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Die drei wichtigsten Zerfalls-Arten

©2005, by René Rausch

WAS IST RADIOAKTIVITÄT? Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft mancher Atomkerne unter Aussendung von Atomkernbestandteilen in andere (leichtere) Atomkerne zu zerfallen. Den betreffenden Atomkern nennt man Mutterkern, den daraus entstehenden Kern Tochterkern. Direkt nach dem Zerfall sendet der oder die entstandenen Tochterkerne noch Energie-Quanten aus (Gamma-Strahlung). WODURCH KOMMT RADIOAKTIVITÄT ZUSTANDE? Ein Kern ist nur dann stabil, wenn seine Protonen und Neutronen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Bei ganz leichten Elementen kann man grob sagen, daß Kerne dann stabil sind, wenn sie genausoviele Neutronen wie Protonen besitzen. Bei Kernen ab etwa Calcium (20 Protonen) ist für eine solche Stabilität dann eine stetig ansteigende Neutronenzahl im Bezug auf das Verhältnis zur Protonenzahl hierzu nötig. Mittelschwere und schwere Kerne die stabil sind, weisen also stets mehr Neutronen als Protonen auf. DIE MATTHAUSSCHE REGEL: Sie besagt, dass von zwei Kernen, welche sich bei gleicher Masse in ihrer Neutronenzahl nur in einer Einheit unterscheiden, einer radioaktiv sein muß. Dies hängt damit zusammen, daß einer der beiden Zustände, die die jeweilge Neutronen- und Protonenanordnung im Kern erreicht, labiler ist als der andere. Es gibt für den Atomkern ein ähnliches Quantenmodell wie für die Elektronen der Atomhülle. Ohne näher auf die genaue Betrachtungsweise eingehen zu wollen (dies würde den Rahmen dieser Infotafel sprengen), soll jedoch gesagt sein, daß es auch bei Kernen - wie bei Atomhüllen - eine Art "Edelgaszustand" gibt. Nur, dass es diese Zustände für jedes Element (also jedwede Protonenzahl) gibt. Und ebenso wie bestimmte Oxidationsstufen eines Elements, obgleich sie nicht unbedingt edelgasähnlich sind, trotzdem sehr stabil sein können, gilt dies auch für Neutronen- und Protonenzahlen die von einem Idealwert (nur leicht) abweichen. Schaut man sich einmal die Anzahl stabiler Isotope (so nennt man Atomkerne mit gleicher Protonen- aber unterschiedlicher Neutronenzahl, also Atomkerne ein und desselben Elements, welche sich nur in der Zahl ihrer Neutronen voneinander unterscheiden) der verschiedenen Elemente genauer an, so kann man zwei Dinge feststellen: Elemente, welche eine GERADE Ordnungszahl haben (z.B. Calcium), haben oftmals mehr als zwei stabile, oder sehr langlebige Isotope. Schaut man sich die Verteilung stabiler oder sehr langlebiger Kerne in einer Nuklidkarte näher an, so wird augenscheinlich, daß bei geradzahligen Elementen zumeist drei bis fünf (bei Zinn sogar sieben) stabile Isotope eine Gruppe bilden, und oftmals zwei bis vier weitere Isotope - nämlich die, die jeweils zwei bzw. vier Positionen von dieser Gruppe entfernt stehen, ebenfalls stabil sind. Während innerhalb dieser "Stabilitätsgruppe" auch Nuklide mit ungerader Neutronenzahl stehen können, haben die "stabilen Inselisotope" oberhalb und/oder unterhalb dieser Gruppierung ausschließlich gerade Neutronenzahlen. Elemente mit UNGERADER Ordnungszahl (z.B. Fluor oder Chlor), haben zumeist nur ein oder höchstens zwei stabile Isotope (Fluor nur jenes mit der Massenzahl 19, beim Chlor sind es zwei: 35 und 37). Die betreffenden Isotope haben dabei stets eine gerade Neutronenzahl. Betrachtet man sich die Stabilität nun in Hinsicht auf die Geradheit der Neutronen- und Protonenzahl, so wird folgendes ersichtlich: Am stabilsten sind Kerne, die sowohl eine gerade Protonen- als auch Neutronenzahl besitzen. Oftmals sind auch noch Kerne stabil, von denen eine der beiden Zahlen jeweils gerade und ungerade ist. Dies ist bei allen Elementen der Fall, die bei ungerader Ordnungszahl stabile Isotope (also nicht radioaktiv sind, und natürlich vorkommen). Ebenso bei allen Elementen mit gerader Ordnungszahl und ungerader Neutronenzahl. Ein solches Element hat jedoch zumeist nicht mehr als zwei stabile Isotope mit ungeraden Neutronenzahlen. Einzig das Zinn (Ordnungszahl 50) hat tatsächlich drei Isotope ungerader Neutronenzahl die stabil sind (113, 115, 117). Fast nie sind Kerne stabil, die sowohl eine ungerade Protonen- als auch Neutronenzahl besitzen, genauer gesagt: Es gibt nur vier Ausnahmen, und allesamt sind dies sehr leichte Kerne: Zum einen das Deuterium (1 Proton+1 Neutron), das Lithium-Isotop 6 (3 Protonen+3 Neutronen), das Bor-Isotop 10 (5 Protonen+5 Neutronen) sowie das häufigste Stickstoff-Isotop 14 (7 Protonen+7 Neutronen). WAS PASSIERT NUN, WENN DAS PROTONEN-NEUTRONEN-VERHÄLTNIS ZU STARK VON EINEM IDEALWERT ABWEICHT? Es gibt grob formuliert, fünf Arten des radioaktiven Zerfalls, von welchen vier auch natürlich ablaufen, einer bei künstlich dargestellten Isotopen anzutreffen ist. Die Zerfallsart hängt immer vom Neutronen-Protonen-Verhältnis und zudem noch von der Masse eines Kerns ab. DER ALPHAZERFALL (Schautafel Bild unten links): Er tritt vorwiegend bei schweren Kernen auf, die insgesamt mit ihrer Masse über 209 (also dem schwersten stabilen Kern) liegen. Dabei zerfällt der Kern unter Aussendung von Helium-Ionen (gleichbedeutend mit Alphastrahlen) in einen leichteren Kern. Dieser Kern unterscheidet sich folglich vom Mutterkern um zwei Protonen und zwei Neutronen in seiner Masse. Das Alphateilchen hat (Helium2+) eine positive Ladung und eine Reichweite von nur einigen Zentimetern. Alphastrahlung kann bereits durch ein Blatt Papier aufgehalten werden. DER BETAZERFALL. Hier unterscheidet man zwei verschiedene Arten. a) BETA-MINUS (Schautafel Bild oben rechts): Sind in einem Kern zuviele Neutronen enthalten, so tendiert er zu dieser Zerfallsart. Dabei wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein Elektron aus dem Kern geschleudert. Dieses Elektron (welches sich mit 270.000 km/s bewegt) nennt man Beta(-)-Strahl, da Elektronen negativ geladen sind. Der Tochterkern hat (beinahe) die gleiche Masse wie der Mutterkern, jedoch ein Neutron weniger und dafür ein Proton mehr. Einige natürlich vorkommende Nuklide, die eine an sich stabile Zusammensetzung aufweisen, können innerhalb immens hoher Halbwertzeiten durch doppelte Beta-Emission zerfallen. b) BETA-PLUS: Er kommt leichten (künstlich dargestellten) Kernen vor, welche zuviele Protonen aufweisen, und sich in einem energetisch angeregten Zustand befinden. Innerhalb künstlicher und natürlicher Zerfallsreihen, bei Nukliden ohne zusätzlichen Energie-Inhalt, tritt er dagegen nicht auf. Das rührt daher, daß zur Umwandlung eines Protons in ein (etwas schwereres) Neutron und ein Positron Energie benötigt wird - im Gegensatz zur Neutronenumwandlung in ein Proton und ein Elektron (welche bei gegebenem N-zu-P-Verhältnis ja freiwillig abläuft). Hierbei wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt und ein Positron aus dem Kern geschleudert. Positronen besitzen dieselbe Masse wie die Elektronen, haben jedoch deren entgegengesetzte Ladung. Auch Positronen verlassen den Kern mit 270.000 km/s. Und wiederum haben Mutter- und Tochterkern beinahe identische Massen, nur das zweiterer nun ein Neutron mehr und ein Proton weniger hat als der Mutterkern. Betastrahlen haben eine Reichweite von einigen Metern, zu ihrer Abschirmung ist bereits eine Masse von Dicke eines Buches erforderlich. ELEKTRONENEINFANG (Schautafel Bild unten rechts): Diese Zerfallsart tritt bei natürlich vorkommenden oder künstlich erzeugten Kernen in Erscheinung, welche zuviele Protonen besitzen. Dabei "fängt" der Kern ein Elektron aus der innersten Atomhüllenschale (Heliumschale) ein und setzt dieses mit einem Proton zu einem Neutron um. Es ist quasi die Rückreaktion der Beta(-)-Strahlung. Der neue Kern hat folglich ein Neutron mehr und ein Proton weniger als der Ausgangskern. Es gibt eine Reihe natürlich vorkommender Nuklide, welche nach sehr langen Zeiträumen durch doppelten Elektroneneinfang weiter zerfallen können. Bei ihnen liegt also eine extrem geringe Wahrscheinlichkeit vor, daß der Kern eine Polarisierung dergestalt bekommen kann, daß beide Heliumschalen-Elektronen in den Kern gesogen werden können. (Das Calcium-Isotop 40, welches sowohl magische Neutronen- als auch Protonenzahl besitzt, ist ein Beispiel hierfür! ) SPONTANZERFALL: Bei manchen sehr schweren Kernen ist die Instabilität so groß, daß ein Atomkern "gar keine Zeit mehr hat", durch bloßen Alpha-Zerfall in einen leichteren Kern überzugehen. Hier kommt es dazu, daß ein solcher Kern in zwei Bruchstücke auseinanderbricht. Zumeist werden dabei zusätzlich noch bis zu sieben Neutronen geringerer Geschwindigkeit (so genannte "thermische" Neutronen) ausgeschleudert. Die Kernbruchstücke haben jeweils ca. 40% bzw. 60% der Masse des Mutterkerns. Gleichgroße Kernbruchstücke kommen sehr selten vor. GAMMASTRAHLUNG: Diese Strahlungsart ist das wirklich Gefährliche an der Radioaktivität. Sie tritt NACH jedem Zerfall aus dem oder den Tochterkernen auf. Gammastrahlung ist nichts anderes als hochenergetische elektromagnetische Strahlung, also "Licht" sehr kurzer Wellenlänge. Sie ist - gleich ihrem Entstehungsort aus hochenergetisch angeregten Kernen - auch selber in der Lage, beim Auftreffen auf Atomkerne diese so stark anzuregen, daß diese selber radioaktiv werden. Die Gammastrahlung des Atomkerns ist gewissermaßen das Analogon der Emission von Licht der Elektronenhüllen nach energetischer Anregung (siehe Flammenfärbung): Die Protonen und Neutronen eines gerade durch Zerfall entstandenen Kerns sind zum Teil noch nicht auf ihren Plätzen (Kernorbitale), sondern belegen höhere Niveaus. Beim Rückfall in die tieferliegenden Niveaus wird auch hier Energie emittiert - da aber die Kernbindungskräfte im AtomKERN um Zehnerpotenzen höher sind, als die chemischen Bindungskräfte innerhalb der AtomHÜLLE, ist die ausgesandte Strahlung auch um ebendiesen Betrag energiereicher. Je energiereicher jedoch eine Strahlung ist, umso a) kleiner ist ihre Wellenlänge, höher ihre Frequenz (Schwingungen pro Sekunde) und b) größer ist ihr Durchdringungsvermögen. Gammastrahlung hat eine Reichweite von Tausenden von Kilometern. Sie kann erst - dank ihrem Durchdringungsvermögen - von meterdicken Betonwänden und/oder Bleiplatten abgeschimt werden.