Radioaktivität - Grundlagen

Es treten in der Kernphysik verschiedene Arten von Kernumwandlungen auf. Die Gemeinsamkeit dieser Zerfälle besteht darin, dass bei allen Energie freigesetzt wird, was bedeutet, dass das Atom Energie abgibt. Das Ziel einer jeden Kernumwandlung ist das Erreichen eines stabileren Zustandes des Kerns.
Gemäß ihres stabilen oder instabilen Zustandes teilt man Atomkerne in zwei Gruppen.
Erstere sind die stabilen Nuklide, welche einen stabilen Zustand besitzen und daher nicht von selbst zerfallen. In dieser Gruppe sind zur Zeit etwa 270 Nuklide bekannt.
Die zweite und mit über 1300 bekannten Nukliden größere Gruppe sind die Radionuklide, welchen einen instabilen Atomkern besitzen. Diese zerfallen solange spontan ohne äußere Einwirkung (Spontanzerfall) bis die Atomkerne einen stabilen Zustand erreicht haben.

Weitere Kernumwandlungen sind die Kernreaktion, die Kernspaltung und die Kernfusion (siehe unten).
Die bekannten Radionuklide werden je nachdem, ob sie in der Natur vorhanden sind oder künstlich erzeugt wurden in natürliche und künstliche Radionuklide eingeteilt. Die natürlichen Radionuklide werden gemäß der Folge der Zerfallsprodukte in Zerfallsreihen eingeteilt. Es gibt drei natürliche Zerfallsreihen. Genau genommen gibt es noch eine vierte Zerfallsreihe, die Neptunium-Zerfallsreihe, deren Ausgangsnuklid jedoch "ausgestorben" ist.
Die drei existierenden Zerfallsreihen sind:
Am Ende jeder dieser Zerfallsreihen steht ein stabiles Bleiisotop.
Neben den natürlichen Radionukliden welche zu einer der Zerfallsreihen gehören gibt es noch 25 weitere natürliche Radionuklide. Diese besitzen überwiegend mittlere Massenzahlen und zeichnen sich durch eine extrem lange Halbwertzeit aus, weshalb sie primordiale Radionuklide ("von Anfang an vorhandene") genannt werden.
Einige primordiale Radionuklide:
Nuklid Halbwertzeit
K-40 1,3 · 109a
Mo-100 1,2 · 1019a
Rb-87 4,8 · 1010a
Pt-190 6,5 · 1011a
Te-128 7,2 · 1024a
Außerdem entstehen durch die Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit den Atomen der Erdatmosphäre immer wieder sogenannte kosmogene Nuklide neu.
Einige kosmogene Radionuklide:
Nuklid Halbwertzeit
H-3 12,3 a
Na-24 15 h
Si-31 2,6 h
Si-32 101 a
Cl-39 59 min

Kernreaktion

Die Kernreaktion ist eine künstlich erzeugte Kernumwandlung. Die Umwandlung des Atomkerns erfolgt durch Beschuss mit einem anderen Kern, einem Elementarteilchen oder eines y-Quants. Dabei entsteht ein Zwischenkern, welcher durch Abgabe ionisierender Strahlung in einen anderen Atomkern zerfällt. Durch den Beschuss von Neutronen können Stoffe aktiviert (radioaktiv gemacht) werden. Dies geschieht dadurch, dass die Neutronen in den Atomkern eindringen und sich dort umwandeln, so dass ein instabiler Atomkern entsteht. Durch diese Methode werden in Brutreaktoren auch Kernbrennstoffe zum Beispiel aus U-238 gewonnen.

Kernspaltung

Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern mit einem Neutron beschossen. Der beschossene Kern nimmt das Neutron auf und es bildet sich so ein instabiler, hantelförmiger Zwischenkern. Dieser Kern spaltet sich anschließend, da er zwei sich abstoßende Ladungszentren besitzt in zwei Bruchstücke auf, welche zusammen die gleiche Protonenanzahl wie der Ausgangskern besitzen. Diese Kernbruchstücke sind in der Regel wieder radioaktiv und zerfallen ihrerseits weiter bis sie einen stabilen Zustand erreicht haben. Neben den zwei Kernbruchstücken werden noch 2 bis 3 Elektronen freigesetzt. Bei der Kernspaltung wird Energie als Bewegungsenergie der Spaltprodukte sowie als y-Strahlung freigesetzt. Die freiwerdende Energie bei der Spaltung eines Kerns kann über den Massendefekt berechnet werden. Bei der Spaltung eines Urankernes werden rund 200 MeV Energie frei. Als Ausgangsstoff der Kernspaltung werden in Reaktoren Kernbrennstoffe mit ungeraden Neutronenzahlen (wie U-235) eingesetzt, da bei ihnen mehr Energie frei wird als bei Kernen mit gerader Neutronenzahl. Außerdem können ungerade Kerne mittels langsamen Neutronen gespalten werden, während zur Spaltung gerader Kerne mehr Energie, also schnelle Neutronen benötigt werden.

Kernfusion

Bei der Kernfusion kommt es zu einer Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren. Diese Reaktion ist exotherm und findet nur bei sehr hohen Temperaturen und geeigneter Teilchendichte statt. Durch Kernfusion von Wasserstoff erhält die Sonne ihren Hauptanteil an Energie, somit ist die Kernfusion für uns lebensnotwendig.

Einheiten und Formel der Radioaktivität

Aktivität A

Die Aktivität ist der Quotient aus der Anzahl der Kernzerfälle und der Zeit. Die Einheit für die Aktivität ist Becquerel (Bq), wobei ein Becquerel einem Kernzerfall pro Sekunde entspricht.
Eine älterere Einheit ist Curie (Ci) - 1 Ci = 3,7 1010 Bq.

Energiedosis D

Die Energiedosis ist der Quotient aus der von einer ionisierenden Strahlung abgegebenen Energie und der Masse des Körpers, welcher die Strahlung aufnimmt. Die Einheit für die Energiedosis ist Gray (Gy), wobei ein Gy einem J/kg entspricht. (älter: Rad (rd) - 1 Rad = 0,01 Gy)

Äquivalentdosis H

Durch die unterschiedliche biologische Wirkung der Strahlungsarten bei gleicher Energiedosis ist diese nicht ausreichend. Die Auswirkungen der einzelnen Strahlungen werden mit dem Qualitätsfaktor Q beschrieben.
Die Einheit der Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv) - 1 Sv = 1 J/kg.
Der Qualitätsfaktor ist ein Erfahrungswert.
Qualitätsfaktoren:
Art der Strahlung Q
α-Strahlung 20,0
β-Strahlung 1,0
y-Strahlung 1,0
langsame Neutronen 2,3
schnelle Neutronen 10,0
(Röntgenstrahlung 1,0)

Halbwertzeit

Von einer radioaktiven Substanz zerfallen in gewissen Zeitabständen immer nur einzelne Kerne und niemals alle. Wann ein einzelner Kern zerfällt lässt sich dabei nicht sagen. Ein Radiumkern kann zum Beispiel 100000 Jahre alt werden und noch weitere 100000 Jahre erhalten bleiben aber er kann auch innerhalb der nächsten Sekunde ein a-Teilchen abgeben und damit seine Existenz beenden. Allerdings lässt sich mittels der Halbwertzeit genau sagen, wann die Hälfte aller vorhandenen Kerne zerfallen ist, da die Halbwertzeit die Zeit angibt in der die Hälfte aller Atomkerne einer radioaktiven Substanz zerfallen sind.
einige Halbwertzeiten:
Nuklid Halbwertzeit
U-234 2,52 · 105 a
Ra-226 1,622 · 103 a
Rn-222 3,825 d
C-10 19 s
Fe-52 8 h
Kr-79 34,9 h
B-11 0,017 s
Ähnlich wie mit der Halbwertzeit verhält es sich mit der Halbwertdicke. Die Halbwertdicke ist die Stärke eines Materials die nötig ist um die ionisierende Strahlung (speziell y-Strahlung) um die Hälfte zu vermindern.
Halbwertsdicken für y-Strahlen (cm):
Material W = 0,1 MeV W = 1 MeV
Blei 0,012 0,88
Eisen 0,25 1,6
Aluminium 1,6 4,2
Beton 1,7 4,9
Wasser 4,1 9,8

Zerfallsgesetz

Mit Hilfe des Zerfallsgesetzes kann die Menge der nach einem bestimmten Zeitabschnitt noch nicht zerfallenen Atomkerne berechnet werden. 


     n(t) - Anzahl der am Ende des Zeitabschnittes noch erhaltenen Nuklide

     n0 - Anzahl der zu Beginn vorhandenen Nuklide

     λ - nuklidabhängige Zerfallskonstante

     e - Euler'sche Zahl = 2,71828