1.

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

2.

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.

1.

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.

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.

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.

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.

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:

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 Mitglieder der Zerfallsreihen haben die Massenzahlen

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

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.

1.

Künstliche Radioaktivität

Rutherford führte 1919 die erste künstlich angeregte Kernreaktion herbei: Er nahm gewöhnlichen gasförmigen Stickstoff 14 mit Alphateilchen unter Beschuss und stellte fest, dass die Stickstoffkerne Alphateilchen einfingen und sehr schnell Protonen ausstießen, wobei sich das stabile Sauerstoffisotop Sauerstoff 17 gebildet hatte. Diese Reaktion lässt sich symbolisch darstellen:

¨N + ¸He → ©O + §H

Nach einer weltweit üblichen Konvention werden die chemische Ordnungszahl des Elements links unten und die Massenzahl des jeweiligen Isotops links oben an das internationale Elementsymbol geschrieben. Das Alphateilchen wird in der obigen Notation als Heliumkern, das Proton als Wasserstoffkern identifiziert.

Bis 1933 konnte nicht gezeigt werden, dass bei derartigen Kernreaktionen auch neue Kerne gebildet werden können. Im Frühjahr 1934 gelang den französischen Chemikern Irène und Frédéric Joliot-Curie erstmals die Herstellung eines künstlich radioaktiven Stoffes, indem sie Aluminium heftigem Beschuss mit Alphateilchen aussetzten. Die Aluminiumkerne fingen Alphateilchen ein, und unter Aussendung eines Neutrons entstand ein Phosphorisotop:

27Al + 4He → 30P + 1n

Das Phosphorisotop zerfiel mit einer Halbwertszeit von knapp 2,5 Minuten weiter zu Silicium und setzte dabei Positronen frei. Die Joliot-Curies erzeugten weiterhin Stickstoffisotope aus Bor und Aluminiumisotope aus Magnesium. Seit dieser Zeit wurden sehr viele Kernreaktionen entdeckt und inzwischen sind über 400 verschiedene künstlich radioaktive Substanzen bekannt.

4.

Anwendungen

Die Entdeckung der Radioaktivität führte zur intensiven Erforschung der Kernreaktionen (siehe Kernphysik, Kernchemie) und brachte weitere Entdeckungen, wie z. B. die Kernspaltung, hervor. Sie führte auch zur Entdeckung einer Vielzahl neuer chemischer Elemente. Radioaktive Substanzen kommen in den verschiedensten Bereichen der Analytik, Forschung, Technik und Medizin zum Einsatz. Sie werden beispielsweise zu Bestrahlungszwecken, zur Energiegewinnung (siehe Kernenergie) und als Indikator verwendet. Ein besonderes Beispiel ist das Kohlenstoffisotop C 14, dass zum einen zur Aufklärung von Prozessen der Photosynthese diente, und zum anderen ein probates Mittel zur Altersbestimmung darstellt (C-14-Methode). Bestimmte künstliche Radionuklide sind in Materialprüfung und der medizinischen Diagnostik (Radiologie) nicht mehr wegzudenken. Sie sind auch zum wichtigen Instrument zur Bekämpfung von Krankheiten wie Krebs geworden (Strahlentherapie). Isotopentracer lieferten in der medizinischen, biochemischen und chemischen Forschung bedeutende Erkenntnisse über chemisch-biologische Zusammenhänge (z. B. Radioimmunoassay) und Reaktionsmechanismen. Radioaktiv markierte Substanzen dienen u. a. auch zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in Rohren, zur Ermittlung kleinster Stoffmengen, zur Untersuchung von Katalysatoren sowie für Reinheits- und Gehaltsbestimmungen. So nutzen Wissenschaftler beispielsweise die Aktivierungsanalyse zur qualitativen und quantitativen Ermittlung von Spuren. Nahezu alle in diesem Zusammenhang bedeutenden Radionuklide lassen sich heutzutage in ausreichenden Mengen in Kernreaktoren erzeugen.