Radioaktivität
Untertitel: Alpha, Beta, Gamma
Man kann die Zahl der Protonen und Neutronen zwar nicht beliebig variieren, aber es gibt trotzdem eine unglaublich große Anzahl von verschiedenen Kernsorten. 2700 wurden davon bereits in Labors erzeugt und untersucht (Abb.), 2400 davon sind radioaktiv. Darunter versteht man, dass sich die Kerne nach einer gewissen Zeit von selbst umwandeln. Darum geht es in diesem Abschnitt.
Drei Arten radioaktiver Strahlung
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Eine Nuklidkarte zeigt die bisher bekannten Atomsorten. In den horizontalen Schichten ist immer ein einziges Element zu finden, hier am Beispiel einer „Blei-„ und einer „Zinnschichte“. Zinn gibt es in den Varianten $^{100}Sn$ bis $^{137}Sn$ und Blei von $^{17}Pb$ bis $^{214}Pb$. $\gamma$-Strahlung tritt immer in Kombination mit $\alpha$- und $\beta$-Strahlung auf und ist nicht extra eingezeichnet.
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Bei der Radioaktivität treten drei Arten von Strahlung auf, die man mit den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets benannt hat: $\alpha$-, $\beta$ und $\gamma$-Strahlung. Zwei Dinge haben sie gemeinsam: Ihr Ursprung ist im Kern und durch die Strahlung gehen die Kerne in eine stabilere Lage über. Anders gesagt: die potenzielle Energie des Kerns wird dabei geringer.
Bei der $\alpha$-Strahiung wird ein Heliumkern (2 Protonen, 2 Neutronen) weggeschleudert (Abb. 3.31). Bei der $\beta$-Strahlung wird ein Elektron, bei der $\beta^+$-Strahlung ein Positron ausgesendet. Dabei wird im Kern entweder ein Neutron in ein Proton umgewandelt oder umgekehrt und es entstehen Neutrinos oder Antineutrinos.
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Die Arten der radioaktiven Strahlung. Bei der $\beta$-Strahlung entstehen immer auch Neutrinos ($\nu$). Sie haben keine elektrische Ladung, praktisch keine Masse, und sie wechselwirken so gut wie nie mit anderer Materie.
Zerfallsarten
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Das Positron gehört zur so genannten Antimaterie. Diese hat mit Materie bis auf die Ladung alles gemeinsam. Ein Positron ist also der positiv geladene Zwilling eines Elektrons, und ein Antiproton ist negativ geladen (Abb.). Antimaterie lebt nicht lang! Wenn sie auf Materie trifft, zerstrahlt sie zu reiner Energie. Gib also deinem Anti-Ich niemals die Hand.
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Wasserstoff und Antiwasserstoff. Nur wenige Antiteilchen haben Eigennamen wie das Positron. Normalerweise setzt man einfach die Silbe „Anti-„ davor.
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Bei der $\gamma$-Strahlung verändert sich die Zusammensetzung der Nukleonen im Kern nicht, sondern dieser geht in einen energetisch tieferen Zustand über. Die überschüssige Energie wird in Form eines oder mehrerer $\gamma$-Quanten abgegeben. Man nennt diese Teilchen auch Photonen. Das sind dieselben Teilchen, aus denen das Licht besteht, nur sind sie um ein Vielfaches energiereicher.
Die drei Arten von radioaktiver Strahlung sind in der Tabelle zusammengefasst. Da der Mensch zu etwa 80% aus Wasser besteht, gelten für ihn näherungsweise die Strahlungsreichweiten für Wasser, $\alpha$- und $\beta$-Strahlung dringen demnach nur größenordnungsmäßig Millimeter in den Körper ein, $\gamma$-Strahlung kann den Menschen problemlos durchdringen. Das liegt daran, dass Photonen keine Ladung besitzen. Weil die Masse der $\alpha$-Teilchen so groß ist, richten diese den größten Schaden im Körper an.
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Bei $\alpha$- und $\beta$-Strahlung kommt es zu einem Positionswechsel im Periodensystem.
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Wirkung radioaktiver Strahlung
Die Strahlung ist in der Lage, Elektronen aus den Atomhüllen herauszuschlagen. Jedes einzelne $\alpha$ und $\beta$-Teilchen kann etwa $10^4$ bis $10^5$ Ionenpaare erzeugen. Man spricht daher von ionisierender Strahlung. Das führt letztlich dazu, dass Makromoleküle wie die DNS aufgebrochen werden, was zu Krebs oder Erbschäden führen kann. Unkontrollierte Radioaktivität macht also keine Superhelden, wie das in Comics und Filmen immer wieder zu sehen ist.
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Naives Bild von der Radioaktivität: Bruce Banner bekommt eine normalerweise tödliche Dosis y-Strahlen ab und wird dadurch zum Hulk! Es ist wichtig, Fiktion und Wirklichkeit auseinander zu halten!
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Kontrolliert eingesetzt kann man mit Radioaktivität in der Medizin aber viel Positives bewirken. Vor allem kann man durch radioaktive Markierung die Verteilung von bestimmten Elementen im Körper feststellen, sei das der Kohlenstoff im Zucker (PET-Scanner), Iod in der Schilddrüse oder Calzium im Knochen. Mit gezielt eingesetzten $\beta$-Strahlern kann man eventuell gefundene Krebsherde dann zerstören.
Halbwertszeit
Es ist ironisch, aber man kann tatsächlich den Zufall berechnen. Gut, beim Roulette bringt dir das nichts. Du kannst nicht voraussagen, ob beim nächsten Wurf rot oder schwarz kommt. Aber du kannst voraussagen, dass die Wahrscheinlichkeit im Schnitt 50:50 sein muss (wenn nicht, dann wurde am Roulette wirklich was „gedreht“). Bei sehr vielen Ereignissen kann man den Zufall also tatsächlich berechnen (F25).
Beim radioaktiven Zerfall ist das auch so. Du kannst nicht sagen, wann ein bestimmtes Atom zerfällt. Du kannst aber sehr exakt sagen, nach welcher Zeit die Hälfte der Atome zerfallen ist. Diese Zeit nennt man die Halbwertszeit ($T_{1/2}$).
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Halbwertszeit am Beispiel von C-14.
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Dabei gibt es bei den verschiedenen Atomsorten extreme Unterschiede von Zeiten weit jenseits des Alters des Universums bis hinunter zu Bruchteilen von Sekunden (obige Tab.). Beim Reaktorunfall von Tschernobyl 1986 waren die Hauptbestandteile des radioaktiven Niederschlags Iod-131 und Cäsium-137. Während Iod-131 eine sehr kurze Halbwertszeit hat und heutzutage nicht mehr nachzuweisen ist, wird Cäsium-137 im Jahr 2016 erst zur Hälfte zerfallen sein und es wird bis 2186 dauern (also bis 200 Jahre nach dem Unfall), bis davon nur mehr 1% übrig ist. Radioaktiver Zerfall lässt sich also wie eine Uhr verwenden, und das macht man sich bei der Altersbestimmung mit Hilfe der C-14-Methode zu Nutze.
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Beispiele für den extremen Unterschied in den Halbwertszeiten verschiedener Isotope.
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Zusammenfassung
Bei der Radioaktivität treten $\alpha$-, $\beta$- und $\gamma$-Strahlung auf, deren Ursprung immer im Kern liegt. Radioaktivität tritt immer dann auf, wenn der Kern instabil ist, also seine potenzielle Energie kein Minimum hat. Unkontrolliert ist Radioaktivität für deine Gesundheit nicht gut. Aber kontrolliert eingesetzt ist sie ein wichtiges Instrument bei der Erforschung und Behandlung von Krankheiten. Die Halbwertszeit gibt an, wie lange es dauert, bis die Hälfte des Stoffes zerfallen ist. Diese Tatsache nutzt man bei der Altersbestimmung mit der C-14-Methode aus.
