Kernumwandlung und radioaktivität (kernphysik)
Durch einen Zufall entdeckte Antoine Henri Becquerel 1896 das erste mal radioaktive Strahlungen. Er bemerkte, dass lichtdicht verpackte Fotoplatten durch in der nähe befindliche Uransalze schwarz wurden. Diesen Zufall untersuchten Marie und Pierre Curie genauer. Sie entdeckten 1898 die Elemente Polonium und das bedeutend stärker strahlende Radium. Im selbem Jahr wies G.C.
Schmidt solche Strahlungen auch bei Thorium nach. Diese Srahlung lies sich weder durch chemische, noch durch physikalische Einwirkungen beeinflussen. Die Strahlung die dabei entsteht nennt man heute Radioaktivität. Es gibt drei Arten von Strahlungen: die Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Sie alle entstehen durch instabile Atomkerne, die versuchen, sich zu stabilisieren.
Alphastrahlung
So werden zum Beispiel bei der Alphastrahlung von einem instabilen Kern zwei Protonen und zwei Neutronen mit einer Geschwindigkeit von 15.
000 km/s ausgesandt. Die dadurch ausgesandten Atomkerne nennt man deswegen auch Alphateilchen. Dadurch verliert das Atom an einer Kernladung von 2 und wird zu einem anderen chemischen Element. Die Bestandteile, die ausgesandt werden hat zwar auch der Kern eines Heliumatoms, aber da noch keine Elektronen vorhanden sind, die eine Atomhülle bilden, entsteht noch kein Helium. Der Atomkern ist aber, trotz der Aussendung des Heliumkerns, immernoch nicht stabil. Deswegen gibt er ein Elektron aus der Atomhülle an die Umgebung ab, das sich, wenn sich der gesamte Vorgang der Alphastrahlung in einem geschlossenen Behälter abspielt, mit dem Heliumkern verbindet und ein komplettes Atom bildet.
Unter anderem entsteht so Helium.
Betastrahlung
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie die Betastrahlung Zustande kommt. Den Beta- - und den Beta+- Zerfall.
Beim Beta- - Zerfall wird aus einem Radionuklid ein Elektron ausgesandt. Es kommt aus dem Kern des Atoms, was nur durch eine Elementarteilchen-Umwandlung geschehen kann. In diesem Fall wandelt sich ein neutral geladenes Neutron in ein positiv geladenes Proton und ein negativ geladenes Elektron um.
Das Elektron wird aus dem Kern geschleudert und das Proton bleibt dort. Auf diese Weise erhält der Kern eine zusätzliche Kernladung von 1, behält aber seine Masse bei. Er stabilisiert sich.
Beim Beta+- Zerfall wird aus einem Radionuklid ein positiv geladenes Elektron, Positron genannt, ausgesandt. Auch hier geschieht eine Elementarteilchen-Umwandlung. In diesem Fall wandelt sich ein positiv geladenes Proton in ein Neutron und ein Positron um.
Danach wird das Positron aus dem Kern geschleudert und das neutrale Neutron bleibt dort. Die ausgesandten Elektronen bzw. Positronen nennt man deswegen auch Beta-- und Beta+-Teilchen. Durch den Zerfall verliert der Kern an einer Kernladung von 1, die Masse bleibt jedoch, wie beim Beta--Zerfall gleich. Auch hier stabilisiert sich der Kern.
Gammastrahlung
Bei allen Arten von radioaktivem Zerfall gibt ein Atomkern auch überschüssige Energie ab.
Zum Teil tut er dies, indem er die Alpha-, oder Beta-Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausschleudert und zum Teil tut er es durch die Gammastrahlung. Gammstrahlen sind dem Licht sehr ähnlich, nur dass sie viel energiereicher sind. Im Grunde sind Gammastrahlen genau das, was beim Röntgen verwendet wird. Sie haben keine Masse und bestehen aus purer Energie. Wenn so genannte Gammaquanten (Portionen aus Gammastrahlen) ausgesandt werden, verliert der Atomkern weder an Kernladung, noch an Masse. Er geht bloß in einen stabileren Energiezustand über.
Elektroneneinfng
So wie sich Elementar-Teilchen umwandeln können und in sich in zwei Teile aufspalten, können sich auch zwei Elementar-Teilchen einfangen lassen und zusammenfügen. Das kann zum Beispiel passieren, wenn ein Elektron auf einen Atomkern trifft und sich dort mit einem Proton zu einem Neutron verbindet. Dadurch verliert der Atomkern an einer Kernladung von 1, behält aber die Masse bei.
Protonen- und Neutronenstrahlen
Bei der ersten künstlichen Kernumwandlung wurde folgendes beobachtet:
Ein Alphateilchen, also ein Heliumkern dringt in den Kern eines Atoms ein und verschmilzt damit zu einem (stark instabilen) Zwischenkern, der sofort dananch zerfällt. Abhängig vom benutzten Element gibt dieser Zwischenkern entweder ein Proton ab und wird zu einem anderen chemischen Element, da die Kernladungszahl (oder Ordnungszahl) um 1 sinkt, oder der Zwischenkern gibt ein Neutron ab und ändert seine Massenzahl, jedoch nicht die Kernladungszahl. Das Element bleibt das selbe.
Da bei einer Neutronenaussendung noch überschüssige Energie vorhanden ist, werden auch noch Gammastrahlen abgegeben. Einzelne ausgesandte Protonen bilden den Protonenstrahl, einzelne ausgesandte Neutronen bilden den Neutronenstrahl.
Halbwertszeit
Bei einem einzelnen radioaktiven Atomkern (Radionuklid) kann man nicht vorhersagen, wann er zerfällt. Wenn man jedoch eine große Menge Atome hat, kann man anhand der Halbwertszeit ungefähr vorhersagen, wann die Atome zerfallen. Das bedeutet, dass nach einer bestimmten Halbwertszeit die Hälfte der Atome zerfällt. Nach einer weiteren Halbwertszeit zerfällt von dieser Hälfte wieder die Hälfte und davon wieder die Hälfte und so geht es immer weiter, bis sich die gesamten Atome stabilisiert haben.
Dies ist aber nur schwer vorstellbar, da die Halbwertszeit bei einigen Elementen Milliarden von Jahren dauern kann, aber bei bestimmten Stoffen auch nur wenige Nanosekunden, bis dies geschehen ist. Bei radioaktivem Wasserstoff, der aus drei Elementar-Teilchen z.B beträgt die Halbwertszeit 12,3 Jahre, die sich immer wiederholen und sich jeweils die Hälfte der Radionuklide stabilisiert.
Aktivität und Spezifische Aktivität
Aktivität und Spezifische Aktivität sind wichtig, um herauszubekommen, wieviele Radionuklide sich in einer bestimmten Zeit stabilisieren und zerfallen. Wenn man mehrere radioaktive Substanzen auf Aktivität vergleicht, weiß man, welches stärker strahlt. Man zählt einfach die Zerfalle der einzelnen Atomkerne auf einem bestimmten Volumen oder auf einer bestimmten Masse in einer vorgegebenen Zeit.
Das Element, das am häufigsten in dieser Zeit zerfällt, strahlt am stärksten.
Die Einheit für die Aktivität ist Becquerel (Bq). Dabei unterscheidet man unter Spezifischer Aktivität, die in Becquerel pro kg (Bq/kg) bzw. Bq/g, Bq/mg etc. gemessen wird (Aktivität in bestimmter Masse) und unter Aktivitätskonzentration, die in Becquerel pro m³ (Bq/m³) bzw. Bq/cm³, Bq/mm³ etc.
gemessen wird (Aktivität in bestimmtem Volumen).
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