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Strahlungsarten

Radioaktivität? Wissenschaftler bezeichnen mit Radioaktivität die natürliche oder künstliche Umwandlung von Nukliden unter Aussendung von Strahlung. Was das genau bedeutet, erläutert dieses Dossier. Übrigens gibt es ganz verschiedene Arten von Strahlung (Alpha-, Beta-, Gamma- und Neutronenstrahlung) - mit allen wird uns dieses Dossier bekanntmachen. Und wir erfahren, dass man freiwerdende Strahlung zu ganz unterschiedlichen Zwecken nutzen kann. Doch fangen wir von Anfang an: Mit der Entdeckung der Radioaktivität.

Radioaktivität und Zauberei

Wie kann man sich diese Verwandlung von Elementen vorstellen? Ein bisschen ist das so, als ob ein Pfirsich auf dem Tisch plötzlich seinen Kern ausspuckt und dadurch zum Apfel würde.


 

In unserer Alltagswelt klingt das nach Zauberei - in der Welt der Atome sind solche und ähnliche Verwandlungen aber möglich und an der Tagesordnung. Das Metall Radium zum Beispiel kann sich unter Aussendung von Strahlung in das radioaktive Gas Radon verwandeln. Dieses wiederum kann sich in Polonium umwandeln, das zuletzt zu Blei wird. Solche Ketten nennt man "radioaktive Zerfallsreihen". Strahlung kann aber auch von Kernen abgestrahlt werden, ohne dass diese sich in ein anderes Element umwandeln - sie werden dann nur Energie los.

Zerfallsreihen

Zerfallsreihen können oft über viele Elemente hinweg reichen. Ein Beispiel für eine lange Zerfallsreihe ist die von radioaktivem Zinn (Sn-131), das sich Schritt für Schritt in vier verschiedene Elemente verwandelt, bis es bei einem stabilen Isotop des Edelgases Xenon (Xe-131) landet.

 

Die Radioaktivität wird entdeckt

Möglicherweise war es ein Zufall: Ende des 19. Jahrhunderts experimentierte der französische Physiker Henri Becquerel mit uranhaltigen Gesteinsproben und fand dabei heraus, dass das Gestein eine seltsame Strahlung aussandte. Es war radioaktiv. Heute wissen wir: Von den in der Natur vorkommenden Elementen haben etwa 42 Elemente insgesamt über 90 radioaktive Nuklide.

Warum zerfallen diese Nuklide?

In radioaktiven Nukliden verwandeln sich einzelne Atomkerne in andere Atomkerne, weil sie „zu schwer“ sind, um stabil zu bleiben. Dabei senden sie zum Beispiel Elektronen oder Pakete aus Neutronen und Protonen – Heliumkerne – aus. Diese Teilchen lassen sich in speziellen Geräten nachweisen, zum Beispiel kann man sie in einer Nebelkammer „sichtbar“ machen.

Entdeckung durch Zufall


Foto: American Institute of Physics

Henri Becquerel hatte Gesteinsproben auf einer Fotoplatte liegen lassen. Die Fotoplatten steckten dabei in Hüllen, die sie vor Licht schützten. Nach dem Entwickeln der Platten stellte er fest, dass das Uranerz die Fotoplatten geschwärzt hatte, genau wie Licht. Die seltsame Strahlung durchdrang mühelos Papier. Durch äußere Einflüsse schien sich der Vorgang nicht beeinflussen zu lassen.
Becquerel nannte das Phänomen „Uran-Strahlung”. Den Begriff „Radioaktivität” erfand einige Jahre später seine Kollegin Marie Curie, als sie das gleiche Phänomen noch bei weiteren Stoffen nachweisen konnte.

Marie Curie

Marie Curie war nicht nur eine sehr starke Persönlichkeit, sondern auch eine Forscherin mit extremem Durchhaltevermögen. Jahrelang analysierte sie das natürliche Mineral „Pechblende” in einem alten, zugigen Holzschuppen, der ihr und ihrem Mann als Labor diente. Dabei fand sie heraus, welche radioaktiven Stoffe in der Pechblende stecken. Einen dieser Stoffe nannte sie nach ihrer Heimat Polen „Polonium”, den anderen „Radium”.

Nebelkammer

In der Nebelkammer werden die Spuren der beim radioaktiven Zerfall ausgesandten Teilchen sichtbar gemacht. Wenn das Teilchen eine elektrische Ladung besitzt, dann bewegt es sich bei einem angelegten Magnetfeld auf Kreisbahnen.

Bei einer Nebelkammer handelt es sich um ein Gefäß, das mit einem wasserdampfgesättigten Gas, z. B. Luft, gefüllt ist. Die Bahnen von Teilchen werden darin als Nebelspuren sichtbar, weil die Teilchen die Gasmoleküle ionisieren und diese dann als Kondensationskerne dienen. Rund um die ionisierten Gasmoleküle bilden sich auf diese Weise winzige Tröpfchen, und man kann die Bahn des Teilchens verfolgen. Das sieht so ähnlich aus wie die „Kondensstreifen”, die Flugzeuge mit den Triebwerken hoch am Himmel erzeugen.

Meistens legt man an eine Nebelkammer zusätzlich ein Magnetfeld an: So erkennt man, ob das Teilchen geladen ist. Positiv geladene Teilchen drehen Spiralbahnen in die eine Richtung, negativ geladene Teilchen in die entgegengesetzte Richtung. Je enger eine Spirale ist, desto kleiner war die Energie des einfallenden Teilchens.

Beim Nebelkammerspiel können wir jetzt unser Wissen unter Beweis stellen:

 

Drei Strahlungsarten und zwei Sonderfälle

Wie wir bereits anhand der Nebelkammer gesehen haben, gibt es offensichtlich unterschiedliche Strahlungsarten: Manche Strahlung besteht zum Beispiel aus geladenen Teilchen, andere aus ungeladenen.

Drei Arten von Strahlung hat man mit eigenen Namen versehen, nach den Anfangsbuchstaben des griechischen Alphabets: Die Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung. Diese drei Arten Strahlung lernen wir im Folgenden kennen, zusammen mit Anwendungen. Danach werfen wir noch einen Blick auf eine vierte Strahlung: Die Neutronenstrahlung. Und eine Umwandlungsart, bei der kein Teilchen emittiert sondern eingefangen wird.

Die Alpha-Strahlung

Beim Alpha-Zerfall spucken große Atomkerne kleinere Atomkerne aus - nämlich die des Elements Helium: Diese so genannten Alpha-Teilchen bestehen aus jeweils zwei positiv geladenen Protonen und zwei neutralen Neutronen. Ein Beispiel für einen Alpha-Strahler ist Radium-226. Es zerfällt in Radon-222.

Die Alpha-Teilchen haben eine ziemlich große Geschwindigkeit: Zwischen 15.000 bis 20.000 Kilometer pro Sekunde! Allerdings besitzt die Strahlung nur eine geringe Reichweite und lässt sich schon durch ein Blatt Papier oder eine dünne Alu-Folie abschirmen.

Trotzdem gilt sie als ausgesprochen gesundheitsschädlich. Alphastrahlung steht zum Beispiel im Verdacht, bei Rauchern für die Entstehung von Lungenkrebs mitverantwortlich zu sein.

Sie ist aber auch nützlich: Im täglichen Leben werden schwache Alpha-Strahler zum Beispiel in Rauchmeldern eingesetzt.

Radium-226 - ein Alpha-Strahler

Radium-226 ist ein Alpha-Strahler: Beim Zerfall des Kerns wird ein Heliumkern weggeschleudert, übrig bleibt Radon-222.

In einer Reaktionsgleichung sieht das so aus:
 

226 und 88 neben dem Radium bedeuten: Radium hat eine Massenzahl von 226 und eine Kernladungszahl von 88 - also 226 Kernbausteine, von denen 88 positiv geladene Protonen sind. Der Rest, also 226 - 88 = 138 Kernteilchen, besteht aus Neutronen ohne Ladung. Die Kernladungszahl entscheidet übrigens darüber, um welches Element es sich bei einem Kern handelt.

Beim Alpha-Zerfall spaltet sich ein Heliumkern mit vier Kernbausteinen ab: zwei Protonen und zwei Neutronen. Da die Summen von Massen- und Kernladungszahl auf beiden Seiten der Gleichung gleich sein müssen, besitzt das neue Element eine Massenzahl von 226 - 4 = 222. Die Kernladungszahl liegt bei 88 - 2 = 86. Es ist also Radon-222 entstanden.

Lungenkrebs durch Alpha-Strahlung?

Wer raucht, der verstrahlt sich von innen: Alpha-Strahlung findet sich nämlich auch im Zigarettenrauch. In der Natur vorhandenes radioaktives Polonium 210 lagert sich an den Härchen der Tabakblätter ab und wird beim Rauchen in die Lunge gesogen. Wegen der geringen Reichweite der Alpha-Strahlung wird die gesamte Energie vom Körper aufgenommen - in den Bronchien eines Rauchers kann man das Drei- bis Vierfache der normalen Menge des Stoffes nachweisen.


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Rauchdetektor

 

Manche Rauchmelder enthalten Alpha-Strahler. Feueralarm durch Alpha-Strahlung? Das geht, wenn man sich die speziellen Eigenschaften vor Augen führt. Rauchmelder auf Alpha-Basis bestehen aus einer schwachen Americium-Quelle und einem Detektor. Beides ist in einem Kunststoffgehäuse eingeschlossen, das die Strahlung so gut wie komplett abschirmt.

Geraten Rauchteilchen zwischen Quelle und Detektor, so schirmen diese ebenfalls einen Teil der Strahlung ab - der Detektor registriert, dass weniger Strahlung ankommt und schlägt Alarm. Die geringe Menge an Americium gilt zwar als unschädlich. Trotzdem arbeiten moderne Melder mit Lichtstrahlen statt der radioaktiven Quelle.

In der Zerfallsgleichung für den Rauchmelder fehlen Massen- und Kernladungszahl des Americiums. Versuchen wir einmal, sie ergänzen? Das Zerfallsprodukt nennt man übrigens Neptunium.


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Die Beta-Strahlung

Beim Beta-Zerfall werden in der Regel negativ geladene Elektronen aus dem Kern geschleudert. Man spricht dann vom Beta-Minus-Zerfall. (Es gibt auch einen Beta-Plus-Zerfall, doch der ist unter den natürlichen Radionukliden viel seltener.) Die Elektronen, die die Strahlung ausmachen, kommen übrigens nicht aus dem Nichts: Sie entstehen dadurch, dass sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt:

Das Proton bleibt im Kern, das Elektron wird weggeschleudert. Das ist zum Beispiel beim Cäsium-137 der Fall. Es entsteht Barium-137. Die Reichweite von Beta-Strahlung kann in Luft mehrere Meter betragen, abschirmen lässt sie sich durch Aluminium- oder Kunststoffplatten von einigen Millimetern Dicke. Die Geschwindigkeit der Teilchen kann dabei von nahezu null bis zu Lichtgeschwindigkeit betragen.

Im täglichen Leben trifft man Beta-Strahler als strahlentherapeutische Maßnahme: Krebsgeschwüre unter der Hautoberfläche können so bestrahlt werden. Bei der C14-Methode spielt die Beta-Strahlung ebenfalls eine Rolle: Sie misst die C14-Reste, die über die Jahrtausende beim Zerfall übrigbleiben. Mit ihnen kann man das Alter von archäologischen Fundstücken bestimmen.

Cäsium-137 - ein Beta-Minus-Strahler

 

Der Beta-Plus-Zerfall

Beim Beta-Plus-Zerfall werden Positronen - so zusagen „positive Elektronen” - aus dem Kern geschleudert. 

Bei der Beta-Plus-Strahlung wird im Kern aus einem Proton ein Neutron sowie ein Positron:

Natrium-22 ist ein solcher Beta-Plus-Strahler.

Beta-Plus-Strahlung durch Natrium-22

Natrium-22 ist ein Beta-Plus-Strahler. Bei der Umwandlung entstehen im Kern aus einem Proton ein Neutron sowie ein Positron, das den Kern verlässt.

Es entsteht Neon-22:
Jetzt geht es ins Labor: Irgendein seltsamer Stoff zerfällt hier. Nur welcher?
(Start der Animation durch Überfahren des Stoffes mit der Maus)

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Leuchten durch Strahlung

Die Leuchtziffern von Uhren enthalten auch heute noch manchmal kleine Mengen Tritium. Das ist ein Beta-Strahler. Treffen die Elektronen, die das Tritium abstrahlt, auf ein fluoreszierendes Material (z. B. Zinksulfid), so regen sie dieses zum Leuchten an.

Früher benutzte man das stärker strahlende Radium, um die Uhren leuchten zu lassen. Nach einer Serie von Todesfällen in den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts unter den Arbeiterinnen, die in den USA die Ziffern auf die „Radium-Watch” aufmalten, wurde der Stoff aber vom Markt genommen.

Sag mir noch, wie alt Du bist… - die C14-Methode

Wie alt ist eigentlich der Neandertaler? Bei der Suche nach Antworten auf solche Fragen macht man sich die Tatsache zunutze, dass instabile Elemente mit einer bestimmten statistischen Wahrscheinlichkeit zerfallen.

Die Altersbestimmung geht so: Lebende Organismen, also Menschen, Tiere oder Pflanzen, enthalten einen bestimmten Anteil des instabilen Kohlenstoff-14 (C14), der immer wieder neu aus der Umwelt aufgenommen wird. Nach dem Tod oder dem Absterben kann kein neuer Kohlenstoff-14 mehr aufgenommen werden, und der vorhandene Anteil zerfällt (Beta-Minus-Zerfall) zu Stickstoff-14. Allerdings ziemlich langsam: Man weiß, dass nach 5.730 Jahren genau die Hälfte der ursprünglich vorhandenen C14-Atome noch vorhanden sind.

Wollen Wissenschaftler also bei einer Probe herausfinden, wie alt sie ist, dann reicht es aus, zu bestimmen, welcher Anteil des C14 in ihr noch nicht zerfallen ist. Das Alter lässt sich daraus zurückrechnen - und weil Kohlenstoff so langsam zerfällt, geht das bis zu einem Alter von etwa 50.000 Jahren.

Das lässt sich auch mal ausprobieren! 

Wie man die C14-Methode anwendet

Aufgabe: Auf einem Acker finden wir beim Spaziergang diesen Totenschädel. Die Analyse mit unserem in unsere Computermaus eingebauten C14-Detektor zeigt an, wie viel Prozent C14 noch im Fundstück übrig sind. Und es stellt sich die Frage: Wie alt ist der Schädel eigentlich?


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Die Gamma-Strahlung

Gamma-Strahlung kann als elektromagnetische Welle bezeichnet werden und gleicht daher vom Wesen her der Röntgenstrahlung und dem sichtbaren Licht. Wesentlicher Unterschied: Röntgenstrahlung hat ihren Ursprung in der Atomhülle, Gamma-Strahlung im Kern.

Gamma-Strahlung tritt oft auf, wenn beim Alpha- oder Beta-Zerfall überschüssige Energie in Form von Strahlung abgegeben werden muss. Sehr oft entsteht sie, wenn ein Atomkern aus einem energiereichen in einen energieärmeren Zustand zurückfällt, zum Beispiel beim Barium-137m. Gamma-Strahlung tritt in Kernkraftwerken sowohl unmittelbar bei der Spaltung, als auch durch Energieabgabe der bei der Spaltung entstandenen Spaltprodukte auf.

Genau wie Licht breitet sich Gamma-Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus. Sie hat eine viel höhere Reichweite als Alpha- oder Beta-Strahlung: Um sie abzuschirmen, braucht man - abhängig von ihrer Energie - Bleischilde mit einer Dicke von mindestens 20 Zentimetern oder Betonwände von mindestens einem Meter Dicke.

Gamma-Strahlung wird zum Beispiel in der Krebstherapie eingesetzt. In vielen Ländern benutzt man sie außerdem, um Lebensmittel haltbar zu machen.

Barium-137m - ein Gamma-Strahler

Die Gamma-Strahlung hat die gleiche Natur wie das sichtbare Licht. Sie bildet das kurzwellige Ende des elektromagnetischen Spektrums. Ihre Wellen haben die höchsten Frequenzen und die höchsten Energien. Wie das sichtbare Licht wird sie in einzelnen "Portionen" Photonen, Quanten abgegeben.

Gamma-Strahlung entsteht bei radioaktiven Vorgängen in Atomkernen und wenn Materie und Antimaterie sich zu reiner Energie verdichten. Sehr häufig tritt sie nach einem Alpha- oder Betazerfall auf.

Barium-137m bleibt auch nach der Abgabe der Gamma-Strahlung Barium. Nur Energie wird als Gamma-Teilchen abgegeben.

Gleichartige Atomkerne können verschieden viel Energie in sich tragen. Die energiereicheren Zustände nennt man „angeregt”, manchmal werden solche angeregten Zustände durch den Zusatz "m" (m = metastabil) gekennzeichnet. Fällt der Barium-137m-Kern aus dem angeregten in den stabileren Grundzustand zurück, so wird die überflüssige Energie als Gamma-Strahlung aus dem Kern ausgestoßen. Da Zahl und Ladung der Teilchen im Kern dabei nicht verändert werden, bleiben auch Massen- und Kernladungszahl unverändert.

Krebstherapie mit Gamma-Strahlung

Gamma-Strahlung kann menschliche Zellen schädigen: Sie zerschlägt die DNA-Stränge im Zellkern; daraufhin stirbt die Zelle ab. Das kann man in der Krebstherapie einsetzen. Besonders anfällig gegen Strahlenwirkung sind Zellen in der Teilungsphase. Da sich Krebszellen häufiger teilen als gesunde Zellen, sind sie strahlenempfindlicher. Nun muss die Dosis so hoch sein, dass die Zellen absterben und sich nicht nach der Bestrahlung reproduzieren können. Zudem dringt die Gamma-Strahlung tief in den Körper ein und erreicht so auch unzugängliche Tumore. Als Strahlungsquellen werden dabei Kobalt-60 oder Linearbeschleuniger (Beta- und Gamma-Strahler) benutzt.

Um die Wirkung noch besser auf einen Tumor fokussieren zu können, werden „Strahlenkanonen” verwendet, die Strahlung von verschiedenen Seiten auf den Körper richten. Im Bereich des Krebsgewebes treffen sie sich und entfalten nur hier die volle Wirkung.

Bestrahlung von Lebensmitteln

Lebensmittel kann man mit Gamma-Strahlung haltbar machen: Sie dringen durch Äpfel oder Gewürze und töten dabei Krankheitserreger oder Ungeziefer ab. Allerdings erwärmen sie die Lebensmittel dabei nicht: Der Apfel wird nicht zum Bratapfel.

Auch Reife- und Fäulnisprozesse lassen sich beeinflussen, bei Kartoffeln und Zwiebeln lässt sich durch Strahlung verhindern, dass sie keimen. Als Quellen dienen hier wie bei der Tumorbehandlung die Gammastrahlen aus dem Zerfall von Kobalt-60 oder Cäsium-137.

Die Bestrahlung von Lebensmitteln ist allerdings ein umstrittenes Verfahren, das in z. B. Deutschland nur bei Gewürzen und getrockneten Kräutern erlaubt ist. In den Niederlanden oder Frankreich werden Obst oder Fleisch mit Strahlung behandelt. Die Europäische Union arbeitet hier an einer einheitlichen Regelung.

Ein Sonderfall - die Neutronenstrahlung

Neben Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlern gibt es noch einige Sonderfälle. Dabei ist die Neutronenstrahlung sehr wichtig, denn sie spielt bei der Nutzung der Kernenergie eine entscheidende Rolle.

Um die Kettenreaktion in einem Atomreaktor zu starten, braucht man freie Neutronen. Diese strahlt zum Beispiel Beryllium ab, wenn man es mit Alpha-Teilchen beschießt.

Auch in der Natur existiert Neutronenstrahlung - sie entsteht zum Beispiel in den oberen Schichten der Atmosphäre. Verursacht wird sie dort durch Teilchen, die einzelne Neutronen aus den "Luftmolekülen" schlagen.

Dringt ein Alpha-Teilchen in den Beryllium-Kern ein, so entsteht ein instabiles Kohlenstoff-Isotop mit 13 Kernbausteinen (6 Protonen und 7 Neutronen). Einen stabilen Zustand erreicht der Kern dadurch wieder, dass er ein Neutron abstößt. Am Ende steht Kohlenstoff-12.
Auf der rechten Seite der Gleichung lässt sich das Neutron entdecken. Zusätzlich wird auch Gammastrahlung frei, wie man am kleinen Gamma sieht.
Noch ein Sonderfall - der Elektroneneinfang

Bei natürlichen und künstlich erzeugten Radionukliden kann neben dem Alpha- oder Beta-Zerfall noch eine weitere Umwandlungsart auftreten, der so genannte Elektroneneinfang. Der Kern eines neutronenarmen Atoms fängt dabei meist aus der innersten Schale der Elektronenhülle (der K-Schale, daher auch der Name K-Einfang) ein Elektron ein, wodurch sich ein Proton in ein Neutron umwandelt.

Elektroneneinfang - Ein Beispiel

Das in der Natur vorkommende Isotop Kalium-40 wandelt sich zum Teil unter Elektroneneinfang in das Isotop Argon-40 um. Beim Elektroneneinfang nimmt wie beim Beta-Plus-Zerfall die Kernladungszahl um eine Einheit ab, während die Massenzahl unverändert bleibt.


Bildquelle: Radioaktivität und Strahlenschutz

Reaktionsgleichung:

Beispiel:

Strahlung ist überall

Bei natürlichen und künstlich erzeugten Radionukliden kann neben dem Alpha- oder Beta-Zerfall noch eine weitere Umwandlungsart auftreten, der so genannte Elektroneneinfang. Der Kern eines neutronenarmen Atoms fängt dabei meist aus der innersten Schale der Elektronenhülle (der K-Schale, daher auch der Name K-Einfang) ein Elektron ein, wodurch sich ein Proton in ein Neutron umwandelt.

Höhenstrahlung

Strahlung ist überall - nicht nur im Kernkraftwerk. Die kosmische Höhenstrahlung zum Beispiel führt zu einer Bestrahlung von Flugzeugpassagieren.

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