|[[:ph:radioaktivitaet|Kapitelübersicht]]|[[:ph:radioaktivitaet-grundlagen:Fragen]]|**Theorie**|[[:ph:radioaktivitaet-grundlagen:aq|Anwendungen,Querverbindungen]]| ====== Entstehung und Arten der Radioaktivität ====== **Untertitel: Alpha, Beta, Gamma** ===== Aussendung radioaktiver Strahlung ===== In diesem Abschnitt geht es darum, wieso es überhaupt radioaktive Stoffe gibt. Und du lernst die drei Arten von Radioaktivität kennen. Welche Strahlen senden radioaktive Stoffe aus? Ernest Rutherford konnte 1902 mit Hilfe eines Magnetfeldes drei Arten von Strahlung unterscheiden. Er nannte sie nach den ersten Buchstaben des griechischen Alphabets `\alpha`-, `\beta`- und `\gamma`-Strahlung. Die radioaktiven Zerfälle, durch die diese Strahlungen entstehen, nennt man daher aus historischen Gründen noch heute `\alpha`-, `\beta`- und `\gamma`-Zerfall. Diese sind sehr unterschiedlich, aber trotzdem haben sie drei Dinge gemeinsam: 1) Ihr Ursprung liegt im Kern. 2) Durch die Strahlung verringert sich dessen potenzielle Energie. 3) Der Zerfall tritt spontan auf, also ohne Einfluss von außen. Nur Kerne, die durch Aussendung von Strahlung in einen niedrigeren Energiezustand übergehen können, sind radioaktiv (F2). {{:ph:radioaktivitaet:bb46-02.jpg?400&direct|Auftrennung der Strahlung}} \\ \\ \\ // So kann man Arten der radioaktiven Strahlung erkennen, `\gamma`-Strahlung wird nicht abgelenkt. // {{:ph:radioaktivitaet:bb46-03.jpg?400&direct|Nuklidkarte}} \\ \\ \\ // Eine Nuklidkarte, also eine grafische Darstellung aller bekannten Atomkerne. Horizontal sind die Isotope eines Elements zu finden (z. B. Blei oder Zinn). `\gamma`-Strahlung führt zu keiner Veränderung der Nukleonen und ist nicht eingezeichnet. In der Mitte des „Bandes" befindet sich ein stabiles „Tal" von Elementen. // Die elektrostatische Kraft /*(Kap. 30.3, „Big Bang 7")*/ reicht unendlich weit. Jedes Proton im Kern wird von allen anderen Protonen abgestoßen. Die starke Wechselwirkung /*(Kap. 45.3)*/ reicht aber nur bis zu den benachbarten Nukleonen. Je größer der Kern, desto größer wird die Abstoßung. Daher müssen Atomkerne mit höherer Ordnungszahl überproportional viele Neutronen besitzen (F3), die als zusätzlicher „Kitt" wirken. Trotzdem können sie die elektrische Abstoßung nicht vollständig kompensieren. Das macht schwere Kerne instabil. ===== Strahlungsarten ===== ==== `\alpha`-Zerfall ==== Kerne mit einer Ladungszahl größer als 82, also Elemente ab Blei, senden hin und wieder Heliumkerne aus. Man nennt diese auch `\alpha`-Teilchen. Ein schwerer Kern zerfällt also quasi in zwei leichtere Kerne. Die Zerfallsprodukte haben in Summe eine kleinere Masse, die Energie wurde also verringert. Die Bindungsenergie steckt nachher in der kinetischen Energie des `\alpha`-Teilchens. Sein „Entkommen" aus dem Kern kann man nur quantenmechanisch verstehen. {{:ph:radioaktivitaet:bb46-04.jpg?300&direct|Abb.}} \\ \\ \\ // Zerfall von Uran-238 in Thorium-234 und einen Heliumkern (`alpha`-Teilchen). Auf einen solchen Zerfall muss man allerdings sehr lange warten (siehe Tab. 46.2). // \\ {{:ph:radioaktivitaet:bb46-05.jpg?400&direct|Abb.}} \\ \\ \\ // Verschiebung der Nuklide bei den verschiedenen radioaktiven Zerfällen (siehe auch die folgende Tabelle). // \\ \\ {{:ph:radioaktivitaet:bb46-t1.jpg?400&direct|Abb.}} \\ \\ \\ // Die Arten der radioaktiven Strahlung. In Wasser ist die Reichweite aller Strahlen um den Faktor `10^3` geringer als in Luft, in Blei noch mal um den Faktor 10. // Schwere Kerne sind instabil, weil die elektrische Abstoßung größer ist. Durch das Emittieren eines Heliumkerns bzw. `\alpha`-Teilchens kann der Kern in einen Zustand größerer Stabilität übergehen ==== `\beta`-Zerfall ==== Wenn im Kern zu viele Neutronen oder Protonen sind, kommt es zum `beta`-Zerfall. Dabei unterscheidet man zwei Fälle: |Gibt es zu viele Neutronen, wandelt sich ein Neutron in ein Proton um und ein Elektron wird aus dem Kern geschleudert. Das nennt man $\beta^{-}$-Zerfall.\\ |Gibt es zu viele Protonen, wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und ein Positron wird aus dem Kern geschleudert. Das nennt man $\beta^{+}$-Zerfall.\\ | | $n \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$ | $p^+ \rightarrow n + e^+ +\nu_e$ | | {{:ph:radioaktivitaet:bb46-07a.jpg?200&direct|Abb.}} | {{:ph:radioaktivitaet:bb46-07b.jpg?200&direct|Abb.}} | |Schematische Darstellung von $\beta^{-}$-Zerfall (a) und $\beta^{+}$-Zerfall (b). Die Kernenergie sinkt, weil das zerfallende Nukleon auf ein niedrigeres Niveau springt.|| In beiden Fällen hat der Kern nachher weniger Energie, die Nukleonen sind also stärker gebunden. In beiden Fällen entsteht beim Zerfall auch ein Neutrino $\nu_e$ bzw. ein Antineutrino ve. Diese sehr eigenartigen Teilchen wechselwirken praktisch nicht mit Materie. Sie fliegen ungehindert durch alles und spielen im Rahmen der radioaktiven Strahlung keine Rolle. Wir werden sie näher in Kap. 48.2.1 besprechen. Der einfachste ß-Zerfall ist der eines einzelnen Neutrons. Dieses zerfällt nach etwa 15 Minuten von selbst (F4). Warum ist das möglich? Weil das Neutron eine größere Masse hat als Proton und Elektron zusammen. Gibt es einen ß+-Zerfall eines freies Protons? Nein, weil seine Masse kleiner ist als die des Neutrons. Und das ist gut so, weil sonst wären etwa Wasserstoffatome instabil und somit auch Wassermoleküle. Und daraus besteht zum Großteil dein Körper. Hat ein Kern zu viele Protonen oder Neutronen, ist er instabil, und es kommt es zum Beta-Zerfall. Dabei wandelt sich ein Neutron in ein Proton um oder umgekehrt. Ein Elektron oder Positron wird aus dem Kern geschleudert und dieser wird dadurch stabiler. ==== `\gamma`-Zerfall ==== Nach einem `\alpha`- oder `\beta`-Zerfall befinden sich Kerne manchmal noch in einem angeregten Zustand. Das heißt, dass zumindest ein Nukleon nicht das niedrigst-mögliche Niveau besetzt. Wenn es „zurückspringt", gibt es die überschüssige Energie in Form eines hochenergetischen Photons ab, eines so genannten `\gamma`-Quants. Man kann also salopp von einem „Quantensprung im Kern" sprechen. Der Begriff `\gamma`-Zerfall ist historisch bedingt aber nicht günstig, weil ja im Gegensatz zu `\alpha`- und `\beta`-Zerfall nichts zerfällt. An der Position in der Nuklidkarte ändert ein `\gamma`-Zerfall nichts. {{:ph:radioaktivitaet:bb46-08.jpg?200&direct|`\gamma`-Zerfall}} \\ \\ \\ // Schematische Darstellung eines `\gamma`-Zerfalls. Es handelt sich dabei um einen „Quantensprung im Kern". \\ (Anm.: In der Regel treten `\gamma`-Zerfälle nur bei sehr hohen Nukleonenzahlen auf). // Ein `\gamma`-Zerfall ist ein „Quantensprung im Kern". Ein angeregtes Nukleon springt auf ein niedrigeres Niveau und sendet ein hochenergetisches Photon (`\gamma`-Quant) aus. Ladungs- und Massenzahl bleiben dabei erhalten.