Kernumwandlungen und Radioaktivität

Autor: Kathrin Schneider

Kernumwandlungen und Radioaktivität

Zur Geschichte:

1896 entdeckte der französische Physiker Antoine Henri Becquerel eine unsichtbare Strahlung bei Uransalzen, die lichtdicht verpackte Fotoplatten schwärzte und ein geladenes Elektroskop entladen konnte. Die Eheleute Pierre und Marie Curie forschten weiter und entdeckten 1898 die strahlenden Elemente Polonium und Radium. Im selben Jahr wies G.C. Schmidt die Strahlen beim Thorium nach. Man fand heraus, dass sich die Strahlen weder durch physikalische Einwirkungen, wie z.B. Druck- und Temperaturveränderungen, noch durch chemische Prozesse beeinflussen ließen und schloss daraus, dass die Strahlung nicht durch chemische Vorgänge verursacht wird.

- Die Gesamterscheinung wird heute Radioaktivität genannt. Die Kerne radioaktiver Atome heißen Radionuklide. Man unterscheidet die Radioaktivität in natürliche Radioaktivität, die bei in der Natur vorkommenden Radionukliden vorkommt, und in künstliche Radioaktivität, die bei durch Kernumwandlung erzeugten Radionukliden vorkommt.
- Von jedem der 109 Elemente gibt es zahlreiche Isotope (=Unterarten), sodass es insgesamt 2500 Nuklide (=Atomkerne) gibt. Davon sind nur 249 stabil, alle anderen sind Radionuklide, d.h. sie zerfallen spontan.
- Die Strahlung heißt ionisierende Strahlung, denn ihre Haupteigenschaft ist es, die Stoffe zu ionisieren.
- Diese Strahlung entsteht, wenn Kerne radioaktiver Atome Masse- und Energieportionen mit hoher Geschwindigkeit von sich wegschleudern. Dieser Vorgang wird radioaktiver Zerfall genannt.

Man unterscheidet die Strahlen, die beim radioaktiven Zerfall vorkommen in drei Arten:

- Die Alphastrahlen: Beim Alphazerfall werden Heliumkerne, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen mit einer Anfangsgeschwindigkeit von ca. 15 000 km/s

ausgesandt. Diese Heliumkerne werden Alphateilchen genannt und bilden als Teilchenstrom die Alphastrahlen.

Beispiel: Die Kernladungszahl des Radium-226 beträgt 88, da es 88 Protonen besitzt. Die Massenzahl, die sich aus Protonen- und Neutronenzahl zusammensetzt, beträgt 226 (88 Protonen und 138 Neutronen). Weil die Kernkräfte, die die abstoßenden Kräfte der positiv geladenen Protonen aufheben sollen, nicht ausreichen, ist der Kern instabil. Er zerfällt in mehreren Stufen um in einen stabilen Zustand überzugehen: Der Kern gibt ein Alphateilchen, also einen Heliumkern, bestehend aus 2 Neutronen und 2 Protonen, ab. Damit sinkt die Kernladungszahl um 2, die Massenzahl um 4. Aus Radium-226 ist das Element Radon geworden, dass ebenfalls radioaktiv ist und weiter zerfällt. Dieser ganze Vorgang heißt Alphazerfall.

226 222 4

88 Ra € 86 Rn + 2 He

Das Radon gibt zwei Elektronen aus seiner Hülle ab, die sich mit den Heliumkernen des Radiums zu Heliumatomen verbinden. Befinden sich also alphastrahlende Substanzen in einem geschlossenen Raum entsteht Heliumgas: 1 g Radium und die aus ihm entstehenden Elemente erzeugen in einem Jahr 0,156 cm³ Heliumgas (Angaben auf 0° und Atmosphärendruck bezogen).

- Die Betastrahlen: - Beim Beta - –Zerfall wandelt sich ein Neutron im Kern eines Radionuklids in ein Proton und ein Elektron um. Das zusätzliche Elektron wird mit einer Geschwindigkeit zwischen Null und Lichtgeschwindigkeit weggeschleudert und bildet die Beta- –Strahlen.

Beispiel: Cäsium-137 wird unter Aussenden eines Elektrons zu Barium-137

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der durch Beta-–Strahlen entstandene Elektronenstrom hat die gleichen Eigenschaften wie elektrischer Strom in metallischen Leitern, so z.B. erzeugt er ein Magnetfeld, das in konzentrischen Kreisen um den Elektronenstrom liegt.

- Beim Beta + –Zerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron und ein Positron, ein positiv geladenes Elektron, um. Dann wird das Positron vom Kern weggeschleudert.

Beispiel: Natrium-22 wird unter Aussenden eines Positrons zu Neon-22.

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(Beim Betazerfall tritt ein weiteres Teilchen auf, dass keine Ruhemasse und keine elektrische Masse besitzt. Beim Zerfall eines Neutrons entsteht zusätzlich ein Antineutrino, beim Zerfall eines Protons ein Neutriono. Sie sind schwer nachzuweisen, da sie sich bei anderen Materien kaum bemerkbar machen.)

- Die Gammastrahlen: Gammastrahlen treten häufig beim Alpha- oder Betazerfall auf. Sie bestehen aus überschüssiger Energie des Atomkernes und treten auf, nachdem der Kern das Alpha- oder Betateilchen weggeschleudert hat.

Sie werden, wie das sichtbare Licht, in einzelnen „Portionen“, den Quanten oder Fotonen, ausgesandt. Die Gammastrahlung ist fast identisch mit der Röntgenstrahlung, unterscheidet sich von ihr nur in der Art der Entstehung. Die Gammaquanten bewegen sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 299 792,5 km/s.

Durch den Gammazerfall ändert sich der Energieinhalt des Kerns, aber nicht seine Kernladungs- oder Massenzahl.

Beispiel: Der energiereiche Kern eines Bariumatoms geht durch Aussendung eines Gammaquanten in einen niedrigeren und stabileren Energiezustand über.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gammaquanten treten nicht nur bei Kernumwandlungen sondern auch bei Reaktionen zwischen Elementarteilchen auf.

Außer Alpha-, Beta- und Gammazerfall gibt es eine weitere Umwandlungsart, den Elektronen- oder K-Einfang: Dabei zieht der neutronenarme Kern eines Atoms ein Elektron aus der innersten Schale, der K-Schale, an sich. Im Kern verbindet sich das Elektron mit einem Proton zu einem Neutron.

Der freigewordene Platz auf der ersten Schale wird von einem Elektron der letzten Schale besetzt. Der Elektroneneinfang führt zum gleichen Ergebnis wie der Beta –Zerfall, also die Abgabe eines Positrons. Denn die Massenzahl bleibt gleich, nur die Kernladungszahl verringert sich um eins.

Beispiel: Das Isotop Kalium-40 wird unter Elektroneneinfang zum Isotop Argon-40.

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