Radioaktiver Stoff

ï»ż
Radioaktiver Stoff
DIN 4844-2 Warnzeichen D-W005 Warnung vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen (auch auf abschirmenden BehÀltern)(1)
ADR Gefahrgutklasse 7 Radioaktive Stoffe

RadioaktivitÀt (von lat. radius, Strahl; StrahlungsaktivitÀt), radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende Energie wird als ionisierende Strahlung, nÀmlich energiereiche Teilchen und/oder Gammastrahlung, abgegeben.

Der Begriff selbst (frz.: radioactivité) wurde 1898 von Marie Curie geprÀgt.

Inhaltsverzeichnis

Definition und Begriff

Der historisch geprĂ€gte Begriff „Zerfall“ beschreibt in erster Linie die Mengenabnahme des Ausgangsstoffes nach dem Zerfallsgesetz. Diese vereinfachte Sichtweise charakterisiert den Vorgang unvollstĂ€ndig. Auf der Ebene der Atome findet eine gesetzmĂ€ĂŸig definierte Umwandlung der Kerne in bestimmte andere Kerne statt.

Umgangssprachlich, gelegentlich auch fachsprachlich, wird das Wort RadioaktivitĂ€t auch fĂŒr „radioaktive Substanz“ gebraucht.

Insbesondere in der öffentlichen Diskussion werden die Begriffe RadioaktivitĂ€t und Strahlung oft miteinander verwechselt oder synonym verwendet: Mit RadioaktivitĂ€t ist hĂ€ufig nicht das Material, sondern die abgegebene Strahlung – oder sogar ionisierende Strahlung aus nicht radioaktiven Quellen – gemeint. Umgekehrt wird z. B. bei Berichten ĂŒber ZwischenfĂ€lle oft von „ausgetretener Strahlung“ gesprochen, wenn unbeabsichtigt freigesetzte, radioaktive Stoffe gemeint sind.

Die allgemein ĂŒbliche Formulierung „radioaktive Strahlung“ ist pleonastisch, da „radioaktiv“ bereits „strahlend“ bedeutet; gemeint ist hierbei die "Strahlung radioaktiver Stoffe".

Grundlagen

Exponentielle Abnahme

Radioaktiver Zerfall ist kein deterministischer Prozess. Der Zerfallszeitpunkt des einzelnen Atomkerns ist völlig zufĂ€llig. Allerdings folgt der Vorgang einem Exponentialgesetz, so dass es fĂŒr jedes Nuklid einen festen Wert der Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit gibt. Die Zerfallswahrscheinlichkeit kann auch durch die Halbwertszeit ausgedrĂŒckt werden. Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die HĂ€lfte der instabilen Atomkerne einer Anfangsmenge zerfallen sind. Sie kann Sekundenbruchteile, aber auch einige Milliarden Jahre betragen. Langlebige Nuklide sind beispielsweise Uran-238, Uran-235, Thorium-232 und Kalium-40. Je kĂŒrzer die Halbwertszeit, desto grĂ¶ĂŸer ist die AktivitĂ€t einer gegebenen Substanzmenge.

Statistische Schwankungen

Die AktivitÀt ist der Mittelwert der Zahl der ZerfÀlle pro Zeiteinheit. Die tatsÀchliche Zahl der ZerfÀlle, die man in einem festen Zeitintervall beobachtet, schwankt zufallsweise um den Mittelwert; die HÀufigkeit, mit der dabei die einzelnen möglichen Anzahlen auftreten, folgt der Poisson-Verteilung. (Falls man die Schwankung durch wiederholte Messung beobachten will, muss die Halbwertszeit lang im Vergleich zur gewÀhlten Dauer des Beobachtungsintervalls sein, damit gleichbleibende Bedingungen herrschen.)

Die Poisson-Verteilung lĂ€sst sich bei genĂŒgend großer mittlerer Anzahl durch die fĂŒr Berechnungen bequemere Gauss-Verteilung annĂ€hern.

Allgemeines zu Zerfallsarten

Nicht nur der Zeitpunkt des Zerfalls ist zufÀllig, sondern unter UmstÀnden auch die Art des Zerfalls. Bismut-212 kann beispielsweise mit jeweils unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf drei verschiedene Arten zerfallen. Eine Nuklidkarte zeigt alle Nuklide mit Arten und Anteilen der möglichen ZerfÀlle und den Halbwertszeiten.

Bei den meisten Zerfallsarten (s. unten) Ă€ndert sich die Kernladungszahl (Ordnungszahl) – es entsteht also ein anderes chemisches Element (durch Ausstoß von Protonen, aber immer zusammen mit anderen neutralen Teilchen wie Neutronen) –, bei manchen auch nur die Massenzahl (durch Ausstoß von Neutronen und keinen Protonen). Daneben gibt es ÜbergĂ€nge, bei denen sich nur der Anregungszustand des Kerns Ă€ndert (Übergang zwischen verschiedenen EnergiezustĂ€nden desselben Nuklids). Die StĂ€rke der RadioaktivitĂ€t wird durch die physikalische GrĂ¶ĂŸe AktivitĂ€t beschrieben und in der Einheit Becquerel, abgekĂŒrzt Bq, angegeben. Ein Becquerel steht fĂŒr durchschnittlich einen Zerfall pro Sekunde, und reprĂ€sentiert damit gegenĂŒber der frĂŒher auch ĂŒblichen Einheit Curie eine sehr kleine AktivitĂ€t.

Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keine Zerfallsart gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand fĂŒhrt. Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, bzw. das Deuteron, das aus Proton und Neutron besteht. Beim Helium enthĂ€lt das stabile Isotop Helium-3 zwei Protonen und ein Neutron, das stabile Helium-4 zwei Protonen und zwei Neutronen. Beim Lithium und allen schwereren Elementen mĂŒssen mindestens gleich viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, damit der Kern stabil ist, und bei schwereren Kernen ĂŒberwiegen immer mehr die Neutronen. Ab einer gewissen Massenzahl werden alle Atomkerne instabil. Durch Einwirkung von Teilchenstrahlung, insbesondere Neutronenstrahlung (Neutronenaktivierung) können in

Geschichte

Alphastrahlung wird durch ein Blatt Papier, Betastrahlung durch ein Metallblech von einigen mm Dicke vollstÀndig absorbiert; zur hinreichenden SchwÀchung von Gammastrahlung braucht man eine dickere Schicht aus einem Material möglichst hoher Dichte (siehe Abschirmung (Strahlung)).

1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel bei dem Versuch, die gerade gefundene Röntgenstrahlung durch Fluoreszenz erklÀren zu wollen, dass Uransalz fotografische Platten zu schwÀrzen vermochte. Allerdings war die Uranprobe dazu auch ohne Vorbelichtung in der Lage, was Fluoreszenz als Ursache ausschloss. Wie er spÀter zeigte, konnte diese neue Strahlung lichtundurchlÀssige Stoffe durchdringen und Luft ionisieren, ohne dabei von TemperaturÀnderungen oder chemischen Behandlungen der Probe beeinflusst zu werden. Weitere radioaktive Elemente fanden Marie und Pierre Curie 1898 mit Thorium sowie zwei neuen um ein Vielfaches stÀrker strahlenden Elementen, die sie Radium und Polonium tauften.

Durch Untersuchung des Durchdringungsvermögens gelang es Ernest Rutherford 1899, zwei Strahlungskomponenten zu unterscheiden. Stefan Meyer und Egon Schweidler sowie Friedrich Giesel konnten noch im gleichen Jahr zeigen, dass diese in magnetischen Feldern in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Eine dritte Komponente, die sich nicht durch Magnetfelder ablenken ließ und ein sehr hohes Durchdringungsvermögen aufwies, wurde 1900 von Paul Ulrich Villard entdeckt. FĂŒr die drei Strahlungsarten prĂ€gte Rutherford die Bezeichnungen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Bis 1909 hatte sich erwiesen, dass Alphastrahlung aus Heliumkernen und Betastrahlung aus Elektronen besteht. Die Vermutung, dass es sich bei Gammastrahlung um eine elektromagnetische Welle handelt, konnte erst 1914 von Rutherford und Edward Andrade bestĂ€tigt werden.

Bereits 1903 – sechs Jahre vor dem Nachweis von Atomkernen – entwickelten Rutherford und Frederick Soddy eine Hypothese, nach der die RadioaktivitĂ€t mit der Umwandlung von Elementen verknĂŒpft sei. Davon ausgehend formulierten 1913 Kasimir Fajans und Frederick Soddy die so genannten radioaktiven VerschiebungssĂ€tze. Diese beschreiben die Änderung von Massen- und Ordnungszahl beim Alpha- und Betazerfall, womit die natĂŒrlichen Zerfallsreihen als eine schrittweise Abfolge von diesen Zerfallsprozessen erklĂ€rt werden konnten.

IrĂšne und FrĂ©dĂ©ric Joliot-Curie gelang es 1933 erstmals, radioaktive Elemente kĂŒnstlich zu erzeugen. Durch den Beschuss von Proben mit α-Teilchen konnten sie neue Isotope herstellen, die aufgrund ihrer kurzen Halbwertszeiten in der Natur nicht vorkommen. Bei ihren Versuchen entdeckten sie 1934 eine neue Art des Betazerfalls, bei dem Positronen anstelle von Elektronen abgestrahlt werden. Seither unterscheidet man zwischen ÎČ+- und ÎČ−-Strahlung.

Zerfallsarten

Verschiedene Zerfallsarten eines Radionuklids in der Darstellung der Nuklidkarte. Senkrecht: Ordnungszahl Z, waagerecht: Neutronenzahl N

Radioaktive Kerne können auf verschiedene Weise zerfallen, je nach ihrer Zusammensetzung aus Protonen und Neutronen. Historisch besonders bedeutsam sind die Zerfallsarten Alpha-, Beta- und Gammazerfall. Sie wurden als erste entdeckt und sind die bei weitem am hÀufigsten auftretenden Umwandlungsarten. SpÀter fand man noch weitere Zerfallsarten, die nicht mehr zu diesen drei klassischen Arten gezÀhlt werden konnten.

Die Vielzahl existierender ZerfÀlle lÀsst sich in drei Kategorien einteilen:

ZerfÀlle unter Aussendung von Nukleonen
viele radioaktive Kerne wandeln sich unter Aussendung von Nukleonen, also von Protonen, Neutronen oder sogar leichten Kernen, um. Prominentestes Beispiel ist der Alpha-Zerfall. Hierbei spaltet der Mutterkern einen Heliumkern ab. Seltener tritt die Aussendung einzelner Neutronen oder Protonen oder ganzer Kohlenstoffkerne auf.
Beta-ZerfÀlle
wenn bei einem Zerfall Elektronen (oder deren Antiteilchen) beteiligt sind, spricht man von einem Beta-Zerfall. Es gibt eine ganze Reihe solcher Prozesse. Nicht immer muss auch ein Elektron als Produkt entstehen, wie beispielsweise beim Elektroneneinfang.
Übergang zwischen ZustĂ€nden ein- und desselben Kerns
in diesem Fall werden keinerlei Materieteilchen abgestrahlt. Entsprechend wandelt sich auch der Kern nicht in einen anderen um; er gibt seine ĂŒberschĂŒssige Energie direkt in Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung ab. Diese kann als Gammastrahlung frei werden, oder an ein Elektron der AtomhĂŒlle abgegeben werden (innere Konversion).

Alphazerfall

→ Hauptartikel: Alphastrahlung

Ist der Atomkern sehr schwer oder enthĂ€lt er deutlich weniger Neutronen als Protonen, kann die Anziehung der starken Wechselwirkung ĂŒberwunden werden und es kommt zum Alphazerfall. Dabei verlĂ€sst ein Helium-4-Kern, in diesem Fall Alphateilchen genannt, mit einer Geschwindigkeit von einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit den Mutterkern. Dies ist trotz der hohen Potentialbarriere aufgrund des Tunneleffekts möglich. Der Restkern, auch RĂŒckstoßkern oder Tochterkern genannt, verringert bei diesem Vorgang seine Nukleonenzahl um vier und die Kernladungszahl um zwei.

Die allgemeine Reaktionsgleichung des Alphazerfalls lautet

Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfÀllt unter Aussendung eines Alphateilchens
in den Tochterkern Y mit einer um 4 verminderten Nukleonenzahl und um 2 verminderten Protonenzahl.

Ein Beispiel fĂŒr den Alphazerfall ist der Zerfall von Uran-238 in Thorium-234:

Beta-Zerfall

→ Hauptartikel: Betastrahlung

Wenn ein ungĂŒnstiges VerhĂ€ltnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall ein.

ÎČ−-Zerfall

Beim ÎČ−-Zerfall (Beta-Minus-Zerfall) wird im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein hochenergetisches Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns Ă€ndert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um eins.

Die allgemeine Reaktionsgleichung des Beta-Minus-Zerfalls lautet

Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfÀllt unter Aussendung eines Elektrons
und eines Anti-Elektronneutrinos in den Tochterkern Y mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 erhöhten
Protonenzahl.

Ein Beispiel fĂŒr den ÎČ−-Zerfall ist der Zerfall von Kohlenstoff-14 in das stabile Isotop Stickstoff-14:

Durch einige Meter Luft oder z. B. eine Plexiglasschicht lÀsst sich die Beta-Strahlung vollstÀndig abschirmen. Die Reichweite der Strahlung hÀngt dabei von ihrer Energie und dem zur Abschirmung verwendeten Material ab.

Die Neutrinostrahlung ist sehr schwer nachzuweisen (und völlig unschÀdlich), da Neutrinos nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen. Ein Strom von Neutrinos durchquert z. B. die gesamte Erde fast ungeschwÀcht.

ÎČ+-Zerfall

Beim ÎČ+-Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron und ein hochenergetisches Positron umgewandelt und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns Ă€ndert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um eins.

Die allgemeine Reaktionsgleichung des Beta-Plus-Zerfalls lautet

Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfÀllt unter Aussendung eines Positrons
und eines Elektronneutrinos in den Tochterkern Y mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 verminderter Protonenzahl.

Ein Beispiel fĂŒr den ÎČ+-Zerfall ist der Zerfall von Stickstoff-13 in Kohlenstoff-13:

Elektroneneinfang, Δ-Zerfall

Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht darin, ein Elektron aus der AtomhĂŒlle in den Kern zu „ziehen”, dem so genannten Elektroneneinfang (englisch: electron capture, kurz EC), auch Δ-Zerfall genannt. Nach der Bezeichnung der typisch betroffenen Elektronenschale, der K-Schale, wird der Elektroneneinfang auch als K-Einfang bezeichnet. Das Proton des Kerns wird in ein Neutron umgewandelt, und ein Elektronneutrino emittiert.

Bei diesem Umwandlungsmechanismus ist der Kern denselben Änderungen unterworfen wie beim ÎČ + -Zerfall, die Nukleonenzahl bleibt unverĂ€ndert, die Ordnungszahl verringert sich um eins. Der Elektroneneinfang konkurriert daher mit dem ÎČ + -Zerfall und wird auch als eine Variante des Betazerfalls angesehen. Da der ÎČ + -Zerfall die Energie fĂŒr das emittierte Positron aufbringen muss, kommt energetisch nicht fĂŒr jedes Nuklid, das mit Elektroneneinfang zerfĂ€llt, der ÎČ + -Zerfall in Frage. Da das eingefangene Elektron meist aus der innersten Elektronenschale stammt, wird in dieser ein Platz frei und Elektronen aus den Ă€ußeren Schalen rĂŒcken nach, wobei charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird.

Allgemein lautet die Gleichung fĂŒr den Elektroneneinfang

Der Mutterkern X fĂ€ngt ein Elektron aus der AtomhĂŒlle ein und wandelt sich unter Emission eines Elektronneutrinos
in den Tochterkern mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 verminderter Protonenzahl um.

Ein Beispiel fĂŒr den Elektroneneinfang ist der Zerfall von Nickel-59 zu Kobalt-59:

Doppelter Elektroneneinfang: Bei einigen Kernen ist ein einfacher Elektroneneinfang energetisch nicht möglich, sie können sich aber durch gleichzeitigen Einfang zweier Elektronen umwandeln. Die Halbwertszeiten derartiger Umwandlungen sind typischerweise sehr lang und konnten erst in jĂŒngster Zeit nachgewiesen werden.

Ein Beispiel ist der Zerfall von Xenon-124 zu Tellur-124:

Doppelter Betazerfall

→ Hauptartikel: Doppelter Betazerfall

Bei einigen Kernen ist ein einfacher Betazerfall energetisch nicht möglich, sie können aber unter Abstrahlung zweier Elektronen zerfallen. Derartige ZerfĂ€lle haben typischerweise sehr lange Halbwertszeiten und sind erst in jĂŒngster Zeit nachgewiesen worden.

Beispiel:

Bisher ist die Frage, ob beim doppelten Betazerfall stets zwei Neutrinos emittiert werden oder ob auch ein neutrinoloser doppelter Betazerfall vorkommt, nicht beantwortet.

Gammazerfall

→ Hauptartikel: Gammastrahlung

Ein Îł-Zerfall (Îł ist der kleine griechische Buchstabe gamma) ist möglich, wenn der Atomkern nach einem Zerfall in einem energetisch angeregten Zustand vorliegt. Beim Übergang in einen energetisch niedrigeren Zustand gibt der Atomkern durch Emission hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, sogenannter Îł-Strahlung, Energie ab.

Die Emission von Gammastrahlung verĂ€ndert nicht die Neutronen- und Protonenzahl des emittierenden Kerns, es erfolgt lediglich ein Übergang zwischen zwei angeregten KernzustĂ€nden oder einem angeregten Kernzustand und dem Grundzustand. Dies geschieht meist unmittelbar nach einem Beta- oder Alphazerfall. Die Bezeichnung Gamma"zerfall" ist insofern etwas irrefĂŒhrend, aber trotzdem ĂŒbliche Nomenklatur.

Die allgemeine Gleichung fĂŒr den Gammazerfall ist

Der angeregte Kern X regt sich unter Aussendung eines Gammaquants ab. Mutter- und Tochterkern
stimmen dabei ĂŒberein
Zerfallsschema von 60Co

Ein bekanntes Beispiel ist die Aussendung von Gammastrahlung durch einen Nickel-60-Kern, der (meist) durch Betazerfall eines Cobalt-60-Kerns entstanden ist:

Das Zerfallsschema dieses Prozesses ist in der Grafik am rechten Rand dargestellt. 60Co, ein Isotop mit vielen praktischen Anwendungen, ist ein Betastrahler mit einer Halbwertszeit von 5,26 Jahren. Es zerfÀllt zu einem angeregten Zustand von Nickel-60, der praktisch sofort (< 1 ps) durch Emission von zwei Gammaquanten zum Grundzustand zerfÀllt.

Bei den praktischen Anwendungen von Co-60 und vielen anderen Radionukliden geht es sehr oft nur um diese Gammastrahlung; die Alpha- oder Betastrahlung wird in diesen FĂ€llen durch das GehĂ€use des radioaktiven PrĂ€parates abgeschirmt und nur die Gammastrahlung dringt nach außen.

Obwohl die Gammastrahlung aus dem Tochternuklid des Alpha- oder Betazerfalls kommt, ordnet man sie sprachlich immer dem Mutternuklid zu, spricht also vom „Gammastrahler Cobalt-60“ usw., denn die einzige praktisch brauchbare Quelle dieser Gammastrahlung ist ein Co-60-PrĂ€parat.

Zerfallsschema von 99mTc

Es kann allerdings sein, dass der angeregte Zustand ein Isomer ist, d. h., dass er eine ausreichend lange Halbwertszeit hat, die eine praktische Nutzung dieser Gammastrahlungsquelle getrennt von ihrer Erzeugung ermöglicht, wie im Falle von Technetium-99:

Dieses Technetium-Isotop mit einer Halbwertszeit von sechs Stunden wird in der medizinischen Diagnostik verwendet.

Zur Abschirmung von Îł-Strahlung sind unter UmstĂ€nden meterdicke Beton- oder Bleiplatten nötig, denn sie hat in Materie keine bestimmte Reichweite, sondern wird nur exponentiell abgeschwĂ€cht. Es gibt daher fĂŒr jedes Abschirmmaterial eine von der Gammaenergie abhĂ€ngige Halbwertsdicke. Îł-Strahlung ist wie Licht elektromagnetische Strahlung, ihr Quant ist aber sehr viel energiereicher und liegt damit weit außerhalb des fĂŒr das menschliche Auge sichtbaren Spektrums.

Innere Konversion

Die freiwerdende Energie beim Übergang eines Atomkerns in einen energetisch niedrigeren Zustand kann auch an ein Elektron der AtomhĂŒlle abgegeben werden. Diesen Vorgang nennt man Innere Konversion. Konversionselektronen sind im Gegensatz zu ÎČ-Teilchen monoenergetisch.

Der angeregte Kern X regt sich ab. Die dabei freiwerdende Energie geht auf ein Elektron der AtomhĂŒlle ĂŒber.

Radioaktive ZerfĂ€lle sind Prozesse, die nur im Atomkern stattfinden. Im Falle der inneren Konversion ĂŒbertrĂ€gt sich die bei der Umwandlung freiwerdende Energie auf ein Elektron in der AtomhĂŒlle. Nach dem Zerfall fehlt also eine negative Ladung und es bleibt ein positives Ion zurĂŒck.

Weitere Zerfallsarten

Spontane Spaltung

Die spontane Spaltung ist ein weiterer radioaktiver Umwandlungsprozess, der bei besonders schweren Kernen auftritt. Der Atomkern zerfĂ€llt in zwei oder mehrere BruchstĂŒcke. Dabei entstehen in der Regel zwei etwa gleichgroße Tochterkerne und zwei oder drei Neutronen. Es ist eine Vielzahl verschiedener Tochterkernpaare möglich, jedoch sind die Summe der Kernladungszahlen und die Summe der Massenzahlen stets gleich denen des Ursprungskerns. Beispiele:

Auch die natĂŒrlich vorkommenden Uranisotope zerfallen zu einem kleinen Teil durch spontane Spaltung.

Spontane Nukleonenemission

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission, also Protonen- oder Neutronenemission kommen. Atomkerne mit sehr hohem ProtonenĂŒberschuss können ein Proton abgeben, Atomkerne mit hohem NeutronenĂŒberschuss können Neutronen abgeben.

Helium-5 sendet zum Beispiel spontan ein Neutron aus:

5He → 4He + 1n

Bor-9 spaltet dagegen ein Proton ab, um den Überschuss auszugleichen: 9B → 8Be + 1p

Clusterzerfall

Statt einzelner Nukleonen oder Helium-4-Kerne werden in sehr seltenen FĂ€llen auch grĂ¶ĂŸere Atomkerne emittiert. Beispiele:

Zwei-Protonen-Zerfall

Bei extremem ProtonenĂŒberschuss (wie zum Beispiel bei Eisen-45) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden.

45Fe → 43Cr + 2 1p

Übersicht

Zerfallsmodus teilnehmende Teilchen Tochterkern
ZerfÀlle unter Aussendung von Nukleonen
Alphazerfall Ein Alphateilchen (A=4, Z=2) wird ausgesandt. (A-4, Z-2)
Protonenemission Ein Proton wird ausgesandt. (A-1, Z-1)
Neutronenemission Ein Neutron wird ausgesandt. (A-1, Z)
Doppelte Protonenemission Zwei Protonen werden gleichzeitig ausgesandt. (A-2, Z-2)
Spontane Spaltung Der Kern zerfÀllt spontan in zwei oder mehr Tochternuklide und meist 2 oder 3 Neutronen. -
Clusterzerfall Der Kern sendet einen kleineren Kern (typ. 6% bis 20% der ursprĂŒnglichen GrĂ¶ĂŸe) mit Ac, Zc aus.
Bei Ac=4, Zc=2 handelt es sich um einen Alphazerfall.
(A-Ac, Z-Zc) + (Ac,Zc)
Verschiedene BetazerfÀlle
Beta-Minus-Zerfall Ein Kern sendet ein Elektron und ein Antineutrino aus. (A, Z+1)
Beta-Plus-Zerfall Positronenemission; Ein Kern sendet ein Positron und ein Neutrino aus. (A, Z-1)
Elektroneneinfang Ein Kern absorbiert ein Elektron aus der AtomhĂŒlle und emittiert ein Neutrino. Der Tochterkern verbleibt in einem angeregten, instabilen Zustand. (A, Z-1)
Doppelter Betazerfall Ein Kern sendet zwei Elektronen und zwei Antineutrinos aus. (A, Z+2)
Doppelter Elektroneneinfang Ein Kern absorbiert zwei Elektronen aus der AtomhĂŒlle und emittiert zwei Neutrinos. Der Tochterkern verbleibt in einem angeregten, instabilen Zustand. (A, Z-2)
Elektroneneinfang mit Positronenemission Ein Kern absorbiert ein Elektron aus der AtomhĂŒlle und emittiert ein Positron und zwei Neutrinos. (A, Z-2)
Doppelte Positronenemission Doppelte Positronenemission; Ein Kern sendet zwei Positronen und zwei Neutrinos aus. (A, Z-2)
ÜbergĂ€nge zwischen ZustĂ€nden desselben Kerns
Gammazerfall Ein angeregter Kern emittiert ein hochenergetisches Photon (Gammaquant). (A, Z)
Innere Konversion Ein angeregter Kern ĂŒbertrĂ€gt Energie auf ein HĂŒllenelektron, welches das Atom verlĂ€sst. (A, Z)

Zerfallsreihen

→ Hauptartikel: Zerfallsreihe

Im Allgemeinen sind die Zerfallsprodukte nicht stabil. In den meisten FĂ€llen sind die Tochterkerne ihrerseits wieder radioaktiv und zerfallen gemĂ€ĂŸ ihrer eigenen Halbwertszeiten. Auf diese Weise entsteht eine Abfolge von radioaktiven ZerfĂ€llen, bis schließlich ein stabiler Kern als Endprodukt ĂŒbrig bleibt. Diese Aufeinanderfolge radioaktiver ZerfĂ€lle heißt Zerfallsreihe (oder Zerfallskette).

Eine Zerfallsreihe kann viele verschiedene Isotope durchlaufen, welche ĂŒber verschiedene Zerfallsarten desintegrieren. Das Isotop Uran-238 beispielsweise zerfĂ€llt unter Aussendung eines Alpha-Teilchens in Thorium-234, dieses wandelt sich dann durch einen Betazerfall in Protactinium-234 um, welches wieder instabil ist und so fort. Nach insgesamt 14 ZerfĂ€llen erreicht diese Zerfallsreihe ein Ende beim stabilen Kern Blei-206. Da manche Kerne auf verschiedene Weisen zerfallen können, können von einem Mutterkern auch mehrere Zerfallsreihen ausgehen. So geht zum Beispiel Bismut-212 zu etwa 64 % durch einen Betazerfall in Polonium-212, und zu etwa 36 % durch einen Alphazerfall in Thallium-208 ĂŒber.

Die mittleren Lebensdauern der einzelnen Isotope einer Kette kann sehr stark variieren; von Sekundenbruchteilen bis hin zu mehreren Milliarden Jahren und darĂŒber hinaus. So geschieht es auch, dass eine ursprĂŒnglich reine Probe eines radioaktiven Materials mit der Zeit in ein Gemisch verschiedener radioaktiver Isotope ĂŒbergeht. Dabei werden sich langlebige Isotope stĂ€rker ansammeln, solche mit kurzer Lebensdauer dagegen in geringerem Ausmaß. Deswegen gibt man, insbesondere wenn die Halbwertszeit des Tochterkerns grĂ¶ĂŸer ist als die des Mutterkerns, auf der Probe oft auch das entstehende Tochterisotop mit an. FĂŒr physikalische Untersuchungen können diese natĂŒrlich entstehenden Verunreinigungen einer Probe eventuell störend sein. Daher verwendet man in entsprechenden Experimenten hĂ€ufig radioaktive Isotope, deren Tochterkerne entweder stabil sind oder eine sehr kurze Lebensdauer besitzen und praktisch sofort selbst zerfallen.

GrĂ¶ĂŸen und Maßeinheiten

AktivitÀt

Als AktivitÀt bezeichnet man die Anzahl der Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit, die in einer Probe eines radioaktiven oder radioaktiv kontaminierten Stoffes auftritt.

Becquerel (Bq)
1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde. SI-Einheit der AktivitÀt.

auf Wirkung ionisierender Strahlung bezogen

Hauptartikel: Ionisierende Strahlung#GrĂ¶ĂŸen und Maßeinheiten

Zu den GrĂ¶ĂŸen und Maßeinheiten, die sich auf Wirkung ionisierender Strahlung (aus radioaktiven oder anderen Quellen) beziehen, gehören:

MessgerĂ€te fĂŒr RadioaktivitĂ€t

→ Hauptartikel: Teilchendetektoren und Strahlungsdetektoren

In der Kernphysik gibt es fĂŒr den Nachweis und die Messung der verschiedensten Teilchenstrahlen eine Vielzahl von Detektoren, die jeweils fĂŒr die Untersuchung bestimmter Elementarteilchen oder MessgrĂ¶ĂŸen ausgelegt sind. Oft handelt es sich dabei um spezielle GroßgerĂ€te, die allein fĂŒr die Forschung bestimmt sind (Teilchendetektor). Zum praktischen Nachweis Strahlung radioaktiver Stoffe benötigt man dagegen kleine, leichte und mobile GerĂ€te wie den GeigerzĂ€hler. FĂŒr den Strahlenschutz werden zur Messung der individuellen Strahlenbelastung verschiedene Dosimeter verwendet.

Ionisationskammern und Nebelkammern sind zum Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung verwendbar, SzintillationszÀhler (gekoppelt mit Fotomultipliern) und Halbleiterdetektoren dienen der Detektion von Beta- und Gammastrahlen.

Die allererste Messung, die eine quantitative Aussage ĂŒber die Strahlung machte, wurde von Pierre Curie und Marie Curie mit Hilfe eines Elektroskops durchgefĂŒhrt. Allerdings misst dieses nicht direkt die Strahlung, sondern die durch Ionisation verminderte elektrische Ladung.

Anwendungen

Technische Anwendung

Wichtige Anwendungen, welche die RadioaktivitĂ€t von Stoffen ausnutzen, sind die Altersbestimmung von Objekten und die MaterialprĂŒfung.

In der ArchÀologie, Kunstwissenschaft, Geologie und PalÀoklimatologie werden Messungen der Konzentration radioaktiver Isotope zur Altersbestimmung verwendet, z. B. die Radiokohlenstoffdatierung (Radiokarbonmethode).

Eine technische Anwendung ist die Dickenmessung und MaterialprĂŒfung mittels Durchstrahlung. Hierbei wird ein Material mit Gamma-Strahlen bestrahlt und ein ZĂ€hler ermittelt aufgrund der durchdringenden Strahlen und des Absorptionsgesetzes die mittlere Dichte bei bekannter Schichtdicke oder umgekehrt die Schichtdicke bei bekannter Dichte. Die Strahlung kann auch auf einem Röntgenfilm hinter der Materialschicht ein Bild erzeugen. In dieser Form wird die DurchstrahlungsprĂŒfung bei Werkstoffen angewandt.

Auch radiometrische FĂŒllstandmessungen in GroßbehĂ€ltern mit SchĂŒttgut oder Granulaten werden mit Gamma-Durchstrahlung von einer zur anderen BehĂ€lterwand ausgefĂŒhrt.

Weitere Anwendungen sind die Elementanalyse (siehe Gammaspektroskopie) und PrĂ€zisionsmessungen in der chemischen Analytik (siehe MĂ¶ĂŸbauer-Effekt). Des Weiteren wurden vereinzelt Blitzableiter mit Spitzen aus radioaktivem Material installiert, obgleich deren Wirksamkeit nie bewiesen werden konnte.

Medizinische Anwendung

Die Anwendung offener radioaktiver Stoffe am Menschen ist Gegenstand der Nuklearmedizin.

In der nuklearmedizinischen Diagnostik wird meist die Szintigrafie angewendet. Dabei werden geringe Mengen einer Îł-strahlenden Substanz (Tracer) am Patienten angewendet („appliziert“), zum Beispiel in eine Vene gespritzt oder eingeatmet. Die vom Tracer ausgehende Strahlung wird außerhalb des Körpers von einer auf Szintillationsdetektoren beruhenden Gammakamera registriert und ergibt eine zweidimensionale bildliche Darstellung. Moderne Weiterentwicklungen der Methode erlauben mittels Computertomographie dreidimensionale Darstellungen (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT); ein weiteres bildgebendes Verfahren in der Nuklearmedizin, das auch dreidimensionale Bilder liefert, ist die Positronen-Emissions-Tomografie (PET). Mit radioaktiven Stoffen können auch bestimmte Laboruntersuchungen durchgefĂŒhrt werden, zum Beispiel der Radioimmunoassay.

In der nuklearmedizinischen Therapie werden reine oder ĂŒberwiegende ÎČ-Strahler verwendet. Die hĂ€ufigsten Anwendungsgebiete sind die Radioiodtherapie bei gutartigen und bösartigen Erkrankungen der SchilddrĂŒse, die Radiosynoviorthese bei bestimmten Gelenkerkrankungen und die Radionuklidbehandlung zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen.

GefÀhrlichkeit

Hinsichtlich der GefĂ€hrlichkeit von RadioaktivitĂ€t mĂŒssen verschiedene Risiken unterschieden werden:

  • Strahlenbelastung als Fernwirkung (siehe auch Dosiskonversionsfaktor#Beispiele)
  • Kontamination (Verunreinigung) mit radioaktivem Material, die unter UmstĂ€nden zu lange andauernder Bestrahlung fĂŒhren kann, z. B. bei Kontamination der Haut
  • Inkorporation (Aufnahme) radioaktiver Substanz in den Körper durch Einatmen (Inhalation) oder Essen/Trinken (Ingestion).

Diese Begriffe werden in Berichterstattung und Öffentlichkeit oft verwechselt. Entsprechend wird beispielsweise der Begriff „verstrahlt“ falsch anstatt kontaminiert benutzt; Verstrahlung bedeutet – analog der Verbrennung – eine durch Bestrahlung hervorgerufene erhebliche SchĂ€digung oder Verletzung.

FĂŒr die zum Teil gefĂ€hrliche biologische Wirkung ist nicht die RadioaktivitĂ€t an sich sondern die davon ausgehende ionisierende Strahlung verantwortlich.

Warnsymbole

(1) Neues Warnzeichen direkt an gefĂ€hrlichen radioaktiven Strahlern (Vorschlag, bislang nicht gĂŒltig)

Weil das bisher verwendete Warnzeichen (☹, Trefoil genannt, im Unicode an Code-Position U+2622) oft nicht als Warnung vor starken radioaktiven Strahlern erkannt wurde, kam es vor allem in EntwicklungslĂ€ndern schon zu tödlichen UnfĂ€llen, weil Menschen ein stark strahlendes Nuklid aus seiner Abschirmung entnahmen (zum Beispiel der GoiĂąnia-Unfall in Brasilien im Jahr 1987). Am 15. Februar 2007 gab deshalb die IAEO bekannt, dass direkt an Nukliden der Strahlungskategorie 1, 2 und 3 [1] ein neues, auffĂ€lligeres Warnschild angebracht werden soll. Dieses warnt mit Hilfe von aussagekrĂ€ftigen Symbolen vor der tödlichen Gefahr durch radioaktive Strahlung und fordert zur Flucht auf. Am BehĂ€lter selbst soll weiterhin nur das alte Symbol angebracht werden, da er die Strahlung soweit abschirmt, dass sie keine unmittelbare Gefahr darstellt. Durch die Normung als ISO Norm 21482 soll das neue Warnschild fĂŒr gefĂ€hrliche Strahlenquellen möglichst schnell und international verbindlich eingefĂŒhrt werden. Bei schwachen Strahlenquellen soll keine Änderung der Kennzeichnung erfolgen. [2] Die Entwicklung von Symbolen zur Warnung der Nachwelt vor radioaktiven Gefahren ist Gegenstand der Atomsemiotik.

Literatur

  • Stolz, Werner: „RadioaktivitĂ€t. Grundlagen, Messung, Anwendungen“, 2005, Teubner Verlag, ISBN 978-3519530220
  • B. Povh, K. Rith, C. Scholz, Zetsche: „Teilchen und Kerne. Eine EinfĂŒhrung in die physikalischen Konzepte“, 2006, Springer, ISBN 978-3540366850
  • K. Bethge, G. Walter, B. Wiedemann: „Kernphysik“, MĂ€rz 2001, Springer, ISBN 978-3540414445
  • Krieger, Hanno: „Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes“, 2007, Teubner, ISBN 978-3835101999
  • IAEO: „IAEA Safety Glossary. Terminology Used in Nuclear Safety and Radiation Protection“, 2007, IAEA Publications, ISBN 92-0-100707-8
  • M. G. Stabin: „Radiation Protection and Dosimetry. An Introduction to Health Physics“, 2007, Springer, ISBN 978-0387499826
  • Knoll, Glenn: „Radiation Detection and Measurement“, 2007, Wiley & Sons, ISBN 978-0471073383

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ New Symbol Launched to Warn Public About Radiation Dangers
  2. ↑ Flash Video der IAEO

Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen WörterbĂŒchern nach:

  • radioaktiver Stoff — (m) eng radioactive substance 
   Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz Glossar

  • radioaktiver Stoff — radioaktyvioji medĆŸiaga statusas Aprobuotas sritis radiacinė sauga apibrÄ—ĆŸtis MedĆŸiaga, kurioje yra vienas arba daugiau radionuklidĆł, kuriĆł aktyvumas arba savitasis aktyvumas virĆĄija nustatytą vertę. atitikmenys: angl. radioactive substance vok.… 
   Lithuanian dictionary (lietuviĆł ĆŸodynas)

  • radioaktiver Stoff — radioaktyvioji medĆŸiaga statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrÄ—ĆŸtis Kiekviena medĆŸiaga, kurioje yra vienas ar daugiau radionuklidĆł, ÄŻ kuriĆł aktyvumą reikia atsiĆŸvelgti radiacinės saugos poĆŸiĆ«riu. atitikmenys: angl. radioactive… 
   Penkiakalbis aiĆĄkinamasis metrologijos terminĆł ĆŸodynas

  • radioaktiver Stoff — radioaktyvioji medĆŸiaga statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrÄ—ĆŸtis RadioaktyviĆłjĆł izotopĆł turinti medĆŸiaga. atitikmenys: angl. radioactive material; radioactive substance vok. radioaktive Substanz, f; radioaktiver Stoff, m;… 
   Penkiakalbis aiĆĄkinamasis metrologijos terminĆł ĆŸodynas

  • radioaktiver Stoff — radioaktyvioji medĆŸiaga statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrÄ—ĆŸtis MedĆŸiaga, kurioje yra vienas ar daugiau radionuklidĆł, ÄŻ kuriĆł aktyvumą reikia atsiĆŸvelgti radiacinės saugos poĆŸiĆ«riu. atitikmenys: angl. radioactive material;… 
   Ekologijos terminĆł aiĆĄkinamasis ĆŸodynas

  • radioaktiver Stoff — radioaktyvioji medĆŸiaga statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrÄ—ĆŸtis RadioaktyviĆłjĆł izotopĆł turinti medĆŸiaga. atitikmenys: angl. radioactive material; radioactive substance vok. radioaktive Substanz, f; radioaktiver Stoff, m;… 
   Ekologijos terminĆł aiĆĄkinamasis ĆŸodynas

  • Offener radioaktiver Stoff — Cs 137 PrĂŒfstrahler mit Ummantelung. Der eigentliche Strahler (silbern) ist von zwei MĂ€nteln geschĂŒtzt. Ein umschlossener radioaktiver Stoff, auch umschlossener Strahler, ist atomrechtlich definiert als ein radioaktiver Stoff, der so ummantelt… 
   Deutsch Wikipedia

  • Stoff — StoÌŁff1 der; (e)s, e; 1 ein Gas, eine FlĂŒssigkeit oder eine feste Masse in einer bestimmten Form mit bestimmten Eigenschaften ≈ ↑Substanz (1) <ein pflanzlicher, chemischer, synthetischer, wasserlöslicher, radioaktiver Stoff> || K: Baustoff 
   Langenscheidt Großwörterbuch Deutsch als Fremdsprache

  • Liste der Nummern zur Kennzeichnung der Gefahr — Gefahrgutnummer (X)33 leicht entzĂŒndlicher flĂŒssiger Stoff Hier befindet sich eine Liste der Gefahrgutnummern, wie sie bei Gefahrguttransporten auf den orangen Tafeln oberhalb der UN Nummer verwendet werden mĂŒssen. Sie geben die wichtigen… 
   Deutsch Wikipedia

  • Umschlossener Strahler — 137Cs PrĂŒfstrahler. Der radioaktive Stoff befindet sich in den beiden metallisch glĂ€nzenden Körpern, die jeweils den umschlossenen Strahler darstellen. Die gelben HĂŒllen sind TransportbehĂ€lter aus Blei. Ein umschlossener radioaktiver Stoff, auch… 
   Deutsch Wikipedia


Share the article and excerpts

Direct link

 Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.