgenden Tabelle findet ihr ein paar Beispiele:

¹ UN Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (2008). Sources and effects of ionizing radiation. NY: U. N. (published 2010).

² Grajewski, Barbara et al.; (2002). „Radiation dose estimation for epidemiologic studies of flight attendants“. American Journal of Industrial Medicine. 41 (1).

³ Hosoda, Masahiro et al.; „The time variation of dose rate artificially increased by the Fukushima nuclear crisis“. Scientific Reports. 1: 87.

⁴ „F. Typical Sources of Radiation Exposure“. National Institute of Health.