Radioaktivität ist die Emission von Strahlung durch instabile Kerne. Diese Strahlung kann in Form von subatomaren Teilchen (vor allem Alpha- und Betateilchen) oder in Form von Energie (vor allem Gammastrahlen) auftreten.
Die Radioaktivität wurde 1896 zufällig von dem französischen Physiker Henri Becquerel (1852-1908) entdeckt. In den Jahrzehnten nach Becquerels Entdeckung brachte die Erforschung der Radioaktivität revolutionäre Durchbrüche in unserem Verständnis der Natur der Materie und führte zu einer Reihe wichtiger praktischer Anwendungen. Zu diesen Anwendungen gehört eine Vielzahl neuer Geräte und Techniken, die von Kernwaffen und Kernkraftwerken bis hin zu medizinischen Techniken reichen, die zur Diagnose und Behandlung schwerer Krankheiten eingesetzt werden können.
Stabile und instabile Kerne
Der Kern aller Atome (mit Ausnahme von Wasserstoff) enthält ein oder mehrere Protonen und ein oder mehrere Neutronen. Der Kern der meisten Kohlenstoffatome enthält z. B. sechs Protonen und sechs Neutronen. In den meisten Fällen sind die Atomkerne stabil, das heißt, sie verändern sich nicht von selbst. Ein Kohlenstoffkern wird auch in hundert Jahren (oder in einer Million Jahren) noch genauso aussehen wie heute.
Aber manche Kerne sind instabil. Ein instabiler Kern ist ein Kern, der spontan eine innere Veränderung erfährt. Bei dieser Veränderung gibt der Kern ein subatomares Teilchen oder einen Energiestoß oder beides ab. Ein Beispiel: Das Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-14 hat einen Kern, der aus sechs Protonen und acht (statt sechs) Neutronen besteht. Ein Kern, der ein Teilchen oder Energie abgibt, wird als radioaktiver Zerfall oder einfach als Zerfall bezeichnet.
Words to Know
Alphateilchen: Der Kern eines Heliumatoms, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen.
Betateilchen: Ein Elektron, das von einem Atomkern emittiert wird.
Gammastrahlung: Eine hochenergetische Form der elektromagnetischen Strahlung.
Isotope: Zwei oder mehr Formen eines Elements mit gleicher Anzahl von Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen in ihren Atomkernen.
Kern (Atomkern): Der Kern eines Atoms, der gewöhnlich aus einem oder mehreren Protonen und Neutronen besteht.
Radioaktiver Zerfall: Der Vorgang, bei dem ein Atomkern Strahlung abgibt und sich in einen neuen Kern verwandelt.
Radioaktive Familie: Eine Gruppe von radioaktiven Isotopen, bei der der Zerfall eines Isotops zur Bildung eines anderen radioaktiven Isotops führt.
Stabile Kerne: Ein Atomkern, der keine spontanen Veränderungen erfährt.
Subatomares Teilchen: Grundeinheit von Materie und Energie (Proton, Neutron, Elektron, Neutrino und Positron), die kleiner als ein Atom ist.
Instabiler Atomkern: Ein Atomkern, der spontan eine innere Veränderung erfährt.
Die Wissenschaftler sind sich nicht ganz im Klaren darüber, was einen Kern instabil macht. Es scheint, dass einige Kerne eine überschüssige Anzahl von Protonen oder Neutronen oder ein Übermaß an Energie enthalten. Diese Kerne stellen das für sie notwendige Gleichgewicht von Protonen, Neutronen und Energie wieder her, indem sie ein subatomares Teilchen oder einen Energiestoß abgeben.
Bei diesem Vorgang ändert der Kern seine Zusammensetzung und kann sogar ein völlig anderer Kern werden. Zum Beispiel gibt ein Kohlenstoff-14-Kern bei seinem Versuch, Stabilität zu erreichen, ein Betateilchen ab. Nachdem der Kohlenstoff-14-Kern das Betateilchen verloren hat, besteht er aus sieben Protonen und sieben Neutronen. Aber ein Kern, der aus sieben Protonen und sieben Neutronen besteht, ist nicht mehr ein Kohlenstoffkern. Er ist jetzt der Kern eines Stickstoffatoms. Durch die Abgabe eines Betateilchens hat sich das Kohlenstoff-14-Atom in ein Stickstoffatom verwandelt.
Strahlungsarten
Die von einem radioaktiven Kern am häufigsten ausgesandten Strahlungsarten werden Alpha-Teilchen, Beta-Teilchen und Gammastrahlen genannt. Ein Alphateilchen ist der Kern eines Heliumatoms. Er besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Betrachten wir den Fall eines Radium-226-Atoms. Der Kern eines Radium-226-Atoms besteht aus 88 Protonen und 138 Neutronen. Wenn dieser Kern ein Alphateilchen abgibt, muss er die zwei Protonen und zwei Neutronen verlieren, aus denen das Alphateilchen besteht. Nach Aussendung des Alphateilchens enthält der verbleibende Kern nur noch 86 Protonen (88 – 2) und 136 Neutronen (138 – 2). Dieser Kern ist der Kern eines Radonatoms, nicht eines Radiumatoms. Durch die Aussendung eines Alphateilchens hat sich das Radium-226-Atom in ein Radonatom verwandelt.
Die Emission von Betateilchen aus Kernen war für viele Jahre eine Quelle der Verwirrung für Wissenschaftler. Ein Betateilchen ist ein Elektron. Das Problem ist, dass Elektronen nicht in den Atomkernen existieren. Sie befinden sich zwar außerhalb des Kerns, aber nicht in ihm selbst. Wie ist es dann möglich, dass ein instabiler Kern ein Betateilchen (Elektron) abgibt?
Die Antwort ist, dass das Betateilchen entsteht, wenn ein Neutron im Inneren des Atomkerns auseinanderbricht und ein Proton und ein Elektron bildet:
Neutron → Proton + Elektron
Erinnere dich daran, dass ein Proton eine einzige positive Ladung und das Elektron eine einzige negative Ladung trägt. Das bedeutet, dass ein Neutron, das überhaupt keine elektrische Ladung trägt, auseinanderbrechen kann, um zwei neue Teilchen (ein Proton und ein Elektron) zu bilden, deren elektrische Ladungen sich zu Null addieren.
Erinnern Sie sich an das bereits erwähnte Beispiel von Kohlenstoff-14. Ein Kohlenstoff-14-Kern zerfällt, indem er ein Betateilchen abgibt. Das bedeutet, dass ein Neutron des Kohlenstoff-14-Kerns auseinanderbricht und ein Proton und ein Elektron bildet. Das Elektron wird als Betastrahlung abgegeben, und das Proton bleibt im Kern zurück. Der neue Kern enthält sieben Protonen (seine ursprünglichen sechs plus ein neues Proton) und sieben Neutronen (seine ursprünglichen acht reduziert um den Zerfall eines).
Der Verlust eines Alphateilchens oder eines Betateilchens aus einem instabilen Kern geht oft mit dem Verlust eines Gammastrahls einher. Eine Gammastrahlung ist eine Form von hochenergetischer Strahlung. Sie ähnelt der Röntgenstrahlung, hat aber eine etwas höhere Energie. Einige instabile Kerne können nur durch die Emission von Gammastrahlen zerfallen. Wenn sie die von den Gammastrahlen mitgeführte Energie verloren haben, werden sie stabil.
Natürliche und synthetische Radioaktivität
Viele radioaktive Elemente kommen in der Natur vor. Tatsächlich sind alle Elemente, die schwerer sind als Bismut (Ordnungszahl 83), radioaktiv. Sie haben keine stabilen Isotope.
Die schwersten der radioaktiven Elemente sind an Sequenzen beteiligt, die als radioaktive Familien bekannt sind. Eine radioaktive Familie ist eine Gruppe von Elementen, in der der Zerfall eines radioaktiven Elements ein anderes Element erzeugt, das ebenfalls radioaktiv ist. Ein Beispiel: Das Hauptisotop einer radioaktiven Familie ist Uran-238. Wenn Uran-238 zerfällt, bildet es Thorium-234. Aber auch Thorium-234 ist radioaktiv. Wenn es zerfällt, bildet es Protactinium-234. Protactinium-234 wiederum ist ebenfalls radioaktiv und zerfällt zu Uran-234. Dieser Prozess setzt sich in weiteren elf Schritten fort. Schließlich zerfällt das Isotop Polonium-210 zu Blei-206, das stabil ist.
Viele leichtere Elemente haben ebenfalls radioaktive Isotope. Einige Beispiele sind Wasserstoff-3, Kohlenstoff-14, Kalium-40 und Tellur-123.
Radioaktive Isotope können auch künstlich hergestellt werden. Das übliche Verfahren ist der Beschuss eines stabilen Kerns mit Protonen, Neutronen, Alpha-Teilchen oder anderen subatomaren Teilchen. Der Beschuss kann mit Teilchenbeschleunigern (Atomzertrümmerern) oder in Kernreaktoren durchgeführt werden. Wenn eines der beschossenen Teilchen (Kugeln) auf einen stabilen Kern trifft, kann es dazu führen, dass dieser Kern instabil wird und daher radioaktiv wird.