Radioaktivität ist ein statistischer Prozess. Der Zerfall eines einzelnen Kerns ist zufällig, aber mit exponentiell zunehmender Wahrscheinlichkeit. Makroskopisch ergibt sich daraus aber eine Verteilung, nach der man die Uhr stellen kann: Nach einem gewissen Zeitraum, den man die Halbwertszeit nennt, ist zwangsläufig – alleine statistisch aus der unheimlich großen Anzahl an Atomen begründet – die Hälfte der Kerne zerfallen.

Beim Alphastrahler ergibt sich eine äußerst starke Abhängigkeit der Halbwertszeit von der Höhe der Potentialbarriere, die das Alphateilchen (der Heliumkern) überwinden muss. Das kann von Trillionstelsekunden bis hin zu Milliarden von Jahren gehen. Die natürlich vorkommenden radioaktiven Elemente sind langlebige Alphastrahler – logisch, sonst wären sie uns ja nicht über geologische Zeiträume nicht erhalten geblieben. Uran-238 hat eine Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren, Thorium-232 sogar 14 Milliarden Jahre.

Betastrahler

Bei der Betastrahlung ist es das gleiche Prinzip – durch einen Prozess im Kern kann der Kern einen energetisch günstigeren Zustand einnehmen. In diesem Fall müssen wir uns erst einmal kurz über das Schalenmodell des Kerns hermachen.

Ähnlich wie im Atom selbst kann man ein Modell mit mehreren Schalen bilden, die durch die Nukleonen besetzt und gefüllt werden. Eine gefüllte Schale ist für den Kern energetisch  erstrebenswert. Der Unterschied und die Motivation zum Betazerfall ergibt sich daraus, dass man getrennte Schalen für Protonen und Neutronen betrachten muss, da es ja zwei unterschiedliche Teilchen sind. Die Nukleonenzahl, bei der eine Schale voll besetzt ist, nennt man die magischen Zahlen. Entsprechend bezeichnet man einen Kern, bei dem sowohl Protonen- wie auch Neutronenschalen voll sind, als doppelt magisch. Jetzt kann man sich natürlich vorstellen, dass man z.B. gerade ein Neutron zu viel und ein Proton zu wenig hat zu vollen Schalen (bzw zu Schalen die einem energetisch günstigerem Kernustand entsprechen). Dann kann das Neutron sagen: Hey, Moment, ich kann doch zerfallen. Wenn es das tut, zerfällt es in ein Proton, das dem Kern hilft energetisch günstiger zu liegen, und ein Elektron (und ein Antineutrino). Das Elektron verlässt als Betastrahlung den Kern.

Während das Neutron auch in freier Wildbahn zerfällt (mit Halbwertszeit 1840 s), ist ein freies Proton in der Regel stabil. Nicht so aber im Kern, dort kann ggf. auch der umgekehrte Betazerfall auftreten – ein Proton verwandelt sich in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino. Das Positron ist der Antimaterie-Partner des Elektrons (wieder so ein nur scheinbar mysteriöser Begriff – Antimaterie. Dabei ist da gar nichts weiter dran – es ist einfach das gleiche wie ein Elektron, außer dass die Ladung umgekehrt ist. Bemerkenswerter ist es da schon, dass Antimaterie zuerst theoretisch von Dirac vorhergesagt wurde – aus keinem anderen Grund als dass es aus der Schönheit der Formeln erforderlich wurde.)

Betastrahler haben höhere Energie im Bereich von MeV. Würde man mit ihnen in Kontakt kommen, würden sie zwar auch noch von der Haut gestoppt werden, könnten aber zu Verbrennungen, Schädigungen des Auges etc. führen. Richtig gefährlich können sie auch wiederum nur bei Aufnahme in den Körper werden – wie z.B. Iod-131, das sich dann in der Schilddrüse sammeln kann. Und dort kann es dann zerfallen, DNA schädigen und Krebs auslösen.

Ein typischer Betastrahler ist Cobalt-60 mit 5,26 Jahren Halbwertszeit, das zur Sterilisierung eingesetzt wird und in berühmten Experimenten zur Schwachen Wechselwirkung zum Einsatz kam (das ist die vierte der Kräfte, die den Betazerfall möglich macht).

Gammastrahler

Gammastrahler sind keine eigene Klasse an Atomkernen mehr. Stattdessen befindet sich ein Teilchen, das gerade einen Zerfall hinter sich hat, unter Umständen in einem angeregte Zustand. Und wie bei einem Atom, bei dem ein Elektron angeregt wurde, wird bei der Abregung der Energieunterschied als elektromagnetische Welle in Form eines Photons abgestrahlt. Und daher kommt die Gefährlichkeit der Gammastrahler: Die Abregungen eines Kerns geschehen mit sehr kleiner Wellenlänge im Vergleich zum Photon aus einer Elektronanregung (man kann es sehr krude damit in Verbindung bringen, dass der Atomkern ja auch 5 Größenordnungen kleiner ist). Kleine Wellenlänge bedeutet hohe Frequenz bedeutet hochenergetische Photonen.

i-ef366857e4e49ce14d62ba47cddd5aa7-Gamma_Decay.png

Bildquelle: Gemeinfrei bei Wikimedia Commons

Und genau das ist der Grund für die Gefährlichkeit – denn ein Photon trägt genug Energie, um zu Schädigungen an der DNA zu führen. Die Schädigung sieht so aus: Ein Atom in der DNA wird durch die radioaktive Strahlung ionisiert. Dabei nimmt ein Elektron des Atoms genug Energie auf, um das Atom zu verlassen. Und das klappt nur, weil Licht als Teilchen ein Paket Energie auf einmal trägt – und Gammastrahlung hat viel Energie auf einmal und schafft es, Elektronen auszulösen. Sichtbares Licht dagegen hat viel weniger Energie. Und wenn die Energie eines Photons nicht ausreicht, um ein Elektron herauszulösen, bleibt es ganz ohne Wirkung, denn gleichzeitig zwei Photonen aufzunehmen ist nicht möglich.
Zusätzlich lässt sich Gammastrahlung nur schwer aufhalten, und ohne Abschirmung wird ein Gammastrahler seine Photonen weit genug in den Körper bringen können, um Schäden anzurichten. Natürlich macht auch hier die Dosis das Gift – aber bei eine zu langen Aussetzung gegenüber einem Gammastrahler besteht das Potential einer Schädigung, im Gegensatz zum Alphastrahler, den man sich prinzipiell gefahrlos unters Kopfkissen legen könnte.

Da es sich bei Gammastrahlen um Abregung eines Zustandes über dem Grundzustand handelt, sind die Halbwertszeiten des Zerfalls sehr viel kleiner, oft im Bereich von Femtosekunden. Aus Sicht der Kernprozesse ist das aber oft immer noch lang. Das liegt daran, dass nicht ein einzelnes Nukleon die Anregungsenergie erhält wie ein Elektron im Atom, sondern dass die Energie auch in kollektive Schwingungszustände des gesamten Kerns stecken kann, die wesentlich länger leben.

1 / 2

Kommentare (25)

  1. #1 Stefan
    09/29/2009

    Im Gegensatz zu Luft ist Radioaktivität gefährlich, mitunter tödlich. Das in Kombination mit unsichtbar, nicht riechbar und nicht fühlbar macht die Eigentümlichkeit bei der Radioaktivität aus. Im Unterschied zu Krankheitserregern geht sie auch von völlig unscheinbaren Quellen aus. Ich denke nicht, dass die Aura der Radioaktivität auf zu wenig Wissen beruht.

  2. #2 schlappohr
    09/29/2009

    Im Diagramm oben hat Uran ungefähr die gleiche Bindungsenergie wie Sauerstoff, trotzdem ist Sauerstoff stabil. Liegt das daran, dass der Urankern viel größer als der Sauerstoffkern ist und weiter voneinander entfernte Nukleonen nicht mehr der Starken Wechselwirkung unterliegen? Der Urankern “bricht” also irgendwo durch wie eine zu große Brücke… oder ist diese Vorstellung zu bildhaft?

  3. #3 Jörg
    09/29/2009

    @Stefan: Krankheitserreger gehen auch von völlig unscheinbaren Quellen aus.

    @schlappohr: Der Grund ist vor allem, dass Sauerstoff durch Auseinanderbrechen nicht gewinnen kann. Beim Uran haben die Teile nachher zusammen weniger Masse als der Uran-Kern. Wenn Sauerstoff zerbrechen würde, wäre aber die Bindungsenergie des Restkerns kleiner, nicht größer, da Sauerstoff links vom Maximum liegt, daher ist das nicht möglich. Wie gesagt, erst ab 165 Nukleonen wird es energetisch günstiger, zu zerfallen.
    Die Elemente links des Eisen-Peaks sind auch die, die durch Kernfusion energetisch günstigere Zustände einnehmen können, und das ist auch der Grund warum durch Kernfusion in Sternen maximal Eisen entstehen kann und nur durch Novas schwerere Elemente entstehen.

  4. #4 Ludmila
    09/29/2009

    @Stefan: Luft kann mitunter auch töten.
    Warnung vor Gärgasunfällen

    Bei der Vergärung von Wein entsteht. CO2 und wenn die Lüftung nicht ausreichend ist, steht das Zeugs im Keller. Und schwupps bringt Dich die Luft um Dich herum um. Weil die dann eben leider zu wenig Sauerstoff zum Atmen enthält. Eigentlich sollten die Winzer das wissen und dennoch kommt es immer wieder zu tödlichen Unfällen. Soviel also zu “man kann damit umgehen”.

  5. #5 Tim
    09/29/2009

    Man muß in Deutschland nur “Strahlung” sagen, schon macht sich die Öffentlichkeit in die Hose. Kann mir zum Beispiel mal jemand erklären, warum Gorleben + Asse regelmäßig die ganze Republik bewegen, während die schon existierenden (Chemie-)Endlager keine müde Maus hinterm Ofen hervorlocken? Das hat doch quasi-religiöse Züge …

  6. #6 Ronny
    09/29/2009

    Ich habe noch nicht ganz verstanden warum freie Neutronen zerfallen, aber Neutronen im Kern stabil sind. Wird im Kern die schwache Kraft irgendwie geblockt ?

    Die Schädigung sieht so aus: Ein Atom in der DNA wird durch ionisiert.
    Häh ??

    Mal eine dumme Frage: Gibts eine Verbindung zwischen dem hohen Bindungsniveau des Eisens und seinem Magnetismus ? oder ist das zufällig ?

  7. #7 schlappohr
    09/29/2009

    Energetisch günstiger bedeutet also, eine möglichst *hohe*
    Bindungsenergie zu erreichen, d.h. durch Fusion oder Zerfall
    möglichst in die Nähe von 165 Nukleonen zu gelangen.

    Ich kratze jetzt mal mein ganzes Wissen aus der Physik zusammen,
    also sorry, wenn ich hier Blödsinn schreibe:
    Wenn z.B. ein H-Atom angeregt wird, erreicht das Elektron
    ein höheres Energieniveau und fällt dann von selbst wieder in
    den Grundzustand, wobei Energie abgegeben wird. In diesem Fall
    ist der vom Atom angestrebte Zustand der mit *geringerer* Energie.
    Warum ist es bei der nuklearen Bindungsenergie umgekehrt?

  8. #8 Jörg
    09/29/2009

    @schlappohr: Bindungsenergie kann man auch “negative potentielle Energie” nennen, denn es gibt die Arbeit an, die man aufwenden muss um die Bindung aufzutrennen. In dem Sinne ist also stärkere Bindung = stärker negative potentielle Energie = besser im gleichen Sinne wie dem Elektron der Grundzustand lieber ist.

  9. #9 Stefan Jacobasch
    09/29/2009

    Was will uns dieser Blogbeitrag eigentlich sagen? Dass wir uns auch mit Radioaktivität “ziemlich wohl” fühlen dürfen? Oder dass die Vorbehalte gegenüber der Nutzung der Atomkraft nur auf einem “Mangel an Wissen zur Radioaktivität” beruhen?

  10. #10 Jörg
    09/29/2009

    Dieser Artikel will uns mitteilen, was die Radioaktivität physikalisch bedeutet. Könnte zu erkennen sein, oder?

  11. #11 Stefan Jacobasch
    09/29/2009

    @Jörg: Okay. Ich hatte erwartet, dass es etwas Neues gäbe oder eine Bewertung etc., weil der Beitrag per Twitter als “Aufklärung” angekündigt wurde. Mein Fehler.

  12. #12 Jörg
    09/29/2009

    @Ronny: Sorry, hab deine Fragen übersehen.

    Ich habe noch nicht ganz verstanden warum freie Neutronen zerfallen, aber Neutronen im Kern stabil sind. Wird im Kern die schwache Kraft irgendwie geblockt ?

    Ich denke die einfachste Antwort ist: Das freie Neutron ist schwerer als das Proton und kann daher diesen Zerfall machen. Das Proton muss aber die Energie aus dem Zustand im Kern haben um zerfallen zu können.

    Die Schädigung sieht so aus: Ein Atom in der DNA wird durch ionisiert.
    Häh ??

    Ok, nicht so toll ausgedrückt. Wenn ich das richtig verstehen, werden durch die Ionisierung DNA-Stränge verändert, aber für die genauen Prozesse müsste man wahrscheinlich mindestens Chemiker sein…

    Mal eine dumme Frage: Gibts eine Verbindung zwischen dem hohen Bindungsniveau des Eisens und seinem Magnetismus ? oder ist das zufällig ?

    Der Magnetismus wird durch die Struktur im Festkörper bedingt, davon wieviele Elektronen es gibt, wie stark diese an die Atomkerne gebunden sind und wie stark die äußeren Elektronen abgeschirmt werden. Da das alles nur mit der Coulomb-Kraft zusammenhängt, würde ich sagen: Nein, da ist kein Zusammenhang

    @Stefan: Nein, ich wollte nur versuchen, die physikalischen Hintergründe zu erläutern. Ich hoffe, dass man die Diskussion sachlicher gestalten kann, wenn man immer wieder ein Steinchen mehr Wissen reinträgt. Ich wollte keinen Eindruck großer neuer Erkenntnisse vermitteln, sorry falls das anders rüberkam.

  13. #13 Fabio Valeri
    09/29/2009

    Ich erinnere mich noch, als ich für meine Experimente DNA radioaktiv markieren musste und mit einer gewissen ehrfurcht und vorsicht mit Pipetten hantiert habe. Da der Geigerzähler die ganze Zeit knisterte, habe ich mal ausgerechnet, wieviel Belastung ich über einem Jahr ausgesetzt wäre, wenn ich dieser Strahlung 8 Stunden am Tag über ein Jahr ausgesetzt wäre. (Ich arbeitete mit dem radioaktiven Material ca. 5 Stunden die Woche). Meine Berechnung ergaben, dass sich meine Belastung einfach verdoppelte, das heisst, dass neben der natürlichen noch die gleiche Belastung am Arbeitsplatz kam (bei einem 8 Stunden Tag). Darauf hin ist meine ehrfurcht vor radioaktiver Strahlung verschwunden, nicht aber meine vorsicht.
    Dramatisch ist jedoch die Siuation in Kasachstan:
    http://dasmagazin.ch/index.php/versuchsmensch/

  14. #14 Fabio Valeri
    09/29/2009

    @Ronny: indirekte Schädigung durch ionisierende Strahlung: z.B. wird ein Wassermolekül zu einem HO-Radikal verwandelt, dass extrem aggressiv ist und DNA-Stränge beschädigen kann (Billiardkugel durch ein Fensterglas schiessen und die Glasscherben gefährden die nahestehenden Personen, das Glas wäre an sich harmlos).
    Direkte Schädigung: die ionisierende Strahlung produziert direkt die Schädigung am DNA-Strang, z.B. einen Doppelstrangbruch (Bsp: direkt die Billiardkugel auf …).
    Aber: die Zelle besitzt zahlreiche Reparaturmechanismen. Wenn das nicht der Fälle wäre, würde es uns nicht geben (Billiardkugelverletzung im Spital behandeln).

  15. #15 Lukas M.
    09/29/2009

    Leider verbrigt sich im Artikel gleich am Anfang unter “Grundlegendes” ein Fehler: die starke Wechselwirkung an sich wird durch masselose Gluonen übertragen. (genauer: die SU(3) der QCD ist eine ungebrochene Symmetrie). Das große Problem der Beschreibung der starken Kernkraft zwischen Kernbausteinen ist das sog. Confinement der Quarks.
    Meines Wissens nach (ich bin kein Experte) kann man eine Näherung der QCD für Kerne anwenden, das läuft meines Wissens nach unter dem Begriff “chirale Störungstheorie”, die dann die starke Wechselwirkung innerhalb von Kernen als Austausch von Pionen beschreibt. Diese sind dann massebehaftet und damit die Wechselwirkung auf Kernabstände beschränkt.
    (Vielelicht bin ich auch nur ein Erbsenzähler und der Autor hat genau das gemeint)

  16. #16 schlappohr
    09/29/2009

    Gilt der Protonenzerfall eigentlich als gesichert? Mein letzer Stand war, das der Zerfall nur vermutet wird, noch nicht nachgewiesen wurde und auch dem Standardmodell widerspricht. Ist aber schon ein paar Jahre her.

  17. #17 CAS
    09/29/2009

    Schöner prägnanter Artikel, vielen Dank.
    Ich möchte noch folgendes anmerken:
    Zwar kann man Ionisierende Strahlung nicht fühlen aber angeblich Röntgenstrahlung (hat i.d.R. kleinere Energien als Gammastr.) “sehen” (vgl. Wiki Röntgenstrahlung).
    Als ich in der NukMed mit dort typ. Radionukliden gearbeitet habe ist mir das allerdings nicht aufgefallen – allerdings habe ich auch nicht darauf geachtet.
    Was ich nicht ganz glücklich formuliert finde, ist der Satz zum I-131 das in der Schilddrüse Krebs “auslöst”. Das könnte man mißverstehen, obwohl vorher darauf hingewiesen wird, dass Schäden nicht zwangsläufig der Fall sind.
    Übrigens liegt die Letaldosis für Spinnen (1000Sv) etwa 150mal höher als beim Menschen und es gibt Bakterien, die man in Reaktorkernen von KKW gefunden hat: Deinococcus Radiodurans

  18. #18 Rabe
    09/29/2009

    @Tim: Gorleben + Asse darf man auf gar keinen Fall für die Eignung als Endlager untersuchen, weil dann früher oder später das Argument derselben Leute, dass man doch keine Kernkraftwerke bauen dürfe, weil die Endlagerung des Atommülls nicht gesichert ist, platzen würde. Es handelt sich sozusagen um eine Verschwörung 0-ter Ordnung, eine die keine weiteren dubiosen oder geheimen anderen Mitwisser und -handelnden benötigt, sich also ganz von selbst trägt. 😉

  19. #19 Ronny
    09/29/2009

    @Jörg
    Jetzt bin ich noch verwirrter 🙂

    Ich schrieb: Ich habe noch nicht ganz verstanden warum freie Neutronen zerfallen, aber Neutronen im Kern stabil sind.
    Deine Antwort: Das freie Neutron ist schwerer als das Proton und kann daher diesen Zerfall machen.
    Meintest du : das freie Neutron ist schwerer als das Neutron im Kern ?

    Ein Atom in der DNA wird durch ionisiert
    Durch was ionisiert ? Gammastrahlen ? Der Satz ist irgendwie nicht vollständig.

  20. #20 Jörg
    09/30/2009

    @Lukas: Genau das meinte ich 🙂 Aber danke für die Ergänzung, vielleicht hätte ich da nicht so drüberhoppeln sollen. Aber ich dachte, es wäre zu viel jetzt auch noch von Pionenaustausch als Vermittler der Kernkraft zu sprechen.

    @schlappohr: Den Protonenzerfall (wohlgemerkt: beim freien Proton) untersucht man, weil man sichergehen will dass er nicht vorkommt, denn wenn dann würde es neue Physik bedeuten (ist aber glaube ich durch einige Modelle jenseits des Standardmodells möglich).

    @CAS: Ja, das bezieht sich nur darauf wenn man das Material aufnimmt, dann kann sich das Iod in der Schilddrüse sammeln. Ich überarbeite den Satz nochmal.

    @Ronny: Upps, hab ich ja toll gelesen…bin irgendwie auf den Protonenzerfall gekommen.
    Im Kern bleiben die Neutronen deswegen stabil, weil sie ja in ein Proton (+Gerümpel) zerfallen, und das Proton müsste dann einen Energiezustand besetzen der schon von anderen Protonen besetzt ist und daher ist das durch das Pauli-Prinzip verboten.

    Ein Atom in der DNA wird durch ionisiert
    Durch was ionisiert ? Gammastrahlen ? Der Satz ist irgendwie nicht vollständig.

    Stimmt, da fehlt “durch radioaktive Strahlung”. Alle Strahlen sind ionisierend.

  21. #21 Ronny
    09/30/2009

    Im Kern bleiben die Neutronen deswegen stabil, weil sie ja in ein Proton (+Gerümpel) zerfallen, und das Proton müsste dann einen Energiezustand besetzen der schon von anderen Protonen besetzt ist und daher ist das durch das Pauli-Prinzip verboten

    ok, jetzt werde ich lästig:)
    Beim Betazerfall wird doch ein Neutron in ein Proton verwandelt, d.h prinzipiell kann auch ein Neutron im Kern zerfallen. Da stellt sich für mich einfach die Frage, warum nicht alle Neutronen schon zerfallen sind.

    Deine Antwort kann ich auch nicht ganz nachvollziehen. Bei radioaktiven Isotopen passiert doch genau dass, dass ein Neutron zerfällt und so das Element sich ändert.
    Hängt es damit zusammen, dass nur bei großen Kernen genug ‘Platz’ für das neu enstandene Proton ist damit es nicht unter das Pauli Ausschließungsprinzip fällt ?

  22. #22 Jörg
    10/07/2009

    Sorry für die späte Antwort.

    Hängt es damit zusammen, dass nur bei großen Kernen genug ‘Platz’ für das neu enstandene Proton ist damit es nicht unter das Pauli Ausschließungsprinzip fällt ?

    Ich denke ja, das ist der Grund. Man hat zwei verschiedene Töpfe, die nach und nach besetzt werden mit entweder nur Protonen oder nur Neutronen. Und ein zerfallenes Neutron muss als Proton einen Platz im anderen Topf finden. Hab leider das Kernphysik-Buch nicht mehr, um das genau nachzulesen 😐

  23. #23 Peter Schneider
    04/06/2011

    Hallo Jörg!

    Warum aber werden Kerne instabil?

    Herausgearbeitet wäre der Grund: dass mit zunehmendem Atomradius die Summe der weitwirkenden, elektrostatischen Abstossungskräfte hervorgerufen durch die Protonen, auf ein spezifisches Proton irgendwann stärker wirken als die zusammenhaltenden Kernkräfte.

    Wollte das nur mal noch anders formulieren 😉

    Ansonsten danke für die wertvollen Anregungen hier in diesem Blog!

  24. #24 Kai
    04/12/2011

    @Rabe Die Argumentation funktioniert umgekehrt noch viel besser: Die bestehenden/geplanten/ Lager _müssen_ sicher sein, sonst würde man ja die Atomkraftwerke ohne gesicherten Entsorgungsnachweis betreiben.
    Was für die Betreiber wesentlich problematischer wäre als für die Gegner der Verlust des Endlager-Arguments. Es bleiben ja noch genügend andere Argumente übrig.
    A propos: der Unfall in Japan wurde heute auf Stufe 7 (gleiche Stufe wie Tschernobyl) hochgestuft…

  25. #25 Norbert Renz
    04/07/2014

    Der Artikel ist unlogisch. Wenn ein Neutron in ein Proton unter Abgabe eines Elektrones zerfallen kann, aber umgekehrt ein Proton auch in ein Neutron unter Abgabe eines Positrons zerfallen kann, dann hätten wir ja ein perpetuum mobile. Dauernder Wechsel von Proton und Neutron und abwechselnde Abgabe von Elektron und Positron, die sich dann immer wieder in ein Photon verwandeln können. Die ewige Lichtquelle. Irgendetwas ist im Artikel faul.