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Radioaktivität einfach erklärt

Klassenstufe:

Was ist Radioaktivität?

Bestimmt hast du schon einmal von sogenannten radioaktiven Stoffen gehört! Aber was verbirgt sich hinter diesem Begriff? Die Definition von Radioaktivität wird in der Physik so formuliert: Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan radioaktive Strahlung auszusenden. Der Atomkern wandelt sich dabei in einen anderen Atomkern um oder ändert seinen energetischen Zustand.

Die radioaktive Strahlung kann Elektronen aus anderen Atomen oder Molekülen lösen und wird deshalb als ionisierende Strahlung bezeichnet.

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Was ist die Ursache von Radioaktivität?

Die fundamentale Ursache für Radioaktivität besteht darin, dass die Natur energetisch günstigere Zustände bevorzugt. Denn Radioaktivität tritt im Allgemeinen bei instabilen Atomkernen auf, die durch die Emission von radioaktiver Strahlung in einen energetisch günstigeren Zustand übergehen. Dabei gibt es mehrere Arten von radioaktiven Abstrahlungsprozessen, die drei wichtigsten sind diese:

α-Strahlung

In sehr schweren Atomkernen mit vielen Protonen und Neutronen kann die abstoßende Coulomb-Kraft zwischen den positiv geladenen Protonen nicht vollständig durch die anziehende Kernkraft (starke Wechselwirkung) aufgehoben werden. Das liegt daran, dass die Ausdehnung dieser schweren Atomkerne durch die hohe Anzahl an Nukleonen relativ groß, aber die Reichweite der Kernkraft klein ist. Dieses Ungleichgewicht der Kräfte veranlasst den Kern dazu, ein Alphateilchen (zwei Protonen und zwei Neutronen) abzustrahlen. So kann er in einen stabileren Zustand wechseln.

β-Strahlung

In Atomkernen mit relativ vielen Neutronen und wenigen Protonen (Neutronenüberschuss) kann ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino umgewandelt werden (Betaminuszerfall). Dies geschieht durch die sogenannte schwache Wechselwirkung. Genauso kann in einem Kern mit Protonenüberschuss ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino zerfallen (Betapluszerfall). Beide Vorgänge führen ebenfalls zu einem energetisch günstigeren Zustand des Kerns.

γ-Strahlung

Wenn sich ein Atomkern in einem angeregten Zustand befindet, kann er die überschüssige Energie abgeben, indem er Gammastrahlung emittiert. Einen angeregten Zustand hat ein Atomkern zum Beispiel nach einem Betazerfall oder der Abstrahlung eines Alphateilchens.

Bei den ersten beiden Prozessen ändert sich die Nukleonenzusammensetzung des Kerns. Hier wird also ein chemisches Element in ein anderes umgewandelt. Bei einigen Elemente, wie zum Beispiel Uran, werden mehrere aufeinanderfolgende radioaktiven Zerfälle benötigt, bis der resultierende Kern stabil ist. Dieser Prozess wird passend Zerfallsreihe (Link) genannt.

Was ist die Halbwertszeit?

Die Halbwertszeit (Link) ist das wichtigste Maß, um radioaktive Stoffe zu charakterisieren. Sie entspricht der Zeitspanne, in der sich die Menge des Stoffes durch radioaktiven Zerfall um die Hälfte verringert hat. Stoffe mit einer hohen Halbwertszeit zerfallen also langsamer als Stoffe mit einer geringen Halbwertszeit.

Was sind Kernreaktionen?

Als Kernreaktionen (Link) bezeichnet man die Prozesse, die bei einem Zusammenstoß von zwei Atomkernen oder einem Atomkern und einem anderen Teilchen ablaufen und die Zusammensetzung des Kerns ändern. Anders als die radioaktiven Zerfalls- oder Abstrahlungsprozesse laufen Kernreaktionen nicht spontan ab.

Zu den Kernreaktionen gehören zum Beispiel die Kernspaltung, Kernfusion, Neutronenstreuung, Neutroneneinfang und viele Varianten der inelastischen Streuung.

Wo kommt Radioaktivität vor?

Radioaktive Stoffe finden wir überall in unserer Umwelt. Unser Planet hat ein natürliches Vorkommen von radioaktiven Gesteinen, zum Beispiel von Urangestein. Auch im menschlichen Körper kommt ein radioaktiver Stoff (Kalium) vor – wir selbst geben also auch eine geringe, ungefährliche Menge an radioaktiver Strahlung ab.

Die kosmische Strahlung aus dem Weltraum erzeugt ebenfalls radioaktive Elemente auf der Erde. Dies geschieht durch Kernreaktionen, die in der Erdatmosphäre durch die kosmischen Teilchen eingeleitet werden.

Wir Menschen haben auch schon für eine ganze Menge Radioaktivität gesorgt, zum Beispiel in Kernkraftwerken, durch das Zünden von Atombomben und in sehr geringem Maße auch in der Medizin und der Forschung.

Ja, Radioaktivität kann also in ungefährlicher und gefährlicher Form auftreten und birgt sowohl Vorteile als auch Gefahren.

Wozu braucht man Radioaktivität?

Klar, radioaktive Spinnen braucht man zur Erschaffung von Superhelden – aber wozu kann man die Radioaktivität noch nutzen? Weil die Nutzung der Radioaktivität sowohl Vorteile als auch Risiken birgt, ist es zuallererst wichtig, ein Grundverständnis in der Gesellschaft zu erreichen, damit auf demokratischem Wege Entscheidungen gefällt werden können. Wollen wir zum Beispiel Atomkraftwerke zur Stromerzeugung betreiben oder lieber nicht? Oder auch: Stimmen wir einer Lagerung von Atomwaffen in unserem Land zu oder nicht?

Neben der Stromerzeugung werden radioaktive Stoffe und ihre Eigenschaften auch in der Medizin verwendet, zum Beispiel in der Krebsbehandlung. Dort werden sogenannte radioaktive Tracer verwendet, um Krebszellen sehr genau lokalisieren zu können. Anschließend werden die Krebszellen ionisierender Strahlung ausgesetzt, um sie zu zerstören.

Auch in der wissenschaftlichen Forschung kommen wir nicht ohne die Radioaktivität aus. Beispielsweise wird in der Archäologie das Vorkommen von radioaktiven Stoffen zur Altersbestimmung verwendet und in der Physik werden Kernreaktionen gezielt an Teilchenbeschleunigern herbeigeführt, um den fundamentalen Wechselwirkungen der Materie auf die Spur zu kommen.