Radioaktivität

Radioktivität ist ein Untergebiet der Kernphysik.

1896 entdeckte Henri Becquerel zufällig, dass von Uran eine energiereiche Strahlung ausgeht. Man nannte das Phänomen Radioaktivität von radius (Strahl) und activus (tätig sein). Ursache ist der Zerfall der Atomkerne bestimmter Nuklide (=Isotope). Wie man an einer Nuklidkarte erkennt, sind die meisten Nuklide unstabil.

"Radioaktive Strahlung" ist ionisierende Strahlung, weil sie so energiereich ist. Beim Zerfall eines Atomkerns werden typischerweise 1 MeV frei (zum Vergleich: bei chemischen Reaktionen typisch 1 eV). Deshalb lässt sich die Strahlung leicht messen (Geigerzähler).

Wenn ein Mutterkern zerfällt, entsteht ein Tochterkern und Teilchenstrahlung. Die Teilchen nehmen den grössten Teil der Energie mit. In der Tabelle der stabilen Nuklide (FoTa) kann man nachlesen, ob der Tochterkern stabil ist. Findet man ihn nicht, so ist das Tochternuklid sicher radioaktiv und somit Teil einer Zerfallsreihe.

Zerfallsarten
Die drei wichtigsten, natürlichen Zerfallsarten heissen Alpha-, Beta- und Gammazerfall; so benannt nach den abgestrahlten Teilchen:

1) Alphazerfall
Dieser tritt vor allem bei schweren Nukliden auf (Uran, Thorium, etc.). Das ausgestossene Teilchen (α) ist ein He-4 Kern.
^A_ZX --> ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He
Alphastrahlung kommt in Luft typisch einige Zentimeter weit und wird schon durch ein Blatt Papier aufgehalten.

3) Gammazerfall
Dieser sog. isomere Übergang tritt oft begleitend zu den anderen Zerfällen auf. Das abgegebene Teilchen (γ) ist ein Photon ("Lichtteilchen") hoher Energie.
^Am_ZX --> ^A_ZX + γ
(Der Index "m" steht für metastabil. Ein Nuklid kann mehrer Isomere haben, d.h. Kernzustände, die energetisch angeregt sind. Isomere mit langer Lebensdauer sind metastabil. Beispiel: Tc-99m)
Gammastrahlung ist sehr durchdringend und wird erst durch dicke Bleiplatten abgeschirmt.

2) Betazerfall
Dieser tritt vor allem bei leichten Nukliden auf (Kalium, Kohlenstoff, etc.). Betastrahlung kommt in Luft typisch einen Meter weit und wird durch Kleider abgeschirmt.
Es gibt den Betazerfall in drei Varianten:
a) β^--Zerfall
Das abgegebene, negative Teilchen ist ein Elektron (β^-):
^A_ZX --> ^A_Z+1Y + β^-
Im Atomkern wandelt sich ein Neutron in ein Proton um.
b) β⁺-Zerfall
Das abgegebene, positive Teilchen ist ein Antielektron (β⁺, Positron):
^A_ZX --> ^A_Z-1Y + β⁺
Im Atomkern wandelt sich ein Proton in ein Neutron um. Trifft das Positron anschliessend auf ein Elektron, so vernichten sie sich gegenseitig und es entsteht Gammastrahlung von typisch 0.511 MeV Energie.
c) Elektroneneinfang
Der Atomkern schluckt ein Elektron e^- aus einer inneren Schale seiner Atomhülle. Anschliessend wird die Schale unter Abgabe von Röntgenstrahlung wieder aufgefüllt.
^A_ZX + e^- --> ^A_Z-1Y + γ
Im Atomkern wandelt sich ein Proton in ein Neutron um.
(Bei allen Betazerfällen wird noch ein sogenanntes Neutrino freigesetzt, das aber nicht so leicht gemessen werden kann.)

Es gibt noch mehr Zerfallsarten, die aber nicht so häufig sind (spontane Kernspaltung, Protonenemission, etc.)

Zerfallsgesetz
Sind zu Beginn N₀ Mutterkerne eines bestimmten Nuklids vorhanden, so nimmt deren Zahl mit der Zeit exponentiell ab (und die Zahl der Tochterkerne nimmt entsprechend zu). Die Halbwertszeit T ist jene Zeit, in der im Mittel die Hälfte der Mutterkerne zerfallen ist.

N(t) = N₀ e^-λt = N₀ 2^-t/T

λ = ln(2)/T heisst Zerfallskonstante. Sie wird aus der tabellierten Halbwertszeit berechnet.

Aktivität
Die Aktivität ist die Anzahl Zerfälle pro Zeit in der Probe:
A = ∆N/∆t resp. A = -dN/dt mit Einheit [A] = 1/s = 1 Bq (Becquerel).
Es ist klar, dass die Aktivität einer reinen Probe proportional zur Zahl der Mutterkerne ist:

A = λ N

Ein erwachsener Mensch hat eine natürliche Aktivität von ca. 10 kBq wegen seines Gehaltes an K-40, C-14 und ähnlichem.

Zählrate
Die Zählrate ist gleich der Anzahl Ereignisse pro Zeit, die ein Messgerät registriert.
Einheit: [Z] = imp/s (Impulse pro Sekunde, engl. cps "counts per second")
Die Zählrate ist proportional zur Aktivität, falls die Strahlung nicht unterwegs absorbiert wird. Die Zählrate ist normalerweise kleiner als die Aktivität, weil nicht alle Strahlung registriert wird und das Zählrohr einen begrenzten Wirkungsgrad hat.

Ergänzung: Strahlenbelastung

letzte Änderung: 10. Mai 2008 / Lie.
Revisionen: 27. Juli 2023 / Lie.

Zurück zur Startseite des Repetitoriums