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Radioaktivität: Zerfall, Strahlung und Schutz
Radioaktivität bedeutet: Ein instabiler Atomkern wandelt sich ohne äußeren Anstoß um und sendet dabei ionisierende Strahlung aus. Diese Strahlung kann Atome verändern und lebende Zellen schädigen. Wie groß die Gefahr ist, hängt unter anderem von Strahlungsart, Einwirkungsweg, Abstand, Dauer und Abschirmung ab.
Auf dieser Seite lernst du, Zerfallsarten zu unterscheiden, Aktivität und Halbwertszeit zu berechnen und passende Schutzmaßnahmen zu begründen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum zerfallen manche Atomkerne?
Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Elektronenhülle. Im Kern befinden sich positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen. Die Protonenzahl bestimmt das chemische Element. Protonen und Neutronen zusammen ergeben die Massenzahl.
Nuklid
Ein Nuklid ist eine bestimmte Kombination aus Protonen und Neutronen. Nuklide mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl heißen Isotope eines Elements.
Manche Kerne sind instabil. Sie gehen spontan in einen energetisch günstigeren Zustand über. Dabei entsteht ein anderer Kern oder der ursprüngliche Kern gibt überschüssige Energie ab.
Der Zeitpunkt des Zerfalls eines einzelnen Kerns lässt sich nicht vorhersagen. Bei einer großen Zahl gleichartiger Kerne kann man jedoch zuverlässig beschreiben, welcher Anteil in einer bestimmten Zeit voraussichtlich zerfällt.
Ionisierende Strahlung
Ionisierende Strahlung besitzt genug Energie, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen. Dabei entstehen elektrisch geladene Teilchen, sogenannte Ionen.
Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft eines instabilen Kerns. Die ausgesandte ionisierende Strahlung ist eine Folge seiner Umwandlung oder Energieabgabe.
Wie unterscheiden sich Alpha, Beta und Gamma?
Die Massenzahl wird mit $A$, die Protonen- oder Ordnungszahl mit $Z$ bezeichnet. An ihren Änderungen kannst du Zerfallsarten erkennen.
Alphazerfall
Ein Alphateilchen ist ein Heliumkern aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Der Ausgangskern verliert deshalb vier Kernteilchen und zwei Protonen:
$$A \rightarrow A-4, \qquad Z \rightarrow Z-2$$
Beim Alphazerfall von Radium-224 entsteht Radon-220:
$${}^{224}_{88}\mathrm{Ra} \rightarrow {}^{220}_{86}\mathrm{Rn} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$$
Kontrolle: $224=220+4$ und $88=86+2$. Massenzahl und Protonenzahl sind auf beiden Seiten erhalten.
Alphastrahlung ionisiert auf kurzer Strecke besonders stark, hat aber nur eine geringe Reichweite und lässt sich vergleichsweise leicht abschirmen. Gelangt ein Alphastrahler durch Atmung oder Nahrung in den Körper, kann er das umliegende Gewebe stark belasten.
Betazerfall
Beim Beta-Minus-Zerfall wird im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Dabei werden ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino ausgesandt. Die Massenzahl bleibt gleich, die Protonenzahl steigt um eins:
$$A \rightarrow A, \qquad Z \rightarrow Z+1$$
Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Ein Positron und ein Neutrino werden ausgesandt. Die Massenzahl bleibt gleich, die Protonenzahl sinkt um eins:
$$A \rightarrow A, \qquad Z \rightarrow Z-1$$
Betastrahlung besitzt eine größere Reichweite als Alphastrahlung. Dünne Metallplatten können sie gut abschirmen.
Gammaübergang
Ein angeregter Kern kann überschüssige Energie als Gammastrahlung abgeben. Seine Massenzahl und seine Protonenzahl ändern sich dabei nicht. Es entsteht also kein anderes Nuklid.
Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung. Sie reicht weit und wird beim Durchgang durch Materie allmählich abgeschwächt. Eine wirkungsvolle Abschirmung benötigt dicke Schichten dichter Materialien wie Stahl, Beton oder Blei.
| Strahlungsart | Was wird ausgesandt? | Änderung am Kern | Typische Abschirmung |
|---|---|---|---|
| Alpha | zwei Protonen und zwei Neutronen | $A-4$, $Z-2$ | vergleichsweise leicht |
| Beta-Minus | Elektron und Antineutrino | $A$ gleich, $Z+1$ | dünne Metallplatten |
| Beta-Plus | Positron und Neutrino | $A$ gleich, $Z-1$ | geeignete Metallschichten |
| Gamma | elektromagnetische Strahlung | $A$ und $Z$ gleich | dicke, dichte Schichten |
Wie misst man Zerfälle und Halbwertszeiten?
Ein Geiger-Müller-Zählrohr weist ionisierende Strahlung nach. Alpha- und Betastrahlung werden damit besonders gut registriert, Gammastrahlung nur zu einem Teil.
Aktivität
Die Aktivität $A$ gibt an, wie viele Kerne durchschnittlich in einem Zeitintervall zerfallen:
$$A=\frac{\Delta N}{\Delta t}$$
Ihre Einheit ist das Becquerel, kurz Bq. Es gilt: $1\,\mathrm{Bq}=1$ Zerfall pro Sekunde.
In $20\,\mathrm{s}$ zerfallen $600$ Kerne.
$$A=\frac{600}{20\,\mathrm{s}}=30\,\mathrm{Bq}$$
Die Probe besitzt in diesem Zeitabschnitt eine Aktivität von $30\,\mathrm{Bq}$.
Die Aktivität beschreibt die Zahl der Zerfälle in der Quelle. Sie allein sagt noch nicht, wie stark ein Mensch geschädigt wird. Dafür sind auch Strahlungsart, Einwirkungsweg, Abstand, Dauer und Abschirmung wichtig.
Halbwertszeit
Die Halbwertszeit $T_{1/2}$ ist die Zeitspanne, nach der im Mittel noch die Hälfte der ursprünglichen radioaktiven Kerne vorhanden ist. Gleichzeitig halbiert sich die Aktivität.
Nach $n$ Halbwertszeiten gilt:
$$N=N_0\left(\frac{1}{2}\right)^n$$
Dabei ist $N_0$ die anfängliche und $N$ die verbleibende Kernzahl. Für eine beliebige Zeit $t$ lautet das Zerfallsgesetz:
$$N(t)=N(0)\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{t}{T_{1/2}}}$$
Zu Beginn sind $800$ radioaktive Kerne vorhanden. Nach drei Halbwertszeiten wird dreimal halbiert:
- $800 \rightarrow 400$
- $400 \rightarrow 200$
- $200 \rightarrow 100$
Mit der Formel ergibt sich dasselbe:
$$N=800\left(\frac{1}{2}\right)^3=100$$
Übrig sind $100$ Kerne, also ein Achtel der Anfangsmenge. Das bedeutet nicht, dass man den Zerfallszeitpunkt eines bestimmten Kerns kennt.
Wie wirken Strahlung und Strahlenschutz?
Ionisierende Strahlung kann Moleküle in Zellen verändern und die DNA schädigen. Der Körper kann manche Schäden reparieren, aber Reparatur- und Abwehrsysteme können versagen oder überfordert werden.
Bei geringen Dosen können Schäden mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit erst nach Jahren auftreten. Bei hohen, kurzfristigen Dosen können unmittelbare oder bald einsetzende Gewebeschäden entstehen. Aus dem bloßen Wort „radioaktiv“ lässt sich daher noch keine konkrete Gefahr ableiten.
Du musst außerdem zwei Situationen unterscheiden:
- Bestrahlung von außen: Die Strahlungsquelle befindet sich außerhalb des Körpers.
- Aufnahme eines radioaktiven Stoffes: Der Stoff gelangt etwa durch Atmung oder Nahrung in den Körper und strahlt dort weiter.
Gerade Alpha- und Betastrahler können nach einer Aufnahme besonders gefährlich sein, obwohl sich ihre Strahlung von außen vergleichsweise gut abschirmen lässt.
Fünf Schutzideen beginnen mit A: Abstand erhöhen, Aufenthaltsdauer verkürzen, Aktivität vermindern, Abschirmung verstärken und Aufnahme vermeiden.
Eine geschlossene radioaktive Quelle soll kurz untersucht werden. Sinnvoll sind ein möglichst großer Arbeitsabstand, eine kurze Aufenthaltsdauer und eine zur Strahlungsart passende Abschirmung. Zusätzlich muss verhindert werden, dass radioaktiver Stoff freigesetzt und aufgenommen wird.
Keine einzelne Maßnahme ersetzt automatisch die anderen. Bei Gammastrahlung reicht eine leichte Abschirmung beispielsweise nicht aus.
Wo wird Radioaktivität genutzt?
Radioaktivität kommt natürlich in Gesteinen, in der Atmosphäre und in Lebewesen vor. Radioaktive Nuklide können außerdem durch Kernreaktionen künstlich erzeugt werden. Eine Kernreaktion wird durch den Zusammenstoß eines Kerns mit einem anderen Kern oder Teilchen ausgelöst; ein radioaktiver Zerfall läuft dagegen spontan ab.
Radioaktive Stoffe und ionisierende Strahlung werden unter kontrollierten Bedingungen genutzt:
- In der Medizin können radioaktive Tracer Vorgänge im Körper sichtbar machen. Ionisierende Strahlung kann außerdem zur Behandlung von Tumoren eingesetzt werden.
- In der Archäologie helfen radioaktive Stoffe bei Altersbestimmungen.
- In Forschung und Technik werden Kernreaktionen genutzt, um Materie und grundlegende Wechselwirkungen zu untersuchen.
Nutzen und Risiko müssen stets gemeinsam betrachtet werden. Entscheidend sind der Zweck, die erwartete Wirkung, die Strahlenbelastung, mögliche Alternativen und die Schutzmaßnahmen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Radioaktivität
- Ursache: instabiler Atomkern und spontaner Übergang
- Strahlungsarten: Alpha verändert $A$ und $Z$, Beta verändert $Z$, Gamma gibt nur Energie ab
- Beschreibung: Aktivität in Becquerel sowie Halbwertszeit und Zerfallsgesetz
- Wirkung: Ionisation sowie mögliche Zell- und DNA-Schäden
- Schutz: Abstand, kurze Zeit, Abschirmung und Aufnahmevermeidung
- Nutzung: Medizin, Altersbestimmung und Forschung
Abschluss-Check
Du kannst Radioaktivität nun auf drei Ebenen einordnen: Was geschieht im Kern, wie verändert sich eine große Zahl von Kernen mit der Zeit und welche Maßnahmen begrenzen die Strahlenwirkung.