Radioaktivität – Aufbau von Atomen und Zerfall erklärt

Bei diesem Begriff denkt man meist an Hiroshima oder Tschernobyl – aber nur selten an Chemie. Dabei muss man jedoch chemische Grundkenntnisse haben, um die Radioaktivität verstehen zu können.

Der Aufbau von Atomen

Zuerst wollen wir uns dem Aufbau von Atomen widmen. Atome bestehen aus einem Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle, welche wiederum aus Elektronen besteht. Untersucht man die Verhältnisse innerhalb des Atoms etwas genauer kann man feststellen, dass der Atomkern verhältnismäßig klein ist, jedoch eine weitaus größere Masse als der Rest besitzt. Der Atomkern besteht wiederum aus 2 verschiedenen Arten von Kernteilchen: Protonen und Neutronen. Die Protonen sind positiv geladen. Die Ladung der Neutronen lässt sich bereits am Namen erkennen: diese sind neutral. Ist ein Atom neutral geladen, so entspricht die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle genau der Anzahl der Protonen im Atomkern, wodurch sich eine insgesamt neutrale Ladung für das Atom ergibt. Als wichtige Kenngrößen für ein Element sollte man die Ordnungs- und die Massenzahl miteinbeziehen. Die Ordnungszahl eines Elements ist die Anzahl der Protonen im Atomkern und die Massenzahl beschreibt die Anzahl der Protonen plus die Anzahl der Neutronen. Insgesamt kann man anhand der Massenzahl die ungefähre Masse des Atoms (in u) ablesen.
Allgemein kann man also ein Element in folgender Schreibweise notieren:

Latex formula

Betrachten wir als Beispiel zu dieser Schreibweise das Element Natrium:

Latex formula

Natrium besitzt also 11 Protonen und 22 Kernteilchen, welche Protonen und Neutronen beinhalten.

Instabile Atome – Isotope

Nun existieren jedoch auch Atome, die zwar die gleiche Ordnungszahl, jedoch eine unterschiedliche Massenzahl besitzen. Diese nennt man Isotope. Ein Element kann mehrere Isotope besitzen, wobei viele von diesen oft instabil sind. Diese Instabilität ist der Grund dafür, dass die Isotope dann auch zerfallen. Dieser Zerfall ist verantwortlich für die Radioaktivität dieses Isotops, da beim Zerfallsprozess Strahlung emittiert wird. Ein gutes Beispiel für ein solches Isotop ist das Latex formula.
Normalerweise kommt das Kohlenstoffatom zu fast 99% in der Form Latex formula vor. Aus der Schreibweise können wir erkennen, dass das Isotop von Kohlenstoff eine Massenzahl von 14 anstatt 12 hat. Meistens trifft die generelle Aussage zu, dass je höher die Abweichung von der „normalen“ Massenzahl ist, desto instabiler das Isotop. Die C-14 Isotope zerfallen jedoch im Vergleich zu anderen Isotopen verhältnismäßig langsam.

Verschiedene Arten von radioaktivem Zerfall

Wir können die radioaktive Strahlung in 3 Arten unterteilen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Diese unterscheiden sich in zahlreichen Punkten.

  1. Alphastrahlung

    Zuerst wollen wir die Alphastrahlung betrachten. Die Alphastrahlung besteht aus 2-fach positiv geladenen Helium-Teilchen, was man auch als

    Latex formula

    schreiben kann.

    Als Beispiel zum Alphazerfall betrachten wir den Zerfall von Radium-226 (Latex formula). Da es sich um einen Alphazerfall handelt, wissen wir, dass ein Latex formula emittiert wird, da die Strahlung ja aus diesen Teilchen besteht. Nun lässt sich für diesen Zerfallsprozess eine Reaktionsgleichung aufstellen, welche lautet:

    Latex formula

    Auf die Massen- und Ordnungszahl des entstehenden Elements X kommen wir, indem wir die Massenzahl des emittierten Heliumatoms von der Massenzahl des Radium-226
    subtrahieren. Auch die Ordnungszahl lässt sich auf die gleiche Weise berechnen.
    Somit erhalten wir:

    Latex formula

    Nun müssen wir nachsehen, welches Element eine Ordnungszahl von 86 besitzt.
    Als Produkt entsteht also unter Abstrahlung eines Alphateilchens ein Radonatom.

    Latex formula
  2. Betastrahlung

    Eine andere Art von Strahlung ist die Betastrahlung. Bei der Betastrahlung werden Elektronen emittiert, was man durch Latex formula beschreibt. Durch die Abstrahlung eines Betateilchens steigt also die Ordnungszahl um +1. Betrachten wir als Beispiels zur Betastrahlung das Jod-131 Isotop.
    Als Reaktionsgleichung können wir schreiben:

    Latex formula

    Im Gegensatz zur Alphastrahlung verändert sich bei der Betastrahlung also nicht die Massenzahl, sondern lediglich die Ordnungszahl.

  3. Gammastrahlung

    Die Gammastrahlung besteht aus Photonen, also Lichtteilchen. Diese sind hochenergetisch und verändern im Gegensatz zu Alpha- und Betastrahlung keine Kennzahlen des Elements.
    Das ist auch der Grund dafür, dass man auftretende Gammastrahlung lediglich als Latex formula bezeichnet. Gammastrahlung tritt häufig in Verbindung mit anderen Strahlungsarten auf.

    Die Gammastrahlung hat eine enorm hohe Durchdringungskraft, was bedeutet, dass sie nur sehr schwer abschirmbar ist. Das liegt daran, dass die Photonen der Gammastrahlung nur eine sehr geringe Wechselwirkung mit ihrem Umfeld aufweisen, da sie neutral geladen sind. Alpha- bzw. Betateilchen treten im Gegensatz dazu wesentlich stärker in Wechselwirkung mit der Materie, auf die sie treffen. Jedoch kann man auch Alpha- und Betateilchen hinsichtlich deren Durchdringungskraft charakterisieren. Während die Alphastrahlung nur eine sehr geringe Reichweite (und damit gleichzeitig eine sehr geringe Durchdringungskraft) aufweist, ist diese bei der Betastrahlung bereits höher.

    Zur Abschirmung von Alphastrahlung reicht bereits ein dünnes Blatt Papier. Will man Betastrahlung abschirmen, benötigt man bereits ein dünnes Metallblech. Bei der Abschirmung von Gammastrahlung muss man bereits eine mehrere Zentimeter dicke Bleischicht verwenden.

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