Physikunterricht/ Kernphysik/ Radioaktivität

Radioaktivität ist eines der Hauptphänomene der Kernphysik, da ansonsten wenige Vorgänge aus dem Atomkern bis über das Atom hinaus von Bedeutung sind.

Vorkommen

Radioaktivität kennt man vor allem im Zusammenhang mit Atomkraft. Das ist nicht ganz falsch, aber auch nicht ganz richtig. Die Radioaktivität taucht auf der Erde zwar vor allem in Kernkraftwerken auf, ist aber auch sonst überall zu finden.

Menschengemachte Radioaktivität

Seit das Ehepaar Curie die Radioaktivität entdeckt hat, haben wir sehr viele Anwendungen für diese gefunden und sie in verschiedene Prozesse eingebaut.

Zunächst waren das Röntgengeräte. Man entdeckte, dass γ-Strahlung Materie durchdringen kann und von Photopapier registriert werden kann. Heute werden die Röntgenstrahlen dadurch erzeugt, dass Elektronen auf eine Metalloberfläche gefeuert werden. Gleichzeitig werden immer mehr radioaktive Elemente entdeckt und erzeugt. Massenmäßig am stärksten beteiligt sind hier die Atomkraftwerke, die aus Uran Plutonium und viele andere Elemente erzeugen.

Atmosphärenstrahlung

Der Begriff Atmosphärenstrahlung ist eigentlich nur bedingt richtig, da sie nicht aus der Atmosphäre, sondern aus dem All kommt und durch die Atmosphäre hindurch zu uns dringt.

Im All kommen verschiedene radioaktive Strahlungen in sehr großen Mengen vor. Dort sind es nicht nur α- und β-Teilchen, sondern alle Elementarteilchen, welche einzeln umherfliegen sowie hohe Dosen der γ-Strahlung. Ein großer Teil der aus dem Weltall auf die Erde kommenden Strahlung wird durch das Magnetfeld der Erde abgelenkt (weshalb das Magnetfeld eine Grundbedingung für unsere Existenz ist) und erreicht uns dementsprechend nicht bzw. nur in Polnähe. Aber nichtsdestotrotz kommt aus dem All noch ein abgeschwächter Rest an radioaktiver Strahlung auf die Erdoberfläche herunter.

Georadioaktivität

Auch die Erde hat eine gewisse Radioaktivität. Diese kommt aus verschiedenen radioaktiven Elementen bzw. Isotopen, welche in der Erde sind. Als einziges radioaktives Element, welches natürlich vorkommt, ist Uran zu nennen. Dabei heißt Element an dieser Stelle, dass es der einzige Stoff ist, der nur radioaktiv vorkommt. Uran ist so groß, dass kein Isotop stabil ist. Da jeder Stoff aber zumindest einige radioaktive Isotope hat, soll hier nur ¹⁴C genannt werden. Dies ist ein Isotop von Kohlenstoff, welches mit einer Halbwertzeit von etwa 5.730 Jahren sehr langlebig ist und auf der Erde mit einer Konzentration von ca.$1,2\cdot 10^{-12}\%$ vorkommt. Dieses Isotop wird zur Altersbestimmung von organischem Material genutzt, welches zwischen 500 und 50 000 Jahre alt ist.

Radioaktive Strahlungen

Radioaktive Strahlungen entstehen bei fast allen Kernprozessen, wobei man jedoch zwischen drei unterschiedlichen Arten unterscheidet.

α-Strahlung

Die α-Strahlung ist eine Partikelstrahlung, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen (also einem Heliumkern) besteht. Damit ist sie theoretisch die schädlichste Strahlung, da sie ganze Moleküle auseinanderreißen und somit großen Schaden anrichten kann. In der Praxis kann sie jedoch vernachlässigt werden, da sie eine sehr geringe Reichweite hat; bereits ein Blatt Papier kann sie abschirmen, da die großen Partikel in den Atomen hängen bleiben. Auch nach einigen Zentimetern Weges durch Luft ist sie kaum noch vorhanden, da sie von den Luftmolekülen aufgehalten wird.

β-Strahlung

Auch die β-Strahlung ist eine Partikelstrahlung, jedoch besteht sie aus viel kleineren Partikeln: Aus Elektronen. Die β-Strahlung entsteht durch den Übergang eines Neutrons in ein Proton, was bei bestimmten Kernen durchaus passieren kann. Hierbei wird ein hochenergetisches Elektron abgegeben.. Wichtig ist, dass dieses Elektron aus dem Kern und nicht aus der Hülle kommt. Da aber auch Elektronen Partikel und noch dazu geladen sind, werden auch sie relativ bald eingefangen. Bei ihrem Flug durch die Luft kommen sie im Mittel einige Meter weit, wobei hier schon ein einfaches Bleiblech schützen kann. Daher sind auch die β-Strahlen in der Praxis wenig gefährlich und tauchen nur in der direkten Nähe von Strahlungsquellen auf.

γ-Strahlung

Die γ-Strahlung ist die dritte und in der Praxis mit Abstand gefährlichste Art der Strahlung. Während Atome nur entweder α oder β-Partikel abstrahlen können, ist die γ-Strahlung immer beteiligt. Es ist eine reine Energiestrahlung, welche aus elektromagnetischen Strahlen besteht, vergleichbar mit der Röntgenstrahlung nur noch deutlich hochfrequenter. Dadurch hat sie auch eine sehr hohe Reichweite. Luft braucht einige Kilometer, um sie zu stoppen und auch Stahlbeton und ähnliche Stoffe können dies nur sehr bedingt. Sie kann darüber hinaus auch tief in unseren Körper eindringen; ca. 50% dringen sogar durch diesen hindurch. Daher sind biologische Schäden nicht auf außen liegende Gewebe wie die Haut beschränkt, sondern können überall im Körper auftreten.

Radioaktiver Zerfall

Radioaktiver Zerfall ist gerade in der Schulphysik ein Bereich, der gern für mathematische Ausführungen genommen wird. Daher geht es hier neben praktischen Anwendungen vor allem um Formeln.

Wichtig ist hierbei, dass radioaktive Isotope mit einer so genannten Halbwertzeit zerfallen. In einer bestimmen Zeit ist also noch die Hälfte des Produktes da, zwei Halbwertzeiten später ist noch ein viertel vorhanden usw. Es handelt sich also um einen logarithmischen Prozess und das Ausgangsprodukt wird nie vollkommen "weg gestrahlt" sein. Dabei verhält sich das einzelne Atom jedoch vollkommen zufällig; dementsprechend sind solche Berechnungen nur bei Größenordnungen vieler tausend Atome (also immer noch sehr kleiner Stoffmengen) sinnvoll, danach steigt die Fehlerwahrscheinlichkeit immer mehr an.

Zerfallsberechnungen

Hier gibt es vor allem zwei wichtige Größen, die von Bedeutung sind. Das ist zum Einen die Halbwertzeit $T_{\frac {1}{2}}$, welche die Zeit angibt, in welcher die Hälfte des Stoffes zerfallen ist. Die zweite Größe ist die Zerfallskonstante $\lambda$, welche mit der Halbwertzeit im Zusammenhang steht.

$T_{\frac {1}{2}}={\frac {ln2}{\lambda }}$

Damit ist auch schon die erste wichtige Formel gegeben. Meist ist nur λ oder die Halbwertzeit gegeben und dann kann es sinnvoll sein, in die jeweils andere Größe umzurechnen, auch wenn man dies umgehen kann, da es jeweils beide Formeln auch vorgegeben sind (oder man setzt ein).

Mengenberechnungen nach gegebenen Zeiten

Auch gerne gestellte Aufgaben fragen nach der Stoffmenge, der Halbwertzeit oder der verstrichenen Zeit, wobei die jeweils anderen Größen gegeben sind. Wir wollen uns hier mit dem Problem beschäftigen, dass wir herausfinden sollen, wieviel von einem radioaktiven Stoff nach einer bestimmten Zeit vorhanden ist, wobei wir wissen, welche Halbwertzeit er hat und wieviel von ihm am Anfang vorhanden war. Dann nehmen wir die Formel:

$N(t)=N_{0}*e^{-{\frac {ln2}{T_{\frac {1}{2}}}}*t}$

welche für andere Fragestellungen entsprechend umgestellt werden muss. Auch die Formel

$N(t)=N_{0}{\frac {1}{2}}^{\frac {t}{T{\frac {1}{2}}}}$

kann in vielen Situationen weiter helfen. Bei ihr ist Umstelle lediglich etwas komplizierter, da man einen Basiswechsel durchführen muss, aber auch das ist keineswegs über dem Schulniveau.