2 Kernumwandlungen und Radioaktivität

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Christa Bayer
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1 2 Krnumwandlungn und Radioaktivität 896 ntdckt dr französisch Physikr Antoin Hnri Bcqurl, daß Uransalz in unsichtbar Strahlung aussndn, di lichtdicht vrpackt Fotoplattn schwärzt und in gladns Elktroskop ntladn konnt. Di französischn Ehlut Mari und Pirr Curi untrsuchtn solch strahlnaussndndn Minralin gnaur. Dabi fandn si 898 di Elmnt Polonium und das shr vil stärkr strahlnd Radium. Im slbn Jahr wurd di Strahlung von G. C. Schmidt auch bi Thorium nachgwisn. Di nu ntdcktn Strahln lißn sich durch physikalisch Einwirkungn auf dn strahlndn Stoff odr durch chmisch Prozss nicht binflussn. Daraus schloß man, daß di Strahlnaussndung nicht durch chmisch Vorgäng vrursacht wird. Hut wiß man, daß di Strahln aus dn Krnn instabilr Atom ausgsandt wrdn. Dis Gsamtrschinung wird Radioaktivität gnannt. Di Krn radioaktivr Atom hißn Radionuklid. Bi dn in dr Natur vorkommndn Radionuklidn spricht man von natürlichr Radioaktivität; bi dn durch künstlich Krnumwandlung rzugtn Radionuklidn von künstlichr Radioaktivität. Von dn bishr bkanntn übr 2 7 vrschidnn Nuklidn, di Isotop dr 5 chmischn Elmnt sind, sind nur 249 stabil, all andrn zrfalln spontan. Bim Zrfall wird in "Strahlung" ausgsandt. Nach dr Hauptignschaft dr Strahlung, Stoff zu ionisirn, bzichnt man si als ionisirnd Strahlung. Di Strahlung ntstht dadurch, daß di Krn radioaktivr Atom Mass- und Enrgiportionn mit hohr Gschwindigkit ausschludrn. Disn Vorgang nnnt man radioaktivn Zrfall. 2. Alphastrahln Di bim radioaktivn Zrfall von Atomkrnn ausgsandtn Hliumkrn (2 Protonn, 2 Nutronn) wrdn Alphatilchn gnannt (Abb. 2.). Als Tilchnstrom bildn si di Alphastrahln. Di Anfangsgschwindigkit dr austrtndn Alphatilchn bträgt twa 5 km/s. Dr Krn ds Radium-226 hat 88 Protonn und 38 Nutronn. Sin Krnladungszahl bträgt dmnach 88, sin Massnzahl 226. Dr Krn ist nicht stabil, da di Krnkräft di abstoßndn Kräft dr Protonn untrinandr nicht vollständig aufhbn könnn. Dr Krn hat dshalb das Bstrbn, in inn stabilrn Zustand übrzughn. Das gschiht in mhrrn Stufn, von dnn hir nur in dargstllt ist. Dr Krn schludrt inn Hliumkrn hraus, wodurch di Krnladungszahl um 2, di Massnzahl um 4 sinkt. Es ntstht das nu Elmnt Radon (Rn). Disr Vorgang wird auch Alphazrfall gnannt. Abb. 2.: Alphazrfall 2

2 Er kann durch in Krnraktionsglichung bschribn wrdn. 226 Ra 222 Rn H 4 2 In dr Glichung wird links vom Raktionspfil dr Krnaufbau ds Ausgangsatoms, rchts davon das Ergbnis ds Zrfalls gschribn. Dabi müssn auf bidn Sitn di Summ dr Krnladungszahln (86 2 = 88) und di Summ dr Massnzahln (222 4 = 226) übrinstimmn. Das bim Zrfall ntstandn Radon-222 ist bnfalls radioaktiv und zrfällt witr. Das ntstandn Radon gibt zwi Hülllktronn an di Umgbung ab. Di ausgsandtn Alphatilchn nhmn aus dr Umgbung zwi Elktronn auf, wodurch Hliumatom ntsthn. Bi alphastrahlndn Substanzn, di sich in gschlossnn Bhältrn bfindn, kann dshalb nach inigr Zit Hliumgas nachgwisn wrdn. g Radium und sin Folgprodukt rzugn in inm Jahr insgsamt,56 cm 3 Hliumgas (Angabn bzogn auf C und Atmosphärndruck). Das ntspricht twa 4,29 8 Hliumatomn. 2.2 Btastrahln Bim Btazrfall wird aus dm Krn ins Radionuklids in Elktron abggbn. Sin Gschwindigkit kann zwischn Null und nahzu Lichtgschwindigkit lign. Dis Elktronn bildn dann di Btastrahln (Abb. 2.2). Das ausgschludrt Elktron stammt nicht aus dr Atomhüll! Es ntstht, wnn sich im Krn in Nutron in in Proton und in Elktron umwandlt. Abb. 2.2: Bta -Zrfall Raktionsglichung: n p - 3

3 Bispil ins Bta - -Zrfalls (Cäsium-37 wandlt sich untr Aussndn ins Elktrons in Barium-37 um.): 37 Cs 37 Ba Da di Elktronn j in ngativ Elmntarladung tragn, wrdn di Strahln auch als Bta -Strahln bzichnt. Da nach dm Aussndn ins Btatilchns (ins Elktrons) dr Krn in Proton mhr bsitzt, muß auch di Krnladungszahl ds nu ntstandnn Elmnts um ins höhr lign. Di Anzahl dr Krntilchn hat sich jdoch insgsamt nicht vrändrt, wodurch di ursprünglich Massnzahl rhaltn blibt. Bta-Strahln bildn inn Elktronnstrom, dr di glichn Eignschaftn zigt wi dr lktrisch Strom in mtallischn Litrn. So rzugn z. B. bid in Magntfld, das in konzntrischn Krisn um dn Elktronnstrom ligt. Bi manchn natürlichn und künstlich hrgstlltn Radionuklidn tritt in Strahlung auf, bi dr Tilchn von dr Mass ins Elktrons, abr mit inr positivn Ladung ausgschludrt wrdn. Es sind Positronn. Di Strahlung wird dshalb Positronnstrahlung gnannt (Abb. 2.3). Das Positron ntstht im Krn, wnn sich in Proton in in Nutron und in Positron umwandlt. - Raktionsglichung: Abb. 2.3: Bta -Zrfall p n Bispil ins Bta -Zrfalls (Natrium-22 wandlt sich untr Aussndn ins Positrons in Non-22 um): 22 Na 22 N Bim Bta -Zrfall nimmt di Krnladungszahl um in Einhit ab, währnd sich di Massnzahl nicht vrändrt. Bim Btazrfall wird außrdm in witrs Tilchn ausgsandt, das kin Ruhmass und kin lktrisch Ladung bsitzt. Bim Zrfall ins Nutrons ntstht zusätzlich in Antinutrino, bim Zrfall ins Protons in Nutrino. Nutrinos und Antinutrinos bsitzn in großs Durchdringungsvrmögn, wil si mit 4

4 Matri kaum in Wchslwirkung trtn. Si sind dshalb schwr nachzuwisn. (Bi dn Krnraktionsglichungn wrdn hir aus Gründn dr Vrinfachung Nutrino odr Antinutrino nicht mit anggbn.) 2.3 Gammastrahln Bi dn Krnumwandlungn kann in nrgirich Strahlung auftrtn, di di glich Natur wi das sichtbar Licht hat, nur nrgirichr als diss ist. Si trägt dn Namn Gammastrahlung. Abgshn von dr Art ds Entsthns ist si praktisch idntisch mit dr Röntgnstrahlung. Di Gammastrahlung wird - wi auch das sichtbar Licht - in inzlnn "Portionn" (Quantn, Photonn) abggbn (Abb. 2.4). Di Gammaquantn bwgn sich mit inr konstantn Gschwindigkit c = m/s (Vakuumlichtgschwindigkit). Gammastrahln trtn häufig bi Alpha- odr Btazrfall auf. Nach dm Ausschludrn ins Alpha- odr Btatilchns gibt dr Atomkrn noch vorhandn übrschüssig Enrgi in Form ins odr mhrrr Gammaquantn ab. Durch dn Gammazrfall ändrt sich dr Enrgiinhalt ds Krns, nicht jdoch dssn Krnladungs- und Massnzahl. Bispil: 37m Ba Ba 56 γ Ein nrgirichrr, angrgtr (mtastabilr) Bariumkrn gibt in Gammaquant ab und ght dadurch in inn nidrigrn und glichzitig stabilrn Enrgizustand übr. Abb. 2.4: Emission ins Gamma-Quants aus inm angrgtn Krn 5

5 Gammaquantn trtn außr bi Krnumwandlungn auch noch bi andrn Raktionn zwischn Elmntartilchn (Baustinn ds Atoms) auf. 2.4 Dr Elktronninfang Bi natürlichn und künstlich rzugtn Radionuklidn kann noch in witr Umwandlungsart auftrtn, dr sognannt Elktronninfang. Dr Krn ins nutronnarmn Atoms fängt mist aus dr innrstn Schal dr Elktronnhüll (dr K-Schal, dahr auch dr Nam K-Einfang) in Elktron in, wodurch sich in Proton in in Nutron umwandlt (Abb. 2.5). (Dr in dr Atomhüll frigwordn Platz wird von inm äußrn Elktron widr aufgfüllt. Dabi ntstht in charaktristisch Röntgnstrahlung.) Abb. 2.5: K-Einfang Raktionsglichung: p - n Bispil: 4 K 9-4 Ar 8 Das in dr Natur vorkommnd Isotop Kalium-4 wandlt sich zum Til untr Elktronninfang in das Isotop Argon-4 um. Auch bim Elktronninfang nimmt di Krnladungszahl um in Einhit ab, währnd di Massnzahl unvrändrt blibt. Dr Elktronninfang führt also zu dm glichn Ergbnis wi di Abgab ins Positrons. 6

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