Radioaktiver Zerfall und Alphastrahlung
Was Radioaktivität ist, woraus α-Strahlung besteht und wie man mit der Verschiebungsregel das Tochternuklid eines α-Zerfalls bestimmt.
Das Wichtigste in Kürze
- Radioaktivität ist die spontane Umwandlung instabiler Kerne unter Strahlungsaussendung; aus dem Mutternuklid entsteht ein Tochternuklid.
- α-Strahlung besteht aus zweifach positiv geladenen Heliumkernen \(\ce{^{4}_{2}He}\) mit zwei Protonen und zwei Neutronen, nicht aus einzelnen Protonen.
- α-Strahlung ist Teilchenstrahlung und keine elektromagnetische Strahlung; beim α-Zerfall entsteht kein Antineutrino.
- Verschiebungsregel: Massenzahl \(-4\), Kernladungszahl \(-2\), Protonen- und Neutronenzahl je \(-2\); z. B. \(\ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th}\) und \(\ce{^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn}\).
- Der α-Zerfall dominiert bei Ordnungszahlen über 83; \(\ce{^{14}C}\) ist ein β⁻-Strahler, kein α-Strahler.
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Worum es geht
Radioaktive Atomkerne wandeln sich von selbst in andere Kerne um und senden dabei Strahlung aus. Der α-Zerfall ist die typische Zerfallsart schwerer Kerne wie Uran, Radium und Radon. In der Pharmazie bildet er eine Grundlage für Strahlenschutz und Radiopharmazie.
Radioaktiver Zerfall
Viele Atomkerne sind stabil und bleiben dauerhaft unverändert. Andere sind instabil. Sie wandeln sich spontan in einen anderen Kern um und senden dabei Strahlung aus. Diese Eigenschaft heißt Radioaktivität. Ob ein Kern stabil ist, hängt von seiner Zahl an Protonen und Neutronen ab, die du aus der Nuklidschreibweise abliest.
Spontane Umwandlung instabiler Atomkerne unter Aussendung von Strahlung. Weil der Vorgang im Kern abläuft, lässt er sich durch Temperatur, Druck oder chemische Bindung praktisch nicht beeinflussen.
Den zerfallenden Kern nennt man Mutternuklid, den entstehenden Kern Tochternuklid. Ändert sich beim Zerfall die Protonenzahl, gehört die Tochter zu einem anderen Element. Ist auch sie instabil, zerfällt sie weiter. So entsteht eine Zerfallsreihe, die erst bei einem stabilen Nuklid endet.
Nach der Art der ausgesandten Strahlung unterscheidet man drei Grundtypen:
- α-Strahlung: Heliumkerne, Thema dieser Einheit
- β-Strahlung: Elektronen oder Positronen, siehe β⁻- und β⁺-Zerfall
- γ-Strahlung: energiereiche Photonen, also elektromagnetische Strahlung, siehe Gammastrahlung
Alle drei Arten sind ionisierend. Ihre Energie reicht aus, um Elektronen aus den getroffenen Atomen und Molekülen herauszuschlagen. Wie sich ionisierende Strahlung allgemein einordnet, zeigt das elektromagnetische Spektrum. Diese Ionisation macht radioaktive Strahlung für Gewebe gefährlich. Sie macht sie aber auch für Diagnostik und Therapie nutzbar.
Natur der α-Strahlung
Ein α-Teilchen ist ein Heliumkern \(\ce{^{4}_{2}He}\). Es besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, also aus vier Nukleonen. Eine Elektronenhülle hat es nicht. Deshalb trägt es nur die Ladung seiner beiden Protonen und ist zweifach positiv geladen. Man schreibt daher auch \(\ce{He^2+}\) oder \(\alpha^{2+}\).
Beim α-Zerfall verlässt dieses Viererpaket den Mutterkern als Ganzes. Man kann es sich wie einen fest verschnürten Baustein vorstellen, der aus einem großen Gebäude herausgelöst wird. Zurück bleibt ein kleinerer Tochterkern, wie die Abbildung zeigt.
Woraus α-Strahlung genau besteht, wird im Examen gerne gefragt: Es sind Heliumkerne mit zwei Protonen und zwei Neutronen, keine einzelnen Protonen. Ein freies Proton hätte nur die Ladung \(+1\) und die Massenzahl 1. Das α-Teilchen hat dagegen die Ladung \(+2\) und die Massenzahl 4.
α-Strahlung ist Teilchenstrahlung mit Masse und Ladung. Sie ist keine elektromagnetische Strahlung, anders als γ- und Röntgenstrahlung, die aus ungeladenen Photonen ohne Ruhemasse bestehen.
Weil α-Teilchen geladen sind, lenken elektrische und magnetische Felder sie ab. Photonen fliegen dagegen unbeeinflusst geradeaus. Auch die Bilanz der Produkte ist schlicht. Beim α-Zerfall entstehen nur der Tochterkern und das α-Teilchen, ein Antineutrino wird nicht ausgesandt. Das unterscheidet ihn vom β⁻-Zerfall, bei dem neben dem Elektron stets ein Antineutrino entsteht.
Verschiebungsregel
Wie sich der Kern beim α-Zerfall verändert, folgt direkt aus der Zusammensetzung des α-Teilchens. Der Mutterkern verliert zwei Protonen und zwei Neutronen. Daraus ergibt sich die Verschiebungsregel des α-Zerfalls:
- Die Massenzahl \(A\) sinkt um 4.
- Die Kernladungszahl (Ordnungszahl) \(Z\) sinkt um 2.
- Protonenzahl und Neutronenzahl nehmen je um 2 ab.
\[\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A-4}_{Z-2}Y + ^{4}_{2}He}\]
Dahinter stehen die Erhaltungssätze für Nukleonenzahl und Ladung. Die oberen Zahlen ergeben links und rechts dieselbe Summe, ebenso die unteren. Weil \(Z\) um 2 sinkt, rückt die Tochter im Periodensystem zwei Plätze nach links. In der Nuklidkarte mit der Neutronenzahl \(N\) nach rechts und \(Z\) nach oben ist das ein diagonaler Schritt nach links unten.
Vier weg, zwei runter: Ein α-Zerfall nimmt dem Kern immer ein ganzes Heliumpaket ab, egal wie schwer der Mutterkern ist.
Beispiele aus der Uranreihe
In der Zerfallsreihe von Uran-238 treten mehrere α-Schritte auf:
\[\ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}\]
\[\ce{^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn + ^{4}_{2}He}\]
\[\ce{^{222}_{86}Rn -> ^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He}\]
Zwischen Thorium-234 und Radium-226 liegen weitere Schritte, darunter β⁻-Zerfälle. Die Abbildung zeigt nur die α-Schritte der Kette.
Die Tabelle macht sichtbar, dass bei jedem α-Schritt Protonen- und Neutronenzahl um je 2 fallen. Die Neutronenzahl ergibt sich als \(N = A - Z\).
| Nuklid | Protonen \(Z\) | Neutronen \(N\) | Massenzahl \(A\) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{^{238}U}\) | 92 | 146 | 238 |
| \(\ce{^{234}Th}\) | 90 | 144 | 234 |
| \(\ce{^{226}Ra}\) | 88 | 138 | 226 |
| \(\ce{^{222}Rn}\) | 86 | 136 | 222 |
| \(\ce{^{218}Po}\) | 84 | 134 | 218 |
Tochternuklid bestimmen
Das Vorgehen ist immer gleich. Als Beispiel dient Americium-241, ein α-Strahler aus Rauchmeldern.
- Mutternuklid lesen: \(\ce{^{241}_{95}Am}\) hat \(A = 241\) und \(Z = 95\).
- Massenzahl: \(241 - 4 = 237\).
- Ordnungszahl: \(95 - 2 = 93\).
- Element zuordnen: \(Z = 93\) ist Neptunium, die Tochter ist also \(\ce{^{237}_{93}Np}\).
- Bilanz prüfen: oben \(237 + 4 = 241\), unten \(93 + 2 = 95\). Die Neutronenzahl fällt von 146 auf 144.
Entscheidend ist Schritt 4. Erst die neue Ordnungszahl verrät das Element. Die Massenzahl allein reicht dafür nicht.
Beim α-Zerfall sinkt \(A\) um 4 und \(Z\) um 2. Achte darauf, dass Protonen- und Neutronenzahl je um 2 abnehmen: Aus \(\ce{^{222}_{86}Rn}\) entsteht \(\ce{^{218}_{84}Po}\) mit 84 Protonen und 134 Neutronen.
Vorkommen
α-Strahler sind vor allem schwere Nuklide. Bei einer Ordnungszahl größer als 83 dominiert der α-Zerfall. Für diese großen Kerne ist die Abgabe eines kompakten Heliumkerns ein wirksamer Weg, Masse und Ladung zugleich abzubauen. Typische Beispiele sind Uran, Radium, Radon, Polonium und Americium.
Leichte Radionuklide zerfallen meist auf anderem Weg. Das Kohlenstoffisotop \(\ce{^{14}C}\) ist kein α-Strahler, sondern ein β⁻-Strahler, der sich in \(\ce{^{14}N}\) umwandelt. Wie schnell Zerfälle ablaufen, beschreibt das Zerfallsgesetz. Wie weit α-Teilchen in Materie kommen, behandelt die Einheit zur Abschirmung.
Quiz
Aussage 1
α-Strahlung gehört wie γ-Strahlung zur elektromagnetischen Strahlung.
α-Strahlung ist Teilchenstrahlung mit Masse und Ladung. Nur γ- und Röntgenstrahlung bestehen aus Photonen.
Aussage 2
Das Tochternuklid aus dem α-Zerfall von \(\ce{^{222}_{86}Rn}\) enthält 84 Protonen und 134 Neutronen.
Es entsteht \(\ce{^{218}_{84}Po}\); die Neutronenzahl ist \(218 - 84 = 134\).
Aussage 3
Das Isotop \(\ce{^{14}C}\) ist ein typischer α-Strahler.
\(\ce{^{14}C}\) ist ein β⁻-Strahler und wandelt sich in \(\ce{^{14}N}\) um. Der α-Zerfall dominiert bei Ordnungszahlen über 83.
Aussage 4
Zerfällt \(\ce{^{238}_{92}U}\) unter Aussendung eines α-Teilchens, entsteht \(\ce{^{234}_{90}Th}\).
Die Massenzahl sinkt von 238 auf 234, die Ordnungszahl von 92 auf 90. Element 90 ist Thorium.
Aussage 5
Ein α-Teilchen trägt die Ladung \(+2\), weil ihm die Elektronenhülle fehlt.
Der Heliumkern besitzt zwei Protonen und keine Elektronen, daher ist er zweifach positiv geladen.
Aussage 6
α-Strahlung besteht aus einzelnen, schnell bewegten Protonen.
α-Teilchen sind Heliumkerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen mit der Ladung \(+2\) und der Massenzahl 4.
Aussage 7
Beim α-Zerfall bleibt die Neutronenzahl gleich, nur die Protonenzahl sinkt um 2.
Das α-Teilchen nimmt zwei Protonen und zwei Neutronen mit. Beide Zahlen sinken je um 2.
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