Atomkern, Isotope und radioaktive Strahlung
Die meisten Atomkerne sind stabil und bleiben für immer, wie sie sind. Manche aber sind instabil: Sie wandeln sich irgendwann von selbst in einen anderen Kern um und schleudern dabei Teilchen oder Energie heraus. Diese radioaktive Strahlung kann man nicht sehen, aber messen.
Der Aufbau des Atomkerns
Der Kern besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (ungeladen), zusammen Nukleonen genannt. Die Elektronen der Hülle sind negativ geladen; in einem neutralen Atom gibt es gleich viele Elektronen wie Protonen.
| Größe | Zeichen | Bedeutung |
|---|---|---|
| Ordnungszahl (Protonenzahl) | Z | legt das Element fest |
| Neutronenzahl | N | unterscheidet die Isotope |
| Massenzahl (Nukleonenzahl) | A = Z + N | Zahl aller Kernteilchen |
Man schreibt ein Nuklid als Elementsymbol mit Massenzahl oben und Ordnungszahl unten, etwa 146C, oder kurz C-14.
Isotope
Atome desselben Elements können unterschiedlich viele Neutronen haben. Solche Varianten heißen Isotope. Kohlenstoff gibt es zum Beispiel als C-12 (6 Neutronen, stabil), C-13 (7 Neutronen, stabil) und C-14 (8 Neutronen, radioaktiv). Chemisch verhalten sich Isotope gleich – nur ihr Kern ist verschieden.
Die drei Strahlungsarten
| Alphastrahlung α | Betastrahlung β⁻ | Gammastrahlung γ | |
|---|---|---|---|
| Was wird ausgesandt? | Heliumkern (2 p, 2 n) | schnelles Elektron | energiereiche elektromagnetische Strahlung |
| Ladung | +2 | −1 | keine |
| Reichweite in Luft | wenige cm | einige Meter | sehr groß |
| Abschirmung | Blatt Papier, Haut | wenige mm Aluminium | dicke Bleiplatte, Beton |
| Kern danach | Z − 2, A − 4 | Z + 1, A gleich | unverändert, nur energieärmer |
Zerfallsgleichungen
Beim Zerfall bleiben die Summe der Massenzahlen und die Summe der Ladungen erhalten:
α: 22688Ra → 22286Rn + 42He
β⁻: 146C → 147N + 0−1e
Beim Betazerfall wandelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um; das Elektron wird herausgeschleudert. Aus Kohlenstoff wird so Stickstoff.
Strahlung messen
- Das Geiger-Müller-Zählrohr erzeugt bei jedem Strahlungsteilchen einen elektrischen Impuls – im Lautsprecher hört man ein Knacken.
- Die Aktivität einer Probe gibt die Zahl der Zerfälle pro Sekunde an, Einheit Becquerel (1 Bq = 1 Zerfall/s).
- Die Wirkung auf den Menschen beschreibt die Äquivalentdosis in Sievert (Sv). In Deutschland erhält jeder Mensch aus natürlichen Quellen (Gestein, Radon, Höhenstrahlung, Nahrung) etwa 2 bis 3 Millisievert pro Jahr.
- Auch ohne Probe misst ein Zählrohr immer ein paar Impulse: die Nullrate der natürlichen Umgebungsstrahlung.
Wirkung und Strahlenschutz
Radioaktive Strahlung ist ionisierend: Sie kann Elektronen aus Atomen schlagen und so Zellen und Erbgut schädigen. Besonders gefährlich ist es, radioaktive Stoffe einzuatmen oder zu verschlucken – dann wirkt selbst Alphastrahlung direkt im Körper. Für den Schutz gelten die vier A:
- Abstand halten – die Strahlung nimmt mit der Entfernung stark ab.
- Aufenthaltsdauer kurz halten.
- Abschirmung verwenden (Papier, Aluminium, Blei je nach Strahlungsart).
- Aufnahme in den Körper vermeiden – nicht essen, trinken oder einatmen.
Nutzen der Radioaktivität
- Medizin: Strahlentherapie gegen Tumore, Tracer in der Diagnostik (Szintigrafie).
- Altersbestimmung: mit C-14 bei organischen Funden – siehe Halbwertszeit.
- Kernspaltung: Schwere Kerne wie U-235 werden von Neutronen gespalten. Dabei werden große Energiemengen und weitere Neutronen frei, die eine Kettenreaktion auslösen. In Kernkraftwerken wird sie kontrolliert ablaufen gelassen.
- Kernfusion: In der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium – dabei entsteht die Energie, die wir als Sonnenlicht empfangen.
Teste Dich selbst
Weiterlesen: Radioaktivität bei Wikipedia