Grundlagen der Radioaktivität

Mit der Radioaktivität ist der spontane Zerfall von Atomkernen unter Aussendung ionisierender Strahlung gemeint. Dabei unterscheidet man zwischen natürlicher und künstlicher Radioaktivität. Die natürliche Radioaktivität setzt sich aus der terrestrischen, vorwiegend Radonemission, und der kosmischen (Photonenstrahlung) zusammen. Im Gegensatz zu der natürlichen Radioaktivität wird die künstliche Radioaktivität durch das Beschießen von stabilen Atomkernen mit Alpha-Teilchen, Protonen, Neutronen oder Gammaquanten künstlich erzeugt. Die “Art” von Radioaktivität wird auch bei den meisten Einsätzen anzutreffen sein.

Strahlungsarten - Grundbegriffe

1. Zum Begriff der ionisierenden Strahlung

1896 entdeckte der französische Physiker Henry Becquerel bei Untersuchungen an Uranmineralien das Phänomen der Radioaktivität. Dabei stellte er fest, dass lichtdicht verpackte Photoplatten geschwärzt werden, wenn man Urangestein in ihre Nähe bringt. Er erkannte, dass seine Uranpräparate eine durchdringende Strahlung aussenden, die wie die ein Jahr zuvor entdeckte Röntgenstrahlung die Luft ionisiert. Die Strahlung die von radioaktiven Stoffen ausgeht, besteht jedoch nicht nur aus der zur Familie des elektromagnetischen Spektrums gehörigen Gammastrahlung. Je nach Element wird beim Zerfall instabiler - und daher radioaktiver- Atome meist ein Teil des Atomkerns in Form eines Alpha- (Heliumkern) oder Beta-Teilchens (Elektron) ausgesandt. Diese Teilchenstrahlung hat mit der Röntgen- und Gammastrahlung eine wesentliche Eigenschaft gemeinsam: Durch die hohe Energie ist es möglich, Atome zu ionisieren. Die elektromagnetische Röntgen- und Gammastrahlung sowie die Teilchenstrahlung beim radioaktiven Zerfall werden deshalb als ionisierende Strahlung bezeichnet.

2.Entstehung der Radioaktivität

Atome sind die Bausteine der Materie. Sie bestehen aus der elektrisch negativ geladenen Atomhülle, in der die chemischen Reaktionen zwischen den Atomen ablaufen, und dem praktisch die gesamte Masse beinhaltenden, elektrisch positiv geladenen Atomkern. Die Atomkerne sind nur dann stabil, wenn die Zahl ihrer Bausteine - Protonen und Neutronen - nicht zu groß wird und wenn das Verhältnis von Protonen- zu Neutronenzahl bei den leichten Atomkernen etwa 1:1 und bei den schweren etwa 1:1,5 beträgt.Sind diese beiden Bedingungen nicht erfüllt, so ist der Atomkern instabil, das heißt er ist bestrebt, sich in eine günstigere Konfiguration umzuwandeln. Die Umwandlung führt normalerweise zur Emission von Teilchen und Energie. Diesen Prozeß im Atomkern verursacht die Radioaktivität. Radioaktive Stoffe können natürlichen Ursprungs sein, wie zum Beispiel das Uran in der Erdkruste, oder auch künstlich hergestellt werden in Teilchenbeschleunigern, bei der Kernspaltung oder durch Neutronenbestrahlung.

3. Strahlenarten

Je nach Art der Instabilität von Atomkernen hat man es mit verschiedenen Umwandlungsprozessen zu tun, die zur Aussendung unterschiedlicher Strahlenarten führen.

3.1 Alpha-Strahlung

Zu große Kerne verringern die Zahl ihrer Bausteine durch Aussendung von Paketen aus je zwei Protonen und zwei Neutronen. Diese auf Grund ihrer zweifach positiven Ladung vom Restkern mit hoher Energie abgestrahlten Heliumkerne werden als Alpha-Teilchen bezeichnet. Zu den Alpha-Strahlen gehören die in der Natur vorkommenden Uran- und Thoriumkerne und ihre Folgeprodukte, unter anderem auch das für einen großen Teil der natürlichen Stahlenexposition verantwortliche Radon. In den Brennelementen eines Reaktors entsteht durch Neutroneneinfang der Urankerne das alphastrahlende Plutonium. Die Reichweite abgestrahlter Alpha-Teilchen beträgt in Luft nur wenige Zentimeter und in Gewebe oder anderen kompakten Materialien nur weniger als ein Zehntel Millimeter.

3.2 Beta-Strahlung

Kerne mit einer zu großen Neutronenzahl im Verhältnis zur Protonenzahl wandeln sich in eine stabilere Konfiguration durch Aussenden eines negativ geladenen Elektrons und eines Antineutrinos. Dabei entsteht ein Proton. Das mit einem Teil der Umwandlungsenergie versehene schnelle Elektron wird als Beta-Teilchen bezeichnet. Beta-Teilchen haben als schnelle, energiereiche Elektronen ähnliche Wechselwirkungsarten wie die Alpha-Strahlung, nur ist ihre Reichweite in Materie wesentlich größer als die der Alpha-Teilchen: Je nach Energie in Luft bis in den Meter-Bereich, im Gewebe in den Millimeter-Bereich.

3.2.1 Beta- -Strahlung

Aus dem Kern eines Radionuklids wird ein Elektron abgegeben. Seine Geschwindigkeit kann zwischen Null und nahezu Lichtgeschwindigkeit liegen. Das ausgeschleuderte Elektron stammt aber nicht aus der Atomhülle, sondern entsteht wenn sich im Kern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt. Beispiel eines Beta- -Zerfalls: Cäsium-137 wandelt sich unter Aussendung eines Elektrons in Barium-137 um Da die Elektronen je eine negative Elementarladung tragen, werden die Strahlen auch als Beta- -Strahlung bezeichnet. Nach dem Aussenden eines Betateilchens, also eines Elektrons, besitzt der Kern nun ein Proton mehr, das heißt, dass auch die Kernladungszahl um eins höher liegen muss. Allerdings hat sich die Anzahl der Kernladung nicht verändert, das bedeutet, dass die Massenzahl erhalten bleibt. Beta- -Strahlen bilden einen Elektronenstrom, der die gleichen Eigenschaften zeigt, wie der elektrische Strom in metallischen Leitern. So erzeugen z.B. beide ein Magnetfeld, das in konzentrischen Kreisen um den Elektronenstrom liegt.

3.2.2 Beta+ -Strahlung

Bei manchen natürlichen und künstlich hergestellten Radionukliden tritt eine Strahlung auf, bei welcher Teilchen von der Masse eines Elektrons, aber mit einer positiven Ladung ausgeschleudert werden. Es sind Positronen. Daher wird diese Strahlung auch Positronenstrahlung genannt. Das Positron entsteht im Kern, wenn sich ein Proton in ein Neutron und ein Positron umwandelt. Beispiel eines Beta+-Zerfalls: Natrium-22 wandelt sich unter Aussendung eines Positrons in Neon-22 um. Beim Beta+-Zerfall nimmt die Kernladungszahl um eine Einheit ab, während sich die Massenzahl nicht verändert.

3.3 Gamma-Strahlung

Kerne mit einem zu hohen Energieinhalt geben das Zuviel an Energie als Wellenstrahlung ab, die Gamma-Strahlung genannt wird. Sie tritt im allgemeinen zusammen mit einem Alpha- oder Beta-Umwandlungsprozeß als Begleitstrahlung auf. Ihre Energie hängt jeweils von der Art des Kerns, dem abgelaufenen Umwandlungsprozeß und der Stabilität des Folgekerns ab. Die Durchdringungsfähigkeit dieser Wellenstrahlung ist sehr viel größer als die der Teilchenstrahlung. Eine Angabe der Reichweite ist bei ihr nicht möglich.

Die Halbwertszeit

Der radioaktive Zerfall ist ein statistischer Prozess, der dem radioaktiven Zerfallsgesetz folgt. Der Zeitpunkt des Zerfalls eines einzelnen Radionuklides ist nicht vorhersagbar. Erst beim Vorhandensein einer großen Anzahl von Radionukliden lassen sich gesetzmäßige Wahrscheinlichkeiten für Kernumwandlungen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls angeben. Mit Halbwertszeit wird die Zeitspanne bezeichnet, nach der die Hälfte der zerfallsfähigen Kerne umgewandelt wurde. Die Halbwertszeiten von Nukliden sind unterschiedlich und reichen von Bruchteilen von Sekunden bis zu mehreren Milliarden Jahren.

Radionuklid	Halbwertszeit
Polonium-214	160 Mikrosekunden
Wismut-214	19,9 Minuten
Radon-222	3,8 Tage
Blei-210	22 Jahre
Radium-226	1.600 Jahre
Kohlenstoff-14	5.370 Jahre
Uran-235	700 Millionen Jahre
Kalium-40	1,3 Milliarden Jahre
Uran-238	4,5 Milliarden Jahre