Chempage- Radioaktivität

Radioaktivität

Henri Becquerel

Marie Curie

Aufnahme einer Nebelkammer

Entdeckung der Radioaktivität

Der französische Physiker Antoine Henri Becquerel entdeckte die Radioaktivität als erster. Bei seinen Untersuchungen zum Zusammenhang von Fluoreszenz und Röntgenstrahlung bei verschiedenen Uranverbindungen im Jahre 1896 stellte er fest, dass eine bisher unbekannte Strahlung von den verwendeten Uranerzen ausging. Die Strahlung war in der Lage eine Fotoplatte zu schwärzen. Nach näheren Untersuchungen stellte Becquerel fest, das eine unsichtbare und energiereiche Strahlung vom Uran ausging. In den Folgenden Jahren fürhrte Marie Curie, eine Schülerin Becquerels und ihre Mann Pierre Curie weitere Versuche zur Untersuchung dieser ungewöhnlichen Strahlung durch. Die beiden Wissenschaftler verwandten für ihre Untersuchungen ein stärker strahlendes Uranerz, die Uranpechblende. Im Jahre 1898 isolierte Marie Curie die Elemente Radium und Polonium aus dem Erz. Sie war es auch die den Begriff Radioaktivität (von lat. radiare = strahlen) prägte.

Einige Jahre später konnte Pierre Curie durch Ablenkungsversuche im Magnetfeld nachweisen, dass natürliche radioaktive Strahlung nicht einheitlich ist. Später stellte man fest, dass sich die Strahlen in α-Strahlung, β-Strahlung und γ-Strahlung unterscheiden lassen. 1902 stellten die beiden Wissenschaftler Rutherford und Soddy die Hypothese auf, dass radioaktive Strahlung auf den radioaktiven Zerfall von Atomkerne zurückzuführen. Bei der Reaktion wird radioaktive Strahlung frei und es bilden sich Atome eines anderen Elements.

Der Energieumsatz eines solchen radioaktiven Zerfalls ist sehr viel größer als bei chemischen Reaktionen. Gemessen wird die freigesetzte Energie in Elektronenvolt (eV). Dabei entspricht ein Elektronenvolt der kinetischen Energie, welche ein Teilchen mit der Ladung 1e im Vakuum aufnimmt, wenn es eine Spannung von 1Volt durchläuft.

E_kin = q • U = 1e • 1V = 1,6 • 10^-19J

Die bei einem radioaktiven Zerfall freiwerdende Energie ist abhängig von der Art des Zerfalls. So wird liegt die Energie von α-Strahlung, β-Strahlung und γ-Strahlung zwischen 1keV und 10MeV. Im Vergleich dazu liegt die Energie die bei der Knallgasreaktion freiwird bei 3eV pro Wassermolekül.

Nachweis von radioaktiver Strahlung

Der direkte Nachweis von radioaktiver Strahlung läßt sich nicht nachweisen. Allerdings kann man die Wirkung der Strahlung messen und nachweisen. So lassen sich die radioaktiven Strahlungen zum Beispiel in einer Wilson’schen Nebelkammer sichtbar machen.

Der Apparat besteht aus einer Kammer, in der sich übersättigter Wasserdampf befindet. Wasserdampf kondensiert unter Nebelbildung wenn sich Kondensationskerne innerhalb der Kammer befinden. Die von Alpha- und Betastrahlen durch Stoß gebildeten Ionen wirken als Kondensationskerne. An diesen Teilchen lagern sich Wasser-Moleküle an und bilden winzige Tropfen. Der Weg der Alpha-und Betateilchen wird nun als Kondensstreifen sichtbar.

Ein Messgerät für die radioaktive Strahlung ist das Geiger-Müller-Zählrohr. Es besteht aus einem mit Argon gefüllten Metallrohr. Der Druck des Gases beträgt 100hPa. In der Längsachse des Zählrohrs befindet sich ein dünner, positiv geladener Draht. Durch ein Glimmerfenster treten die radioaktiven Strahlen in das Zählrohr ein und ionisieren durch Anstoßen die Edelgas-Atome. Die dabei freigesetzten Elektronen werden vom positiven Draht angezogen. Auf ihrem Weg zum Draht werden weitere Elektronen durch das Anstoßen an andere Argon-Atome freigesetzte. Es entsteht eine Kettenreaktion. Wenn nun die Elektronen-Lawine den Draht erreicht, fließt kurzzeitig ein elektrischer Strom. Dieser Stromfluß wird verstärkt und kann dann mit Zähler registriert werden oder über einen Lautsprecher hörbar gemacht werden. Die Auflösung der Geiger-Müller-Zählrohrs liegt bei 0,1μs.

Die Wilson’sche Nebelkammer sowie das Geiger-Müller-Zählrohr sind für Gammastrahlen unempfindlich und können diese somit nicht registrieren. Um Gammastrahlen zu messen benutzt man so genannte Szintillationszähler. Dabei werden die Natriumiodid-Kristalle durch die auftreffende Gammastrahlung angeregt. Beim zurückfallen der Elektronen auf ihr vorheriges Niveau wird Energie in Form von Licht frei, das dann gemessen wird.

Strahlungstypen

Alphastrahlen sind schnelle Heliumkerne welche aus zwei Protonen (p) und zwei Neutronen (n) bestehen. Die α-Teilchen sind zweifach positiv geladen. Beispiele für α-Strahler sind das Uran-238. Dieses zerfällt unter Abgabe eines Heliumkerns zu Thorium-234.

Betastrahlen sind sehr schnelle Elektronen. Diese Elektronen stammen allerdings nicht aus der Atomhülle, sondern aus dem Kern. Diese Elektronen entstehen bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Diese Reaktion läuft zum Beispiel beim Thorium-234 ab. Dabei wandelt sich ein Neutron de Kerns (90p, 144n) in ein Proton um. Aus dem Thorium-234 wird dann unter Abgabe eines β-Teilchens das Protactinium-234 (91p, 143n).

Gammastrahlen sind sehr kurzwellige, elektromagnetische Strahlungen, die mit der Röntgenstrahlung vergleichbar sind. Sie entstehen häufig begleitend beim α-Zerfall oder β-Zerfall. Sie treten auf wenn trotz des Ausscheudern eines Teilchens noch überschüssige Energie vorhanden ist.

Außerdem gibt es noch die Neutronenstrahlung. Sie ist zwar keine radioaktive Zerfallsreaktion, aber sie spielt eine große Rolle bei der Atomspaltung in Kernkraftwerken. Sie besteht aus Neutronen welche aus dem Kern eines Elements geschleudert werden.

Die meisten Atomkerne, die bei einem radioaktiven Zerfall entstehen sind selber radioaktiv. Der Zerfall schreitet dann solange weiter bis sich stabiler Atomkern gebildet hat. Diese Kaskade bezeichnet man auch als Zerfallsreihe.

Charakteristisch für alle radioaktive Elemente ist die Halbwertszeit τ. Damit ist der Zeitraum gemein, in dem die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Atome zerfallen ist. Die Halbwertszeit der verschiedenen Radioisotope kann zwischen Bruchteilen einer Sekunde und Millionen von Jahren liegen.

Die Zerfallsgesetze

Eine sehr bedeutende Größe eines radioaktiven Präparats ist seine Aktivität A, also die Anzahl von Zerfällen pro Sekunde. Die Aktivität ist proportional zur vorhandenen Teilchenzahl. Der entsprechende Proportionalitätsfaktor k wird als Zerfallskonstante bezeichnet. Somit ist dieser Faktor ein Maß für die Häufigkeit der Zerfälle innerhalb einer Sekunde. Dieser Faktor lässt sich durch Integration von den zerfallenden Teilchen ΔN und der Gesamtteilchenzahl N. Der radioaktive Zerfall ist somit vergleichbar mit einer chemischen Reaktion erster Ordnung. Dabei nimmt die Anzahl der Teilchen nach einer e-Funktion ab. Die Zerfallskonstante ist allerdings nur ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls und ist ebenso wie die Halbwertszeit abhängig vom Druck und der Temperatur.

Strahlenbelastung und Strahlenschäden

Radioaktivität gab es immer schon auf der Erde. Eine gewisse Grundstrahlung ist also normal. Sie setzt sich aus der kosmischen und terrestrischen Strahlung zusammen. Außerdem kommt noch eine zivilisatorisch bedingte Strahlungsexposition. Die durchschnittliche Gesamtbelastung in einem Jahr liegt bei etwa 3,5mSv.

Die kosmische Strahlung die aus dem Weltall zur Erde gelangt besteht primär aus Protonen. Allerdings entsteht in der äußeren Erdatmosphäre durch Kernreaktionen als Sekundärstrahlung auch Gammastrahlen, Neutronen und Elektronen. Durch diese Reaktion entsteht das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 und das Wasserstoff Radioisotop H-3. Die entstehende Strahlung wird jedoch zum Teil von der Atmosphäre absorbiert. Somit ist die Intensität der Strahlung von der Höhenlage abhängig.

Die terrestrische Strahlung stammt von den Radionukliden innerhalb der Erdkruste. Beispiele für Radioisotope der Erdkruste sind das K-40 oder das Rn-222. Intensität der Strahlung hängt von der Zusammensetzung des Bodens ab und ist somit nicht auf der gesamten Erde gleich hoch. Die durchschnittliche Strahlenbelastung durch terrestrische Strahlung liegt bei 0,5mSv pro Jahr. In Brasilien liegt die terrestrische Strahlenbelastung sogar bei 200mSv im Jahr.

Die zivilisatorisch bedingte Strahlenbelastung ist auf Röntgenstrahluntersuchungen zurückzuführen. Der Anteil an Strahlenbelastung durch Forschungen und kerntechnische Anlagen ist derzeit minimal.

Strahlenwirkung

Radioaktivität wirkt bei allen Lebewesen auf drei unterschiedlichen Ebenen: der physikalischen, der chemischen und der biologischen Ebene.

Eine sehr hohe Strahlendosis führt zu einer starken Temperaturerhöhung. Diese hat zur Folge, dass das Zellinnere zerstört wird und der Organismus innerhalb kürzester Zeit stirbt. Aus Erfahrungen von Strahlenunfällen sowie Atombombenabwürfen weis man, dass eine Belastung von 7Sv innerhalb von wenigen Tagen zum Tode führt.

Eine geringe Äquivalentdosis kann auf chemischen Wege zu Spätschäden führen. Beispiele dafür sind Leukämie und andere Krebserkrankungen. Man rechnet bei Leukämie von einer Latenzzeit von bis zu 12 Jahren. Die Ursachen dafür könnten das Ionisieren der Moleküle und das Bilden von Radikalen sein, die anschließend mit den Makromolekülen reagieren und deren Wirkungsweise verändern.

Genetische defekte treten dann auf wenn es zu Veränderungen der Desoxyribonukleinsäure (DNA) der Keimzellen kommt. Ein Großteil der durch die Strahlen verursachten Schäden können zwar repariert werden, trotzdem sind Mutationen nicht auszuschließen.

Strahlenschutz

Der Strahlenschutz richtet sich nach der Strahlenart. Handelt es sich bei der Strahlung um Gammastrahlen ist ein Schutz nur schwer möglich. Man kann sich vor Gammastrahlen beispielsweise mit einer dickeren Schicht Blei schützen. Dies wird bei der Röntgenuntersuchung beim Arzt auch als Schutzmaßnahme umgesetzt. Es ist allerdings nicht möglich sich gänzlich gegen die Gammastrahlung zu Schützen, da sie nur durch die Bleischicht abgeschwächt wird, aber nicht gestoppt wird. Ähnliche Wirkungen wie die Bleischicht haben Meter dicke Wände aus Beton, Eisen oder Wasserbecken.

Bei Alphastrahlungen ist eine Betonwand oder eine Bleischicht übertrieben. Sie kann schon mit einem dünnen Blatt Papier abschirmen. Betateilchen hingegen sind wesentlich kleiner als Alphateilchen und können somit auch ein einfaches Blatt Papier durchdringen. Um sich vor Betastrahlung zu schützen ist schon eine dicke Kupferfolie notwendig. Besonders tückisch ist jedoch die Neutronenstrahlung. Neutronen sind zwar viel größer als die Elektronen der Betastrahlen, sie sind aber in der Lage beim Auftreffen auf das Abschirmmaterial, das Abschirmmaterial selber radioaktiv zu machen. Dies kann aber durch die Wahl der richtigen Abschirmmaterialien verhindert werden. So verwendet man in der Realität häufig Meterdicke Wasserbecken und Betonmauern um sich vor den Auswirkungen der Neutronenstrahlung in einem Kernkraftwerk zu schützen.