Radioaktivität

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Radioaktivitätist ein spontaner Zerfall von Atomkernen unter Änderung

  • der Masse,
  • der Kernladung und
  • der Energie.

Entdeckung der Radioaktivität[Bearbeiten]

Der französische Physiker Antoine Henri Becquerel (1852 - 1908) beschäftigte sich mit der Lumineszenz einiger Stoffe, die er durch Photoplatten nachwies. Diese Versuchsreihen wollte er auch an einem Uransalz vornehmen. Jedoch benötigte er intensives Sonnenlicht für seinen Versuch, daher packte er das Salz und die Photoplatte zusammen in eine Schublade, bis sich die Witterung besserte und die Wolken sich verzogen. Einige Tage später entwickelte er die Platte und verwunderlicherweise waren darauf die Umrisse des Minerals zu sehen. Die Radioaktivität war entdeckt.

Mit der Erforschung der Radioaktivität beschäftigte sich um das Jahr 1896 das Ehepaar Curie: Marie Curie (1867 - 1934) und Pierre Curie (1859 - 1906) Sie untersuchten zunächst alle bekannten Stoffe mit dem Elektroskop (Geigerzähler gab es noch nicht) auf diese neue Art der Strahlung und wiesen sie beim Thorium nach. Sie entdeckten danach zwei neue Elemente - Polonium und Radium und isolierten diese in vierjähriger, äußerst mühevoller Arbeit aus einer Tonne des Minerals Pechblende. Das Ergebnis waren 0.1 g Radiumchlorid - eine Sensation

Becquerel und die Curies erhielten 1903 für die Erforschung der von Becquerel entdeckten Strahlung den Nobelpreis für Physik. Marie Curie erhielt 1911 alleine den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung der Elemente Polonium und Radium.

Benannt wurden die neuen Elemente übrigens von Marie. Das erste benannte sie zu Ehren ihrer Heimat Polen - Polonium - das zweite in Anlehnung an das Wort Radioaktivität - Radium.

Pierre Curie starb 1908 bei einem Verkehrsunfall, Marie erlag 1934 der Strahlenforscher-Berufskrankheit, dem Strahlenkrebs. Die Tochter der Curies - Irene Joliot-Curie - und deren Ehemann Frederic Joliot machten sich ebenfalls um die Erforschung der Radioaktivität verdient ("künstliche Radioaktivität" u.a.) Auch sie erlagen beide dem Strahlenkrebs.

Man definiert die Radioaktivität heute als spontanen Zerfall von Atomkernen unter Änderung der Masse, Kernladung und der Energie. Es zeigte sich um die Jahrhundertwende sehr schnell: Das Atom war nicht länger unteilbar, schließlich vermögen ja selbst die Atomkerne zu zerfallen. Die Vorstellung über das Atom wurde um die Jahrhundertwende immer weiter ausgebaut. Schließlich gelang es sogar, Atomkerne künstlich zu spalten.


Kernspaltung[Bearbeiten]

Im Jahr 1938 gelingt es zum ersten Mal, Urankerne durch Beschuß mit langsamen Neutronen zu spalten. Der Arbeitstisch Otto Hahns steht heute im Deutschen Museum in München.

Die Vorarbeit dazu stammt von Lise Meitner, ausgeführt wurde das Experiment von Otto Hahn und Fritz Strassmann. Diese wollten eigentlich Atomkerne durch Neutronenbeschuß schwerer machen, stellten aber fest, dass er zerbarst.

Trifft ein langsames Neutron auf einen Urankern, so zerplatzt dieser in zwei Teile, und zwar in einen Krypton und einen Bariumkern, dazu emittieren noch drei schnelle Neutronen:

U-235 + 1 Neutron -> Kr-89 + Ba-144 + 3 Neutronen + Energie

Wenn sich der Kern eines schweren Atoms z.B. bei Uran spaltet, oder wenn zwei leichte Atomkerne verschmelzen, dann werden extrem große Mengen an Energie frei. Um diese Energie zu gewinnen, müssen diese Prozesse langsam ablaufen und kontrollierbar sein. Beide Arten von Kernprozessen (Kernspaltung und Kernfusion) laufen bei Atombomben im wahrsten Sinne des Wortes explosionsartig ab.


Beginn des Atomzeitalters[Bearbeiten]

Das Atomzeitalter, die Nutzung von Kernenergie als Energiequelle und als Waffe, begann mit der ersten atomaren Kettenreaktion. Diese wurde in der Turnhalle der Universität Chicago am 2.12.1942 von Enrico Fermi ausgelöst. Anstelle von Tod und Zerstörung wurde sie zur Herstellung von Wärmeenergie genutzt. Die Tatsache, dass bei diesem Vorgang sehr viel Energie freigesetzt wird, nutzt man heute bei der Energiegewinnung durch Kernkraftwerke. Zur Energiegewinnung steht bisher nur die Spaltung zur Verfügung, die Fusion, die viel ergiebiger und umweltfreundlicher wäre (denn man arbeitet hierbei nicht unmittelbar mit Radioaktivität), ist noch nicht soweit erforscht, um sie zur Gewinnung von Energie nutzen zu können.

Enrico Fermi war Atom- und Teilchenphysiker, der als brillanter Theoretiker und Mathematiker, sowie als hervorragender Experimentator beschrieben wird. Geboren 1901 in Rom wurde er zunächst Professor in Rom und Florenz, 1939 ging er in die Vereinigten Staaten (erst nach New York, dann nach Chicago). Bereits 1934 beschoss er Uran mit den gerade entdeckten Neutronen und stellte als erster überschwere Elemente her, die sogenannten Transurane (trans uran lat.: jenseits von Uran). Für diese Arbeit erhielt er auch einen Nobelpreis. Ebenfalls 1934 entwickelte er die Theorie des radioaktiven Betazerfalls, was ihm ebenfalls große Ehre zuteil werden ließ, d.h. man bezeichnete diese Arbeit als hervorragend. In Chicago setzte er dann 1942 die erste Kernspaltungs-Kettenreaktion in Gang. Er starb bereits 1954, ebenfalls in Chicago.


Kernchemie[Bearbeiten]

Man unterscheidet hauptsächlich zwischen drei Arten von Strahlung:

  • Alpha-Strahlung. Dabei wird aus einem schweren Atomkern ein kompletter Heliumkern ausgestossen: Zwei Protonen und zwei Neutronen. Der neue Atomkern ist also gegenüber dem alten Atomkern etwa vier Masseeinheiten leichter. Nach dem Zerfall des radioaktiven Erdalkalimetalls Radium-226 (Ordnungszahl 88) beispielsweise entsteht so das ebenfalls leicht radioaktive Edelgas Radon-222 (Ordnungszahl 86), ein Heliumkern - also ein Alpha-Teilchen - und ein sehr hoher Energiebetrag. Radon-222 hat damit vier Nukleonen weniger als Radium-226, außerdem mit der Ordnungszahl 86 zwei Protonen weniger. Nur zur Erinnerung: Radium-226 steht für ein Radiumatom mit 226 Kernteilchen (Nukleonen), welches laut Ordnungszahl 88 Protonen und [226-88=] 138 Neutronen aufweist. Eine Alpha-Teilchen ist relativ langsam und hat in Gasen eine Reichweite von wenigen Zentimetern. Schon ein Blatt Papier ist undurchlässig für Alpha-Teilchen.
  • Beta-Strahlung. Dabei wandelt sich ein Neutron in ein Proton um und setzt dabei ein Elektron frei. Beim Zerfall von Actinium-227 (Ordnungszahl 89) zum Beispiel, wird Thorium-227 (Ordnungzahl 90) und ein Elektron - das Beta-Teilchen - frei. Beta-Teilchen haben eine höhere Reichweite als Alphateilchen. Sie können durch dünne Metallplatten, wie Aluminiumbleche abgehalten werden.
  • Gamma-Strahlung. Dabei wird bei Kernumwandlungsprozessen kein klassisches Teilchen frei, vielmehr wird extrem kurzwellige elektromagnetische Strahlung freigesetzt, die einer Röntgenstrahlung gleicht. Sie haben eine sehr hohe Reichweite, und ihre hohe Durchdringfähigkeit kann nur durch dicke Bleiplatten gemindert werden.

Radioaktivität ist in großer Dosis gefährlich und sogar tödlich.

Einige Begriffe sollen noch erläutert werden:

  • Bei einer radioaktiven Zerfallsreihe wandelt sich ein Nuklid in immer neue Kerne um, bis schließlich ein stabiler Kern vorliegt.
  • Die Halbwertszeit ist die Zeit, innerhalb der die Hälfte der Radionuklide (radioaktiven Atomkerne) zerfallen ist. Nach Ablauf der Halbwertszeit sinkt die radiologische Aktivität auf die Hälfte. Statistisch gesehen wird damit der Bruchteil noch vorhandener Radionuklide zwar immer um die Hälfte geringer, jedoch wird er nie gleich null. Für Uran-238 beträgt die Halbwertszeit 4.500.000.000 Jahre. Das ist die bisherige Lebensdauer unseres Planeten! Für Radium-221 nur 30 Sekunden.
  • Ein Bequerel die Einheit für die radiologische Aktivität. 1 Bequerel (Bq) steht für einen Zerfall in einer Sekunde.