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Radioaktivität: Eigenschaften und Begriffe
Jede Materie besteht aus Atomen, die sich ihrerseits aus dem Atomkern (Protonen, Neutronen) und den ihn umhüllenden Elektronen zusammensetzen.
Neben den stabilen Kernen, die praktisch für alle Zeiten stabil sind, gibt es die instabilen Kerne (Radionuklide), die nach einer gewissen Zeit zerfallen. Radioaktivität nennt man die Eigenschaft dieser Radionuklide, sich in andere Atomkerne umzuwandeln, wobei Energie in Form von ionisierender Strahlung frei wird. Becquerel, abgekürzt Bq, ist die SI-Einheit der Aktivität eines radioaktiven Stoffes.
Wie schnell eine Umwandlung geschieht, ist unabhängig von Einflüssen wie Temperatur, Druck oder der Anwesenheit anderer Stoffe.
Die Umwandlungsgeschwindigkeit wird durch die Halbwertszeit ausgedrückt. Unter der (physikalischen) Halbwertzeit einer radioaktiven Substanz versteht man die Zeitspanne, in der die Hälfte der Atome dieser Substanz zerfallen ist. Dabei sinken die Menge und die Aktivität eines radioaktiven Stoffes auf den halben Wert.
Jedes radioaktive Element hat eine für sich charakteristische Halbwertszeit, die von Sekundenbruchteilen bis zu Milliarden von Jahren reichen kann.
Vereinfacht unterscheidet man im Wesentlichen folgende Zerfallsarten:
Alpha-Zerfall
Beim Alpha-Zerfall werden zweifach positive Heliumkerne aus dem Kern ausgesandt. Es handelt sich dabei um Teilchenstrahlen. Diese Strahlung wird, da es sich um vergleichsweise große Teilchen handelt, schnell abgebremst. In der Luft haben sie eine Reichweite von wenigen Zentimetern, im menschlichen Gewebe nur ca. 0,05 mm. Alpha-Strahler sind jedoch gesundheitlich sehr bedenklich, wenn sie inkorporiert (über Nahrung) bzw. inhaliert (über Atemluft) aufgenommen werden, da sie dann ihre hohe Energie direkt an das Gewebe abgeben und so zu Zellschädigungen führen können.
Abbildung 1: Alpha-Zerfall
Beta-Zerfall
Beta-minus-Zerfall (β−-Zerfall)
Beim (β−-Zerfall) wird aus dem Kern eines Radionuklids ein Elektron ausgestoßen. Dessen Geschwindigkeit kann zwischen fast Null und fast Lichtgeschwindigkeit variieren. Diese Elektronen bilden die Beta-Strahlen. Ein Beispiel für einen β−-Zerfall ist die Umwandlung von Cäsium-137 in Barium-137.
Abbildung 2: Beta-Zerfall
Beta-plus-Zerfall (β+-Zerfall)
Der β+-Zerfall tritt bei protonenreichen Nukliden auf.
Dabei werden "Elektronen" mit positiver elektrischer Ladung, sogenannte Positronen aus dem Kern emittiert.
Bei Betastrahlen handelt es sich wie bei der Alpha-Strahlung um Teilchenstrahlen.
Die Reichweite von Beta-Strahlung in Luft kann bis zu einige Meter betragen.
Betateilchen, die von außen auf den menschlichen Körper treffen, dringen nur wenige Millimeter ein, aber es kann zu Schädigungen in den Zonen der Hautbildung kommen.
Neben Aluminium werden auch Kunststoffe zur Abschirmung von Betastrahlen eingesetzt.
Gamma-Zerfall
Bei Gammastrahlen handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, die als Nebenprodukt bei Alpha- bzw. Beta-Zerfall auftreten kann. Sie ist also gleicher Natur wie Radiowellen, Mikrowellen oder das sichtbare Licht. Sie ist jedoch wesentlich energiereicher.
Gammastrahlung vermag alle Materialien zu durchdringen und kann nur zum Teil durch dicke Bleiplatten abgeschirmt werden. Durch menschliches Gewebe wird Gammastrahlung kaum geschwächt.
Abbildung 3: Gamma-Zerfall