Strahlungsarten

α-Strahlung

Beim α-Zerfall sendet der Kern sogenannte α-Teilchen aus. Diese α-Teilchen sind doppelt positiv geladene Heliumkerne (2 Protonen + 2 Neutronen). Bei der Emission von α-Teilchen wandelt sich der aussendende Atomkern in einen Atomkern mit einer Kernladungszahl -2 und einer Massenzahl -4 um. Dieser Alphazerfall findet erst bei Atomen mit einer Protonenzahl von 84 oder höher statt. Die kinetische Energie der emittierten α-Teilchen ist von der Atomart abhängig. Die Teilchen verlassen den Kern mit einer Geschwindigkeit von rund 10000 km/s. Bedingt durch ihre Gröβe und Ladung geben die α-Teilchen ihre Energie sehr schnell an Materie ab. Bei dem Durchgang durch Luft erzeugt ein α-Teilchen pro cm Weg 20000 bis 40000 Ionen, dabei ist pro Bildung eines Ionenpaares eine Energie von ca. 34 eV nötig. Die Reichweite (R) richtet sich nach der Atommasse und der Dichte des durchdrungenen Stoffes.
Reichweiten von α-Strahlung
W (MeV) R/Luft (cm) R/Aluminium (µm) R/Muskelgewebe (µm)
1 0,32 2 4
4 2,6 16 31
6 4,7 30 56
8 7,3 48 91
Bedingt durch die geringe Reichweite in Materie reicht zur Abschirmung von a-Strahlung bereits ein Blatt Papier.

β-Zerfall

Unter dem Begriff β-Zerfall versteht man Kernzerfälle, bei denen sich die Kernladung um eine Einheit ändert, während die Massenzahl erhalten bleibt. Die daraus resultierende β-Strahlung gliedert sich in β--Strahlung und β+-Strahlung.

Elektroneneinfang

Beim Elektroneneinfang reagiert ein Elektron der innersten Elektronenschale mit dem Atomkern. Die Kernladung ändert sich dabei um -1. Das Atom bleibt nach dem Elektroneneinfang neutral, jedoch in einem angeregten Zustand, wodurch die charakteristische Röntgenstrahlung ausgesandt wird.

β--Zerfall - β--Strahlung

Die β--Strahlung besteht aus Elektronen, welche im Atomkern durch die Umwandlung eines Nukleons entstehen. Dieses Nukleon ist im Falle der β--Strahlung ein Neutron. Der Atomkern verändert bei der Emmision von β--Strahlung seine Kernladungszahl um +1.

β+-Zerfall ? β+-Strahlung

Die β+-Strahlung besteht aus Positronen ("positiven Elektronen" - Antimaterie). Diese entstehen wie die β--Strahlung durch die Umwandlung eines Nukleons, allerdings wandelt sich bei der β+-Strahlung kein Neutron, sondern ein Proton um. Der Atomkern vermindert seine Kernladungszahl um 1.

β-Strahlung

Die je nach Zerfall aus Positronen oder Elektronen bestehende β-Strahlung erzeugt, bedingt durch ihre sehr geringe Masse, beim Durchgang durch Materie wesentlich weniger Ionen als die α-Strahlung. In Luft erzeugt sie pro cm Weg 50 - 100 Ionen. Die β-Teilchen besitzen nicht wie α-Teilchen wenn sie von einem Strahler stammen immer die gleiche Energie und Reichweite, sondern es treten bei einem β-Strahler verschiedenste Energiewerte auf. Die Energiewerte der β-Teilchen ergeben zusammen ein für diesen Strahler charakteristisches Energiespektrum. Diese verschiedenen Energiewerte lassen sich mit der Existenz des Neutrinos erklären. Tatsächlich tritt bei einem β-Zerfall nicht nur ein Elektron oder Positron sondern immer noch ein Neutrino auf. Das Neutrino ist elektrisch neutral und seine Ruhemasse gleich Null. Bei jedem β-Zerfall ist die Gesamtenergie gleich. Diese Gesamtenergie teilt sich jedoch unterschiedlich zwischen Elektron/Positron und Neutrino auf. Auβerdem nimmt das Neutrino den bei einem β-Zerfall entstehenden Drehimpuls auf.
Wechselwirkungen der β-Strahlung mit Materie:
Maximale Reichweite der β-Teilchen:
W (MeV) in Luft (m) in Aluminium (mm) Wasser (cm)
0,2 0,407 0,214 0,0448
0,6 2,05 1,07 0,227
1,0 3,94 2,06 0,438
2,0 8,73 4,59 0,985

y-Strahlung

Die Gammastrahlung besteht nicht aus Teilchen, sondern es handelt sich um eine elektromagnetische Strahlung. Diese elektromagnetische Strahlung hat eine Wellenlänge von 10-9 bis 10-14. Bei der abgegebenen Strahlung spricht man auch von Gammaquanten (y-Quanten).
Sie entsteht, wenn ein Kern durch Abgabe eines α- oder β- Teilchens in einen anderen Kern übergeht und ein Teil der Umwandlungsenergie im Kern zurückbleibt. Der Atomkern befindet sich in einem angeregten, instabilen Zustand. Kehrt der Atomkern in den Grundzustand zurück, wird die überschüssige Energie als y-Quant abgestrahlt. Eine Ausnahme bilden die Kerne, die sich nach Abgabe eines Teilchens bereits wieder im Grundzustand befinden. Bei diesen Kernen wird folglich auch kein y-Quant emittiert. Häufig besitzen radioaktive Kerne mehrere Anregungsstufen, wobei jeweils die unterste Stufe den Grundzustand darstellt.
Die y-Strahlung besitzt ein sehr groβes Durchdringungsvermögen. In durchdrungener Materie werden jedoch, bedingt dadurch, dass es sich um eine elektromagnetische Strahlung handelt wesentlich weniger Ionen erzeugt als bei β- oder gar α-Strahlung. In Luft breitet sich Gammastrahlung ähnlich des Lichtes aus.
Beim Durchgang von y-Quanten durch Materie treten folgende 3 Prozesse auf:

1. Photoeffekt

Bei diesem Vorgang schlägt das y-Quant ein Elektron aus der Atomhülle heraus, wodurch seine gesamte Energie verbraucht wird, da es seine Energie vollständig auf das Elektron überträgt. Das Elektron wird dabei von seinem Atom abgetrennt.

2. Compton-Effekt

Dabei stöβt das y-Quant gegen ein locker gebundenes Elektron und überträgt an dieses einen Teil seiner Energie. Das ?-Quant wird dabei abgelenkt und bewegt sich mit entsprechend verminderter Frequenz weiter. Die auftretenden Elektronen heiβen Compton-Elektronen.

3. Paarbildung

Dieser Effekt tritt erst bei einer Energie gröβer als 1 MeV auf. Das y-Quant wandelt sich im Kernfeld eines Atoms plötzlich in einen Elektronenzwilling um. Dieses Elektronenpaar besteht aus einem Elektron und einem Positron (Anti-Elektron). Das entstandene Positron zerstrahlt, wenn es auf ein Elektron trifft mit diesem wieder zu zwei y-Quanten mit jeweils der Hälfte der Ausgangsenergie.

Neutronenstrahlung

Bei einigen Kernspaltungsprozessen werden Neutronen direkt ausgesendet. Dies tritt besonders bei der Kernspaltung schwerer Atomkerne auf, wo 2 bis 3 Neutronen direkt emittiert werden. Diese Neutronen besitzen die Eigenschaft andere Stoffe radioaktiv zu machen (zu aktivieren) und (somit) Kernspaltungsprozesse auszulösen. Das Neutron ist als freies Teilchen in keinem stabilen Zustand. Die Halbwertzeit beträgt 15,3 Minuten. Das Neutron zerfällt ohne äuβere Energiezufuhr. Dabei entsteht ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino. Dieser Neutronen-Zerfall tritt jedoch selten auf, weil sie äuβerst leicht eingefangen werden.
Als weitere Strahlungen im Zusammenhang mit Kernumwandlungsprozessen treten noch die Röntgenstrahlung (bereits oben erwähnt) und die (mit der α-Strahlung vergleichbare) Schwerionenstrahlung auf.