Kernphysik

Radioaktivität

Was es mit der Radioaktivität auf sich hat und wie gefährlich sie wirklich ist erfährst du hier. Dazu lernst du die verschiedenen Strahlenarten kennen und was eigentlich ein stabiles Atom ist.

Schau dir auf jeden Fall noch unser Video  an. Darin haben wir für dich die wichtigsten Themenpunkte audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Radioaktivität einfach erklärt

Meistens werden Strahlung und Radioaktivität mit Atomkraft gleichgesetzt. Jedoch beschreibt Radioaktivität in erster Linie die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Das bedeutet, dass Energie als elektromagnetische Wellen oder in Form schneller Teilchenströme abgestrahlt wird. Unter Emission von Teilchen wandelt sich dabei der Atomkern in einen anderen Kern um oder ändert durch elektromagnetische Emissionen seinen energetischen Zustand. Umgangssprachlich wird diese ionisierende Strahlung als radioaktive Strahlung bezeichnet. Für die Wirkung ist ausschlaggebend wie viel Energie von der Strahlung mitgeführt wird.

Was ist Radioaktivität?

Radioaktivität bezeichnet den angeregten Zustand von Atomkernen, welche von selbst in andere Kerne zerfallen. Strahlende Kerne, oder auch Radionuklide, sind in der Umwelt ständig vorhanden. Daher sind Menschen auch ständig Radioaktivität in Form von Strahlung ausgesetzt. Damit ein Atomkern strahlen kann, muss er instabil sein. Die Stabilität des Atomkerns kann hierbei durch verschiedene Effekte beeinflusst werden.

Stabilität des Nuklids

Wird ein Nuklid nicht als radioaktiv beobachtet kann das einen von zwei Gründen haben. Es ist absolut stabil, was bedeutet, dass nach bisherigem physikalischen Wissensstand kein energieärmerer Zustand des Nuklids bekannt ist, in den es zerfallen könnte. Alternativ ist es möglich, dass das Nuklid theoretisch zerfallen kann, aber bisher kein Zerfallsereignis bzw. eindeutiges Zerfallsprodukt sicher nachgewiesen wurde.

Bisher sind uns 225 stabile und etwa 100 instabile Nuklide bekannt. Darüber hinaus wurden bisher etwa 3000 radioaktive Nuklide entdeckt. Das heißt also, dass die meisten uns bekannten Nuklide natürlich radioaktiv sind und somit Radioaktivität ein natürliches Phänomen ist.

Schau dir zum Nuklid am besten noch unser Video an. Hier erhältst du alle wichtigen Informationen, bereits audiovisuell für dich aufbereitet.

Radioaktivität, Atomkraft
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Radioaktivität in Worten.

 

Verhältnis von Neutron zu Proton

Ein entdeckter Zusammenhang besteht zwischen der Stabilität eines Nuklids und dessen Verhältnis von Neutronen zu Protonen. Atomkerne werden durch die starke Kernkraft zusammen gehalten. Jedoch stoßen sich Protonen gegenseitig ab, da sie positiv geladen sind. Die Neutronen des Kerns erfüllen zwei Aufgaben. Einerseits erhöhen sie den Abstand der Protonen zueinander und sorgen so für eine Abnahme der elektrostatischen Abstoßung . Des weiteren ziehen sie sich gegenseitig und die Protonen mit der starken Kernkraft an.  Bei Nukliden mit einer Massenzahl A nicht höher als 40, hat man beobachtet, dass viele mit einem 1:1 Verhältnis von Protonen zu Neutronen stabil sind. Bei schwereren Nukliden konnte beobachtet werden, dass die Neutronenzahl größer ist als die der Protonen.

In diesem Zusammenhang ist es auch relevant ob die Kernladungszahl und die Massenzahl gerade oder ungerade sind. Die stabilsten Atomkerne haben gerade Neutronen- und Protonenzahlen. Die instabilsten Kerne wurden mit ungeraden Protonen- und Neutronenzahlen beobachtet. Nuklide mit entweder gerade Protonen- oder Neutronenzahl können auch stabil sein.

Zeitliche Abnahme und Halbwertszeit

Jedes einzelne instabile Atom zerfällt zu einem zufälligen Zeitpunkt. Jedoch kann man eine Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit bestimmen. Dazu beobachtet man größere Mengen, oder Sets, von Nukliden. Diese Menge nimmt, dem Zerfallsgesetz entsprechend, exponentiell ab. Die Zerfallswahrscheinlichkeit kann über die Halbwertszeit veranschaulicht werden. Das ist der Zeitraum, nach dem die Hälfte der ursprünglichen Menge zerfallen ist.

T_{1/2} = \frac{ln(2)}{\lambda}

In der Formel für die Halbwertszeit steht \lambda für die Zerfallskonstante. Halbwertszeiten verschiedener Nuklide können von wenigen Sekundenbruchteilen bis zu Quadrillionen Jahren reichen. Je kürzer diese Halbwertszeit ist, desto größer ist die Aktivität des Nuklids.

Zur Halbwertszeit schaust du am besten noch unser Video an. Damit verstehst du die Zusammenhänge noch besser.

Natürliche Radioaktivität

Radioaktive primordiale Atomkerne, welche in der Erde gefunden wurden, sind Überbleibsel von Supernovae, lange vor der Bildung des Sonnensystems. Diese Radionuklide sind ein Teil derer, welche die Formung solarer Nebel, die Ausbildung von Planeten und die Entstehung der Erde bis in die heutige Zeit überstanden. Die heute in Gestein gefundenen, kurzlebigen radiogenen Radionuklide, sind die Tochterkerne dieser frühen primordialen Nuklide

Eine weitere Quelle der natürlich auftretenden Radionuklide, entsteht aufgrund des ständigen Bombardements durch kosmische Strahlung. Diese kosmogenen Nuklide befinden sich in der Erdatmosphäre und Erdkruste. Der Zerfall von Radionuklide im Erdmantel und der Kruste trägt massiv zur internen Hitze unseres Planeten bei.

Radioaktivität messen

Zur Messung von Radioaktivität, bzw. Strahlung, gibt es viele Arten von Detektoren. Jeder dieser Detektoren ist zur Messung einer bestimmten Art von Strahlung geeignet. Das wohl bekannteste Gerät dieser Art ist der Geigerzähler . Darüber hinaus gibt es noch Ionisationskammern und Nebelkammern, mit denen der Nachweis von Alpha -, Beta – und Gammastrahlung möglich ist. Mit Szintillationszählern und Halbleiterdetektoren können Beta– und Gammastrahlen detektiert werden. 

Zusammen mit den zuvor genannten Detektoren können verschiedene Dosismeter und Dosisleistungsmesser betrieben werden. Diese sind im Strahlenschutz von Bedeutung, da mit ihnen die Strahlenbelastung gemessen werden kann.

Auch zum Geiger-Müller-Zählrohr haben wir ein Video für dich vorbereitet. Schau da mal rein, um das Detektieren von Strahlung besser verstehen zu können.

Geiger-Müller-Zählrohr illustriert
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Geiger-Müller-Zählrohr illustriert.

Radioaktive Zerfälle

Bei nicht stabilen Nukliden kann, sofern man ihre Zusammensetzung kennt, abgeschätzt werden, welcher Zerfallsart sie unterliegen. Hat der Kern zu viele Neutronen, so unterliegt er dem BetaMinusZerfall. Sind es hingegen zu viele Protonen, zerfällt er mit dem BetaMinusZerfall. Besonders schwere Kerne unterliegen dem AlphaZerfall. Der GammaZerfall erfolgt meist erst nach anderen vorangegangen Zerfällen.

Übersicht radiaktiver Zerfallsarten
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Übersicht radiaktiver Zerfallsarten.

Alpha Strahlung

Beim AlphaZerfall verlässt ein Helium4Kern, das sogenannte Alphateilchen, den Mutterkern. Dieses Alphateilchen kann dabei Geschwindigkeiten zwischen 3 bis 8 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Der zurück bleibende Tochterkern hat danach eine um 4 reduzierte Massenzahl A und eine um 2 reduzierte Kernladungszahl Z. Das heißt die Menge aller Nukleonen des Kerns hat sich um 4 verringert von denen zwei Protonen waren.  

Diese Art des Zerfalls tritt am häufigsten bei schweren, neutronenarmen Kernen auf. Schau am besten noch unser Video zur Alpha-Strahlung. Dieser Themenkomplex kann sehr schnell sehr kompliziert werden.

Beta Strahlung

Beim BetaZerfall werden entweder Elektronen oder Positronen emittiert. Daher bezeichnet man diese beiden Arten auch als BetaMinusZerfall, bzw. BetaPlusZerfall respektive. Diese emittierten Teilchen können Geschwindigkeiten bis zu 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen. 

Beim BetaMinusZerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Dabei werden ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino emittiert. Durch die Umwandlung erhöht sich die Kernladungszahl um 1. 

Beim BetaPlusZerfall wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Dazu wird ein Positron und ein ElektronNeutrino emittiert. Diese Umwandlung verringert die Kernladungszahl um 1. 

BetaZerfälle treten in der Regel bei Kernen mit einem unausgewogenen Verhältnis von Protonen zu Neutronen auf.

Auch zu Beta-Strahlung haben wir ein Video für dich vorbereitet.

Gamma Strahlung

Bei Gamma Strahlung handelt es sich um hochenergetische, elektromagnetische Strahlung. Diese tritt in der Regel unmittelbar nach einem vorhergehenden Zerfall auf, wenn sich der Tochterkern danach in einem angeregten Zustand befindet. Die emittierten Photonen nennt man Gammaquanten. Dieser Prozess verändert weder die Massenzahl noch die Kernladungszahl des Atoms

Radioaktive Gefährlichkeit

Generell kannst du dir merken, dass Radioaktivität im Allgemeinen nicht gefährlich ist. Wie zuvor bereits beschrieben, sind die meisten uns bekannten Nuklide radioaktiv. Strahlung kommt aus dem Erdboden, dem Weltall und unserem Essen. Strahlenbelastung wird erst dann Gefährlich, wenn sie signifikant über dem Niveau liegt, welchem wir täglich ausgesetzt sind. Die Gefährlichkeit hängt vor allem davon ab wie man der Strahlenquelle ausgesetzt war. Befindet sich die Strahlenquelle außerhalb des Körpers können hohe Strahlenintensitäten zu Verbrennungen oder, in sehr schlimmen Fällen, zu Hautkrebs führen. Das ist vor allem bei Beta-Strahlen der Fall. GammaStrahlen durchdringen den Körper und können somit auch tiefer liegendes Gewebe ionisieren. 

Besonders Gefährlich werden Strahlenquellen, wenn diese in den Körper aufgenommen werden. Dies kann durch Einatmen oder die Aufnahme über Nahrung geschehen. Auf diese Art können sogar die äußerlich recht harmlosen AlphaStrahler gefährlich werden. 

Schutz vor Radioaktivität

Um sich vor zu hoher Strahlenbelastung zu schützen ist es wichtig zu wissen, mit welcher Art von Strahlung man es zu tun hat. Ist dir bekannt, dass du mit strahlenden Substanzen Umgang hattest darfst du dir nicht in die Augen oder in den Mund fassen. Auch Essen und trinken solltest du vermeiden, bis du dir ordentlich die Hände gewaschen hast. Wie gesagt, Inkorporation ist sehr Gefährlich.  Wasche sobald wie Möglich deine Klamotten und den Rest deines Körpers. Nur so kannst du Alpha– und Beta-Strahler von deinem Körper entfernen. Achte darauf ob du sonnenbrandähnliche Rötungen oder sogar Verbrennungen auf der Haut bekommst. Diese können durch Gamma– und Betastrahlen entstehen.  Damit solltest du schnellstens zum Arzt gehen. Dieser kann dir Salben und Medikamente zur Behandlung verschreiben. 

Weißt du um welche Art Strahlung es sich handelt kannst du gegebenenfalls Maßnahmen ergreifen. AlphaStrahlung hat eine Reichweite von wenigen Zentimetern und lässt sich bereits mit einem Blatt Papier abschirmen. Äußerlich ist diese Strahlung unbedenklich.

BetaStrahlung hat eine Reichweite von wenigen Metern, kann aber bereits mit normaler Kleidung abgeschirmt werden. Ist die Haut sehr hohen Intensitäten dieser Strahlung ausgesetzt, kommt es meist nur zu einer Art Sonnenbrand oder schlimmsten Falls Verbrennungen. 

Gammastrahlung durchdringt alles. Gegen sie helfen nur dicke und dichte Abschirmungen wie Bleiplatten. Bist du allerdings weit genug Entfernt, ist die Intensität geringer. Zudem durchdringt sie deinen Körper sehr schnell und vergeht dann.  

Radioaktivität Anwendungen

Die Radioaktivität verschiedener Stoffe wird in vielen Bereichen, von Technik bis zur Medizin, verwendet. Sogar im Grenzschutz wird die Radioaktivität von Stoffen genutzt um illegale Transporte über die Grenze entdecken zu können. Am besten liest du die weiterführenden Artikel dieses Themenbereichs. In denen wird unter anderem mehr auf die einzelnen Anwendungsgebiete eingegangen. 

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