Was ist Radioaktivität?

Die uns bekannte Materie besteht aus verschiedenen Molekülen, die sich wiederum aus Atomen zusammensetzen. Der Begriff atomos stammt aus der antiken griechischen Naturphilosophie und bedeutet „unteilbar“. Wir wissen heute, dass Atome sich doch teilen lassen und aus verschiedenen Komponenten bestehen. (Diese Komponenten, die Elementarteilchen, sind jedoch nicht ihrerseits teilbar, sondern lassen sich nur in andere Teilchen umwandeln – aber diese Diskussion führt weg von der Atommüll-Debatte und hin zur Teilchenphysik und Quantenphilosophie.)

Atom

Aufbau eines Atoms: Um den Atomkern aus Protonen und Neutronen kreisen Elektronen. (Bild: Fastfission)

Atome bestehen aus einer Hülle von leichten Elektronen und einem Kern, in dempraktisch die gesamte Masse des Atoms konzentriert ist. Sämtliche chemischen Prozesse spielen sich an der Elektronenhülle ab, auch die Lebensprozesse in organischen Zellen. Der Atomkern ist selbst in den Dimensionen von Atomen winzig und über einen Faktor zehntausend kleiner. Er setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen.

Radioaktive Prozesse geschehen durch Umwandlungen von Atomkernen und besitzen Energien, die weit über den chemischen Energien liegen. Durch chemische Prozesse können also keine kernphysikalischen Vorgänge angeregt werden; dies ist nur durch andere kernphysikalische Prozesse oder durch Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen möglich.

Man kann kernphysikalische Prozesse, bei denen radioaktive Strahlung frei wird, auf verschiedene Weise anregen. Entweder bestrahlt man Materie mit extrem hochenergetischer Strahlung. Dies geschieht ständig in den oberen Atmosphärenschichten durch die kosmische Strahlung oder in präzise einstellbarer Weise in Teilchenbeschleunigern.

Man kann aber auch bestimmte Atomkerne mit langsamen Neutronen beschießen, wodurch diese zur Spaltung gebracht werden. Dies geschieht in kontrollierter Weise in Kernkraftwerken und in unkontrollierter Weise bei Atombomben.

Halbwertszeit

Nach jeweils einer Halbwertszeit ist nur noch die Hälfte des ursprünglichen Stoffes vorhanden. (Bild: Kieran Maher)

Einige Atomarten sind auch von selbst radioaktiv, weil ihr Atomkern instabil ist. Sie zerfallen nach und nach unter Aussendung radioaktiver Strahlung in stabile Atome. Hierzu benötigen sie unterschiedlich lange. Die Halbwertszeit gibt an, in welchem Zeitraum genau die Hälfte einer radioaktiven Atomart zerfallen ist. Nach zwei Halbwertszeiten ist nur noch ein Viertel des ursprünglichen Materials vorhanden, nach zehn Halbwertszeiten nur noch ein Tausendstel. Weitere zehn Halbwertszeiten später ist es nur noch ein Millionstel. Diese Zeitspanne von zehn bis zwanzig Halbwertszeiten ist ein gutes Maß um abzuschätzen, wann ein radioaktiver Stoff praktisch vollständig ausgestrahlt hat. Ein bestimmter Typ von Atomkernen hat immer eine feste Halbwertszeit. Halbwertszeiten reichen je nach Atomkern von Sekundenbruchteilen bis hin zu Jahrmilliarden.

Häufig zerfällt ein instabiler Atomkern aber nicht direkt in ein stabiles Atom, sondern es sind mehrere Zwischenschritte vonnöten, bis schließlich ein stabiler Endzustand erreicht wird. Man spricht hier von einer Zerfallsreihe, wobei jede Atomart ihre eigene charakteristische Halbwertszeit besitzt. Das überall in geringer Konzentration natürlich im Erdreich vorkommende Uran etwa zerfällt extrem langsam über Jahrmilliarden. Eines der Zwischenprodukte hin zu stabilem Blei ist das ebenfalls radioaktive Edelgas Radon, das sich in schlecht gelüfteten Räumen und vor allem in Bergwerken anreichern kann. Bereits im Mittelalter, aber auch zu Anfang des nuklearen Zeitalters war es für zahlreiche Todesfälle durch strahleninduzierten Lungenkrebs verantwortlich.

Die ultra-kurzlebigen Radionuklide stellen kein Problem für den Atommüll dar, denn sie zerfallen an Ort und Stelle ihrer Entstehung. Ultra-langlebige wie etwa Uran mit mehreren Milliarden Jahren bleiben zwar über geologische Zeiträume radioaktiv. Dadurch, dass sich die in ihnen gespeicherte Radioaktivität aber über einen so langen Zeitraum freisetzt, strahlen sie weniger stark als kurzlebige Radionuklide. Für den Atommüll sind deshalb vor allem Stoffe mit kurzen und mittellangen Halbwertszeiten von einigen Dutzend bis hin zu Millionen Jahren brisant. Denn sie sind langlebig genug, um nicht kontrolliert gelagert werden zu können, und radioaktiv genug, um Gesundheitsschäden hervorzurufen.

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Dirk Eidemüller studierte Physik und Philosophie in Darmstadt, Heidelberg, Rom und Berlin. Nach einem Diplom in der Astroteilchenphysik und Promotion in Wissenschafts- und Erkenntnistheorie führte ihn die Lust am Schreiben zum Wissenschaftsjournalismus.

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Radon scheint auch heute noch das gesundheitlich bedeutendste Radionuklid zu sein, wird es doch für 5% der Lungenkrebsfälle verantwortlich gemacht. Nach der WHO sollte 100 Becquerel pro Kubikmeter als höchstzulässige Radonkonzentration in Neu- und Altbauten gelten. Doch es gibt viele durch den Untergrund radonbelastete Gebiete wo dieser Wert in den Wohnräumen deutlich überschritten wird.

  2. Hallo Slash, die „radioaktive“ Strahlung gibt gar keine Strahlung ab, sondern ist (wie der Name bereits vermuten lässt) schon die Strahlung.

  3. Halbwertszeiten spielen auch für die natürliche Radioaktivität (Hintergrundsstrahlung) eine wichtige Rolle. Im Jahre 2006 erhielt ein Durschnitsamerikaner aus folgenden Quellen folgende Strahlungsdosen
    – Radon-222: 2.12 mSv (68%)
    – Thorium&Uran: 0.13 mSv (4%)
    – K-40: 0.15 mSv (5%)
    – Radon-220: 0.16 mSv (5%)
    – Kosimische Strahlung 0.33 mSv (11%)
    – Andere Strahlung: 0.21 mSv (7%)

    Vor 2.5 Milliarden Jahren aber gab es 4 Mal mehr K-40 (Halbwertszeit 1,27 Milliarden Jahre) und 8 Mal mehr Uran-235 (Halbwertszeit 700’000 Jahre) und damit auch viel höhere Mengen an Radon, da Radon ein indirektes Zerfallsprodukt der Uranreihe ist. Die damals noch niedrigen Lebensformen waren also im Vergleich zu heute im Durchschnitt einer viel höheren Hintergrundsstrahlung ausgesetzt.
    Die obige Tabelle zeigt noch einmal eindrücklich, dass Radon für mehr als 2/3 der aufgenommenen Strahlungsdosis verantwortlich ist.

  4. „Um den Atomkern aus Protonen und Neutronen kreisen Elektronen.“ – wenn das so wäre, dann wäre der radioaktive Vorgang des Electron Capture unmöglich oder doch wesentlich seltener. Dieser beruht nämlich auf der (statistischen) Anwesenheit von Elektronen der Hülle im Kern, was bei „kreisen um“ ja unmöglich wäre, beim quantenmechanischen Modell beispielsweise bei 1s aber am höchsten liegt (und durch chemische bindung beeinflussbar ist!)

    • Streng genommen haben sie recht. Aber nur streng genommen. Die chemische Bindung beeinflusst electron capture nur gerade im 1%-Bereich. Insgesamt spielen Elektronen eine untergeordnete Rolle beim radioaktiven Zerfall und chemische Prozesse haben Energieumsätze, die um Grössenordnungen kleiner sind als bei nuklearen Prozessen. Der Elektroneneinfang ist einfach eine Möglichkeit mit dem ein instabiler Kern sich in einen stabileren umwandeln kann. Doch die Welt der Elektronen ist insgesamt eine ganz andere als die Welt der Nukleonen.

      • Da missverstehen Sie engywuck. Der Einwand ist, dass es eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen am Kern geben muss, damit der K-Einfang (electron capture) möglich ist. Die schwache Wechselwirkung, die diesen Prozess bewirkt, hat ein zu geringe Reichweite, als das sie Elektronen und Protonen verschmelzen könnte, wenn die zu weit voneinander entfernt sind.
        Das Bahnenmodell ist natürlich falsch, aber es wird gerne noch als Bild verwendet.

        • engywuck wollte vor allem einen Einwand gegen das Bohrsche Atommodell oder ähnliche Bahnmodelle machen. Das hab ich schon auch so aufgefasst. Es fragt sich aber, ob es sinnvoll ist unter dem Titel Was ist Radioaktivität?, einem Beitrag mit insgesamt 4’306 Zeichen etwas anderes als das Bahnmodell als Atommodell einzuführen. Typischerweise will man ja bei der Erklärung der Radioaktivität darauf hinweisen, dass es sich um ein Phänomen des Atomkerns, nicht der Atomhülle handelt. Würde man an dieser Stelle ein Orbitalmodell einführen, würde das von dieser Aussage insgesamt ablenken und den Fokus auf etwas legen, was nicht in den Rahmen einer vereinfachten Darstellung des Phänomens Radioaktivität passen würde.Es gäbe noch die Möglichkeit bei der Erklärung der Radioaktivität auf ein Atommodell gänzlich zu verzichten wie das die Wikipedia macht, doch dann würde es recht unanschaulich.

          • ja, ich finde das sinnvoll. Das Bohrsche Atommodell war ja schon veraltet, als es aufgestellt wurde (nuja, fast…), wird aber mitsamt seinen Missverständnissen seit hundert Jahren aber munter weiterreproduziert. Mein Vorschlag wäre: „Aufbau des Atoms: Nahe des Zentrums der Elektronenwolke befindet sich der viel kleinere Atomkern“. Schalenmodell, Orbitale etc. kann man dann ja später anschauen. Dass Elektronen auf (implizit: festen) Bahnen „kreisen“ ist dagegen schlicht falsch (bzw: nur für ganz wenige Fälle ein ausreichendes Modell).

        • Radioaktivität ist im eben verlinkten Artikel noch kürzer (nur 2’363 Zeilen) und zugleich informationsreicher dargestellt. Allerdings ist der eben verlinkte Artikel vor allem wegen der vielen eingebetteten Links und dem Kontext in dem er geschrieben ist, empfehlenswert. Isoliert betrachtet ist er für Laien zu anspruchsvoll.

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