Radioaktiver Zerfall

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Strahlungsarten
• Zerfallsgeschwindigkeit
• Isotope
• C14-Methode

Strahlungsarten

Beim radioaktiven Zerfall handelt es sich um eine Kernreaktion. Das heißt, dieser Vorgang betrifft nicht die Elektronen in der Atomhülle wie sonst in der Chemie, sondern die Protonen und Neutronen innerhalb des Kerns. Ein Kern wird ab einer Protonenzahl von 83 instabil.

Es sind also alle Elemente des Periodensystems, die eine Ordnungszahl größer 83 besitzen radioaktiv. Prominente Vertreter dieser Gattung sind zum Beispiel Uran, Plutonium und Radon. Auch eine zu hohe Anzahl an Neutronen im Kern kann zu Instabilität führen. So ist beispielsweise das Kohlenstoffisotop C14 instabil aufgrund der 8 Neutronen in seinem Kern.

Zerfällt ein Kern, wird Strahlung frei und das Element wird meist in ein neues Element umgewandelt. Dabei können verschiedene Arten von Strahlung frei werden. Es gibt zum einen die alpha-Strahlung. Diese besteht aus Heliumkernen, welche eine Massenzahl von 4 und eine Protonenzahl von 2 aufweisen. Radium ist alpha-Strahler.

$^{226}_{88}Ra \longrightarrow~ ^{222}_{86}Rn + ^4_2He$

Eine weitere Art der Strahlung ist die beta-Strahlung. Sie wird auch Elektronenstrahlung genannt. Dabei zerfällt ein Neutron in ein Proton und ein Elektron. Dadurch erhöht sich die Ordnungszahl des zerfallenen Elements um 1.

$n \longrightarrow p^+ + e^-$

Außerdem tritt bei den vorher genannten Zerfallsprozessen gleichzeitig noch eine andere Strahlungsart auf, die gamma-Strahlung. Dies ist eine hochenergetische, elektromagnetische Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge. Aufgrund des hohen Energiegehalts ist sie für Lebewesen sehr gefährlich, da sie sehr durchdringend ist und abnormale Veränderungen in Gewebe und Organen verursachen kann.

Zerfallsgeschwindigkeit

Die einzelnen radioaktiven Elemente haben spezifische Geschwindigkeiten, mit denen sie zerfallen. Je höher diese Geschwindigkeit, desto mehr Strahlung pro Zeiteinheit gibt dieses Element ab. Für die Berechnung wird angenommen, dass die Zahl der zerfallenden Kerne proportional zur Ausgangsmenge der Kerne ist. Außerdem verläuft der Zerfall exponentiell.

$N_t = N_o \cdot~e^{-kt}$

Eine wichtige Größe zur Beschreibung der Zerfallsgeschwindigkeit ist die Halbwertszeit . Sie beschreibt, in welcher Zeit die Hälfte aller Kerne am Ausgangszeitpunkt zerfallen sind.

Isotope

Isotope spielen eine wichtige Rolle bei der Radioaktivität. Isotope sind Kerne, die die gleiche Protonenzahl, aber eine unterschiedliche Massenzahl aufweisen. Dieser Unterschied kommt durch eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Kern zustande. Sind zu viele Neutronen vorhanden, wird der Kern instabil und zerfällt unter radioaktiver Strahlung.

Viele Elemente weisen Isotope auf. Aus diesem Grund sind auch die Massenzahlen bei diesen Elementen keine ganzen Zahlen, sondern auf Nachkommastellen gerundet. Die Massenzahl wird nämlich als Durchschnitt der Massen aller Isotope, bezogen auf ihr prozentuales Vorkommen, berechnet.

C14-Methode

Die C14-Methode ist eine Methode der Altersbestimmung von meist organischen Materialien. Es kann eine Zeitspanne von 300 bis 600.000 Jahre erfasst werden. Man nennt diese Methode auch die Radiocarbonmethode.

In unserer Umwelt befindet sich das leicht radioaktive Isotop C14. Von Lebewesen wird es ständig aufgenommen, wodurch es in lebendigen Körpern in seiner Zahl nahezu konstant ist. Stirbt dieses Lebewesen, wird kein C14 mehr aufgenommen und es zerfällt mit seiner spezifischen Zerfallsgeschwindigkeit und weist daher eine exakte Halbwertszeit auf. Daraus kann man Schlüsse über den Zeitpunkt des Todes dieses Lebewesens ziehen. Anwendung findet diese Methode zum Beispiel bei der Datierung von Dinosaurier- und Mumienfunden.