Messen von und mit Radioaktivität

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Radioaktivität und ionisierende Strahlung
• $\alpha$-Strahlung
• $\beta$-Strahlung
• $\gamma$-Strahlung
• Begriff der radioaktiven Strahlung
• Methoden zum Nachweis ionisierender Strahlung
• Die Nebelkammer
• Die Ionisationskammer und der Geigerzähler
• Altersbestimmung mit Radioaktivität

Radioaktivität und ionisierende Strahlung

Nicht alle Elemente bzw. Isotope des Periodensystems sind stabil. Ist ein Kern zu schwer oder hat er ein ungünstiges Verhältnis von Protonen zu Neutronen, so kann er radioaktiv zerfallen. Je nach Art des Zerfalls emittiert der Kern unterschiedliche radioaktive Strahlung:

• $\alpha$-Strahlung,
• $\beta$-Strahlung und
• $\gamma$-Strahlung sind möglich.

$\alpha$-Strahlung

Ist ein Mutterkern so schwer, dass er nicht mehr von der anziehenden Kernkraft zusammengehalten werden kann, so kann ein $\alpha$-Teilchen emittiert werden. Ein $\alpha$-Teilchen besteht aus zwei Neutronen und zwei Protonen, entspricht also einem Helium-4-Kern. $\alpha$-Strahlung hat eine kurze Reichweite und eine hohe Ionisationsfähigkeit.

$\beta$-Strahlung

Besitzt ein Mutterkern jedoch zu viele Protonen bzw. Neutronen, so wird das überschüssige Nukleon des ersten Typs in ein Nukleon des zweiten Typ umgewandelt. Wird beispielsweise ein Proton im Kern zu einem Neutron, so wird die positive Ladung in Form eines Positrons (das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons) emittiert. Wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, so wird ein Elektron emittiert. In beiden Fällen entsteht außerdem ein Neutrino. Diesen Vorgang nennt man $\beta^+$- bzw. $\beta^-$-Strahlung. Sie hat eine höhere Reichweite aber eine kleinere Ionisationsfähigkeit als die $\alpha$-Strahlung.

$\gamma$-Strahlung

Durch solche Zerfälle kann der Tochterkern in einen angeregten Zustand gehoben werden. Die bedeutet, dass der Kern überschüssige Energie "speichert". Dieser angeregte Zustand ist nur sehr kurzlebig, weswegen der Kern nach kurzer Zeit die überschüssige Energie im Form von $\gamma$-Strahlung abgibt. Diese hat die höchste Reichweite aber nur unter Umständen ionisierende Wirkung.

Begriff der radioaktiven Strahlung

Der Begriff radioaktive Strahlung wird vielfach in den Medien oder der Literatur verwendet, genau genommen ist er aber falsch. Radioaktiv ist nur der Kern eines instabilen Elements, die emittierte Strahlung an sich ist dies nicht. Der treffendere Begriff ist ionisierende Strahlung, denn das ist, was die Strahlung vermag: Atome und Moleküle ionisieren.

Methoden zum Nachweis ionisierender Strahlung

Da man ionisierende Strahlung weder sehen noch hören noch in irgendeiner Form wahrnehmen kann, sind die Menschen auf technische Hilfsmittel angewiesen, um sie nachweisen zu können. Nur so kann man etwas über sie lernen und sie sich zu Nutze machen.

Die Nebelkammer

Eine Möglichkeit, die ionisierende Strahlung nicht nur nachzuweisen, sondern sogar sichtbar zu machen, ist die Nebelkammer.

Dabei handelt es sich um einen Behälter, der mit einer einem übersättigtem Luft-Alkohol-Gemisch gefüllt ist. Treten geladene Teilchen wie etwa $\alpha$- und $\beta$-Teilchen in die Kammer ein, so erzeugen sie entlang ihrer Bahn viele Ionen. Diese wirken wie Keimzellen, an denen der Alkohol kondensieren kann: Es entsteht eine sichtbare Kondensationslinie in der Kammer, ähnlich wie Nebel. Die Alpha-Teilchen kannst du an kurzen dicken Linien erkennen, die Elektronen und Positronen an langen dünnen. Legst du zusätzlich ein Magnetfeld an, so werden die geladenen Teilchen aufgrund der Lorentzkraft in Kreisbahnen gezwungen. Dies ermöglicht sogar das Unterscheiden von Elektronen und Positronen. Die Gammastrahlung lässt sich so aber in der Regel nicht nachweisen, da sie ungeladen ist.

Die Ionisationskammer und der Geigerzähler

Eine weitere Methode zum Nachweis ionisierender Strahlung ist die Ionisationskammer, wie sie in jedem Geigerzähler, auch Geiger-Müller-Zählrohr genannt, vorkommt.

Dabei handelt es sich um ein zylindrisches Gefäß mit einem Draht in der Mitte. Daran wird eine Spannung angelegt, sodass das Draht positiv und die zylindrische Hülle negativ geladen ist. Gefüllt wird die Ionisationskammer in der Regel mit einem Edelgas wie Argon. Tritt ionisierende Strahlung ein, so schlägt sie ein Elektron aus der Argon-Hülle heraus, welches dann zum Draht in der Mitte driftet und dabei weitere Elektronen herausschlagen kann (Kaskade). So entsteht ein messbarer Strom, der von der Intensität der ionisierenden Strahlung abhängig ist.

Altersbestimmung mit Radioaktivität

Du hast nun gelernt, wie du ionisierende Strahlung messen kannst. Aber ionisierende Strahlung kann auch selbst ein Maß sein, etwa für das Alter toter Organismen.

Jedes Lebewesen und jede Pflanze besteht aus Kohlenstoff und somit auch zu einem kleinen Anteil aus dem radioaktivem C-14-Isotop. Solange etwas lebt, bleibt das Verhältnis von normalem Kohlenstoff zu C-14 gleich, doch sobald ein Organismus stirbt, zerfällt der radioaktive Anteil nach und nach. Da die Halbwertszeit und die Anfangskonzentration von C-14 bekannt ist, können Forscher anhand der heute übrig gebliebenen Menge darauf schließen, wie alt der Organismus ist. Die nennt man die C14-Methode.