Radioaktivität – Arten, Entstehung und Formeln

Radioaktivität ist eine Eigenschaft, die es einem instabilen Kern ermöglicht, über die Abgabe von ionisierender Strahlung seinen Zustand zu ändern. Hierbei kann sich der Energiezustand des Kerns ändern oder sogar die Ordnungszahl. Der radioaktive Zerfall wird daher auch als Kernzerfall bezeichnet. Der Begriff Radioaktivität wurde vom Ehepaar Marie und Pierre Curie eingeführt. Radioaktivität kommt vorwiegend bei Atomkernen mit einer hohen Ordnungszahl vor. Der genaue Entstehungsprozess der radioaktiven Strahlung hängt jedoch von der Art der Strahlung ab.

Allgemein gibt es in der Physik drei verschiedene Arten von radioaktiver Strahlung. Diese wurden von Rutherford nach ihrem Durchdringungsvermögen sortiert und benannt. Die Alphastrahlung ist unter anderem die radioaktive Strahlung mit dem geringsten Durchdringungsvermögen, während die Gammastrahlung das höchste Durchdringungsvermögen aufweist.

Alphastrahlung

Bei der Alphastrahlung handelt es sich um die Strahlung mit dem geringsten Durchdringungsvermögen (also einer kurzen Reichweite). Sie besteht aus Heliumkernen, die vom Kern abgestrahlt werden. Aufgrund der Ladungserhaltung verringert sich durch die Abstrahlung die Ladungszahl des Kerns um die Ladungszahl des Heliumkerns. Die allgemeine Zerfallsgleichung für den Alphazerfall lautet wie folgt.

Betastrahlung

Diejenige ionisierende Strahlung mit dem zweitstärksten Durchdringungsvermögen wird als Betastrahlung bezeichnet. Sie besteht aus von Mutterkern abgestrahlten Elektronen (beim Beta-Minus-Zerfall) und Positronen (beim Beta-Plus-Zerfall). Da auch bei diesen Zerfällen die Ladungserhaltung erfüllt werden muss, erhöht (verringert) sich die Kernladungszahl des Mutterkerns beim Beta-Minus-Zerfall (Beta-Plus-Zerfall) um eins. Dies lässt sich am Beispiel der Zerfallsgleichung für den Beta-Minus-Zerfall sehr gut nachvollziehen.

Gammastrahlung

Die Strahlung mit dem höchsten Durchdringungsvermögen (der höchsten Reichweite) wird als Gammastrahlung bezeichnet. Sie besteht aus hochenergetischen Photonen. Da Photonen keine elektrische Ladung besitzen, führt die Abstrahlung eines Photons nicht zu einer Änderung der Kernladungszahl. Lediglich eine Änderung des Energiezustands des Kerns ist aufgrund der Energieerhaltung notwendig. So ist es unter anderem möglich, dass ein angeregter Kern mithilfe der Aussendung von Gammastrahlen zurück in den Grundzustand gelangt.
Allgemein kann man die Gleichung für die Gammastrahlung wie folgt ausdrücken.

Allgemein verfügen Lebewesen über regenerative Prozesse, die durch ionisierende Strahlung auftretende Schäden reparieren können. Dies ist notwendig, da man überall auf der Erde einer gewissen Menge an natürlicher radioaktiver Strahlung ausgesetzt ist. Der Körper ist im Allgemeinen sogar ziemlich gut darin, solche Schäden zu reparieren, aber die Wahrscheinlichkeit für eine erfolgreiche Reparatur beträgt nicht 100. Setzt man sich nun einer erhöhten Dosis an ionisierender Strahlung aus, kann es zu zwei Arten von Schäden kommen.

Deterministische Strahlenschäden

Wird eine Zelle einer radioaktiven Strahlung ausgesetzt, kann die Strahlung dafür sorgen, dass die Zelle ihre Teilungsfähigkeit verliert. Nach dem Ablauf ihrer Lebensdauer stirbt die Zelle dann ab. Beim Zelltod handelt es sich um einen natürlichen Prozess. Damit größere Schäden auftreten, ist eine gewisse Schwelldosis notwendig. Wird diese Schwelldosis überschritten, können größere Zellregionen absterben, was dazu führen kann, dass das betroffene Organ oder Gewebe seine Funktionsfähigkeit verliert. Die Schwere der Schäden steigt in der Regel proportional mit der Dosis an.

Stochastische Strahlenschäden 

Ionisierende Strahlung kann auch zur Veränderung der DNA einer Zelle führen. Dies geschieht, indem die DNA innerhalb der Zelle beschädigt und anschließend von der Zelle fehlerhaft repariert wird. Teilt sich jetzt die Zelle weiter, kann es dazu kommen, dass die Zelle die veränderte DNA an die Tochterzellen weitergibt. Die Folge können nun stochastische Schäden sein. Diese treten mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit oft erst viele Jahre nach der Bestrahlung auf. Für diese Art von Schäden gibt es vermutlich keinen Schwellwert. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Schäden sowie die Schwere der Schäden hängt jedoch proportional mit der Dosis zusammen.

Um die biologischen Auswirkungen von radioaktiver Strahlung auf den Körper so gering wie möglich zu halten, ist es in der Umgebung von künstlichen Strahlungsquellen wie zum Beispiel in Kernkraftwerken oder in bestimmten Forschungseinrichtungen vorgeschrieben, ein Dosimeter zu tragen. Dies misst die Dosis an Strahlung, der man sich in einer bestimmten Zeit ausgesetzt hat. Übersteigt die Dosis einen bestimmten Sicherheitsgrenzwert, sollte man sich zügig aus dem Bereich mit der erhöhten Strahlung entfernen. Möchte man die Aktivität einer Quelle etwas genauer wissen, ist die Verwendung eines Geiger-Müller-Zählerrohrs sinnvoll. Der Aufbau dieses Geräts ermöglicht es, ein elektrisches Signal zu erzeugen, sobald ionisierende Strahlung auf das Messgerät trifft. Dies funktioniert wie folgt. In einem Geiger-Müller-Zählrohr befindet sich zwischen der Anode und der Kathode ein Gas. Des Weiteren erzeugt man ein elektrisches Feld zwischen Anode und Kathode durch das Anlegen einer Gleichspannung. Die Struktur ist also ähnlich wie die eines Plattenkondensators. Wandert nun ein ionisierendes Teilchen durch das Zählrohr, ionisiert dieses das Gas zwischen der Anode und der Kathode. Durch das elektrische Feld werden die inzwischen freien Elektronen und die Ionen voneinander getrennt und es fließt für kurze Zeit ein Strom. Sieht man nun also einen kurzen Stromfluss, weiß man, dass Strahlung auf das Zählrohr getroffen sein muss. Zählt man nun die Anzahl der ionisierenden Teilchen, die in einer bestimmten Zeit auf das Zählrohr treffen, kann die Aktivität einer Quelle bestimmen werden. Zählt man zudem die gesamte gemessene Strahlung zusammen, kann man auch die Dosis bestimmen, der man sich selbst ausgesetzt hat. Die Aktivität einer Quelle hängt dabei zum Beispiel von der Menge des radioaktiven Materials und der Zerfallsreihe des Materials ab. Weiterhin spielt aber auch die Halbwertszeit der Nuklide eine wichtige Rolle für die Aktivität einer Quelle. Bei einer kürzeren Halbwertszeit zerfallen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls mehr Kerne als bei einer langen Halbwertszeit. Bei einer langen Halbwertszeit ist die Aktivität der Quelle zwar nicht so hoch, dafür ist die Quelle jedoch sehr viel länger radioaktiv.