Radioaktivität, Strahlungsarten und Alpha-Zerfall
Was Radioaktivität ist, wie sich α-, β- und γ-Strahlung unterscheiden und wie man das Produkt eines α-Zerfalls ableitet.
Das Wichtigste in Kürze
- Radioaktivität ist der spontane Zerfall instabiler Kerne (Radionuklide) unter Aussendung von Strahlung; aus dem Mutternuklid entsteht ein Tochternuklid.
- α-Strahlung besteht aus Heliumkernen \(\ce{^{4}_{2}He^2+}\) mit zwei Protonen und zwei Neutronen; Elektronen und Positronen entstehen nur bei β-Zerfällen.
- Beim α-Zerfall sinkt die Massenzahl um 4 und die Ordnungszahl um 2, z. B. \(\ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}\).
- Gammastrahlung besteht aus energiereichen Photonen und ändert Massen- und Ordnungszahl nicht.
- Eine 2 mm dicke Pappe stoppt α- und UV-Vis-Strahlung vollständig, Röntgen- und γ-Strahlung dagegen nicht.
Worum es geht
Instabile Atomkerne wandeln sich unter Aussendung von Strahlung in andere Kerne um. Wer die Strahlungsarten unterscheiden und Zerfallsprodukte ableiten kann, versteht die Grundlagen von Nuklearmedizin und Strahlenschutz. Ein Beispiel ist der α-Strahler Radium-223, der gegen Knochenmetastasen eingesetzt wird.
Radioaktivität im Überblick
Manche Atomkerne sind nicht stabil. Sie zerfallen ohne äußeren Anlass und geben dabei Energie als Strahlung ab. Diese Eigenschaft heißt Radioaktivität. Wie man einen Kern mit Massenzahl und Ordnungszahl beschreibt, erklärt die Einheit zur Nuklidschreibweise.
Ein Radionuklid ist ein Nuklid mit instabilem Kern, das spontan zerfällt. Der zerfallende Kern heißt Mutternuklid, der entstehende Kern Tochternuklid.
Die drei Strahlungsarten unterscheidet man danach, was den Kern verlässt. Daraus folgt direkt, wie sich das Nuklid verändert.
| Strahlung | Emittiert wird | Ladung | Massenzahl \(A\) | Ordnungszahl \(Z\) |
|---|---|---|---|---|
| α | Heliumkern \(\ce{^{4}_{2}He^2+}\) | +2 | −4 | −2 |
| β⁻ | Elektron | −1 | unverändert | +1 |
| γ | energiereiches Photon | 0 | unverändert | unverändert |
Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung, also Energie ohne Masse und Ladung. Sie folgt meist direkt auf einen α- oder β-Zerfall. Das Tochternuklid ist dann noch angeregt und gibt die überschüssige Energie als Photon ab. Ein neues Element entsteht dabei nicht. Die β-Zerfälle behandelt eine eigene Einheit.
Alpha-Strahlung
Alpha-Strahlung besteht aus Heliumkernen. Ein solches α-Teilchen enthält zwei Protonen und zwei Neutronen. Es besitzt keine Elektronenhülle und ist deshalb zweifach positiv geladen: \(\ce{^{4}_{2}He^2+}\). Der Kern stößt also ein kompaktes Paket aus vier Nukleonen aus.
Damit unterscheidet sich α-Strahlung grundlegend von der β-Strahlung. Elektronen verlassen den Kern nur beim β⁻-Zerfall, Positronen nur beim β⁺-Zerfall. Heliumkerne werden umgekehrt ausschließlich beim α-Zerfall frei.
Ist ein α-Teilchen abgebremst, fängt es aus der Umgebung zwei Elektronen ein und wird zum Heliumatom. Deshalb findet man Helium in uranhaltigen Gesteinen. Wegen seiner großen Masse und doppelten Ladung ionisiert das α-Teilchen sehr stark. Dabei verliert es seine Energie auf kurzer Strecke.
Verschiebung beim Alpha-Zerfall
Das α-Teilchen nimmt vier Nukleonen mit. Also sinkt die Massenzahl (Nukleonenzahl) um 4. Zwei dieser Nukleonen sind Protonen, also sinkt die Ordnungszahl (Kernladungszahl) um 2. Dieser Verschiebungssatz gilt für jeden α-Zerfall:
\[{}^{A}_{Z}\mathrm{X} \longrightarrow {}^{A-4}_{Z-2}\mathrm{Y} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}\]
Links und rechts müssen die Summen der Massenzahlen und der Ordnungszahlen übereinstimmen. Für Uran-238 gilt:
\[\ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}\]
Die Bilanz stimmt: 238 = 234 + 4 und 92 = 90 + 2.
Die Verschiebung wird im Examen gerne gefragt: Massenzahl minus 4, Ordnungszahl minus 2. Achte auf die Synonyme, denn Nukleonenzahl meint die Massenzahl und Kernladungszahl die Ordnungszahl.
Tochternuklid ableiten
So findest du das Produkt eines α-Zerfalls, hier für Radium-226:
- Massenzahl: 226 − 4 = 222.
- Ordnungszahl: 88 − 2 = 86.
- Element bestimmen: Die Ordnungszahl 86 gehört zu Radon.
- Bilanz prüfen: \(\ce{^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn + ^{4}_{2}He}\).
Nach einem α-Zerfall steht das Tochternuklid im Periodensystem zwei Plätze weiter links als das Mutternuklid.
Diese α-Zerfälle solltest du kennen:
| Mutternuklid | Tochternuklid |
|---|---|
| \(\ce{^{238}_{92}U}\) | \(\ce{^{234}_{90}Th}\) |
| \(\ce{^{234}_{92}U}\) | \(\ce{^{230}_{90}Th}\) |
| \(\ce{^{230}_{90}Th}\) | \(\ce{^{226}_{88}Ra}\) |
| \(\ce{^{229}_{90}Th}\) | \(\ce{^{225}_{88}Ra}\) |
| \(\ce{^{225}_{89}Ac}\) | \(\ce{^{221}_{87}Fr}\) |
| \(\ce{^{211}_{83}Bi}\) | \(\ce{^{207}_{81}Tl}\) |
| \(\ce{^{210}_{84}Po}\) | \(\ce{^{206}_{82}Pb}\) |
Viele dieser Schritte gehören zu natürlichen Zerfallsreihen. In der Uran-Radium-Reihe wechseln sich α- und β⁻-Zerfälle ab, bis stabiles \(\ce{^{206}Pb}\) erreicht ist. Im Diagramm aus Massenzahl gegen Ordnungszahl läuft jeder α-Schritt schräg nach links unten. Ein β⁻-Schritt erhöht dagegen nur die Ordnungszahl um 1.
An der Nuklidänderung erkennt man die Zerfallsart. Der Übergang von \(\ce{^{238}U}\) zu \(\ce{^{234}Th}\) ist ein α-Zerfall. Ein β⁻-Zerfall ließe die Massenzahl unverändert und würde die Ordnungszahl erhöhen.
Abschirmung
Wie tief Strahlung in Materie eindringt, hängt von Masse und Ladung ab. α-Teilchen geben ihre Energie auf kürzester Strecke ab. Schon eine dünne Pappe von etwa 2 mm hält sie vollständig auf. β-Strahlung durchdringt Pappe, wird aber von wenigen Millimetern Aluminium gestoppt. γ-Strahlung wird selbst von einer Bleiplatte nur abgeschwächt.
Für Pappe gilt das auch jenseits der Radioaktivität. Eine 2 mm dicke schwarze Pappe hält UV-Vis-Strahlung vollständig zurück. Röntgen- und γ-Strahlung sind energiereicher und gehen teilweise hindurch.
Von außen sind α-Strahler kaum gefährlich, denn schon die oberste Hautschicht fängt die Teilchen ab. Im Körper schädigen sie das umliegende Gewebe dagegen sehr stark. Diese Wirkung auf engem Raum nutzt die Nuklearmedizin, etwa mit Actinium-225 in der Tumortherapie.
Quiz
Aussage 1
Die Umwandlung von \(\ce{^{238}_{92}U}\) in \(\ce{^{234}_{90}Th}\) erfolgt unter Aussendung von β⁻-Strahlung.
Massenzahl −4 und Ordnungszahl −2 kennzeichnen einen α-Zerfall. β⁻-Strahlung ließe die Massenzahl gleich und erhöhte die Ordnungszahl um 1.
Aussage 2
Ein α-Teilchen enthält neben zwei Protonen auch zwei Neutronen.
Das α-Teilchen ist ein Heliumkern \(\ce{^{4}_{2}He^2+}\) aus zwei Protonen und zwei Neutronen.
Aussage 3
Beim α-Zerfall nimmt die Ordnungszahl um 4 und die Massenzahl um 2 ab.
Umgekehrt: Die Massenzahl sinkt um 4, die Ordnungszahl um 2.
Aussage 4
Eine 2 mm dicke Pappe schirmt γ-Strahlung vollständig ab.
Pappe stoppt α-Strahlung und UV-Vis-Strahlung. γ-Strahlung wird selbst von Blei nur abgeschwächt.
Aussage 5
Durch α-Zerfall geht \(\ce{^{210}_{84}Po}\) in \(\ce{^{206}_{82}Pb}\) über.
210 − 4 = 206 und 84 − 2 = 82; die Ordnungszahl 82 gehört zu Blei.
Aussage 6
Bei der Emission von γ-Strahlung bleiben Massenzahl und Ordnungszahl des Kerns unverändert.
γ-Strahlung besteht aus Photonen ohne Masse und Ladung; der Kern gibt nur Energie ab.
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