Radioaktivität

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Zum gleichnamigen Album der Band Kraftwerk siehe Radio-Aktivität.
DIN EN ISO 7010 W003: Warnung vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen (auch auf abschirmenden Behältern)(1)

Radioaktivität (lat. radius ‚Strahl‘ und activus ‚tätig‘, ‚wirksam‘; dt. Strahlungsaktivität) ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Der Kern wandelt sich dabei unter Aussendung von Teilchen in einen anderen Kern um oder ändert unter Energieabgabe seinen Zustand.

Die Bezeichnung wurde 1898 erstmals vom Ehepaar Marie Curie und Pierre Curie für das zwei Jahre vorher von Antoine Henri Becquerel entdeckte Phänomen geprägt.[1][2] Der Umwandlungsprozess wird auch als radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall bezeichnet. Atomsorten mit instabilen Kernen werden Radionuklide genannt.

Die beim Umwandlungsprozess frei werdende Energie wird als Bewegungsenergie ausgesandter Teilchen (meist Alpha- oder Beta-Teilchen) oder als Strahlungsenergie von Gammastrahlung abgegeben. Die Art und die Energie der aus jedem einzelnen Zerfall emittierten Strahlung ist für das jeweilige Radionuklid typisch. Jede dieser Strahlungsarten ist für den Menschen – ebenso wie Höhen- und Röntgenstrahlung – zwar nicht direkt wahrnehmbar, aber ab einer gewissen Dosis gefährlich. Nach einer für jeden radioaktiven Stoff charakteristischen Zeit, der Halbwertszeit, hat sich dessen Menge halbiert, somit auch seine Aktivität. Die Halbwertszeit kann im Bereich von Sekundenbruchteilen bis hin zu Quadrillionen Jahren liegen.

Radionuklide kommen in der Natur vor. Sie entstehen aber auch z. B. in Kernreaktoren oder durch Kernwaffen-Explosionen. In Teilchenbeschleunigern werden sie gezielt hergestellt. Radioaktive Substanzen finden Anwendung u. a. in Radionuklidbatterien und -Heizelementen zur Energieversorgung in der Raumfahrt sowie in der Nuklearmedizin und Strahlentherapie. In der Archäologie nutzt man bei der Radiokarbonmethode den radioaktiven Zerfall des natürlich entstehenden Kohlenstoffisotops 14C zur Altersbestimmung.

Begriffsverwendungen

Radioaktiver Zerfall

Der historisch geprägte Begriff Zerfall blendet aus, dass zwar ein Stoff (das Radionuklid) zerfällt und verschwindet, gleichzeitig aber andere Stoffe (das Tochternuklid und ggf. 4He) entstehen. Genauer ist es, von einer Umwandlung zu sprechen.

Fachsprachlich wird auch die spontane Umwandlung des einzelnen Atomkerns – und manchmal überhaupt jede spontane Zustandsänderung eines quantenmechanisch beschriebenen Systems – als Zerfall bezeichnet. So wird auch die Abgabe von Gammastrahlung Gammazerfall genannt.

Radioaktive Substanzen und Strahlung

In der Alltagssprache und in öffentlichen Diskussionen werden radioaktive Stoffe und ihre Strahlung oft nicht unterschieden. So wird von radioaktiver Strahlung gesprochen.[3][4] Diese Wortkombination ist genau genommen falsch, denn nicht die Strahlung selbst ist radioaktiv, sondern die Substanzen (Strahler), aus denen sie austritt; gemeint ist ionisierende Strahlung radioaktiver Substanzen.

In Berichten über atomare Zwischenfälle wird oft von ausgetretener Strahlung gesprochen[5][6], obwohl es um unbeabsichtigt freigesetzte radioaktive Stoffe wie Caesium-137 und Iod-131 geht. Die austretende Strahlung hätte selbst im ungünstigsten Fall nur wenige Kilometer Reichweite.

Geschichte

1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel beim Versuch, die gerade gefundene Röntgenstrahlung als Fluoreszenzerscheinung zu erklären, dass Uransalze auch ohne vorherige Belichtung fotografische Platten schwärzen. Dies schloss Fluoreszenz als Ursache aus. Wie er später feststellte, konnte diese neue Strahlung lichtundurchlässige Stoffe durchdringen und Luft ionisieren, ohne dabei von Temperaturänderungen oder chemischen Behandlungen der Probe beeinflusst zu werden. 1898 entdeckten Marie und Pierre Curie die Radioaktivität von Thoriumoxid und isolierten zwei bis dahin unbekannte weitaus stärker strahlende Substanzen, die sie Radium und Polonium tauften.

1898 gelang es Ernest Rutherford durch Untersuchung des Durchdringungsvermögens zwei Strahlungskomponenten zu unterscheiden, die er als α- und β-Strahlung bezeichnete.[7] Ein Jahr später konnten Stefan Meyer und Egon Schweidler sowie Friedrich Giesel zeigen, dass diese in magnetischen Feldern in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden. 1900 entdeckte Paul Villard eine dritte Komponente, die sich nicht durch Magnetfelder ablenken ließ und die besonders durchdringend war. Für diese dritte Strahlungsart prägte Rutherford 1903 die Bezeichnung γ-Strahlung.[8] Bis 1909 hatte sich erwiesen, dass Alphastrahlung aus Heliumkernen und Betastrahlung aus Elektronen besteht. Die Vermutung, dass es sich bei Gammastrahlung um elektromagnetische Strahlung handelt, konnte erst 1914 von Rutherford und Edward Andrade bestätigt werden.

Bereits 1903 – sechs Jahre vor dem Nachweis von Atomkernen – entwickelten Rutherford und Frederick Soddy eine Hypothese, nach der Radioaktivität mit der Umwandlung von Elementen (Transmutation) verbunden ist. Davon ausgehend formulierten 1913 Kasimir Fajans und Frederick Soddy die radioaktiven Verschiebungssätze. Diese beschreiben die Änderung von Massen- und Ordnungszahl bei Alpha- und Betazerfall, womit die natürlichen Zerfallsreihen als eine schrittweise Abfolge dieser Zerfallsprozesse erklärt werden konnten.

1933 gelang es Irène und Frédéric Joliot-Curie erstmals, neue radioaktive Elemente zu erzeugen. Durch den Beschuss von Proben mit α-Teilchen konnten sie Isotope herstellen, die aufgrund ihrer kurzen Halbwertszeiten in der Natur nicht vorkommen. 1934 entdeckten sie bei ihren Versuchen eine neue Art des Betazerfalls, bei der Positronen anstelle von Elektronen abgestrahlt wurden. Seither unterscheidet man zwischen β+- und β-Strahlung.

1980 sagten Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru und Walter Greiner aufgrund theoretischer Überlegungen eine neue Art der Radioaktivität voraus, bei der Kerne emittiert werden, die schwerer als α-Teilchen sind.[9] Der erste experimentelle Nachweis eines solchen Clusterzerfalls gelang H. J. Rose und G. A. Jones 1983 an der University of Oxford.[10] Sie beobachteten, dass der α-Strahler 223Ra sehr selten unter Aussendung eines 14C-Kerns zu 209Pb zerfällt.

Physikalische Grundlagen

Nuklidkarte der radioaktiven Zerfallsart. Schwarz gezeichnete Nuklide sind stabil, farbige sind instabil. Die diagonale Linie zeigt Nuklide gleicher Protonen- und Neutronenzahl. Man erkennt, dass Nuklide mit mehr als etwa 20 Protonen nur mit einem Neutronenüberschuss stabil sind. Das schwerste stabile Nuklid ist Blei-208 mit 82 Protonen und 126 Neutronen.

Bindung und Stabilität

Atomkerne „streben“ wie jedes physikalische System danach, durch Energieabgabe nach außen einen möglichst kleinen Energieinhalt zu erreichen. Stabil ist ein Kern dann, wenn er keine Möglichkeit zur weiteren Energieabgabe hat. Kerne, die in ihrem Grundzustand stabil sind, enthalten nie mehr als 208 Nukleonen. Das Verhältnis ihrer Neutronenzahl N zur Protonenzahl Z beträgt für zwei sehr leichte Nuklide weniger als 1:1 (1H, 3He), bei schwereren bis zum Calcium beträgt das Verhältnis 1:1 oder etwas mehr, bei noch schwereren steigt es bis auf über 1,5:1 (208Pb) an (siehe auch Neutronenüberschuss). Alle Nuklide außerhalb dieses Bereichs sind instabil und damit radioaktiv. Auch unter den stabilen Nukliden ändert sich die Stabilität im quantitativen Sinn, ausgedrückt durch die Bindungsenergie pro Nukleon, noch mit der Massenzahl A; die stabilsten Kerne liegen um A = 60. Diese Beobachtungen lassen sich durch das Zusammenwirken von Coulombkraft und Kernkraft (siehe Atomkern) verstehen. Das schwerste „gerade noch“ stabile Nuklid ist das Blei-Isotop Pb-208 mit 82 Protonen und 126 Neutronen.

Je nachdem, ob ein Kern sich vom stabilsten Bereich hauptsächlich wegen des Neutronen-Protonen-Verhältnisses oder wegen hoher Massenzahl unterscheidet, tritt die eine oder andere der unten beschriebenen Zerfallsarten (Zerfallskanäle) auf. Ein Neutronenmangel kann z. B. durch Beta-Plus-Zerfall, ein Neutronenüberschuss durch Beta-Minus-Zerfall, eine zu große Kernmasse durch Alphazerfall oder Spontanspaltung abgebaut werden. Die genauere Beschreibung des Zerfallsverhaltens mittels der Quantenmechanik ist Gegenstand der Kernphysik.

Bekannt sind etwas über 250 in der Natur vorkommende stabile Nuklide (d. h. Atomsorten) sowie etwa 3000 radioaktive,[11] welche als Radionuklide bezeichnet werden und von denen ca. 100 ebenfalls natürlich vorkommen.[12] Einige früher als stabil geltende Nuklide sind nach heutigem Wissen Radionuklide mit sehr langen Halbwertszeiten im Bereich bis zu Quadrillionen Jahren, zum Beispiel 152Gd, 174Hf und 180W.[13] Aufgrund dieser sehr langen Halbwertszeiten ist ihre entsprechend geringe Radioaktivität nur mit großem Aufwand nachweisbar.

Exponentielle zeitliche Abnahme

Radioaktiver Zerfall ist kein deterministischer Prozess. Der Zerfallszeitpunkt jedes einzelnen Atomkerns ist zufällig.[14] Allerdings gibt es für jedes Radionuklid eine bestimmte Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit; bei makroskopischen Stoffmengen führt dies dazu, dass die Menge des Nuklids in guter Näherung exponentiell abnimmt, wie es das Zerfallsgesetz beschreibt. Die Zerfallswahrscheinlichkeit kann durch die Halbwertszeit angegeben werden, d. h. den Zeitraum, nach dem die Hälfte der Atomkerne einer Anfangsmenge zerfallen ist. Radioaktive Halbwertszeiten liegen im Bereich von winzigen Sekundenbruchteilen bis hin zu Quadrillionen Jahren. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer ist bei gegebener Substanzmenge die Aktivität dieses Nuklids.

Die Gesamtaktivität einer Ursprungsmenge kann um ein Vielfaches ansteigen, wenn beim Zerfall kein stabiles oder langlebiges Nuklid entsteht. Die Substanz reichert sich mit Radionukliden der Zerfallsreihe an, die jeweils die gleiche Aktivität wie der ursprüngliche Prozess haben. Dabei stellt sich ein säkulares Gleichgewicht ein. Dies erfolgt bei 137Cs nach wenigen Minuten, bei 232Th dauert dies etliche Jahre.

Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität
Isotop Halbwertszeit[11] spezifische Aktivität des Nuklids spezifische Aktivität der Zerfallsreihe Zerfalls-
arten
131I 8 Tage 4.600.000.000.000 Bq/mg 4.600.000.000.000 Bq/mg β
137Cs 30 Jahre 3.200.000.000 Bq/mg 6.230.000.000 Bq/mg β
239Pu 24.110 Jahre 2.300.000 Bq/mg 2.300.000 Bq/mg α
235U 704.000.000 Jahre 80 Bq/mg 160 Bq/mg α, β
238U 4.468.000.000 Jahre 12 Bq/mg 37 Bq/mg α, β
232Th 14.050.000.000 Jahre 4 Bq/mg 41 Bq/mg α, β

Statistische Schwankungen

Die Aktivität einer Substanzmenge ist der Erwartungswert der Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit. Die tatsächliche Zahl von Zerfällen, die man in einem bestimmten Zeitintervall beobachtet, schwankt zufallsweise um den Erwartungswert; die Häufigkeit, mit der dabei die einzelnen möglichen Anzahlen auftreten, folgt der Poisson-Verteilung. Dieser Prozess steckt hinter der Unregelmäßigkeit des Knackens eines Geiger-Müller-Zählrohrs.

Die Poisson-Verteilung lässt sich bei genügend großer mittlerer Zahl näherungsweise durch die Gauß-Verteilung beschreiben. Die Standardabweichung von m Zerfalls-Ereignissen beträgt \sqrt{m}.

Zerfallsarten

Verschiedene Zerfallsarten eines Radio-Nuklids in der Nuklidkarten-Darstellung: senkrecht: Ordnungszahl (Protonenzahl) Z, waagerecht: Neutronenzahl N

Es werden drei hauptsächliche Zerfallsarten, auch als Zerfallsmodus (ZM) oder Zerfallskanal bezeichnet, unterschieden: Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall. Da die Natur dieser Vorgänge zur Zeit ihrer Entdeckung unbekannt war, bezeichnete man die drei Strahlenarten in der Reihenfolge zunehmenden Durchdringungsvermögens mit den ersten drei (Klein-)Buchstaben des griechischen Alphabets: α, β und γ.

  • Beim Alpha-Zerfall emittiert der Atomkern zwei Protonen und zwei Neutronen in Form eines Alpha-Teilchens. Hierdurch verringert sich die Massenzahl um 4 und die Ordnungszahl um 2.
  • Beim Beta-Zerfall emittiert der Atomkern entweder ein Elektron oder Positron; dieses entsteht im Atomkern bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton bzw. eines Protons in ein Neutron. Die Massenzahl bleibt gleich, die Ordnungszahl ändert sich um +1 bzw. −1.
  • Beim Gamma-Zerfall emittiert der Atomkern ein hochenergetisches Photon. Massen- und Ordnungszahl bleiben gleich, nur der Anregungszustand des Kerns verringert sich. Gammazerfall tritt meist als unmittelbare Folge eines vorangegangenen Alpha- bzw. Beta-Zerfalls auf.

Manche Nuklide können auf mehr als eine Art zerfallen, die verschiedenen Varianten bezeichnet man als Zerfallskanäle.

Eine Nuklidkarte ist eine graphische Übersicht aller stabilen und instabilen Nuklide einschließlich ihrer beobachteten Zerfallsarten und Halbwertszeiten.

Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall wurden als die ersten entdeckt und sind die bei weitem häufigsten Umwandlungsarten. Die meisten der später entdeckten weiteren Zerfallsarten sind selten und nur für die physikalische Forschung selbst von Interesse; eine gewisse praktische Bedeutung hat außer Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall noch die Spontanspaltung.

Die Vielzahl existierender Zerfälle lässt sich in verschiedene Kategorien einteilen:

Zerfälle unter Aussendung von Nukleonen
Viele radioaktive Kerne wandeln sich unter Aussendung von Nukleonen, d. h. von Protonen, Neutronen oder leichten Kernen um. Prominentestes Beispiel ist der Alpha-Zerfall. Hierbei spaltet der Mutterkern einen Heliumkern ab. Seltener tritt die Aussendung einzelner Neutronen oder Protonen oder ganzer Kohlenstoffkerne auf. Alle Zerfälle mit Aussendung von Nukleonen werden durch die starke Wechselwirkung zusammen mit der elektromagnetischen Wechselwirkung vermittelt.
Beta-Zerfälle
Wenn bei einem Zerfall Elektronen (oder deren Antiteilchen) beteiligt sind, spricht man von einem Beta-Zerfall. Es gibt mehrere solcher Prozesse. Es muss nicht immer ein Elektron als Produkt entstehen, es kann auch wie beim Elektroneneinfang ein Elektron umgewandelt werden. Alle Betazerfälle sind Prozesse der schwachen Wechselwirkung.
Übergang zwischen Zuständen ein- und desselben Kerns
In diesem Fall werden keinerlei Materieteilchen abgestrahlt. Entsprechend wandelt sich auch der Kern nicht in einen anderen um; er gibt lediglich überschüssige Energie ab. Diese kann als Gammastrahlung frei werden oder an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden (innere Konversion). Es handelt sich um Vorgänge der elektromagnetischen Wechselwirkung.
Kombinierte Zerfälle
Am bekanntesten ist der β-induzierte Neutronenemission. Diese tritt bevorzugt bei leichten, sehr neutronenreichen Kernen auf. Gleichzeitig mit einem β-Zerfall werden ein bis drei Neutronen emittiert.

Übersicht

Zerfallsmodus teilnehmende Teilchen Tochterkern weitere Teilchen
Zerfälle unter Aussendung von Nukleonen
p Protonenemission Der Kern emittiert ein Proton. (A−1, Z−1) p
n Neutronenemission Der Kern emittiert ein Neutron. (A−1, Z) n
2p Doppelte Protonenemission Der Kern emittiert gleichzeitig zwei Protonen. (A−2, Z−2) 2 p
2n Doppelte Neutronenemission Der Kern emittiert gleichzeitig zwei Neutronen. (A−2, Z) 2 n
α Alpha-Zerfall Der Kern emittiert einen 4He-Kern (A=4, Z=2), auch Alphateilchen genannt. (A−4, Z−2) 4He
AcZc Clusterzerfall Der Kern emittiert einen kleineren Kern (14C bis 28Si) mit Ac, Zc. Es verbleibt ein schwerer Kern zwischen 204Hg, 212Pb und 211Bi.
Die Emission eines 4He-Kerns (Ac=4, Zc=2), der Alpha-Zerfall, zählt historisch nicht zu den Clusterzerfällen.
(AAcZZc) (AcZc)
SF Spontane Spaltung Der Kern zerfällt in zwei mittelschwere Kerne, selten in einen zusätzlichen leichten Kern sowie meist zwei bis drei Neutronen. 2...3 Kerne 2...3 n
Verschiedene Beta-Zerfälle
β Beta-Minus-Zerfall Der Kern emittiert ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. (AZ+1) e, ν̅e
β+ Beta-Plus-Zerfall Der Kern emittiert ein Positron und ein Elektron-Neutrino. (AZ−1) e+, νe
K Elektroneneinfang Der Kern absorbiert ein Elektron der Atomhülle und emittiert ein Elektron-Neutrino.
Der Tochterkern verbleibt in einem angeregten, instabilen Zustand.
(AZ−1)* νe
ββ Doppelter Betazerfall Der Kern emittiert zwei Elektronen und zwei Elektron-Antineutrinos. (AZ+2) 2 e, 2 ν̅e
KEC Doppelter Elektroneneinfang Der Kern absorbiert zwei Elektronen der Atomhülle und emittiert zwei Elektron-Neutrinos.
Der Tochterkern verbleibt in einem angeregten, instabilen Zustand.
(AZ−2)* 2 νe
Elektroneneinfang mit Positronenemission Der Kern absorbiert ein Elektron der Atomhülle und emittiert ein Positron und zwei Elektron-Neutrinos. (AZ−2) e+, 2 νe
Doppelte Positronenemission Der Kern emittiert zwei Positronen und zwei Elektron-Neutrinos. (AZ−2) 2 e+, 2 νe
Übergänge zwischen Zuständen desselben Kerns
IT Gamma-Zerfall Der angeregte Kern emittiert ein (meist) hochenergetisches Photon (Gammaquant). (AZ) γ
Innere Konversion Der angeregte Kern überträgt Energie auf ein Hüllenelektron, welches das Atom verlässt. (AZ) e

Alpha-Zerfall

Hauptartikel: Alphastrahlung

Der Alpha-Zerfall tritt hauptsächlich bei schwereren und relativ neutronenarmen Nukliden auf. Dabei verlässt ein Helium-4-Kern, in diesem Fall Alphateilchen genannt, mit einer Geschwindigkeit von einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit den Mutterkern. Dies ist trotz der hohen Potentialbarriere aufgrund des Tunneleffekts möglich. Der Restkern, auch Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, hat nach dem Vorgang eine um vier verringerte Nukleonenzahl und eine um zwei verringerte Kernladungszahl.

Die allgemeine Formel des Alpha-Zerfalls lautet

{}^A_Z\mathrm{X}\to{}^{A-4}_{Z-2}\mathrm{Y} +\, ^{4}_{2}\mathrm{He}
Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfällt unter Aussendung eines Alphateilchens
in den Tochterkern Y mit einer um 4 verminderten Nukleonenzahl und um 2 verminderten Protonenzahl.

Ein Beispiel für den Alpha-Zerfall ist der Zerfall von Uran-238 in Thorium-234:

{}^{238}_{\ 92} \mathrm U \to {}^{234}_{\ 90} \mathrm{Th} + \alpha

Beta-Zerfall

Hauptartikel: Betastrahlung

Beta-Zerfall tritt bei einem unausgewogenen Verhältnis von Neutronen zu Protonen im Kern auf. Die dabei entstehende Betastrahlung besteht aus Elektronen oder Positronen.

β–Zerfall

Beim β-Zerfall (Beta-Minus-Zerfall) wird im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Dabei werden ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um 1.

Die allgemeine Reaktionsgleichung des Beta-Minus-Zerfalls lautet

{}^{A}_{Z} \mathrm{X} \to {}^{A}_{Z+1} \mathrm{Y} + \mathrm{e}^- + \overline\nu_\mathrm{e}
Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfällt unter Aussendung eines Elektrons
und eines Anti-Elektronneutrinos in den Tochterkern Y mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 erhöhten
Protonenzahl.

Der Zerfall von Kohlenstoff-14 in das stabile Isotop Stickstoff-14 ist ein Beispiel für den β-Zerfall:

{}^{14}_{\ 6} \mathrm C \to {}^{14}_{\ 7}\mathrm N + e^- + \overline\nu_\mathrm{e}

Beta-Minus-Strahlung lässt sich durch wenige Meter Luft oder z. B. durch eine Plexiglasplatte vollständig abschirmen. Die Reichweite der Strahlung hängt von deren Energie und dem zur Abschirmung verwendeten Material ab.

Neutrinostrahlung unterliegt nur der schwachen Wechselwirkung und ist durch seine äußerst geringe Wechselwirkung mit Materie nur sehr schwer nachzuweisen und völlig unschädlich. Die Sonnen-Neutrinos durchqueren fast ungeschwächt die gesamte Sonne und die gesamte Erde.

β+–Zerfall

Beim β+-Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron umgewandelt; dabei werden ein Positron und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um 1.

Die allgemeine Reaktionsgleichung des Beta-Plus-Zerfalls lautet

{}^{A}_{Z} \mathrm{X} \to {}^{A}_{Z-1} \mathrm{Y} + \mathrm{e}^+ + \nu_\mathrm{e}
Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfällt unter Aussendung eines Positrons
und eines Elektronneutrinos in den Tochterkern Y mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 verminderter Protonenzahl.

Der Zerfall von Stickstoff-13 in das stabile Isotop Kohlenstoff-13 ist ein Beispiel für den β+-Zerfall:

{}^{13}_{\ 7} \mathrm N \to {}^{13}_{\ 6} \mathrm C + e^+ + \nu_e

Elektroneneinfang

Hauptartikel: Elektroneneinfang

Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht darin, ein Elektron aus der Atomhülle in den Kern zu „ziehen“, dem so genannten Elektroneneinfang (engl. electron capture, kurz EC), auch ε-Zerfall oder manchmal inverser β-Zerfall genannt. Nach der Bezeichnung der typisch betroffenen Elektronenschale, der K-Schale, wird der Elektroneneinfang auch als K-Einfang bezeichnet. Das Proton des Kerns wird in ein Neutron umgewandelt, und ein Elektronneutrino emittiert.

Bei diesem Umwandlungsmechanismus ist der Kern denselben Änderungen unterworfen wie beim β+-Zerfall, die Nukleonenzahl bleibt unverändert, die Ordnungszahl verringert sich um eins. Der Elektroneneinfang konkurriert daher mit dem β+-Zerfall und wird auch als eine Variante des Betazerfalls angesehen. Da der β+-Zerfall die Energie für das emittierte Positron aufbringen muss, kommt energetisch nicht für jedes Nuklid, das mit Elektroneneinfang zerfällt, der β+-Zerfall in Frage. Da das eingefangene Elektron meist aus der innersten Elektronenschale stammt, wird in dieser ein Platz frei und Elektronen aus den äußeren Schalen rücken nach, wobei charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird.

Allgemein lautet die Formel für den Elektroneneinfang

{}^{A}_{Z}\mathrm{X}+ \mathrm{e}^- \to{}^{A}_{Z-1}\mathrm{Y} + \nu_\mathrm{e}
Der Mutterkern X fängt ein Elektron aus der Atomhülle ein und wandelt sich unter Emission eines Elektronneutrinos
in den Tochterkern mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 verminderter Protonenzahl um.

Ein Beispiel ist der Zerfall von Nickel-59 zu Kobalt-59:

{}^{59}_{28} \mathrm {Ni} + e^- \to {}^{59}_{27} \mathrm {Co} + \nu_e

Doppelter Elektroneneinfang: Bei einigen Kernen ist ein einfacher Elektroneneinfang energetisch nicht möglich, sie können sich aber durch gleichzeitigen Einfang zweier Elektronen umwandeln. Die Halbwertszeiten derartiger Umwandlungen sind typischerweise sehr lang und konnten erst in jüngster Zeit nachgewiesen werden.

Ein Beispiel ist der Zerfall von Xenon-124 zu Tellur-124:

{}^{124}_{\ 54} \mathrm {Xe} + 2e^- \to {}^{124}_{\ 52} \mathrm {Te} + 2\nu_e

Doppelter Beta-Zerfall

Hauptartikel: Doppelter Betazerfall

Bei einigen Kernen ist ein einfacher Beta-Zerfall energetisch nicht möglich, sie können aber unter Abstrahlung zweier Elektronen zerfallen. Derartige Zerfälle haben typischerweise sehr lange Halbwertszeiten und sind erst in jüngster Zeit nachgewiesen worden.

Beispiel: {}^{96}_{40} \mathrm {Zr} \to {}^{96}_{42} \mathrm {Mo} + 2 e^- + 2 \overline\nu_\mathrm{e}

Bisher ist die Frage, ob beim doppelten Beta-Zerfall stets zwei Neutrinos emittiert werden oder ob auch ein neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall vorkommt, nicht beantwortet. Könnte der neutrinolose Fall nachgewiesen werden, so hätten sich die Neutrinos gegenseitig annihiliert, was bedeuten würde, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Damit wären sie sogenannte Majorana-Teilchen.

Gamma-Zerfall

Hauptartikel: Gammastrahlung

Ein γ-Zerfall (γ ist der kleine griechische Buchstabe gamma) ist möglich, wenn der Atomkern nach einem Zerfall in einem angeregten Zustand vorliegt. Geht dieser in einen Zustand geringerer Energie über, gibt der Kern durch Emission hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, der γ-Strahlung, Energie ab. Die Neutronen- und Protonenzahl des Kerns ändern sich dabei nicht. Die Bezeichnung Gamma„zerfall“ ist insofern etwas irreführend, aber trotzdem übliche Nomenklatur. Der Gammazerfall folgt meist unmittelbar auf einen Beta- oder Alpha-Zerfall.

Die allgemeine Gleichung für den Gamma-Zerfall ist

{}^{A}_{Z}\mathrm{X}^{*}\to{}^{A}_{Z}\mathrm{X} + \gamma
Der angeregte Kern X regt sich unter Aussendung eines Gammaquants ab.
Zerfallsschema von 60Co
Zerfallsschema von 99 mTc

Ein bekanntes Beispiel ist die Aussendung von Gammastrahlung durch einen Nickel-60-Kern, der (meist) durch Beta-Zerfall eines Cobalt-60-Kerns entstanden ist:

{}^{60}_{28} \mathrm {Ni}^{*} \to {}^{60}_{28} \mathrm {Ni} + {\gamma}

Das Zerfallsschema dieses Prozesses ist in der Grafik am rechten Rand dargestellt. 60Co, ein Nuklid mit vielen praktischen Anwendungen, ist ein Beta-Minus-Strahler mit einer Halbwertszeit von 5,26 Jahren. Es zerfällt in einen angeregten Zustand von 60Ni*, der praktisch sofort (0,59 bzw. 0,74 ps) durch Emission von (meist) einer Kaskade aus zwei Gammaquanten in den Grundzustand übergeht.

Bei den praktischen Anwendungen von 60Co und vielen anderen Radionukliden geht es sehr oft nur um diese Gammastrahlung; die Alpha- oder Betastrahlung wird in diesen Fällen durch das Gehäuse des radioaktiven Präparates abgeschirmt und nur die Gammastrahlung dringt nach außen.

Obwohl die Gammastrahlung aus dem Tochternuklid des Alpha- oder Beta-Zerfalls kommt, ordnet man sie sprachlich immer dessen Mutternuklid zu. Man spricht vom „Gammastrahler“ Cobalt-60 usw., denn die einzige praktisch brauchbare Quelle dieser Gammastrahlung ist ein 60Co-Präparat.

Nur wenn der angeregte Zustand ein Isomer ist, d. h. eine ausreichend lange Halbwertszeit hat, kann die eigentliche Gammastrahlungsquelle getrennt von ihrer Erzeugung genutzt werden, wie im Falle von Technetium-99:

{}^{99m}_{43} \mathrm {Tc} \to {}^{99}_{43} \mathrm {Tc} + {\gamma}

Dieses Technetium-Isotop mit einer Halbwertszeit von sechs Stunden wird in der medizinischen Diagnostik verwendet.

Zur Abschirmung von γ-Strahlung sind unter Umständen dezimeterdicke Beton- oder Bleiplatten nötig, denn sie hat in Materie keine bestimmte Reichweite, sondern wird nur exponentiell abgeschwächt. Es gibt daher für jedes Abschirmmaterial eine von der Gammaenergie abhängige Halbwertsdicke. Gammastrahlung ist wie Licht elektromagnetische Strahlung, ihr Quant ist aber sehr viel energiereicher und liegt damit weit außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums.

Innere Konversion

Die beim Übergang eines Atomkerns in einen energetisch niedrigeren Zustand freiwerdende Energie kann auch an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden. Diesen Vorgang nennt man Innere Konversion. Die Konversionselektronen haben dementsprechend ganz bestimmte Energien, zeigen im Gegensatz zu β-Elektronen ein Linienspektrum.

{}^{A}_{Z}\mathrm{X}^{*}\to{}^{A}_{Z}\mathrm{X}
Der angeregte Kern X regt sich ab. Die dabei freiwerdende Energie geht als kinetische Energie auf ein Elektron der Atomhülle über.

Bei innerer Konversion fehlt nach dem Zerfall in der Hülle eine negative Ladung und es bleibt ein positives Ion zurück.

Weitere Zerfallsarten

Spontane Spaltung

Bei besonders schweren Kernen jenseits der Ordnungszahl 90 ist die spontane Spaltung ein weiterer radioaktiver Umwandlungsprozess. Der Atomkern zerfällt in zwei (selten mehr) mittelschwere Tochterkerne und setzt dabei zwei oder drei Neutronen frei. Es sind verschiedener Tochterkernpaare möglich, jedoch ist die Summe der Kernladungszahlen und die Summe der Massenzahlen aller Spaltprodukte jeweils gleich der des Ursprungskerns:

  • {}^{252}_{\ 98} \mathrm {Cf} \to {}^{145}_{\ 56} \mathrm {Ba} + {}^{104}_{\ 42} \mathrm {Mo} + 3 ~ {}^{1}_{0} \mathrm {n}
  • {}^{252}_{\ 98} \mathrm {Cf} \to {}^{128}_{\ 50} \mathrm {Sn} + {}^{122}_{\ 48} \mathrm {Cd} + 2 ~ {}^{1}_{0} \mathrm {n}

Natürlich vorkommenden Uranisotope zerfallen zu einem winzigen Teil durch spontane Spaltung:

  • {}^{235}_{\ 92} \mathrm {U} \to {}^{142}_{\ 56} \mathrm {Ba} + {}^{90}_{36} \mathrm {Kr} + 3 ~ {}^{1}_{0} \mathrm {n}
  • {}^{238}_{\ 92} \mathrm {U} \to {}^{140}_{\ 54} \mathrm {Xe} + {}^{96}_{38} \mathrm {Sr} + 2 ~ {}^{1}_{0} \mathrm {n}
  • {}^{235}_{\ 92} \mathrm {U} \to {}^{135}_{\ 53} \mathrm {I} + {}^{98}_{39} \mathrm {Y} + 2 ~ {}^{1}_{0} \mathrm {n}
  • {}^{238}_{\ 92} \mathrm {U} \to {}^{133}_{\ 51} \mathrm {Sb} + {}^{102}_{\ 41} \mathrm {Nb} + 3 ~ {}^{1}_{0} \mathrm {n}

Neben der meist binären Kernspaltung tritt selten auch eine ternäre Kernspaltung auf, bei der also ein drittes (leichtes) Teilchen auftritt. Meist ist dieses Teilchen ein 4He- oder 3H-Kern.

Noch seltener treten quaternäre Kernspaltungen auf, in denen zwei weitere leichte Teilchen (auch hier meist 4He) entstehen[15]

Spontane Nukleonenemission

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission, d. h. zu Protonen- oder Neutronenemission kommen. Atomkerne mit sehr hohem Protonenüberschuss können ein Proton abgeben, Atomkerne mit hohem Neutronenüberschuss können Neutronen abgeben.

  • {}^A_Z\mathrm{X}\to{}^{A-1}_{Z-1}\mathrm{Y} +{}^1_1\mathrm{p}
  • {}^A_Z\mathrm{X}\to{}^{A-1}_{Z}\mathrm{X} +{}^1_0\mathrm{n}

Helium-5 sendet zum Beispiel spontan ein Neutron aus:

5He → 4He + 1n

Bor-9 spaltet dagegen ein Proton ab, um den Überschuss auszugleichen: 9B → 8Be + 1p

Clusterzerfall

Hauptartikel: Clusterzerfall

Statt einzelner Nukleonen oder Helium-4-Kerne werden in sehr seltenen Fällen auch größere Atomkerne emittiert. Beispiele:

  • {}^{247}_{\ 97} \mathrm {Bk} \to {}^{235}_{\ 91} \mathrm {Pa} + {}^{12}_{\ 6} \mathrm {C}
  • {}^{247}_{\ 97} \mathrm {Bk} \to {}^{199}_{\ 77} \mathrm {Ir} + {}^{48}_{20} \mathrm {Ca}
  • {}^{248}_{\ 98} \mathrm {Cf} \to {}^{232}_{\ 90} \mathrm {Th} + {}^{16}_{\ 8} \mathrm {O}

Zwei-Protonen-Zerfall

Bei extremem Protonenüberschuss (wie zum Beispiel bei Eisen-45) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden.

{}^{45}_{26} \mathrm {Fe} \to {}^{43}_{24} \mathrm {Cr} + 2 \, {}^{1}_{1} \mathrm {p}

Zerfallsreihen

Hauptartikel: Zerfallsreihe

Das Produkt eines Zerfalls kann stabil oder seinerseits radioaktiv sein. Im letztgenannten Fall wird eine Abfolge von radioaktiven Zerfällen stattfinden, bis schließlich ein stabiles Nuklid als Endprodukt entstanden ist. Diese Aufeinanderfolge radioaktiver Zerfälle heißt Zerfallsreihe oder Zerfallskette.

So zerfällt das Isotop Uran-238 unter Aussendung eines Alpha-Teilchens in Thorium-234, dieses wandelt sich dann durch einen Beta-Zerfall in Protactinium-234 um, welches wieder instabil ist und so fort. Nach insgesamt 14 bzw. 15 Zerfällen endet diese Zerfallsreihe beim stabilen Kern Blei-206. Da manche Kerne auf verschiedene Weisen zerfallen können (siehe Zerfallskanal), können von einem Mutterkern mehrere Zweige der gleichen Zerfallsreihe ausgehen (die sich auch wieder treffen können). So gehen zum Beispiel etwa 64 % der Atome einer Bismut-212-Probe durch einen Beta-Zerfall in Polonium-212, die übrigen etwa 36 % durch einen Alpha-Zerfall in Thallium-208 über.

Eine ursprünglich reine Probe eines Radionuklids kann auf diese Weise mit der Zeit in ein Gemisch verschiedener Radionuklide übergehen. Dabei sammeln sich langlebige Nuklide stärker als kurzlebige an.

Abschirmung und Reichweite

Hauptartikel: Abschirmung (Strahlung)
Alphastrahlung wird durch ein Blatt Papier, Betastrahlung durch ein Metallblech von einigen Millimeter Dicke vollständig absorbiert; zur hinreichenden Schwächung von Gammastrahlung braucht man - je nach Energie dieser Strahlung - mehrere Zentimeter bis Dezimeter eines Materials möglichst hoher Dichte (siehe Abschirmung (Strahlung)).
Halbwertsdicke verschiedener Materialien in Abhängigkeit der Energie von Gammastrahlung

α-Strahlung kann schon mit einem Blatt Papier, dünner Pappe oder durch Luft abgeschirmt werden. Zur Abschirmung von β-Strahlung (Elektronen) werden dünne Schichten aus Plexiglas oder Blech verwendet, wobei sich Materialien mit geringer Ordnungszahl besser eignen. Zur Abschirmung von β+- (Positronen) und γ-Strahlung werden Materialien hoher Ordnungszahlen verwendet, z. B. Blei.[16] Generell steigt die Reichweite ionisierender Strahlung mit ihrer Energie und fällt mit der Dichte des Abschirmmaterials. α-Strahlung der kinetischen Energie von 5 MeV hat in Luft eine Reichweite von 3,6 cm, dagegen in Gewebe nur 0,04 mm.[17][18] Hauptsächlich gibt ionisierende Strahlung Energie durch Stöße mit den Atomen des Abschirmmaterials ab, dabei werden Atome ionisiert oder angeregt, wodurch wiederum Sekundärelektronen und Röntgenstrahlung innerhalb des Abschirmmaterials entstehen.

Entstehung und Vorkommen von Radioaktivität

Die Unterscheidung zwischen natürlicher und künstlicher Radioaktivität bezeichnet keinen physikalischen Unterschied, sie bezieht sich nur darauf, ob die betreffenden Radionuklide auch ohne menschliches Zutun vorhanden wären oder nicht. Es gibt allerdings erhebliche Unterschiede in der Isotopenzusammensetzung und in den Halbwertszeiten der künstlich erzeugten bzw. der in natürlichen Lagerstätten vorkommenden Isotope.

Natürliche Radioaktivität

Radionuklide, die aus dem Material der Urerde stammen und die wegen ihrer großen Halbwertszeit heute noch vorhanden sind, bezeichnet man als primordiale Nuklide. Zu ihnen gehören das im menschlichen Körper stets enthaltene Kalium-40 und das als Kernbrennstoff wichtige Uran. Weitere Radionuklide entstehen indirekt als ständig nachproduzierte Zerfallsprodukte der radioaktiven Zerfallsreihen dieser primordiale Nuklide, wie das überall aus dem Erdboden austretende Gas Radon. Diese Nuklide bezeichnet man als radiogen. Weitere, sogenannte kosmogene Radionuklide werden laufend in der Atmosphäre durch Kernreaktionen mit der kosmischen Strahlung erzeugt. Zu ihnen gehört Kohlenstoff-14, der ebenso wie Kalium-40 durch den Stoffwechsel in alle Organismen gelangt.

Die Strahlung der überall vorhandenen natürlichen Radionuklide wird als Terrestrische Strahlung bezeichnet.

Künstliche Radioaktivität

Radionuklide entstehen unvermeidlich bei der Kernspaltung, etwa bei der Energiegewinnung in Kernreaktoren. Die unerwünschten Nuklide werden umgangssprachlich als Radioaktiver Abfall bezeichnet. Neben Spaltprodukten handelt es sich hierbei auch um Produkte des Neutroneneinfangs. Spaltprodukte entstehen auch bei Kernwaffen-Explosionen und wurden bei Waffentests in die Atmosphäre freigesetzt.

Absichtlich, zu medizinischen, technischen oder Forschungszwecken, werden Radionuklide durch Neutroneneinfang an Forschungsreaktoren hergestellt. Auch manche in Kernreaktoren erzeugte Spaltprodukte werden in dieser Weise nutzbar gemacht. Allerdings sind die Produktnuklide aus Kernspaltung und Neutroneneinfang stets neutronenreich und deshalb meist Beta-Minus-Strahler. Beta-Plus-strahlende Nuklide, die beispielsweise für die Positronenemissionstomographie gebraucht werden, müssen mittels Teilchenbeschleunigern (meist Zyklotronen) produziert werden.

Bestimmte langlebige Nuklide aus dem radioaktiven Abfall der Kernspaltung sollen künftig durch Transmutation in weniger aufwändig zu lagernde kurzlebigere Nuklide verwandelt werden. Auch können nicht spaltbare höhere Actinoide zu spaltbaren Isotopen transmutiert werden, die dann in einem Reaktor verbraucht werden können.

Größen und Maßeinheiten

Aktivität

Als Aktivität bezeichnet man die Anzahl der Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit, die in einer Probe eines radioaktiven oder radioaktiv kontaminierten Stoffes auftritt. Angegeben wird die Aktivität üblicherweise in der SI-Einheit Becquerel (Bq), ein Becquerel entspricht einem Zerfall pro Sekunde.

Strahlendosis

Zu den Größen und Maßeinheiten, die sich auf die Wirkung ionisierender Strahlung (aus radioaktiven oder anderen Quellen) beziehen, gehören:

Messgeräte für Radioaktivität

Hauptartikel: Teilchendetektor und Strahlungsdetektor

In der Kernphysik gibt es für den Nachweis und quantitative Messung der Strahlung eine Vielzahl von Detektoren, die jeweils für die Untersuchung bestimmter Strahlenarten geeignet sind. Ein bekanntes Beispiel ist der Geigerzähler. Ionisationskammern und Nebelkammern sind zum Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung verwendbar, Szintillationszähler (gekoppelt mit Photomultipliern) und Halbleiterdetektoren dienen der Detektion von Beta- und Gammastrahlen. Für den Strahlenschutz werden zur Messung der Strahlenbelastung verschiedene Dosimeter verwendet.

Die allererste Messung, die eine quantitative Aussage über die Strahlung ergab, wurde von Pierre Curie und Marie Curie mit Hilfe eines Elektroskops durchgeführt. Allerdings maß dieses nicht direkt die Strahlung, sondern die Abnahme einer elektrischen Ladung aufgrund der durch die Ionisation hervorgerufenen Leitfähigkeit der Luft.

Anwendungen

Periodensystem der Elemente gefärbt nach der Halbwertszeit ihres stabilsten Isotops.

Technische Anwendung

Radionuklidbatterien werden in der Raumfahrt zur Stromversorgung und Radionuklid-Heizelemente zur Heizung verwendet. Jenseits der Jupiter-Umlaufbahn reicht die Strahlung der weit entfernten Sonne nicht mehr aus[19], um mit Solarzellen in praktikabler Größe den Energiebedarf der Sonden zu decken. Ebenfalls können starke Strahlungsgürtel wie sie z. B. Jupiter umgeben den Einsatz von Solarzellen unmöglich machen. In der UdSSR wurden sehr leistungsstarke Radionuklidbatterien mit 90Strontium-Füllung verwendet, um Leuchttürme und Funkfeuer am Polarkreis zu betreiben.

Wichtige Anwendungen, welche die Radioaktivität von Stoffen ausnutzen, sind die Altersbestimmung von Objekten und die Materialprüfung.

In der Archäologie, Kunstwissenschaft, Geologie und Paläoklimatologie werden Messungen der Konzentration radioaktiver Isotope zur Altersbestimmung verwendet, z. B. die Radiokohlenstoffdatierung (Radiokarbonmethode).

Eine technische Anwendung ist die Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung. Hierbei wird ein Material mit Gamma-Strahlen bestrahlt und ein Zähler ermittelt aufgrund der durchdringenden Strahlen und des Absorptionsgesetzes die mittlere Dichte bei bekannter Schichtdicke oder umgekehrt die Schichtdicke bei bekannter Dichte. Die Strahlung kann auch auf einem Röntgenfilm hinter der Materialschicht ein Bild erzeugen. In dieser Form wird die Durchstrahlungsprüfung bei Werkstoffen angewandt.

Auch radiometrische Füllstandmessungen in Großbehältern mit Schüttgut oder Granulaten werden mit Gamma-Durchstrahlung von einer zur anderen Behälterwand ausgeführt.

Weitere Anwendungen sind die Elementanalyse (siehe Gammaspektroskopie) und Präzisionsmessungen in der chemischen Analytik (siehe Mößbauer-Effekt).

In der Geophysik und Biologie eignen sich radioaktive Substanzen als Tracer, um das Fließverhalten z. B. von Grundwasser im Boden oder Blut in einem Gewebe zu untersuchen. Dazu wird eine bekannte Menge des Stoffs an einer bestimmten Stelle eingeleitet und die zeitliche und räumliche Verteilung der Aktivität gemessen.

Medizinische Anwendung

Die Anwendung offener radioaktiver Stoffe am Menschen ist Gegenstand der Nuklearmedizin.

In der nuklearmedizinischen Diagnostik kommt meist die Szintigrafie zum Einsatz. Dabei werden geringe Mengen einer γ-strahlenden Substanz (Tracer) am Patienten angewendet („appliziert“), zum Beispiel in eine Vene gespritzt oder eingeatmet. Die vom Tracer ausgehende Strahlung wird außerhalb des Körpers von einer auf Szintillationsdetektoren beruhenden Gammakamera registriert und ergibt eine zweidimensionale bildliche Darstellung. Moderne Weiterentwicklungen der Methode erlauben mittels Computertomographie dreidimensionale Darstellungen (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT); ein weiteres bildgebendes Verfahren in der Nuklearmedizin, das auch dreidimensionale Bilder liefert, ist die Positronen-Emissions-Tomografie (PET). Mit radioaktiven Stoffen können auch bestimmte Laboruntersuchungen durchgeführt werden, zum Beispiel der Radioimmunassay.

In der nuklearmedizinischen Therapie werden reine oder überwiegende β-Strahler verwendet. Die häufigsten Anwendungsgebiete sind die Radioiodtherapie bei gutartigen und bösartigen Erkrankungen der Schilddrüse, die Radiosynoviorthese bei bestimmten Gelenkerkrankungen und die Radionuklidbehandlung zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen.

In der Strahlentherapie wurden früher häufig Radionuklide in Form von umschlossenen Gammastrahlern verwendet, bei denen keine radioaktive Substanz entweichen und vom Körper aufgenommen werden kann. Auf Grund des Gefährdungspotentials für das medizinische Personal werden diese zur Bestrahlung des Körpers von außen vermehrt durch harte Röntgenstrahlung ersetzt, die mit Elektronen-Linearbeschleunigern erzeugt wird. Anwendung finden die umschlossenen Gammastrahler zum Beispiel noch in der Brachytherapie oder Radiochirurgie.

Gefährlichkeit

ADR Gefahrgutklasse 7 Radioaktive Stoffe

Hinsichtlich der Gefährlichkeit von Radioaktivität müssen verschiedene Risiken unterschieden werden:

  • Strahlenbelastung als Fernwirkung (siehe auch Dosiskonversionsfaktor)
  • Kontamination (Verunreinigung) mit radioaktivem Material, die unter Umständen zu lange andauernder Bestrahlung führen kann, z. B. bei Kontamination der Haut
  • Inkorporation (Aufnahme) radioaktiver Substanz in den Körper durch Einatmen (Inhalation) oder Essen/Trinken (Ingestion).

Diese Bezeichnungen werden in Berichterstattung und Öffentlichkeit oft verwechselt. Entsprechend wird beispielsweise der Ausdruck „verstrahlt“ falsch anstatt kontaminiert benutzt; Verstrahlung bedeutet – analog der Verbrennung – eine durch Bestrahlung hervorgerufene erhebliche Schädigung oder Verletzung.

Für die zum Teil gefährliche biologische Wirkung ist nicht die Radioaktivität an sich, sondern die davon ausgehende ionisierende Strahlung verantwortlich.

Warnsymbole

(1) Warnzeichen nach ISO 21482, das nur direkt auf den gefährlichen radioaktiven Strahlern angebracht wird

Weil das bisher verwendete Strahlenwarnzeichen (, auch Trefoil genannt, im Unicode an Code-Position U+2622) oft nicht als Warnung vor starken radioaktiven Strahlern erkannt wurde, kam es vor allem in Entwicklungsländern schon zu tödlichen Unfällen, weil Menschen ein stark strahlendes Nuklid aus seiner Abschirmung entnahmen (zum Beispiel der Goiânia-Unfall in Brasilien im Jahr 1987). Am 15. Februar 2007 gab deshalb die IAEO bekannt, dass direkt an Strahlern der Strahlungskategorie 1, 2 und 3[20] ein neues, auffälligeres Warnschild angebracht werden soll. Dieses warnt mit Hilfe von aussagekräftigeren Symbolen vor der tödlichen Gefahr durch radioaktive Strahlung und fordert zur Flucht auf. Am Behälter selbst soll weiterhin nur das alte Symbol angebracht werden, da er die Strahlung soweit abschirmt, dass sie keine unmittelbare Gefahr darstellt. Durch die Normung als ISO-Norm 21482 soll das neue Warnschild für gefährliche Strahlenquellen möglichst schnell und international verbindlich eingeführt werden. In Deutschland ist das Warnschild weder in eine nationale Norm übernommen noch in die Unfallverhütungsvorschriften eingefügt. Es ist auch nicht im Entwurf der Neufassung der DIN 4844-2, die Warnschilder regelt, enthalten. In Österreich ist es in der OENORM ISO 21482 genormt.

Bei schwachen Strahlenquellen soll keine Änderung der Kennzeichnung erfolgen.[21] Die Entwicklung von Symbolen zur Warnung der Nachwelt vor radioaktiven Gefahren ist Gegenstand der Atomsemiotik.

Literatur

  • Werner Stolz: Radioaktivität. Grundlagen, Messung, Anwendungen. 5. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8.
  • Bogdan Povh, K. Rith, C. Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne. Eine Einführung in die physikalischen Konzepte. 7. Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-36685-0.
  • Klaus Bethge, Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann: Kernphysik. 2. Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 2001, ISBN 3-540-41444-4.
  • Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. 2. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
  • IAEA Safety Glossary. Terminology Used in Nuclear Safety and Radiation Protection. IAEA Publications, Wien 2007, ISBN 92-0-100707-8.
  • Michael G. Stabin: Radiation Protection and Dosimetry. An Introduction to Health Physics. Springer, 2007, ISBN 978-0-387-49982-6.
  • Glenn Knoll: Radiation Detection and Measurement. 3. Auflage. Wiley & Sons, New York 2007, ISBN 978-0-471-07338-3.

Anmerkungen

  1.  Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Sur une nouvelle substance fortement radio-active contenue dans la pechblende. In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. 127, 1898, S. 1215-1217 (Online).
  2.  Johannes Friedrich Diehl: Radioaktivität in Lebensmitteln. John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7, S. 2 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. Beispiel einer falschen Verwendung: Was ist Radioaktivität und wie wirkt sie? von Greenpeace
  4. Radioaktive Strahlung: Tokio bleibt vorerst verschont
  5. Wie gefährlich ist die bisher ausgetretene Strahlung für die Bevölkerung?
  6. Fukushima: «Vieles eindeutig übertrieben»
  7. Ernest Rutherford: Uranium Radiation and the Electrical Conduction Produced by It. In: Philosophical Magazine. 5. Folge, Band 47, Nummer 284, 1899, S. 116 doi:10.1080/14786449908621245.
  8. Ernest Rutherford: The Magnetic and Electric Deviation of the Easily Absorbed Rays from Radium. In: Philosophical Magazine. 6. Folge, Band 5, Nummer 25, 1903, S. 177 doi:10.1080/14786440309462912.
  9. Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru, Walter Greiner: New type of decay of heavy nuclei intermediate between fission and α decay. In: Soviet Journal of Particles and Nuclei. Band 11, Nummer 6, 1980, S. 528 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra. Band 11, 1980, S. 1334).
  10. H. J. Rose, G. A. Jones: A new kind of natural radioactivity. In: Nature. Band 307, Nummer 5948, 19. Januar 1984, S. 245–247 doi:10.1038/307245a0.
  11. a b G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A.H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. (PDF; 1,0 MB) In: Nuclear Physics. Bd. A 729, 2003, S. 3–128.
  12. Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. 4. Aufl., Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1815-7, S. 150–160.
  13. Interaktive Nuklidkarte
  14. Radioaktive Zerfälle können deshalb in Zufallsgeneratoren zur Erzeugung echter Zufallszahlen verwendet werden. Siehe z. B.  Ammar Alkassar, Thomas Nicolay, Markus Rohe: Obtaining True-Random Binary Numbers from a Weak Radioactive Source. In: Computational Science and Its Applications – ICCSA 2005. 3481, Springer Berlin Heidelberg, 2005, ISBN 978-3-540-25861-2, S. 634–646, doi:10.1007/11424826_67.
  15. Ternary and quaternary fission
  16.  Achim Rahn: Strahlenschutz - Technik: Fachkundekurs für Strahlenschutzbeauftragte gemäß Fachkunderichtlinien Technik zur Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) und Röntgenverordnung (RöV). Hüthig Jehle Rehm, ISBN 978-3-609-68452-9, S. 58ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  17.  Hans Albrecht Bethe, Julius Ashkin: Passage of radiations through matter. In: Emilio Segré (Hrsg.): Experimental Nuclear Physics. Volume 1, Part II, John Wiley & Sons, New York 1953.
  18. M.J. Berger, J.S. Coursey, M.A. Zucker, J. Chang: ESTAR, PSTAR, and ASTAR: computer programs for calculating stopping-power and range tables for electrons, protons, and Helium ions (version 1.2.3). National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg 2005.
  19. Bernd Leitenberger: Die Radioisotopenelemente an Bord von Raumsonden. Abgerufen am 24. März 2011.
  20. New Symbol Launched to Warn Public About Radiation Dangers
  21. Flash Video der IAEO

Weblinks

 Wiktionary: Radioaktivität – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen