Elemente, Schulbuch

14 1 ATOMbau unD PeRIODenSYSTeM K + e Ar + γ 40 19 40 18 Anzahl nicht zerfallener Kerne Zeit Zeitpunkt, zu dem die Hälfte der ursprünglichen Kerne zerfallen sind Halbwertszeit Be 8 4 Li 8 3 e 0 –1 Li Be + e 8 3 8 4 0 –1 – -Teilchen β Alter Kern Neuer Kern α -Teilchen γ -Quant + -Teilchen Be 8 4 B 8 5 e 0 1 B Be + e 8 5 8 4 0 1 β Abb. 14.1: b – -Zerfall Abb. 14.2: g -Zerfall Abb. 14.3: b + -Zerfall Abb. 14.4: K-Einfang Abb. 14.5: Zerfallsgesetz β -Strahler Kerne mit Neutronenüberschuss sind β -Strahler. Im Kern zerfällt dabei ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (derselbe Prozess, der auch beim freien Neutron statt- findet). Das entstehende Elektron wird mit bis zu 96 % der Lichtgeschwindigkeit vom Kern emittiert (Abb. 14.1). Die raschen Elektronen nennt man β -Teilchen. Sie ionisieren auf ihrem Weg ebenfalls Atome und geben so ihre Energie ab (auch hier bleibt die Ladungssumme erhalten). Die Wechselwirkung mit der Umgebung ist aber geringer als die der α -Teilchen. Da- her ist ihre Reichweite größer (einige Meter in Luft, einige Zentimeter in fester Ma- terie). Prinzipiell lassen sich aber auch β -Teilchen gut abschirmen. Inkorporiert sind β -Strahler sehr gefährlich, aber etwas weniger problematisch als α -Strahler. γ -Strahler γ -Strahler sind elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz. Röntgenstrahlen und γ -Strahlen sind dieselbe Erscheinung. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. γ -Strahlen werden aus Atomkernen emittiert, die einen Energieüberschuss be- sitzen. Diese Energie wird in Form eines γ -Quants (= Energiepaket) abgegeben. Sol- che angeregten Kerne entstehen häufig bei radioaktiven Zerfällen, sodass die γ -Strahlung als Begleitstrahlung zu α - oder β -Zerfällen auftritt (Abb. 14.2). Bei der Abgabe von γ -Quanten selbst ändern sich Z und A des Atomkerns nicht. γ -Strahlen lassen sich nur unvollständig abschirmen. Dezimeterdicke Bleiwände und meterdi- cke Betonwände werden zur Herabsetzung intensiver γ -Strahlung auf ein gesund- heitserträgliches Maß verwendet. Weitere Zerfallsarten Neben α -, β - und γ - Zerfall gibt es noch weitere Arten des radioaktiven Zerfalls. So wandeln sich Kerne mit Neutronenmangel durch K-Einfang (Abb. 14.4) oder β + -Zerfall (Abb. 14.3) um. Dabei wird aus einem Proton ein Neutron (entweder durch Einfang eines Hüllenelektrons in den Kern oder durch Emission eines Positrons, einem posi- tiv geladenen Teilchen mit Elektronenmasse). Da Elemente mit solchen Zerfällen auf der Erde praktisch nicht existieren, wurden diese Zerfälle erst spät entdeckt. Sie spielen aber im Inneren der Sonne bei Zwi- schenprodukten der Kernverschmelzung eine wichtige Rolle. Zerfallsgeschwindigkeit, Halbwertszeit Die Zerfallsgeschwindigkeit radioaktiver Nuklide lässt sich nur statistisch erfassen, dh., wann ein einzelnes Atom zerfallen wird, lässt sich überhaupt nicht voraussagen. Als Maß für die Zerfallsgeschwindigkeit dient die Halbwertszeit τ (Tau = griech. Buchstabe). Sie ist die Zeit, nach der die Hälfte der Atome eines bestimmten Radio- nuklides zerfallen ist. Nach zwei Halbwertszeiten ist noch 1/4, nach drei Halbwerts- zeiten noch 1/8 der ursprünglichen Menge vorhanden (Abb. 14.5). Die Halbwertszei- ten verschiedener Radionuklide sind sehr unterschiedlich. ZB beträgt die Halbwertszeit ( τ ) von 232 Th 1,4 • 10 10 Jahre, die von 217 Ra nur 1,6 • 10 –6 s. Je kürzer τ , desto intensiver ist die Strahlung, wenn man von der gleichen Menge Radionuklid ausgeht. Natürliche Radioaktivität Die radioaktiven Nuklide zerfallen, dh., sie werden immer weniger. Dass in der Natur heute trotzdem noch radioaktive Nuklide existieren, hat zwei Gründe: 1. Die radioaktiven Nuklide haben eine sehr lange Halbwertszeit. Dazu zählen die Nuklide 232 Th, 238 U, 235 U, 40 K. Ihre Halbwertszeiten sind so groß, dass sie seit der Entstehung der Elemente (wahrscheinlich bei einer Supernovaexplosion) noch nicht zur Gänze zerfallen sind, obwohl seitdem schon mehrere Milliarden Jah- re vergangen sind. Ihre Aktivität ist relativ gering. Trotzdem ist die von ihnen er- zeugte Strahlung nicht unbeträchtlich. 40 K kommt zB im Granit vor und bewirkt, dass im Waldviertel die Umweltradioaktivität weit höher ist als in anderen Gegenden Österreichs. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv