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Sternengeschichten Folge 126: Radioaktive Astronomie

Sternengeschichten Folge 126: Radioaktive Astronomie

Bei dem Wort Radioaktivität denken die meisten vermutlich sofort an Atomkraftwerke, Gefahren, Versuchung und Katastrophen. Dass es sich dabei aber nicht um eine fiese menschliche Erfindung handelt, sondern eben auch ein natürliches Phänomen wird dabei oft vergessen. Dabei hat die Erforschung der Radioaktivität unser Verständnis des Universums massiv verändert.

Die Geschichte der Radioaktivität begann im Jahr 1896. Obwohl, eigentlich fing sie schon ein wenig früher an. 1789 zum Beispiel, als der Berliner Apotheker und Chemiker Martin Heinrich Klaproth ein neues chemisches Element entdeckte. Er untersuchte den ganzen Schutt, der aus den böhmischen Silberbergwerken übrig blieb, die sogenannte “Plechblende”. Dieses Material hielt man damals für wertloses Gestein, aber Klaproth war überzeugt, dass da vielleicht doch noch etwas drin zu finden wäre. Und tatsächlich gelang es ihm durch lange chemische Analysen aus dieser Pechblende ein damals noch unbekanntes Metall zu isolieren, das er nach dem wenige Jahre zuvor entdeckten Planeten Uranus Uran nannte.

Uran hat eine faszinierende Geschichte (Bild: gemeinfrei)

Uran hat eine faszinierende Geschichte (Bild: gemeinfrei)

So richtig anzufangen wusste man mit dem Uran allerdings nichts. Klapproth stellte fest, dass man damit Porzellan schön einfärben konnte und die nächsten Jahrzehnte wurde es auch hauptsächlich als Farbstoff eingesetzt. Die Dinge änderten sich erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Zuerst entdeckte der deutsche Physiker Wilhelm Röntgen die heute nach ihm benannte Röntgenstrahlung. Heute wissen wir, dass es sich dabei um ganz normales Licht handelt, aber mit einer so kurzen Wellenlänge, dass unsere Augen es nicht registrieren können. Der Franzose Antoine Henri Becquerel wollte die Röntgenstrahlung durch Fluoreszenz erklären. Bestimmte Materialien leuchten, wenn man sie zuvor mit Licht bestrahlt. Bei seinen Experimenten nutzte Becquerel Uransalz, bei dem er zuvor schon festgestellt hatte, dass es eine Strahlung aussenden muss. Legt man Uranbrocken auf eine fotografische Platte, dann schwärzt die vom Uran ausgehende Strahlung die Platten und wenn man sie entwickelt, dann erkennt man darauf ein Abbild der Brocken.

Auch die Röntgenstrahlen können ein Bild auf fotografischen Platten verursachen und Becquerel war der Meinung, dass es sich in beiden Fällen um das selbe Phänomen handeln musste und es durch Fluoreszenz hervorgerufenen wurde. Er legte also verschiedene Materialien für verschieden lange Zeiten in Sonnenlicht, damit die Fluoreszenz angeregt werden konnte und prüfte danach, ob sie auf Fotoplatten einen Effekt hervorrufen. Einmal aber war das Wetter schlecht; die Sonne schien nicht und Becquerel verstaute Uranbrocken und Fotopapier gut eingewickelt in schwarzes, lichtundurchlässiges Papier in einer Schubladen. Dort blieben sie längere Zeit liegen und dann folgte einer der seltenen Momente, in dem Zufall und Intuition zu einem wissenschaftlichen Durchbruch führten. Es gab keinen Grund, die Fotoplatte aus der Schublade zu entwickeln. Da das Uran nicht dem Sonnenlicht ausgesetzt war, konnte es auch nicht zum Fluoreszieren angeregt worden sein. Und damit auch keine Strahlung abgeben. Nach allem was man damals wusste, konnte auf der Platte kein Bild entstanden sein. Aber Becquerel traf die aus heutige Sicht geniale Entscheidung, trotzdem den nicht unbeträchtlichen Aufwand auf sich zu nehmen und sie zu entwickeln. Und sah, dass trotz allem ein Bild der Uranbrocken zu sehen war!

Die von dem Element abgegebene Strahlung konnte also nichts mit Fluoreszenz zu tun haben! Das nächste Kapitel bei der Erforschung dieses Phänomens schrieb das Forscherehepaar Marie und Pierre Curie. Sie wollte die Uranstrahlung genauer untersuchen und entwickelten ab 1897 in ihrem Pariser Hinterhoflabor die ersten Methoden, mit denen sich die Intensität dieser Strahlung messen lies. Sie fanden heraus, dass es keine Rolle spielte, welche Temperatur ihre Präparate hatten. Oder welchen Drücken sie ausgesetzt waren. Oder in welchen chemischen Verbindungen sie vorlagen. Der einzige Faktor war die Menge des Urans: Je größer der Urananteil in der Probe, desto intensiver die Strahlung!

Damit war auch klar, dass es sich bei der Strahlung um eine atomare Eigenschaft des Elements selbst handeln musste. Marie und Pierre Curie waren auch die ersten, die das Wort “Radioaktivität” benutzten. Mit dem “Radio” aus dem die Musik kommt, hat das allerdings nicht zu tun. Es leitet sich von lateinischen Wort “radius” ab, das auch “Strahl” bzw. “Strahlung” bedeutet. Radioaktive Materialien sind also Stoffe, die aktiv Strahlung abgeben. Und von denen schien es mehr zu geben als erwartet! Die beiden Curies stellten jede Menge chemische Experimente an, um Uran aus verschiedenen Mineralien heraus zu holen. Dabei entdeckten sie, dass das, was dabei ÜBRIG blieb, teilweise noch viel intensiver strahlte als das Uran selbst. In dem von ihnen untersuchten Gestein mussten also noch STÄRKERE Strahler enthalten sein; weitere, bisher unbekannte radioaktive Elemente. In langwierigen Experimenten schafften sie es, zwei dieser neuen Elemente nachzuweisen: Polonium und Radium.

1903 bekamen Antoine Becquerel, Pierre und Marie Curie für ihre Erforschung der Radioaktivät den Nobelpreis für Physik verliehen. Um was es sich bei der Strahlung allerdings wirklich handelte, wusste man immer noch nicht. Die komplette Forschungsgeschichte der Radioaktivität zu erzählen, wäre zwar sehr spannend, aber dafür reicht die Zeit leider nicht aus. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts jedenfalls fand man heraus, dass es drei verschiedene Arten von radioaktiver Strahlung geben musste. Das, was Pierre und Marie Curie beobachtet hatten, war sogenannte “Alpha Strahlung”. Dabei handelt es sich um eine Teilchenstrahlung. Das Material sendet also keine elektromagnetischen Wellen aus, wie das zum Beispiel bei der Röntgenstrahlung der Fall ist, sondern kleine Teilchen. Bei der Alphastrahlung sind das Alphateilchen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.

Der Kern eines jeden Atoms ist ja aus verschiedenen Bausteinen zusammengesetzt, den Protonen und den Neutronen. Die Zahl der Protonen bestimmt dabei, um welches chemische Element es sich handelt. Wasserstoff hat ein Proton im Kern, Helium hat zwei, Lithium hat drei, und so weiter. Zusätzlich kann jeder Kern eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen besitzen. Ein normales Element hat einen stabilen Kern, der sich nicht verändert. Bei radioaktiven Elementen ist die Zahl von Protonen und Neutronen aber – vereinfacht gesagt – nicht mehr ausgewogen. Die Kernkräfte zwischen den Bausteinen können die elektromagnetischen Abstoßungskräfte nicht mehr überwinden und der Kern zerfällt. Im Fall der Alphastrahlung spuckt er dann ein Alphateilchen aus und da das Atom dabei zwei Protonen verliert, ändert es sich fundamental. Ein chemisches Element wandelt sich durch den radioaktiven Zerfall in ein anderes chemisches Element um!

Eine andere Art der Radioaktivität ist die Betastrahlung, die ja auch schon in Folge 120 der Sternengeschichten aufgetaucht ist. Im Gegensatz zur Alpha-Strahlung strahlt der Atomkern hier kein Stückchen von sich selbst ab. Beim Betazerfall verwandeln sich die Kernbausteine selbst. Ein Proton kann zu einem Neutron werden oder umgekehrt. Dabei werden Elektronen und Neutrinos abgestrahlt (bzw. ihre Antiteilchen). Von den Neutrinos merkt man nichts, weil sie so gut wie gar nicht mit dem Rest der Materie wechselwirken und alles einfach durchdringen, als wäre es nicht da. Die Elektronen allerdings bemerkt man sehr wohl und sie bilden die Betastrahlung radioaktiver Elemente.

Dann gibt es noch die Gammastrahlung. Im Gegensatz zu Alpha- und Betastrahlung ist das nun aber keine Teilchenstrahlung mehr. Wenn ein Atomkern sich durch Alpha- oder Betazerfall verändert, dann ist das neu entstandene chemische Element oft noch angeregt. Das heißt, es befindet sich einem Zustand erhöhter Energie und die muss der neue Atomkern erst noch loswerden. Das passiert durch die Abgabe von Gammastrahlung, also hochenergetischen Elektromagnetischen Wellen. Von allen drei Arten radioaktiver Strahlung ist die Gammastrahlung für uns Menschen am gefährlichsten.

Radioaktive Strahlung kann gefährlich sein - aber sie ist auch wichtig!

Radioaktive Strahlung kann gefährlich sein – aber sie ist auch wichtig!

Die Alphastrahlung ist harmlos und tut uns nichts. Sie lässt sich schon durch ein Stück Papier blockieren; die Kleidung die man am Körper trägt oder auch durch die obersten Hautschichten. Solange man nicht den Fehler macht, einen Alphastrahler zu verschlucken, können sie uns nichts anhaben. Die Betastrahlung ist ein bisschen kritischer, um sie abzuschirmen braucht man ein paar Millimeter Blech oder Plexiglas. Die Gammastrahlung dagegen ist wirklich fies. Diese extrem kurzwellige elektromagnetische Strahlung durchdringt fast alles und es braucht dicke Bleiwände, um sie zumindest ein bisschen abzuschwächen. Trifft sie trotzdem auf unseren Körper, dann kann sie dort die Zellen schädigen und Krankheiten verursachen.

Mit ein bisschen Radioaktivität kommt unser Körper allerdings durchaus klar. Immerhin leben wir ein einer radioaktiven Welt. Überall im Gestein, in den Pflanzen, und auch in uns selbst befinden sich natürliche radioaktive Elemente und im Laufe der Evolution hat unser Körper gelernt, damit umzugehen. Die von der normalen Radioaktivität verursachten Zellschäden werden laufend repariert. Nur wenn sich die Intensität der radioaktiven Strahlung auf einmal massiv erhöht, kriegen wir Probleme.

Probleme, mit denen zum Beispiel Astronauten umgehen müssen. Sterne und diverse andere astronomische Prozesse im Weltall erzeugen nicht nur Licht, sondern auch jede Menge andere Arten der Strahlung; darunter auch die Gammastrahlung. Das meiste davon kriegen wir auf dem Erdboden nicht mit, weil unsere Lufthülle um den Planeten uns genau so gut schützt wie eine dicke Bleiplatte. Im Weltraum allerdings fehlt dieser Schutz und wenn man beim Aufenthalt im All oder auf anderen Himmelskörpern wie Mond oder Mars keine speziellen Vorkehrungen trifft, darf man entweder nicht zu lange dort bleiben oder wird ziemlich bald Probleme mit Strahlenschäden bekommen.

Der Schutz vor kosmischer Strahlung durch die Atmosphäre der Erde ist natürlich gut für uns. Für die Wissenschaft ist er allerdings manchmal auch ein wenig störend, nämlich dann, wenn wir die Radioaktivität im Weltall untersuchen wollen. Teleskope, die Gammastrahlung sehen wollen, müssen beispielsweise ins Weltall geschickt werden. Aber der Aufwand lohnt sich: Die Erkenntnisse die aus der Erforschung der Radioaktivität bei anderen Himmelskörpern gewonnen werden, sind enorm wichtig für uns. Zum Beispiel wenn es darum geht, herauszufinden, wie alt ein Stern ist. Oder man wissen möchte, lebensfreundlich ein anderer Planet ist. Ganz besonders wichtig ist die Beobachtung kosmischer Radioaktivität aber immer dann, wenn man verstehen will, was im Inneren von Sternen vor sich geht. Dort hinein können wir selbst mit unseren besten Teleskopen nicht blicken. Aber das, was dort vor sich geht, ist fundamental. Dort entstehen all die Elemente, die unser Universum so komplex machen. Und die radioaktiven Elemente erlauben uns, die Dinge zu sehen, die ansonsten unsichtbar wären und die Entstehung der Materie zu verstehen. Aber dazu dann mehr in der nächsten Folge der Sternengeschichten.

Kommentare (11)

  1. #1 eumenes
    24. April 2015

    Physiker sollten den korrekten Term “Kernkraftwerke” benutzen.

  2. #2 Florian Freistetter
    24. April 2015

    @eumenes: “Physiker sollten den korrekten Term “Kernkraftwerke” benutzen.”

    Da hab ich ja Glück, dass ich kein Physiker bin… 😉

  3. #3 Alderamin
    24. April 2015

    @eumenes

    Was soll daran korrekter sein? “Kern” sagt auch nicht mehr als “Atom”, eher weniger. Was für Kerne überhaupt? Und was passiert mit denen? Dann doch lieber gleich “Fissionskraftwerk” (im Gegensatz zum “Fusionskraftwerk”).

    Atomkraftwerk wird verstanden, darauf kommt’s letztlich an.

  4. #4 eumenes
    24. April 2015

    @Alderamin
    “Atomkraftwerk wird verstanden, darauf kommt’s letztlich an.”
    und ist entsprechend belegt
    Formal ergibt sich “korrekt” aus der DIN.
    Schau doch mal in die von Dir oft zitierte wikipedia

  5. #5 Nordlicht_70
    24. April 2015

    @Alderamin
    Ich sehe das nicht so. Es geht um die Unterscheidung. ALLE Energie stammt aus Atomen. Nur die (Atom)Kernenergie nutzt die Energie aus den Kernen der Atome.

  6. #6 maunz
    Radioaktivität ist böse?
    24. April 2015

    Harrisburg, Tschernobyl, Fukushima, …
    Ups, war nicht bös gemeint …

  7. #7 Alderamin
    24. April 2015

    @eumenes

    In Wikipedia steht, die Begriffe seien synonym, auch wenn die DIN-Norm nur den einen vorschreibt (aber DIN ist nicht Duden). Wenn man keinen Fachartikel schreibt, muss man nicht unbedingt jede DIN- und ISO Norm strengstens einhalten. Gerade wenn das Wort “Atomkraftwerk” negativ belegt ist, kann man dem ja auch entgegenwirken, indem man das Wort auch in neutralen Zusammenhängen verwendet. Ich würd’s einfach nicht zu genau nehmen.

    @Nordlicht
    Nach dieser Logik müsste man Fusionskraftwerke auch Kernkraftwerke nennen. Sprache ist nicht immer logisch. Leberkäse ist kein Käse mit Leber (beim Metzger gab’s neulich “Schweinelachs”; auch schön 😉 ).

  8. #8 eumenes
    24. April 2015

    @Alderamin
    Ich meine auch die Physiker und nicht umgangssprachliche Synonyme. Wir sind doch so stolz, dass wir alles auch in Fremdsprachen beherrschen; dann lass uns einfach mal schauen, wie es in der Sprache der Veröffentlichungen heißt: “nuclear” – und damit basta.
    PS: man kann auch Anregungen und Kritik annehmen

  9. #9 Florian Freistetter
    24. April 2015

    @Eumenes, Alderamin: “Wenn man keinen Fachartikel schreibt, muss man nicht unbedingt jede DIN- und ISO Norm strengstens einhalten. Gerade wenn das Wort “Atomkraftwerk” negativ belegt ist, kann man dem ja auch entgegenwirken, indem man das Wort auch in neutralen Zusammenhängen verwendet”

    Das war ja im Prinzip auch exakt das, was ich ansprechen wollte. Kaum sagt man “Radioaktivität”, denken alle nur an Atom/Kernkraftwerke (und mir erschließt sich beim besten Willen nicht, warum eines dieser Wörter “besser” als das andere sein sollte) und entsprechende Katastrophen. Sieht man ja auch an dieser Diskussion hier. In meinem Podcast geht es nicht im geringsten um AKWs/KKWs – trotzdem wird hier schon wieder nur darüber diskutiert…

    @eumenes: Wo wäre denn eigentlich der Vorteil der Verwendung von KKW gegenüber AKW bzw. der Nachteil bei der Verwendung von AKW?

  10. #10 Ludger
    24. April 2015

    Zu Henri Becquerel [Wikipedia]
    1896 experimentierte er mit der Phosphoreszenz von Uransalzen.
    Zitat von http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphoreszenz#Phosphoreszenz_.2F_Fluoreszenz

    Phosphoreszenz / Fluoreszenz

    Die Phosphoreszenz ist eine besondere Form der Lumineszenz (kaltes Leuchten). Sie unterscheidet sich vom ähnlichen Phänomen der Fluoreszenz darin, dass die Fluoreszenz nach dem Ende der Bestrahlung rasch abklingt, meist innerhalb einer millionstel Sekunde, wogegen es bei der Phosphoreszenz zu einem Nachleuchten kommt, das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann.

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