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Alpha-, Beta- und Gammastrahlung im Vergleich
Alpha-, Beta- und Gammastrahlung entstehen bei Vorgängen in instabilen oder angeregten Atomkernen. Alpha- und Betastrahlung bestehen aus Teilchen, Gammastrahlung aus hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Sie unterscheiden sich besonders in Ladung, Reichweite, Abschirmung und Wirkung auf Materie.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Woraus bestehen die drei Strahlungsarten?
Ionisierende Strahlung
Ionisierende Strahlung kann Elektronen aus Atomen lösen. Dabei entstehen elektrisch geladene Atome oder Moleküle, sogenannte Ionen.
Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sind ionisierend. Ihre Energieträger sind jedoch verschieden:
| Strahlungsart | Energieträger | Elektrische Ladung |
|---|---|---|
| Alpha | Heliumkern aus zwei Protonen und zwei Neutronen | zweifach positiv, $+2e$ |
| Beta-minus | Elektron | einfach negativ, $-e$ |
| Beta-plus | Positron | einfach positiv, $+e$ |
| Gamma | elektromagnetische Strahlung aus Photonen | ungeladen |
Ein Positron besitzt dieselbe Masse wie ein Elektron, aber die entgegengesetzte Ladung. Gammastrahlung besteht dagegen nicht aus massiven Teilchen.
Alpha und Beta sind Teilchenstrahlung. Gamma ist elektromagnetische Strahlung.
Was geschieht im Atomkern?
In der Nuklidschreibweise $^{A}_{Z}X$ ist $A$ die Massenzahl, also die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen. $Z$ ist die Ordnungszahl und entspricht der Protonenzahl. Ändert sich $Z$, entsteht ein anderes Element.
| Vorgang | Änderung von $A$ | Änderung von $Z$ | Was wird abgegeben? |
|---|---|---|---|
| Alpha-Zerfall | $-4$ | $-2$ | Heliumkern |
| Beta-minus-Zerfall | unverändert | $+1$ | Elektron und Elektron-Antineutrino |
| Beta-plus-Zerfall | unverändert | $-1$ | Positron |
| Gammaübergang | unverändert | unverändert | Gammaquant |
Beim Beta-minus-Zerfall wandelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton um. Deshalb steigt die Ordnungszahl um 1, während die Zahl der Kernbausteine gleich bleibt.
Beim Gammaübergang gibt ein angeregter Kern überschüssige Energie ab. Der Kern gelangt in einen energieärmeren Zustand, wird aber nicht zu einem anderen Nuklid.
Beim Alpha-Zerfall von Radium-224 wird ein Alphateilchen abgegeben:
$^{224}_{88}Ra → ^{220}_{86}Rn + ^{4}_{2}He$
Die Massenzahl des Tochterkerns ist $224-4=220$. Seine Ordnungszahl ist $88-2=86$. Die Ordnungszahl 86 gehört zu Radon. So werden sowohl die Massenzahl als auch die Kernladungszahl auf beiden Seiten erhalten.
Wie weit dringt die Strahlung ein?
Die Reichweite hängt davon ab, wie stark die Strahlung unterwegs mit Materie wechselwirkt. Alphateilchen geben ihre Energie auf einer kurzen Strecke ab. Gammastrahlung wechselwirkt seltener und kann deshalb tiefer eindringen.
| Strahlungsart | Typische Reichweite in Luft | Typische Abschirmung |
|---|---|---|
| Alpha | wenige Zentimeter | Papier oder äußere Hautschicht |
| Beta | einige Zentimeter bis einige Meter | einige Millimeter Aluminium |
| Gamma | sehr weit | dicke Schichten aus Blei oder Beton schwächen sie |
Eine Abschirmung muss zur Strahlungsart passen. „Je schwerer das Material, desto besser“ ist keine allgemeine Entscheidungsregel für jede Strahlungsart.
Alpha: kurze Reichweite, leicht abzuschirmen. Beta: mittlere Reichweite. Gamma: hohe Durchdringungsfähigkeit und aufwendige Abschirmung.
Warum ist geringe Reichweite nicht automatisch harmlos?
Ionisationsdichte
Die Ionisationsdichte beschreibt, wie dicht entlang einer Strecke Ionisationen entstehen. Alphastrahlung gibt auf kurzer Strecke besonders viel Energie ab und ionisiert daher dicht.
Durchdringungsfähigkeit und biologische Wirkung sind nicht dasselbe. Alphastrahlung dringt von außen kaum durch die Haut. Gelangt ein Alphastrahler jedoch durch Atemluft oder Nahrung in den Körper, gibt er seine Energie auf engem Raum an Gewebe ab.
Die Aufnahme eines radioaktiven Stoffes in den Körper heißt Inkorporation. Auch inkorporierte Betastrahler können Gewebe erheblich belasten. Gammastrahlung ist schon bei äußerer Bestrahlung bedeutsam, weil sie tief in den Körper eindringen kann.
| Situation | Besonders wichtiger Gedanke |
|---|---|
| Alphastrahler außerhalb des Körpers | Papier oder die äußere Hautschicht hält die Teilchen auf |
| Alphastrahler im Körper | hohe Energieabgabe auf kurzer Strecke im Gewebe |
| Betastrahlung von außen | begrenztes Eindringen in Haut und Gewebe möglich |
| Gammastrahlung von außen | tiefe Durchdringung; dicke Abschirmung nötig |
Keine Strahlungsart ist allein wegen ihres Namens oder ihrer Reichweite pauschal „am gefährlichsten“. Entscheidend sind unter anderem Strahlungsart, Energie, Expositionsweg, Abschirmung und das betroffene Gewebe.
Wie lässt sich die Strahlungsart bestimmen?
Zwei Eigenschaften helfen bei der experimentellen Unterscheidung: das Verhalten hinter Abschirmstoffen und die Ablenkung in einem Magnetfeld.
- Wird die Strahlung bereits durch Papier gestoppt, spricht das für Alpha.
- Durchdringt sie Papier, wird aber von einigen Millimetern Aluminium stark abgeschwächt, spricht das für Beta.
- Bleibt sie hinter Aluminium deutlich nachweisbar und wird erst durch dicke Blei- oder Betonschichten stark geschwächt, spricht das für Gamma.
Geladene Teilchen werden in einem Magnetfeld abgelenkt. Beta-minus-Strahlung lässt sich wegen der kleinen Elektronenmasse deutlich ablenken. Alphastrahlung ist ebenfalls geladen, wird aber wesentlich schwerer abgelenkt. Gammastrahlung ist ungeladen und wird nicht abgelenkt.
Eine unbekannte Strahlung durchdringt Papier und Aluminium. Im Magnetfeld ändert sie ihre Richtung nicht. Beide Beobachtungen passen zu Gammastrahlung: Sie besitzt eine hohe Durchdringungsfähigkeit und keine elektrische Ladung.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Alpha-, Beta- und Gammastrahlung
- Bestandteile: Heliumkerne, Elektronen oder Positronen, Gammaquanten
- Kernänderung: Alpha verändert $A$ und $Z$, Beta verändert $Z$, Gamma nur die Energie
- Durchdringung: Alpha gering, Beta mittel, Gamma hoch
- Abschirmung: Papier, Aluminium, dickes Blei oder Beton
- Wirkung: Ionisation hängt von Strahlungsart und Energieabgabe ab
- Nachweis: Abschirmung und Magnetfeldablenkung vergleichen
Abschluss-Check
Du kannst die drei Strahlungsarten nun über ihre Energieträger, Kernänderungen, Durchdringung und Ablenkung unterscheiden. Für die Beurteilung einer Gefahr verbindest du diese Eigenschaften immer mit dem Expositionsweg und der passenden Abschirmung.