Radioaktivität

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Einleitung

Radioaktivität, Bezeichnung für die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich ohne äußere Einwirkung unter Aussenden einer charakteristischen Strahlung in andere Atomkerne umzuwandeln. Dieses Phänomen zeigen Nuklide (Atomarten) einer ganzen Reihe chemischer Elemente, die übergreifend auch als Radionuklide bezeichnet werden. Allgemein wird die natürliche Radioaktivität von der künstlichen Radioaktivität unterschieden.

Radioaktivität ist in der Natur immer zu einem bestimmten Maße vorhanden – selbst lebende Organismen enthalten zu einem minimalen Prozentsatz radioaktive Atomkerne. Natürliche Radioaktivität wird z. B. durch radioaktive Mineralien und natürliche Radionuklide in der Umwelt, aber z. B. auch bei Vulkanausbrüchen freigesetzt. Ursprung für diese natürliche Radioaktivität sind zum einen kosmische Vorgänge, wie z. B. die Bildung der Elemente in Sternen oder bei Supernovaausbrüchen, die praktisch vor der Entstehung des Sonnensystems (also vor mehr als fünf Milliarden Jahren) stattfanden, und schließlich das Ausgangsmaterial für die Entstehung von Sonne und Erde lieferten. Zum anderen löst die Wechselwirkung kosmischer Strahlen mit Molekülen der Atmosphäre die Bildung von Radionukliden aus, wie z. B. Kohlenstoff 14.

Mit den ersten Atomwaffentests in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts ließ sich eine messbare Zunahme der Radioaktivität in der Umwelt verzeichnen. Auch andere anthropogene Einflüsse, wie z. B. der Abbau von Uran, aber auch Störfälle, wie z. B. die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl (1986), förderten diesen Prozess. Aber insgesamt sind diese Auswirkungen im Vergleich zur natürlichen Radioaktivität gering (sie machen nur wenige Prozent aus). Die Äquivalentdosisleistung der natürlichen Radioaktivität liegt in Europa im Durchschnitt bei zwei Millisievert pro Jahr; in bestimmten Regionen der Erde kann sie aber auch auf 100 Millisievert pro Jahr ansteigen. Weder für den einen noch für den anderen Wert konnten bislang gesundheitliche Auswirkungen beim Menschen beobachtet werden. Siehe auch biologische Strahlenwirkungen

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Strahlungsarten

Radioaktive Kernumwandlungen laufen nach verschiedenen Zerfallsarten ab. Je nach Zerfallsart handelt es sich bei der freigesetzten Strahlung um eine elektromagnetische Strahlung (Gamma- bzw. g-Strahlung) oder um eine Teilchenstrahlung (Alpha- bzw. a-Strahlung; Beta- bzw. β-Strahlung). In seltenen Fällen wurde auch die Aussendung von Röntgenstrahlung und von Neutronenstrahlung beobachtet. Radioaktive Strahlung besitzt ionisierende Wirkung und lässt sich mit Hilfe geeigneter Detektoren, wie z. B. Geigerzählern (siehe Teilchendetektoren), direkt oder auch indirekt nachweisen.

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Alphastrahlung

Bei der Alpha- oder a-Strahlung handelt es sich um eine meist energiereiche Teilchenstrahlung, die sich aus positiv geladenen Helium-4-Kernen, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, zusammensetzt. Sie tritt vor allem beim Zerfall natürlicher Radionuklide auf, wie z. B. beim Radium 226 zu Radon 222:

226Ra → 222Rn2- + 4He2+ + Energie 4,9 MeV)

Beim a-Zerfall verringert sich die Ordnungszahl formal um vier und die Kernladungszahl formal um zwei Einheiten. Die Energie von Alphastrahlung ist umso größer, je höher die Energie der freigesetzten a-Teilchen ist. Sie liegt bei natürlichen Radionukliden zwischen vier und sechs Megaelektronenvolt; sie kann bei künstlichen Nukliden um das Hundertfache ansteigen. Dagegen ist die Reichweite von Alphastrahlung mit wenigen Zentimetern, je nach durchdrungenem Medium (Luft, Metall etc.), als gering zu bezeichnen. Schon eine 0,1 Millimeter dicke Aluminiumfolie oder ein Blatt Papier sind in der Lage, Alphastrahlung vollständig zurückzuhalten.

2.2

Betastrahlung

Bei der Beta- oder β-Strahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung, die sich aus freigesetzten Elektronen (β^-) oder aus Positronen (β⁺) zusammensetzt. β-Teilchen entstehen im Atomkern durch die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron (e^-) bzw. Positron (e⁺) und ein Elektron-Antineutrino (µ’_e) bzw. Elektron-Neutrino (µ_e). Negativ geladene Betastrahlung entsteht z. B. beim Zerfall von Blei 210 zu Bismut 210:

82Pb → 83Bi+ + 1e- + Energie

Positiv geladene Betastrahlung wurde bislang nur beim Zerfall künstlicher Radionuklide beobachtet. Ein Beispiel ist der Zerfall von Neon 19 zu Fluor 19:

10Ne → 9F + 1e+ + Energie

Beim β-Zerfall bleibt die Ordnungszahl unverändert, während sich die Kernladungszahl formal um eine Einheit vergrößert bzw. verringert. Die Energie von Betastrahlung hängt von der Energie der frei werdenden β-Teilchen ab und liegt für natürliche Radionuklide im Durchschnitt zwischen einem und drei Megaelektronenvolt. Die Energie von künstlichen Betastrahlern kann bedeutend höher ausfallen. Im Gegensatz zur Alphastrahlung ist die Reichweite von Betastrahlung größer. Sie kann bis zu einigen Metern betragen. Betastrahlen können durch einige Millimeter dicke Platten aus Blei oder Eisen abgehalten werden.