Chemie Grundlagen

Chemie Grundlagen
Physikalische Chemie

Alpha Strahlung

Hier lernst du was Alpha Strahlung ist und wie gefährlich sie wirklich für den Menschen ist. Zudem erfährst du wie sie entsteht und welche physikalischen Gründe zu einem Alphazerfall führen.

Schau dir am besten noch unser Video  zur Alpha Strahlung an. Hier sind für dich die relevanten Inhalte bereits audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Alpha Strahlung einfach erklärt

Die Alpha Strahlung oder auch \alpha-Strahlung ist eine stark ionisierende Strahlung, welche beim Alphazerfall eines Atomkerns entsteht. Dem entsprechend nennt man Radioaktive Nuklide auch Alphastrahler. Diese Bezeichnung geht auf den Atomphysiker Ernest Rutherford zurück, welcher die Strahlung radioaktiver Stoffe nach ihrem Durchdringungsvermögen in Alpha- Beta- und Gamma Strahlung eingeteilt hat. Hierbei ist die Alpha Strahlung jene, mit dem geringsten Durchdringungsvermögen. Es handelt sich bei ihr um eine Teilchenstrahlung, da beim Zerfall des Nuklids, dem Mutterkern oder auch Mutternuklid, ein Alphateilchen ausgesandt wird. Beim Alphateilchen handelt es sich um einen Helium-4-Atomkern, welcher als Tochterkern oder auch Tochternuklid, bezeichnet wird. Dieser setzt sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen zusammen.

Alpha Zerfall

Zum Alpha Zerfall kommt es, wenn ein Nuklid instabil ist. Dabei können die Kernkräfte die abstoßenden Kräfte der Protonen nicht mehr ausgleichen. In Folge bildet sich ein Helium-4-Atomkern, welcher abgestoßen wird, um einen Energieausgleich zu schaffen und den Mutterkern möglichst in einen stabilen Grundzustand zu überführen. Dadurch nimmt die Massenzahl des Mutterkerns um vier Einheiten ab und die Kernladungszahl um zwei.

^A _Z X \rightarrow ^{A-4} _{Z-2} Y + ^4 _2 He + \Delta E

Hierbei bezeichnet X den Mutterkern, Y den Tochterkern, A die Massenzahl, Z Die Ordnungszahl und \Delta E die beim Zerfall freiwerdende Energie. Einen solchen Strom aus vielen Alphateilchen bezeichnet man in Folge als Alpha Strahlung.

Alphastrahlung, Alpha Strahlung, Alphazerfall
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Alphazerfall
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Alpha Zerfall Beispiele

Hier siehst du zwei Beispielhafte Zerfallsprozesse. Zunächst den von Samrium-146 zu Neodym-142:

^{146} _{62} Sm \rightarrow ^{142} _{60} Nd + ^4 _2 He + 2,529 \mathrm{MeV}

Der nächste Zerfallsprozess ist der in der Natur vorkommende Zerfall von Radium-224 zu Radon-220:

^{224} _{88} Ra\rightarrow ^{220} _{86} Rn + ^4 _2 He + 6,288 \mathrm{MeV}

Bei solchen Zerfallsprozessen verlässt das Alphateilchen den Kern mit einer Anfangsgeschwindigkeit zwischen 10.000 km/s und 20.000 km/s.

Alpha Strahlung Eigenschaften

Beobachtest du Alphateilchen in einer Nebelkammer kannst du beobachten, dass diese dicke, fast gleich lange Spuren hinterlassen. Durch das Anlegen von Magnetfeldern, werden diese Spuren leicht in die gleiche Richtung wie die, positiver Ladungsträger abgelenkt. Daraus kannst du schlussfolgern, dass Alphateilchen eine große Masse und eine positive Ladung besitzen. Aufgrund der fast gleich langen Bahnen ist auch zu erkennen, dass diese Teilchen unabhängig vom Kern, ähnlich große Energien haben. Die besondere Dicke der Bahnen bedeutet auch, dass Alphateilchen stark ionisierend sind.
Die üblichen Energien der Alphateilchen bei häufig vorkommenden Alphastrahlern kannst du der nächsten Tabelle entnehmen.

\begin{tabular}[h]{lcr} Radionuklid & Energie in MeV \\ Rn-222 & 5,59 \\ Ra-226 & 4,87 \\ U-238 & 4,27 \\ Pu-239 & 5,59 \\ \end{tabular}

Die Masse der Alphateilchen ist mit 4 u, also vier atomaren Einheiten, sehr groß. Aufgrund dieser Größe und ihrer elektrischen Ladung, ist die Eindringtiefe dieser Strahlung in Materie sehr klein. Abhängig von der Dichte des umgebenden Mediums und der Energie des Alphateilchens, kann die freie Weglänge von mehreren hundert Kilometern in der Hochatmosphäre zu wenigen Mikrometern in Gewebe reichen. In der nächsten Tabelle siehst du die Reichweite in Luft und in Muskelgewebe in Relation zur Teilchenenergie.

\begin{tabular}[h]{lcr} Teilchenenergie in MeV & Reichweite in Luft & Reichweite in Gewebe \\ 1 & 0,3 cm & 4 \mu m\\ 3 & 1,6 cm & 16 \mu m\\ 4 & 2,5 cm & 31 \mu m\\ 6 & 4,6 cm & 56 \mu m\\ 8 & 7,4 cm & 91 \mu m\\ 10 & 10,6 cm &  130 \mu m\\ \end{tabular}

Verglichen mit der Beta Strahlung und der Gamma Strahlung ist die Alpha Strahlung sehr leicht abzuschirmen. Bereits ein Blatt Papier oder wenige Meter Luft reichen dazu aus.

Abschirmung Alphastrahlung, Alpha Strahlung, Eindringtiefe in Materie
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Alphastrahlung Abschirmung

Wirkung auf den Menschen

Im Allgemeinen ist Alpha Strahlung für Menschen relativ ungefährlich. Trifft sie von außen auf den Körper, werden die Alphateilchen, aufgrund der geringen Eindringtiefe, in den oberen toten Hautschichten absorbiert. Nimmt man hingegen einen Alphastrahler durch Nahrung oder Einatmen auf, so kann sich das schädlich auf den Organismus auswirken. Die hohe Ionisation der Alpha Strahlung führt zu einer Schädigung gesunder Zellen, insbesondere wenn der Alphastrahler in einem Organ angereichert wird, kann die hohe Intensität der Strahlung im umgebenden Gewebe zu schweren Schäden führen.

Alpha Strahlung Anwendung

Ein sehr aktiver Alphastrahler kann sich selbst zur Rotglut erhitzen. Alphateilchen werden in großer Zahl bereits im Innern des Alphastrahler absorbiert. Dabei geben sie ihre Bewegungsenergie als Wärme an die inneren Atome ab. Wird zudem wenig Beta- und Gamma Strahlung erzeugt, kann die abgegebenen Wärme in Radionuklidbatterien zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden.

Alpha Beta Gamma Strahlung

Du hast bereits gehört, dass es neben der Alpha Strahlung auch noch die Beta- und die Gamma Strahlung gibt. Zu beachten ist, dass Alpha- und Beta Strahlen Teilchenstrahlen sind. Die Gamma Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung. Sie unterscheiden sich unter anderem in ihrer Eindringtiefe und ihrem Ionisationsgrad. Schau dir in diesem Zusammenhang am besten noch unsere Videos zur Beta Strahlung  und Gamma Strahlung  an. In diesen wurde für dich bereits der Themenkomplex eingängig aufbereitet.

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