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Lexikon Physik

Radioaktivität

Radioaktivität (von lat. radius „Strahl“) bezeichnet das Aussenden von Strahlung aufgrund einer spontanen, d. h. zufällig auftretenden Umwandlung eines instabilen Atomkerns. Auch in stabilen Kernen kann man durch äußere Einwirkung Kernreaktionen und die Emission von Strahlung auslösen, dies wird jedoch i. A. nicht als Radioaktivität bezeichnet.

Klassischerweise gibt es drei Arten von radioaktiver Strahlung, die Kernphysik kennt allerdings auch noch weitere Formen (s. u.):

  • Alphastrahlung besteht aus Helium-4-Kernen,die deshalb auch oft als Alphateilchen bezeichnet werden (\(\alpha\)). Dieser Kern ist doppelt magisch (im Kernschalenmodell sind mit je zwei Protonen und Neutronen die innerste Protonen- und Neutronenschale voll besetzt) und damit besonders stabil. Darum bilden sich v. a. in schweren Kernen oft spontan Alphateilchen, die aufgrund des Tunneleffekts mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den Kern verlassen können.
    Beim Alphazerfall verringern sich die Ordnungszahl und die Neutronenzahl um je 2 und die Massenzahl um 4.
  • Beim Betazerfall werden Elektronen (Betaminuszerfall, \(\beta^-\)-Zerfall) bzw. deren Antiteilchen, also Positronen (Betapluszerfall, \(\beta^+\)-Zerfall) emittiert. Die Bezeichnung „Betateilchen“ ist heute nicht mehr üblich.
    Den beiden Formen des Betazerfalls liegt letztlich die Umwandlung von Quarks innerhalb der Nukleonen Proton und Neutron über die schwache Wechselwirkung zugrunde, nämlich entweder wird ein Down-Quark eines Neutrons zum Up-Quark, wodurch das Neutron zum Proton wird (\(\beta^-\)-Zerfall), oder ein Up-Quark eines Protons wird zum Down-Quark, wodurch das Proton zum Neutron wird (\(\beta^+\)-Zerfall). Dabei werden jeweils zwei Leptonen freisgesetzt, entweder ein Elektron und ein Antineutrino oder ein Positron und ein Neutrino. Beispiele sind:
    \(^{137}\text{Cs} \rightarrow\ ^{137}\text{Ba} + \text e^- + \bar\nu_\text e \quad (\beta^-\text{-Zerfall})\)
    \(^{40}\text{K} \rightarrow\ ^{40}\text{Ar} + \text e^+ + \nu_\text e \quad (\beta^+\text{-Zerfall})\)

    Das freie Neutron zerfällt durch einen \(\beta^-\)-Zerfall, eines freies Proton kann dagegen keinen \(\beta^+\)-Zerfall machen, da das Neutron das massereichere und damit energiereichere Teilchen ist.
    Beim Betazerfall ändert sich die Massenzahl nicht, während die Ordnungszahl um 1 zu- und die Neutronenzahl um 1 abnimmt.
  • Gammastrahlung sind äußerst energiereiche elektromagnetische Wellen, im Quantenbild also Photonen.

Weitere, seltenere radioaktive Zerfallsarten sind:

  • Spontane Spaltung: Dies entspricht dem Alphazerfall, nur dass der Ausgangskern kein Alphateilchen aussendet, sondern sich in zwei annähernd gleich große Bruchstücke aufteilt.
  • Elektroneneinfang: Da die Erzeugung eines Positrons in gewisser Weise der Vernichtung eines Elektrons äquivalent ist, kann auch die folgende, dem \(\beta^+\)-Zerfall sehr ähnliche Reaktion ablaufen:
    \(\text e^- + ^{37}\text{Ar} \rightarrow\ ^{37}\text{Cl} + \nu_\text e\)
    Das Elektron kann dabei aus einer inneren Elektronenschale „entnommen“ werden, der Effekt ähnelt dann dem Auger-Effekt. Theoretisch wäre natürlich auch ein „Positroneneinfang“ denkbar, dies scheitert allerdings normalerweise daran, dass es (außer nach bestimmten Kern- und Teilchenreaktionen) keine Antimaterie in der Natur gibt.
  • Der doppelte Betazerfall oder Elektroneneinfang bedeutet die Emission bzw. Absorption von zwei Elektronen/Positronen auf einmal, wenn Reaktionen mit nur einem Teilchen bestimmte Erhaltungssätze verletzen würden.
  • Einige wenige radioaktive Kerne emittieren direkt Nukleonen, es gibt jeweils einfache und die doppelte Protonenemission und Neutronenemission.

Die zeitliche Entwicklung der Aktivität von radioaktiven Kernen beschreibt das radioaktive Zerfallsgesetz.

Aufgrund der hohen Energien, die mit allen Kernreaktionen verbunden sind, ist radioaktive Strahlung immer ionisierend und stellt deshalb ein Risiko für Gesundheit und Werkstoffe dar. Aus diesem Grund sind beim Umgang mit radioaktiven Stoffen unbedingt die Regeln des Strahlenschutzes zu beachten!

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