Kernreaktionen - Sonderfall Radioaktivität

Radioaktivität? Das ist doch gefährlich, oder?

Darauf kann man eine klare Antwort geben ... ja und nein!

Überblick über die wichtigsten Zerfallstypen

Die Strahlungsarten und ihre unterschiedlichen Eindringtiefen.

Es werden drei hauptsächliche Zerfallsarten unterschieden: Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall. Da man zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung noch nicht wusste, um welche Vorgänge es sich handelte, bezeichnete man die 3 Strahlenarten einfach in der Reihenfolge zunehmenden Durchdringungsvermögens mit den ersten 3 Buchstaben des griechischen Alphabets.

Die bei den Kernreaktionen freiwerdende Energiemenge lässt sich mit Massen"defekten" erklären, die schon 1930 experimentell nachgewiesen wurden. Die "verschwundene" Masse wird in Energie umgewandelt und lieferte damit den Beweis für das 1905 von Albert Einstein im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie entdeckte Naturgesetz, das besagt das die Masse m und Ruheenergie E eines Objekts zueinander proportional sind: $E \;=\; m \,c^{2}$

Alpha-Strahlung

Beim Alpha-Zerfall verringert sich der ursprüngliche Kern durch die Abgabe eines Alpha-Teilchens, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Damit verringert sich die Ordnungszahl des Atomkerns um 2 und die Massenzahl um 4.

Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen im Allgemeinen schon aus, um Alphateilchen vollständig abzuschirmen. In einer Nebelkammer sehen die durch Alphastrahlung erzeugten Spuren, verglichen mit denen von ähnlich energiereichen Betastrahlen, kürzer und dicker aus.

Alphastrahlung, die von außen auf den menschlichen Körper wirkt, ist selbst relativ ungefährlich, da die Alphateilchen aufgrund ihrer geringen Eindringtiefe überwiegend nur in die oberen, toten Hautschichten eindringen. Wird durch Einatmen oder Aufnahme mit der Nahrung ein Alphastrahler in dem Körper eingelagert, so ist es dagegen sehr schädlich, da in diesem Fall nicht nur die toten Hautschichten, sondern lebende Zellen geschädigt werden. Insbesondere die Anreicherung eines mit Alphastrahlung zerfallenden Isotops (die Physiker nennen es meist Nuklid!) in einem Organ führt zu einer hohen Belastung dieses Organs, da dabei eine hohe Strahlendosis ihre schädigende Wirkung auf kleinem Raum und auf wichtige Körperzellen ausüben kann. Die Folgeschäden bezeichnet man dann als Strahlenkrankheit.

Ein konkretes Beispiel für einen Alpha-Zerfall ist z.B.

${}^{146}_{\ 62} \mathrm {Sm} \to {}^{142}_{\ 60} \mathrm {Nd} + {}^{4}_{2} \mathrm {He}$.

Emission eines Alphateilchens (Protonen rot, Neutronen blau)
Ein Plutonium-Pellet (238Pu) glüht durch seinen eigenen Zerfall.

Beta-Strahlung

Beim Beta-Minus-Zerfall wird aus dem Atomkern ein Elektron ausgestoßen. Ein im Atomkern vorhandenes Neutron wandelt sich in ein Proton und ein Elektron um. Das Elektron wird dabei abgeben und entspricht der β-Strahlung. Dadurch ändert sich die Ordnungszahl um 1, die Massenzahl bleibt gleich.

Ein typischer β⁻-Strahler ist [¹⁹⁸Au. Hier lautet die Umwandlung in Formelschreibweise:

${}^{198}_{\ 79} \mathrm {Au} \to {}^{198}_{\ 80} \mathrm {Hg} + \mathrm{e}^{-}$

Die dabei stattfindende Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und Elektron kann man so beschreiben:

${}^{1}_{0} \mathrm {n} \to {}^{1}_{1} \mathrm {p} + \mathrm{e}^{-}$

)	β−-Strahlung (Protonen rot, Neutronen blau)

Ist der menschliche Körper Betastrahlen ausgesetzt, werden nur Hautschichten geschädigt. Dort kann es aber zu intensiven Verbrennungen und daraus resultierenden Spätfolgen wie Hautkrebs kommen. Sind die Augen der Strahlung ausgesetzt, kann es zur Linsentrübung kommen.

Werden Betastrahler in den Körper aufgenommen (man nennt das inkorporiert), können hohe Strahlenbelastungen in der Umgebung des Strahlers die Folge sein. Gut dokumentiert ist Schilddrüsenkrebs als Folge von radioaktivem Iod-131 (131I), das sich in der Schilddrüse sammelt. In der Literatur findet man auch Befürchtungen, dass Strontium-90 (90Sr) zu Knochenkrebs und Leukämie führen kann, da sich Strontium wie Calcium in den Knochen anreichert.