Radioaktivität

Warnzeichen W05:
„Warnung vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen“

Unter Radioaktivität (von lat. radius, Strahl) oder radioaktivem Zerfall versteht man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende Energie wird in Form ionisierender Strahlung, nämlich energiereicher Teilchen und/oder Gammastrahlung, abgegeben.

Umgangs- oder fachsprachlich wird das Wort Radioaktivität auch etwas ungenau für "radioaktive Substanz" gebraucht. Insbesondere in der öffentlichen Diskussion ist häufig auch die abgegebene Strahlung oder sogar Ionisierende Strahlung aus anderen Quellen gemeint, wenn von Radioaktivität die Rede ist.

Grundlagen

Bei den meisten Zerfallsarten (s. unten) ändert sich die Kernladungszahl (Ordnungszahl) - es entsteht also ein anderes chemisches Element -, bei manchen auch die Massenzahl. Daneben gibt es Übergänge, bei denen sich nur der Anregungszustand des Kerns ändert (Übergang zwischen verschiedenen Isomeren des selben Nuklids). Die Stärke der Radioaktivität wird durch die physikalische Größe Aktivität beschrieben und in der Einheit Becquerel, abgekürzt Bq, angegeben. 1 Bq steht für durchschnittlich einen Zerfall pro Sekunde.

Radioaktiver Zerfall ist kein deterministischer Prozess. Der Zerfallszeitpunkt ist absolut zufällig. Allerdings ist für jedes Nuklid die Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit ein fester Wert, der auch durch die Halbwertszeit beschrieben werden kann. Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die Hälfte der instabilen Atomkerne einer Menge zerfallen sind. Sie kann nur Sekundenbruchteile, aber auch einige Milliarden Jahre betragen. Solche langlebigen Nuklide sind beispielsweise Uran-238, Uran-235, Thorium-232 und Kalium-40. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer ist die Aktivität einer gegebenen Substanzmenge. Mathematisch wird der Zerfall durch das Zerfallsgesetz beschrieben.

Nicht nur der Zeitpunkt des Zerfalls ist zufällig, sondern unter Umständen auch die Art des Zerfalls. ²¹²Bismut kann beispielsweise mit jeweils unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf drei verschiedene Arten zerfallen. Eine Nuklidkarte zeigt alle Nuklide mit Arten und Anteilen der möglichen Zerfälle und den Halbwertszeiten.

Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keinen radioaktiven Zerfall gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt. Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, beim Helium enthält das stabile Isotop Helium-3 zwei Protonen und ein Neutron. Beim Lithium und allen schwereren Elementen müssen mindestens gleich viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, und bei schwereren Kernen überwiegen immer mehr die Neutronen. Ab einer gewissen Massenzahl werden alle Atomkerne instabil. Durch Einwirkung von Korpuskularstrahlung (insbesondere Neutronen; Neutronenaktivierung) können in Kernreaktionen stabile Atomkerne in andere, instabile Atomkerne umgewandelt werden.

Geschichte

1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel, dass Uran enthaltende Stoffe eine Strahlung aussenden. Diese vermag es, undurchsichtige Stoffe zu durchdringen. Dies stellte er fest, als er in Papier gehüllte fotografische Platten geschwärzt vorfand. Er stellte zudem fest, dass diese Strahlung nicht einheitlich ist, sondern verschiedene Komponenten enthalten kann:

1. eine Komponente mit hohem Durchdringungsvermögen, die im elektrischen Feld nicht abgelenkt wird (Gammastrahlung)
2. eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Pluspol abgelenkt wird und ein mittleres Durchdringungsvermögen hat (Betastrahlung)
3. eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Minuspol abgelenkt wird und ein geringes Durchdringungsvermögen hat (Alphastrahlung).

Die wesentlich beteiligten Personen, die auf dem Gebiet der weiteren Aufklärung der natürlichen Radioaktivität forschten, waren Marie Curie, Pierre Curie und Ernest Rutherford.

Zerfallsarten

Datei:Radioaktiver-zerfall.png

Verschiedene Zerfallsarten eines Radionuklids in der Darstellung der Nuklidkarte. Senkrecht: Ordnungszahl, waagerecht: Neutronenzahl

Alphazerfall

Ist der Atomkern sehr schwer, enthält also viele Protonen und Neutronen, kann die Starke Wechselwirkung den Mutterkern nicht mehr zusammen halten und es kommt zum Alphazerfall. Die freiwerdende Energie wird als Ionenstrahlung in Form von Helium-4-Kernen mit einer Geschwindigkeit von unter 0,1 c emittiert. Dieses Verhalten ist trotz der hohen Potentialbarriere aufgrund des Tunneleffekts möglich. Der Restkern, auch Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, verringert bei diesem Vorgang seine Nukleonenzahl um vier und die Kernladungszahl um zwei. Die Alphastrahlung hat auf lebendes Gewebe eine besonders hohe schädliche Wirkung . Sie hat jedoch in Luft eine Reichweite von nur wenigen Zentimetern und kann durch ein einfaches Blatt Papier vollständig abgeschirmt werden.

Beispiel: ${}^{238}\mathrm {U} \to {}^{234}\mathrm {Th} +\alpha +\Delta E$

Betazerfall

Wenn ein ungünstiges Verhältnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall ein.

Dabei wird beim $\beta ^{-}$-Zerfall im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein hochenergetisches Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um eins.

Beispiel: ${}_{6}^{14}\mathrm {C} \to {}_{7}^{14}\mathrm {N} +e^{-}+{\overline {\nu _{e}}}$

Beim $\beta ^{+}$-Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron und ein hochenergetisches Positron umgewandelt und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um eins.

Beispiel: ${}_{7}^{13}\mathrm {N} \to {}_{6}^{13}\mathrm {C} +e^{+}+\nu _{e}$

Durch einige Meter Luft oder eine dünne Metallschicht (z.B. Alu) lässt sich die Beta-Strahlung abschirmen.

Die Neutrinostrahlung ist sehr schwer nachzuweisen (und völlig unschädlich), da Neutrinos nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen. Ein Strom von Neutrinos durchquert z.B. die gesamte Erde fast ungeschwächt.

Elektroneneinfang, ε-Zerfall

Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht darin, ein Elektron aus der Atomhülle in den Kern zu „ziehen”, dem so genannten Elektroneneinfang (englisch: electron capture, kurz EC). Nach der Bezeichnung der typisch betroffenen Elektronenschale, der K-Schale, wird der Elektroneneinfang auch als K-Einfang bezeichnet. Das Proton des Kerns wird in ein Neutron umgewandelt, und ein Elektronneutrino emittiert.

Bei diesem Umwandlungsmechanismus ist der Kern denselben Änderungen unterworfen wie beim $\beta ^{+}$-Zerfall, die Nukleonenzahl bleibt unverändert, die Ordnungszahl verringert sich um eins. Der Elektroneneinfang konkurriert daher mit dem $\beta ^{+}$-Zerfall und wird auch als eine Variante des Betazerfalls angesehen. Da das eingefangene Elektron meist aus der innersten Elektronenschale stammt, wird in dieser ein Platz frei und Elektronen aus den äußeren Schalen rücken nach, wobei charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird.

Beispiel: ${}_{28}^{59}\mathrm {Ni} +e^{-}\to {}_{27}^{59}\mathrm {Co} +\nu _{e}$

Doppelter Elektroneneinfang: Bei einigen Kernen ist ein einfacher Elektroneneinfang energetisch nicht möglich, sie können sich aber durch gleichzeitigen Einfang zweier Elektronen umwandeln. Die Halbwertszeiten derartiger Umwandlungen sind typischerweise sehr lang und konnten erst in jüngster Zeit nachgewiesen werden.

Beispiel: ${}_{54}^{124}\mathrm {Xe} +2e^{-}\to {}_{52}^{124}\mathrm {Te} +2\nu _{e}$

Doppelter Betazerfall

Bei einigen Kernen ist ein einfacher Betazerfall energetisch nicht möglich, sie können aber unter Abstrahlung zweier Elektronen zerfallen. Derartige Zerfälle haben typischerweise sehr lange Halbwertszeiten und sind erst in jüngster Zeit nachgewiesen worden. Noch offen ist die Frage, ob beim doppelten Betazerfall stets zwei Neutrinos emittiert werden, oder ob auch ein neutrinoloser doppelter Betazerfall vorkommt.

Beispiel: ${}_{40}^{96}\mathrm {Zr} \to {}_{42}^{96}\mathrm {Mo} +2e^{-}+2{\overline {\nu _{e}}}$

Gammazerfall

Ein γ-Zerfall ($\gamma$ ist der griechische Buchstabe gamma) ist möglich, wenn der Atomkern nach einem Zerfall in einem energetisch angeregten Zustand vorliegt. Beim Übergang in einen energetisch niedrigeren Zustand gibt der Atomkern durch Emission hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, sogenannter γ-Strahlung Energie ab. Die Emission von Gammastrahlung verändert nicht die Neutronen- und Protonenzahl des emittierenden Kerns, es erfolgt lediglich ein Übergang zwischen zwei Kernisomeren. Die Bezeichnung "Zerfall" dient zwar der Nomenklatur, ist aber hier leicht irreführend, da es sich um keinen Zerfall handelt, sondern um eine Zustandsänderung im Atomkern.

Beispiel: ${}_{28}^{60m}\mathrm {Ni} \to {}_{28}^{60}\mathrm {Ni} +{\gamma }$

Zur Abschirmung von γ-Strahlung sind unter Umständen meterdicke Beton- oder Bleiplatten nötig, denn sie hat in Materie keine bestimmte Reichweite, sondern wird nur exponentiell abgeschwächt. Es gibt daher für jedes Abschirmmaterial eine von der Gammaenergie abhängige Halbwertsdicke. $\gamma$-Strahlung ist wie Licht elektromagnetische Strahlung, sie ist aber sehr viel energiereicher und liegt damit weit außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums.

Innere Konversion

Die freiwerdende Energie beim Übergang eines Atomkerns in ein energetisch niedrigeres Isomer kann auch an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden. Diesen Vorgang nennt man Innere Konversion. Konversionselektronen sind im Gegensatz zu $\beta$-Teilchen monoenergetisch.

Spontane Spaltung

Die spontane Kernspaltung ist ein weiterer radioaktiver Umwandlungsprozess, der bei besonders schweren Kernen auftritt. Der Atomkern zerfällt in zwei oder mehrere Bruchstücke. Dabei entstehen in der Regel zwei etwa gleichgroße Tochterkerne und zwei oder drei Neutronen. Beispiele:

${}_{98}^{252}\mathrm {Cf} \to {}_{56}^{145}\mathrm {Ba} +{}_{42}^{104}\mathrm {Mo} +3{}_{0}^{1}\mathrm {n}$

${}_{98}^{252}\mathrm {Cf} \to {}_{50}^{128}\mathrm {Sn} +{}_{48}^{122}\mathrm {Cd} +2{}_{0}^{1}\mathrm {n}$

Auch die natürlich vorkommenden Uranisotope zerfallen zu einem kleinen Teil durch spontane Spaltung.

${}_{92}^{235}\mathrm {U} \to {}_{56}^{142}\mathrm {Ba} +{}_{36}^{90}\mathrm {Kr} +3{}_{0}^{1}\mathrm {n}$	${}_{92}^{238}\mathrm {U} \to {}_{54}^{140}\mathrm {Xe} +{}_{38}^{96}\mathrm {Sr} +2{}_{0}^{1}\mathrm {n}$
${}_{92}^{235}\mathrm {U} \to {}_{53}^{135}\mathrm {I} +{}_{39}^{98}\mathrm {Y} +2{}_{0}^{1}\mathrm {n}$	${}_{92}^{238}\mathrm {U} \to {}_{51}^{133}\mathrm {Sb} +{}_{41}^{102}\mathrm {Nb} +3{}_{0}^{1}\mathrm {n}$

Besondere Zerfallsarten

Bei sehr kurzlebigen, künstlich erzeugten Nukliden kommen noch weitere Zerfallsarten vor, die üblicherweise nicht zur Radioaktivität gezählt werden, physikalisch aber ebenso verlaufen:

Spontane Nukleonenemission

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission, also Protonen- oder Neutronenemission kommen. Atomkerne mit sehr hohem Protonenüberschuss können ein Proton abgeben, Atomkerne mit hohem Neutronenüberschuss können Neutronen abgeben.

⁵He → ⁴He + ¹n

⁹Be → ⁸Be + ¹p

Clusterzerfall

Statt einzelner Nukleonen oder Helium-4-Kerne werden in sehr seltenen Fällen auch größere Atomkerne emittiert. Beispiele:

${}_{97}^{247}\mathrm {Bk} \to {}_{91}^{235}\mathrm {Pa} +{}_{6}^{12}\mathrm {C}$

${}_{97}^{247}\mathrm {Bk} \to {}_{77}^{199}\mathrm {Ir} +{}_{20}^{48}\mathrm {Ca}$

${}_{98}^{248}\mathrm {Cf} \to {}_{90}^{232}\mathrm {Th} +{}_{8}^{16}\mathrm {O}$

Zwei-Protonen-Zerfall

Bei extremem Protonenüberschuss (wie zum Beispiel bei ⁴⁵Eisen) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden.

⁴⁵Fe → ⁴³Cr + 2 ¹p

Größen und Maßeinheiten

Aktivität

	SI-Einheit	Alte Einheiten
Aktivität	Becquerel	Curie
Dosis	Gray	Rad
Äquivalentdosis	Sievert	Rem

Als Aktivität bezeichnet man die Anzahl der Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit, die in einer Probe eines radioaktiven oder radioaktiv kontaminierten Stoffes auftritt.

Becquerel Bq

1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde. SI-Einheit für die Aktivität.

Curie Ci

Veraltete Einheit radioaktiver Aktivität.

1 Ci = 37 GBq = 3,7 · 10¹⁰ Bq

• Die folgenden Größen und Maßeinheiten beziehen sich auf ionisierende Strahlung allgemein, aus radioaktiven oder anderen Quellen:

Energiedosis

Als Energiedosis (kurz Dosis) bezeichnet man die von einem bestrahlten Objekt, z.B. Körpergewebe, über einen Belastungszeitraum absorbierte massenspezifische Energiemenge. Sie ist abhängig von der der Intensität der Bestrahlung, der Absorptionsfähigkeit des bestrahlten Stoffes für die gegebene Strahlungsart und -Energie und geometrischen Faktoren.

Gray Gy

(SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab.

1 Gray = 1 J / kg = 100 Rad;

Rad

radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy).

1 Rad = 0,01 Gray.

Ionendosis

Die Ionendosis ist ein Maß für die Stärke der Ionisierung, ausgedrückt durch die freigesetzte Ladung pro Kilogramm des bestrahlten Stoffes.

Cb/kg (Coulomb pro Kilogramm)

SI-Einheit der Ionendosis

Röntgen R

alte Einheit der Ionendosis, abgelöst durch Coulomb/kg. 1 R = 2,58 · 10^-4 Cb/kg.

Äquivalentdosis

Die Äquivalentdosis ist ein Maß für die Stärke der biologischen Wirkung einer bestimmten Strahlendosis. Gleich große Äquivalentdosen sind somit unabhängig von der Strahlenart in ihrer Wirkung auf den Menschen vergleichbar.

Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem Qualitätsfaktor, der sog. Relativen biologischen Wirksamkeit, die von der Strahlungsart und -Energie abhängt.

Für $\beta$- und $\gamma$-Strahlung ist der Qualitätsfaktor 1, das heißt 1 Sv = 1 Gy. Für $\alpha$-Strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt.

Sievert Sv

1 Sv = 1 J/kg. SI-Einheit der Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung rem (roentgen-equivalent-man) ab.

rem

roentgen-equivalent man; alte Einheit der Äquivalentdosis, abgelöst durch Sievert (Sv)

1 rem = 0,01 J/kg = 0,01 Sv

Anwendungen

Technische Anwendung

Isotopenbatterien finden häufig in der Raumfahrt Anwendung. Früher benutzte man sie auch zum Betrieb von Herzschrittmachern. In Isotopenbatterien wird Wärme, die bei der Absorption der Strahlung eines Radionuklids entsteht, technisch genutzt. Der Temperaturunterschied zur Umgebung wird hier durch ein Thermoelement in elektrische Energie umgewandelt (Wirkungsgrad ≈5%). Hierbei werden am häufigsten $\alpha$-Strahler, besonders Plutonium-238, eingesetzt.

Eine andere technische Anwendung ist die Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung. Hierbei wird ein Material (mit Gamma-Strahlen) bestrahlt und ein Zähler ermittelt aufgrund der durchdringenden Strahlen und des Absorptionsgesetzes die mittlere Dichte (bei bekannter Schichtdicke) oder die Schichtdicke bei bekannter Dichte. Die Strahlung kann auch auf einem Röntgenfilm hinter der Materialschicht ein Bild erzeugen. In dieser Form wird die Durchstrahlungsprüfung bei Werkstoffen angewandt.

Bei Uhren und anderen radioaktiven Lichtquellen wird die leuchtende Eigenschaft „Lumineszenz“, die durch Beigabe von radioaktiven Substanzen (Tritium, früher Radium oder Promethium) zu Zinksulfidkristallen erreicht wird, genutzt.

Es wurden auch Blitzableiter mit radioaktiven Material hergestellt, deren Wirksamkeit aber nie bewiesen werden konnte (Radioaktiver Blitzableiter).

Medizinische Anwendung

In der Nuklearmedizin findet man die Szintigraphie. Dabei werden geringe Mengen eines radioaktiven Stoffes in den Körper injiziert (meist $\gamma$-Strahler). Dieser Stoff strahlt dann aus dem Körper heraus, dadurch wird eine Untersuchung möglich. Die Strahlen werden von einem Detektor aufgefangen und mittels einer Gammakamera oder eines Computertomographen bildlich dargestellt.

Für jedes Organ gibt es spezielle radioaktive Verbindungen. So injiziert man zum Beispiel radioaktives Iod, das sich in der Schilddrüse anlagert, um sie untersuchen zu können. (Aufgrund der Strahlenbelastung wird diese Methode heute nur noch zur Tumorbekämpfung angewandt).

Weitere bildgebende Verfahren, die Radioaktivität nutzen, sind die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT).

Ein weiteres Einsatzfeld ist die Radionuklidbehandlung zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen. Hier wird in krankhaften Knochenbereichen der Metastase ein Radionuklid angereichert, was eine schmerzlindernde Wirkung hat. Diese Methoden haben auch ein gewisses Risiko, da auch gesundes Gewebe zerstört werden kann, was zu einer Immunschwächung oder Funktionsstörung des Knochenmarks führen kann.

Biologische Wirkung

Der Mensch kann ionisierende Strahlung, ob aus radioaktiven oder anderen Quellen, nicht direkt wahrnehmen. Für einen wirksamen Strahlenschutz beim Umgang mit radioaktiven Materialien ist daher besondere Sorgfalt und ggf. der Einsatz von Messeinrichtungen (Dosimetern) erforderlich.

Hinsichtlich der Gefährlichkeit von Radioaktivität müssen zwei verschiedene Risiken unterschieden werden: 1. die Strahlenbelastung selbst, 2. die Kontamination (Verunreinigung) mit radioaktivem Material, die unter Umständen zu lange andauernder Bestrahlung führen kann, insbesondere z.B. bei Kontamination der Haut von Personen oder gar Aufnahme radioaktiver Substanz in den Körper durch Einatmen (Inhalation) oder Essen/Trinken (Ingestion).

Diese beiden Begriffe werden in Berichterstattung und Öffentlichkeit oft verwechselt. Entsprechend wird beispielsweise der Begriff "verstrahlt" falsch anstatt kontaminiert benutzt; Verstrahlung bedeutet - analog der Verbrennung - eine durch Bestrahlung hervorgerufene erhebliche Schädigung oder Verletzung.

Die Strahlenbelastung für Lebewesen wird als effektive Dosis oder Äquivalentdosis in der Einheit Sievert gemessen (s. oben). Darin wird die unterschiedliche Schädlichkeit von $\alpha$-,$\beta$- und $\gamma$-Strahlen sowie die unterschiedliche Empfindlichkeit einzelner Gewebe berücksichtigt.

Unmittelbar beobachtbare (akute) Strahlenwirkungen (Strahlenkrankheit) treten beim Menschen erst bei sehr hohen kurzfristigen Äquivalentdosen ab 0,5 Sv auf. Auch wesentlich geringere Strahlendosen führen jedoch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu Langzeitfolgen (Krebs oder Erbschäden).

natürliche Strahlenbelastung

Jeder Mensch ist natürlicher Strahlenbelastung ausgesetzt. Ein kleiner Teil davon geht auf ständig vorhandene Radionuklide im eigenen Körper zurück (beim Erwachsenen rund 8000 Bq, hauptsächlich Kohlenstoff-14 und Kalium-40). Die übrige, äußere natürliche Strahlenbelastung stammt etwa zur Hälfte von aus dem Erdboden austretendem Radon und seinen Zerfallsprodukten, daneben auch von Kalium-40 (in Baustoffen) und einigen anderen Nukliden.

siehe auch

Strahlenrisiko

Weblinks

• Mineralienatlas Radioaktivität
• Real Video: Was ist Radioaktivität? (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)