Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

1.1

Fortsetzung Energie und Materie

Radioaktivität

Unter Radioaktivität versteht

man den spontanen Zerfall der Atomkerne. Dies hat 1896 Henri Becquerel

bei Uran entdeckt. Marie Curie

entdeckte 1898 die Radioaktivität von Radium, Thorium und

Polonium.

In der Natur sind es vor allem die schweren Atome, die zerfallen.

Dabei wird radioaktive Strahlung emittiert. Diese besteht aus:

aStrahlung(beschleunigte Helium-Kerne,

+), wird durch Metallfolie oder Papier absorbiert

bStrahlung(beschleunigte Elektronen,

oder Positronen +),

geht durch 100x dickere Folien

gStrahlung(extrem kurzwellige elektromagn.

Strahlung), durchdringt cm dicke Bleiplatten.

rstrahl - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Mit dem Experiment oben kann man Radioaktivität

nachweisen. Die Strahlung radioaktiver Proben wird durch die geladenen

Metallplatten unterschiedlich abgelenkt und schwärzt eine Photoplatte

an unterschiedlichen Stellen. Die Ablenkung der

a-Strahlung ist nicht so groß, wie die der b-Strahlung,

was zeigt, daß schwerere Teilchen Bestandteile dieser Strahlung

sind.

Einige radioaktive Substanzen emittieren Neutronen. Diese durchdringen

andere Materialen problemlos, da sie keine Ladung tragen und nicht

mit anderen geladenen Teilchen in Wechselwirkung treten können.

Man hat festgestellt, daß die Elektronen der b-Strahlung

nicht aus der Atomhülle kommen sondern durch Umwandlung

von Kernteilchen entstehen. Ihre Energie ist wesentlich größer

als die der Hüllelektronen.

Hier der Alpha-Zerfall von Uran:

u238d - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Die Energie der b-Strahlung

wird in eV angegeben. 1 eV (=Elektronenvolt)

ist die Arbeit die notwendig ist, um die Ladung eines Elektrons

durch eine Spannung von 1 Volt zu bewegen. 1 eV = 1.6 x 10-19

Joule.

Eine Million Elektronenvolt wird als 1 MeV geschrieben.

1 MeV = 106eV = 1.6 x 10-13 Joule.

Die radioaktiven Elemente variieren in ihrer Strahlung

beträchtlich. Radium strahlt z.B. wesentlich schneller als

Uran. E. Rutherford untersuchte

den Zerfall der verschiedenen radioaktiven Elemente (1902) und machte

diesen durch die Zerfallsgleichung berechenbar. (Nobelpreis

1908)

Zerfallsgleichung:

N

= N0 · 2t/T

 

N

= Anzahl der nicht zerfallenen Kerne

N0 = Anzahl der ursprünglich vorhandenen

Kerne

t = Zeit

T= Halbwertszeit

 

 

hwz1 - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Ein wichtiger Begriff bei radioaktiven Zerfällen

ist die Halbwertszeit.

Die Halbwertszeit ist die Zeitspanne, in der die

Anzahl der Kerne (Zerfälle) auf die Hälfte des ursprünglichen

Wertes gesunken ist.

Streuversuch

von Rutherford

1911 veröffentliche Ernest Rutherford die

Ergebnisse seiner Experimente mit a-Strahlen.

In seiner Versuchsanordnung hatte er eine 0,004 mm dünne Folie

aus Gold, Silber oder Kupfer mit a-Teilchen

beschossen. Um die Folie herum hatte er einem Leuchtschirm

installiert, der auf a-Strahlen reagierte

(siehe Abbildung unten).

ruf - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Als Ergebnis fand er, daß die

a-Teilchen fast unbeeinflußt und geradlinig durch die

Folie hindurchtraten. Daraus folgerte er, daß Atome aus einem

Kern bestünden und die Elektronen sich in weitem Abstand darum

bewegten.

Seit damals wird diese Vorstellung,

die dann von Bohr wesentlich verfeinert wurde Rutherfordsches

Atommodell genannt.

Radioaktive Elemente werden auch oft radioaktive

Isotope oder Radionuklide

genannt oder einfach Nuklide. Man kennt inzwischen über

1500 verschiedene natürliche und künstliche Nuklide. Oft

werden Radionuklide durch das Elementsymbol und die Atommasse dargestellt.

hdt - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Im Falle von radioaktivem Wasserstoff

oder Tritium mit einer relativen

Atommasse von 3 schreibt man H-3 oder 3H. Links sind

die die Isotope von Wasserstoff abgebildet. Als Isotope bezeichnet

man Atome, des selben Elements, die sich in der Massenzahl (= Protonenanzahl)

unterscheiden.

Uran mit einer relativen Atommasse von 235 wird

als U-235 oder 235U abgekürzt.

Hier einige stabile und instabile

Isotope:

Element
Isotop
Vorkommen (%)
instabil
Wasserstoff

1H

2H

99.985

0.015

3H, Tritium
Kohlenstoff

12C

13C

98.89

1.11

z.B 14 C
Stickstoff

14N

15N

99.63

0.37

z.B 13 N
Sauerstoff

16O

17O

18O

99.75

0.037

0.204

z.B 15 O
Schwefel

32S

33S

34S

36S

95.00

0.76

4.22

0.014

z.B. 35 S

Schon Rutherford erkannte, daß man natürliche

Isotope wie 14C und andere zur Altersbestimmung von Stoffen

verwenden kann. Heute wird mit der radiometrischen Altersbestimmung

(wie man diese Methode genau nennt) das geologische Alter von Fossilien

oder Gesteinen bestimmt.

Das Isotop 14C wird bei der Radiocarbonmethode

verwendet und eignet sich ca. 75 000 Jahre.

Bei Gesteinen nimmt man die Kalium-Argon Methode, bei Klimauntersuchungen

13C und 18O.

 

 

 

Abb.1.25

 

 

Henri Becquerel 1852-1908

 

Becqul - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

 

 

Abb.1.26

 

 

Marie Curie 1867-1934

 

mcurie - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Nobelpreise Physik 1903, Chemie 1911

 

 

Abb.1.27

 

 

Ernest Rutherford 1871-1937

 

rutherf - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Nobelpreis 1908

 

 

Abb.1.28

 

 

Alpha-Zerfall von Uran

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.1.29

 

 

Zerfallsgleichung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.1.30

 

 

Streuversuch (Rutherford)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.1.31

 

 

Isotope des Wasserstoff

 

 

 

Hier einige natürliche Radionuklide
NuklidSymbolHalbwertszeitNatürliche Aktivität
Uran 235
235U
7.04 x 108 J
0.72% des vorkommenden Urans
Uran 238
238U
4.47 x 109 J
99.2745% des vorkommenden

Urans; 0.5 to 4.7 ppm Gesamturan in den allgemeinen Gesteinstypen

Thorium 232
232Th
1.41 x 1010 J
1.6 to 20 ppm in den allgemeinen

Gesteinstypen

Radium 226
226Ra
1.60 x 103 J
0.42 pCi/g (16 Bq/kg) in

Lehm und 1.3 pCi/g (48 Bq/kg) in Eruptivgestein

Radon 222
222Rn
3.82 Tage
Edelgas; jährliche

Luftkonzentration in USA von 0.016 pCi/L (0.6 Bq/m3) to 0.75

pCi/L (28 Bq/m3)

Kalium 40
40K

1.28 x 109

J

Boden – 1-30 pCi/g (0.037-1.1

Bq/g)

Nuklide, durch kosmische Strahlung in deroberen Atmosphäre
Nuklid
Symbol
Halbwertszeit
QuelleNatürliche

Aktivität

Kohlenstoff14
14C
5730 J
Wechselwirkung von kosm.

Strahlen mit:14N(n,p)14C;

6 pCi/g (0.22 Bq/g) in organischem

Material

Tritium 3
3T
12.3 J
Wechselwirkung von kosm.

Strahlen mit: N and O;

0.032 pCi/kg (1.2 x 10-3

Bq/kg)

Beryllium 7
7Be
53.28 Tage
Wechselwirkung von kosm.

Strahlen mit: N and O;

0.27 pCi/kg (0.01 Bq/kg)

 

a-Zerfall

Große Atome (wie z.B. von Uran) zerfallen

meist durch Alpha-Zerfall, wodurch sich der Kern stabilisieren kann.

Uran ist in der Erdkruste weit verbreitet und man findet es oft

in Granit und Basalt. Beim a– Zerfall

werden Heliumkerne (H2+) aus einem Atomkern emittiert.

a-Emission

reduziert die Anzahl Protonen um 2 und ebenfalls die Anzahl Neutronen

im Kern um zwei.

azerfall - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Oben ist der Zerfall von Seaborgium

(SG106) in Rutherfordium

(Rf104) dargestellt, beides synthetische radioaktive Metalle mit

Halbwertszeiten von ein paar Sekunden.

Beispiele sind:

(U= Uran, Ra= Radium, Rn= Radon, Th=Thorium, Po= Polonium)

238 U ——> 234 Th

+ 4 He + g-Strahlung

232 Th —–> 228 Ra

+ 4 He + g-Strahlung

226 Ra —–> 222 Rn

+ 4 He + g-Strahlung

222 Rn —–> 218 Po

+ 4 He + g-Strahlung

Beta-Zerfall

b-Zerfall tritt bei Kernen mit relativem Neutronenüberschuß

auf. Ein b-Zerfall kann auf 3 verschieden Arten geschehen:

  1. Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos(= Beta-Minus-Zerfall) oder
  2. Emission eines Positrons und eines Neutrinos( Antipartikel vom Elektron und Antineutrino)(=Beta-Plus-Zerfall)
  3. Inverser b-Zerfall geschieht durch Einfangeneines Hüllelektrons durch den Kern

Der Beta-Minus-Zerfall ändert

die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern dadurch,

daß diese in einander umgewandelt werden (n1

=> 1p1 + e

) . Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Proton in ein Neutron

umgewandelt (p1 => n1+ e+).

Hier einige b-Zerfälle:

bmzerf - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Oben der b-Zerfall

von 14C in der Atmosphäre in Stickstoff. Das emittierte Elektron

entsteht bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Bei dieser

Umwandlung entsteht ein sog. Antineutrino. Dieses Teilchen

besitzt keine Ruhemasse und keine Ladung. (ne)

bplus - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Oben der b-Zerfall

von 18 F in 18 O zu sehen. Das emittierte Positron entsteht

bei der Umwandlung eines Proton in ein Neutron . Bei dieser Umwandlung

entsteht ein sog. Neutrino.

Dieses Teilchen besitzt keine Ruhemasse und keine Ladung = Energie.

(ne)

Weitere Beispiele:

(HWZ= Halbwertszeit; C=Kohlenstoff, I=Jod,

N=Stickstoff, B= Bor, K= Kalium, Ar= Argon, Xe= Xenon, Rb= Rubidium,

Co= Kobalt, Ni= Nickel, ):

 

Beta-Minus-ZerfallInverser

Beta-Zerfall

14 C —–>

14 N + e– (HWZ= 5730 Jahre)

40 K + e

——> 40 Ar + Röntgen-Strahlung

131 I —–>131 Xe

+ e– + hn (Antineutrino) (HWZ=

8 Tage)

83 Rb + 1e

—–> 83 Kr + Röntgen-Strahlung

Beta-Plus-Zerfall
11 C => 11 B

+ e+ + hn (Neutrino)

Gamma-Zerfall

Die Gamma-Strahlung ist eine Begleiterscheinung

des a– und b

-Zerfalls. Dabei geht der Kern aus einem angeregten Zustand in einen

energieärmeren über. Es bleiben Kernladungszahl und Massenzahl

unverändert.

gzerf - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Links ist die

Gammaemission des radioaktiven Metalls Dysprosium

dargestellt.

Beim Alpha-Zerfall ensteht immer Gamma-Strahlung, z.B beim Zerfall

von Uran oder Radium.

Weitere

Beispiele: 60 Co —–> 60 Ni + e- + 2 g-Strahlung

und 131

I ——> 131 Xe + e- + g-Strahlung

Die Anzahl der Zerfälle /Sekunde

oder die Aktivität einer radioaktiven Probe wird in Becquerel

(Bq) gemessen, nach Henri Becquerel.


Ein Zerfall /Sekunde = 1 Becquerel.

Eine Ältere Einheit ist das Curie

(Ci). Ein Curie ist ca. die Aktivität von 1 Gramm

Radium und entspricht 3.7 x 1010 Becquerel.

Ein Rad ist die Dosis Energie, die

1 Gramm Gewebe absorbiert.

Rem (Röntgen-Äquivalentdosis) = Rad

x Q.

g -Strahlung Q=1, b

-Strahlung Q=1, Neutronen Q=5, a

-Strahlung Q=20. 100 Rem = 1 Sv (Sievert)

Kernspaltung

1938 entdeckte Otto Hahn die Kernspaltung

von Uran 235. Dabei wird Uran 235 mit Neutronen beschossen was sich

dabei z.B. in Krypton 89 und Barium144 aufspaltet.

(235 U + 1 Neutron —->

2 Neutronen + 92 Kr + 142 Ba + ENERGIE( 200 MeV) )

Die Spaltung von 1Kg 235U liefert eine Energie

von ca. von 7,56·1013 J .

Diese Kernspaltung wird heute für die Herstellung

von Kernwaffen und in Kernreaktoren zur Energiegewinnung

verwendet. Die Forschung auf diesem Gebiet führte zu einer

Menge künstlich radioaktiver Materialien.

kernsp1 - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Künstliche

Radioaktivität in unserer Umwelt stammt insbesondere von

den Kernwaffenversuchen der 60er Jahre (siehe unten), vom Reaktorunfall

Tschernobyl, aber auch von

Industrie, Medizin und Forschung. Nach dem Reaktorunfall in Tschernobyl

wurde bei uns mit der Nahrung z.B. radioaktives Cäsium-134 und Cäsium-137

aufgenommen.

Eine bemerkenswerte medizinische Anwendung

der Radioaktivität ist die Positronen-Emissions-Tomographie

(PET).Dabei werden verschiedene

schwach strahlende Positronenstrahler, unter anderem Kohlenstoff

(C11), Sauerstoff (O15) und Fluor (F18) z. B. als 18-Fluorodesoxyglukose

(FDG). eingesetzt. Die Substanz gibt Positronen ab. Diese

Positronen verbinden sich mit einem Elektron der Umgebung. Dadurch

kommt es zur Emission zweier , einander um 180 Grad entgegengesetzter

Gammaquanten, der sogenannten Anihilationsstrahlung. Diese

Strahlung ist sehr energiereich. (Abb. 1.38

ein modernes PET-Gerät)

discov - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

Durch einen um den Patienten angebrachten

Detektorring werden diese Strahlen jeweils von 2 ,sich gegenüberliegenden

Detektoren simultan erfaßt. Über komplizierte Bildrekonstruktionen

kann der Ort des Nuklids im Körper und seine Verteilung bildlich

dargestellt werden. Die Körperzellen resorbieren unterschiedliche

Mengen des radioaktiven Zuckers, je nach der jeweiligen Stoffwechselrate

der Zelle. Im Unterschied zu den meisten anderen bildgebenden Verfahren,

die nur Einsichten in die Gestalt und Größe innerer Strukturen

ermöglichen, liefert die PET-Methode auch Informationen über

deren Stoffwechselaktivität.

 

 

 

 

 

Abb.1.32

 

 

Alpha-Zerfall

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.1.33

 

 

Beta-Zerfall

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.1.34

 

 

Gamma-Zerfall

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb.1.35

 

 

Kernspaltung

 

 

 

Abb.1.36

 

 

Atombombenexplosion

 

atome - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall
 

Abb.1.37

 

 

Atomkraftwerk

 

akwjpg - Radioaktivität, a-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall

 

 

Abb.1.38

 

 

Computertomograph

 

 

 

 

 

 

Weiterführende

Quellen:

Radioaktivität:

http://www.aip.org/history/curie/ und http://www.liv.ac.uk/Chemistry/Links/refrad.html

http://www.uni-bayreuth.de/ZT4/strahlenschutz/radioaktive_stoffe/radioaktivitaet/radioaktivitaet.htm

 

http://isotopes.lbl.gov/education/

 

http://library.thinkquest.org/17940/texts/radioactivity/radioactivity.html

und

Radioaktiver Zerfallskalkulator: http://www.safety.ubc.ca/rad/calc/calcframe.htm

Kernspaltung: http://www.preussenelektra.de/935.html

und hier

Atomarchiv: http://www.atomicarchive.com/main.shtml

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

Flammenfärbungen: http://library.thinkquest.org/3310/lographics/experiments/flmwatch.html

Infrarotspektroskopie: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm

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