Radioaktivität

2.3

Gammastrahlung

Bei der Gamma- oder g-Strahlung handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung, die aus Photonen oder Gammaquanten (g) besteht und deren Wellenlänge kleiner ist als die der Röntgenstrahlung. Gammastrahlung entsteht z. B. beim Übergang eines Atomkerns von einen energetisch angeregten Zustand in einen energieärmeren Zustand und tritt häufig als Begleiterscheinung neben Alpha- und Betastrahlung auf. Ein Beispiel wäre das Isotop Protactinium 234, dessen spontane Kernumwandlung mit der Emission von Gammaquanten stattfindet. Bei der Emission von Gammaquanten bleiben Ordnungszahl und Kernladungszahl unverändert.

Die Energie von Gammastrahlung beträgt im Durchschnitt ein bis zwei Megaelektronenvolt, die Reichweite ist um ein Vielfaches größer als die der Betastrahlung. Gammastrahlen können mehrere Zentimeter dicke Bleiplatten mühelos durchdringen.

2.4

Weitere Strahlungsarten

Bei den meisten natürlichen Radionukliden (ab Kernladungszahl 84) treten die genannten drei Strahlungsarten entweder einzeln oder auch in kombinierter Form auf. Einige künstliche Radionuklide (u. a. ab Kernladungszahl 90) wandeln sich in seltenen Fällen auch unter Emission von Röntgen- oder Neutronenstrahlung um.

Durch den so genannten Elektroneneinfang, bei dem der Atomkern ein Hüllenelektron (meist aus der K-Schale) einfängt, geht ein Proton des Kerns in ein Neutron über: p⁺ + e^- → n + µ_e Der durch diesen „K-Einfang” entstandene Kern befindet sich in einem energetisch angeregten Zustand und setzt die überschüssige Energie in Form von Röntgenstrahlung frei. Siehe auch Einfangprozesse

Neutronen werden bei spontanen Kernspaltungen frei. Diese Kernumwandlungen lassen sich vor allem bei den Atomkernen der schweren Elemente (ab Massenzahl 230) beobachten, wie z. B. die Umwandlung von Californium 252:

252Cf → 142Ba + 106Mo + 4 1n

Mitte der achtziger Jahre wurde eine einzigartige Zerfallsart entdeckt, bei der Radiumisotope mit den Massenzahlen 222, 223 und 224 statt der üblichen Alphateilchen Kerne des Kohlenstoffisotops ¹⁴C emittierten. In äußerst seltenen Fällen ist auch die Emission von Protonen oder von größeren Bruchstücken (mit mehr als 40 Protonen) beobachtet worden. Sie tritt mit geringer Wahrscheinlichkeit bei den Isotopen Thulium-147 und Lutetium-151 auf.

2.5

Halbwertszeit

Der Zerfall mancher Stoffe, wie etwa Uran 238 und Thorium 232, scheint unendlich lange und ohne nachweisbare Verminderung der spezifischen Zerfallsrate (bezogen auf eine Masseneinheit eines bestimmten Isotops) vonstattenzugehen. Andere radioaktive Substanzen zeigen einen drastischen Abfall ihrer spezifischen Zerfallsrate über die Zeit. Unter ihnen ist z. B. das Isotop Thorium 234 (man nannte es urprünglich einmal Uran-X), das in isolierter Form innerhalb von 25 Tagen in seiner Zerfallsaktivität auf die Hälfte des anfänglichen Wertes abfällt. Jedes einzelne radioaktive Material hat eine charakteristische Zerfallsdauer oder Halbwertszeit, innerhalb derer die Aktivität auf die Hälfte des Wertes zu Beginn dieses Zeitintervalls abgesunken ist. Die Aktivität A eines radioaktiven Stoffes und seine Halbwertszeit t_1/2 stehen in folgender Beziehung zueinander:

A = λN = ln2/t1/2

In dieser Formel entspricht N der noch vorhandenen Menge des Stoffes und λ der Zerfallskonstante. λ ist stoffspezifisch, hängt also von der Art des Nuklides ab, und gibt die Menge des Stoffes an, die pro Sekunde zerfällt. Manche Isotope, bei denen die Abnahme der spezifischen Zerfallsrate so gering ist, dass sie mit einfachen Mitteln nicht nachgewiesen werden können, haben entsprechend sehr lange Halbwertszeiten. So beträgt die Halbwertszeit von Thorium 232 z. B. 14 Milliarden Jahre. Das Zerfallsgesetz lautet:

N = N0 e-λt

Darin entspricht N₀ der Anzahl der Atome am Anfang (t = 0), N der Anzahl der Atome zu einem bestimmten Zeitpunkt t, λ der Zerfallskonstanten. Graphische Darstellung des Zerfallsgesetzes:

2.6

Zerfallsreihen

Bei der Umwandlung eines instabilen Atomkerns entsteht in den meisten Fällen wiederum ein instabiler Atomkern, der abermals zerfällt. Dieser Prozess kann sich in einer Reihe fortsetzen, die daher auch als Zerfallsreihe bezeichnet wird. Insgesamt sind vier natürliche Zerfallsreihen bekannt:

• Thoriumzerfallsreihe (ausgehend vom Thorium 232, endend mit Blei 208),
• Neptuniumreihe (ausgehend vom Neptunium 237, endend mit Bismut 209),
• Uranzerfallsreihe (ausgehend vom Uran 238, endend mit Blei 206) und
• Actiniumzerfallsreihe (ausgehend vom Actinium 227, endend mit Blei 207).

Die Neptuniumreihe wurde lange Zeit als künstliche Reihe angesehen. Erst seit der Entdeckung, dass Neptunium, wenn auch in geringsten Mengen, in der Natur vorkommt, zählt auch diese Familie zu den natürlichen Zerfallsreihen.

Die Mitglieder der Zerfallsreihen haben die Massenzahlen

• 4n + 0 (Thoriumreihe),
• 4n + 1 (Neptuniumreihe),
• 4n + 2 (Uranreihe) und
• 4n + 3 (Actiniumreihe)

n steht für eine ganze Zahl.

3

Geschichte

Der französische Physiker Antoine Henri Becquerel entdeckte 1896 die Radioaktivität eher zufällig. Becquerel untersuchte Fluoreszenzphänomene an Uranmineralien und stellte fest, dass Uran eine photographische Platte schwärzen kann, selbst wenn es davon durch Glas oder dickes schwarzes Papier getrennt wird. Becquerel vermutete zunächst eine Strahlung als Ursache. In Folgeexperimenten beobachtete er, dass dieselben Strahlen, welche die Schwärzung bewirken, ein Elektroskop entladen können und durchstrahlte Gase ionisieren. Daraus schloss der Forscher, dass diese Strahlen elektrische Ladung tragen. 1898 erkannten Gerhard Carl Schmidt in Erlangen und unabhängig von ihm die französische Chemikerin Marie Curie, dass Radioaktivität ein Phänomen ist, das gleichermaßen bei verschiedenen Elementen (hier Thorium) auftritt: Radioaktivität ist also eine Eigenschaft von Atomen und hängt nicht vom physikalischen oder chemischen Zustand ab. Schmidt beobachtete die radioaktiven Erscheinungen an thoriumhaltigen Mineralien. Aus der größeren radioaktiven Intensität des uranhaltigen Erzes Pechblende gegenüber den Uransalzen, mit denen Becquerel seine Versuche ausführte, schloss Marie Curie, dass dieses Erz weitere radioaktive Elemente enthalten müsse. Sie isolierte gemeinsam mit ihrem Ehemann Pierre Curie zwei neue radioaktive Elemente, Polonium und Radium, aus der Pechblende. (Marie Curie berichtete 1902, dass sie aus zwei Tonnen Pechblende etwa 0,1 Gramm (!) Radiumchlorid (RaCl₂) gewinnen konnte.) 1899 isolierte der französische Chemiker André Louis Debierne das radioaktive Element Actinium. Und noch im selben Jahr fanden schließlich die britischen Forscher Ernest Rutherford und Frederick Soddy das radioaktive Gas Radon.

Die Entdeckung, dass beim Zerfall von Radium Radon entsteht, war der schlüssige Beweis, dass mit dem radioaktiven Zerfall eine Veränderung der chemischen Natur des zerfallenden Elements einhergeht. Versuche zur Ablenkung von Alphateilchen in einem elektrischen Feld zeigten, dass deren Verhältnis der elektrischen Ladung zur Masse ziemlich genau der Hälfte des Verhältnisses beim Wasserstoffion entspricht. Physiker nahmen an, dass es sich bei diesen Teilchen um doppelt positiv geladene Heliumionen (Heliumatome, denen zwei Elektronen fehlen) handeln könnte. Die Masse eines Heliumions beträgt relativ exakt das Vierfache der Masse eines Wasserstoffions, was das Verhältnis der Ladungen zu den Massen erklärt. Diese Annahme erwies sich als zutreffend, als Rutherford 1898 einen radioaktiven Alphastrahler unmittelbar neben ein luftleer gepumptes Gefäß aus sehr dünnem Glas stellte. Die Alphateilchen konnten die Gefäßwand von außen her durchdringen und blieben in dessen Innerem gefangen. Nach einigen Tagen zündete Rutherford in diesem Gefäß eine Gasentladung und konnte mittels spektroskopischer Messungen die Existenz elementaren Heliumgases zweifelsfrei nachweisen. Wenig später wurde gezeigt, dass Betateilchen Elektronen sind.

Rutherford erkannte, dass radioaktive Strahlung mindestens zwei Bestandteile enthalten muss: Alphateilchen, die nur wenige hundertstel Millimeter in Aluminium eindringen, und Betateilchen, die eine etwa hundertfach stärkere Durchdringungswirkung haben. Schließlich war es der französische Physiker Paul Villard, der um 1900 eine dritte Strahlungsart nachwies, die Gammastrahlung; diese zeigte im Vergleich zur Betastrahlung eine erheblich größere Durchdringungskraft. In einem elektrischen Feld wird die Bahn eines Betateilchens stark in Richtung des positiv geladenen Pols abgelenkt, die Bahn eines Alphateilchens wird weniger stark auf den negativen Pol hin abgelenkt, während Gammastrahlen überhaupt keine Ablenkung erfahren. Aus ihren Experimenten konnten Rutherford und Villard ableiten, dass Betateilchen negativ und Alphateilchen positiv geladen sind, wogegen Gammastrahlen keine Ladung tragen.

Zur Zeit der Entdeckung der Radioaktivität herrschte in der Physik die verbreitete Meinung, das Atom sei der kleinste, unzerteilbare Grundbaustein aller Materie. Dann erkannte man Alpha- und Betateilchen als diskrete Materieeinheiten. Und man erkannte die Radioaktivität als einen Vorgang, bei dem Atome durch Aussendung diverser Bestandteile umgewandelt werden, wobei neue Atome mit gänzlich anderen chemischen Eigenschaften entstehen. Dies brachte die Erkenntnis mit sich, dass Atome ihrerseits eine Substruktur haben müssen und nicht die kleinsten Fundamentalbausteine der Natur sind. 1911 zeigte Rutherford mit seinem Streuversuch, dass Atome einerseits aus einem kleinen Kern bestehen, der die gesamte positive Ladung und fast die gesamte Masse enthält. Der größte Teil des Raumes, den ein Atom einnimmt, ist dagegen fast leer: Hier verteilen sich die negativ geladenen Elektronen (Hülle). Dies folgt aus dem Rutherford’schen Streuversuch, bei dem Alphateilchen an einer dünnen Metallfolie gestreut wurden und die Streuintensität in Abhängigkeit vom Winkel gemessen wurde. Der Kern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut. Im elektrisch neutralen Atom ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle; Neutronen sind elektrisch neutral und haben beinahe dieselbe Masse wie Protonen.