Grundlagen der Atomphysik – Kernzerfall bzw. Radioaktivität

Das Verständnis über den Atomaufbau ist für die meisten MINT-Fächer von großer Bedeutung. Dies liegt daran, dass ein Atom der kleinste Baustein eines chemischen Stoffes oder Elements ist, der ohne Verlust seiner charakteristischen Eigenschaften nicht mehr geteilt werden kann. Atome können nur noch durch “physikalische Verfahren” geteilt werden. Wie im vorherigen Kapitel erwähnt, besteht der Atomkern aus Protonen und Neutronen. Aufgrund der gleichen Ladung der Protonen herrschen zwischen den Protonen im Kern elektrostatisch abstoßende Kräfte. Diese werden jedoch durch noch stärkere Wechselwirkungen mit Neutronen kompensiert (Kernkräfte). Ein stabiler Kern verfügt deshalb stets über ein bestimmtes Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen. Stimmt dieses Zahlenverhältnis nicht, so wird der Kern instabil und das betreffende Atom zerfällt nach einer gewissen Zeit, was als Phänomen der Radioaktivität beobachtet wird. Wegen der vielen positiven Ladungen sind Atome, die mehr als 83 Protonen besitzen, immer radioaktiv.

Der Kernzerfall – Radioaktivität

Einführend sei gesagt, dass der Zerfall der Atomkerne mit dem Begriff Radioaktivität verbunden ist. Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist der Grund für den Zerfall, dass die Atomkerne instabil sind (Atomkern ist entweder wenn er zu schwer oder es herrscht ein Ungleichgewicht zwischen den Protonen und Neutronen). Alle Atomkerne die mehr als 83 Protonen besitzen, bzw. eine höhere Nukleonenzahl (Protonen und Neutronen zusammen) als 210 haben, sind instabil.

Der Zusammenhalt zwischen Neutronen und Protonen im Kern

Wie bereits erwähnt, stoßen sich die gleichgeladenen Protonen im Kern ab, dieser elektrostatischen Wechselwirkung stehen die sog. Kernkräfte gegenüber. Wie Kernkräfte zwischen Protonen und Neutronen entstehen, ist noch nicht genau geklärt. Man nimmt aber an, dass zwischen zwei benachbarten Nukleonen ein schneller Austausch von Mesonen stattfindet und dadurch diese Kernkräfte entstehen. Wie bereits geschrieben, wirken diese Kräfte nur zwischen benachbarten Nukleonen, die abstoßenden, coulombschen Kräfte zwischen den Protonen wirken aber über größere Entfernungen und somit wird der oben genannten Anzahl an Nukleonen der Atomkern instabil (die Kernkräfte zwischen den Nukleonen lassen sich mit Hilfe der Einstein-Beziehung der Äquivalenz von Masse und Energie berechnen).

Der Kernzerfall

Wie bereits erwähnt, sind Atomkerne mit mehr als 83 Protonen instabil und unterliegen daher dem sog. radioaktiven Zerfall. Dabei wandeln sich zum einen die instabilen Atomkerne in stabile Atomkern um unter Aussendung

  • eines Helium-Kernes (Alpha-Strahlung)
  • eines Elektrons (Beta-Strahlung) wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt werden und ein anderes Element gleicher Masse entsteht.
  • hochenergetischer elektromagnetische Wellen (Gamma-Strahlung)

Der Alpha-Zerfall

Beim Alphazerfall wird ein zweifach positiv geladenes Heliumion (ein Heliumkern) aus dem Atomkern emittiert, so dass sich die Kernmasse des instabilen Atomkerns um zwei Protonen und um zwei Neutronen verringert und so in einen stabilen Atomkern umgewandelt wird.  Alphastrahlung ist die gefährlichste der drei Strahlungsarten, hat aber nur eine Reichweite von ein paar Zentimetern. Zusätzlich lässt die Haut keine Alphastrahlung durch.

Der Beta-Zerfall

Den Beta-Zerfall kann man nochmal unterteilen. Dabei unterscheidet man zwischen dem Beta-minus-Zerfall und dem Beta-plus-Zerfall.

  • Beim Beta-minus-Zerfall zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Das Elektron und das Antineutrino werden anschließend emittiert.
  • Beim Beta-plus-Zerfall zerfällt ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino. Das Positron und das Neutrino werden emittiert

Der Gamma-Zerfall

Beim Gamma-Zerfall werden hochenergetische elektromagnetische Wellen (hochfrequente Photonen) aus dem Atomkern emittiert. Ein Gamma-Zerfall erfolgt i.d.R dann, wenn zuvor ein Alpha- oder Beta-Zerfall stattgefunden hat und der Kern sich in einem höheren Energiezustand befindet und so in den energetisch günstigeren Grundzustand gelangt.

Die physikalisch-chemischen und biologischen Wirkungen radioaktiver Strahlung

Die Wirkung der radioaktiven Strahlung lässt sich darauf zurückführen, dass die Strahlung beim Durchgang durch Materien mit deren Teilchen zusammenstößt und dabei Energie auf diese Atome überträgt, was zu einer Anregung oder Ionisation der jeweiligen Atome führt. Dies kann der Auslöser für chemische Reaktionen sein (z.B. Bildung von Ozon aus Sauerstoff). Ebenso lässt sich die biologische Wirkung auf die Anregung bzw. Ionisation von Atomen bzw. Molekülen zurückführen. Dies führt zu molekularen Veränderungen innerhalb der Zellen und so zu genetischen Schäden.

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Grundlagen der Atomphysik – Kernzerfall bzw. Radioaktivität – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der Unterschied zwischen Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall?

Beim Alpha-Zerfall wird ein Alpha-Teilchen (bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen) abgestrahlt. Beim Beta-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um und es wird ein Elektron abgestrahlt. Gamma-Zerfall bezeichnet die Aussendung von Gammastrahlung, hier ändert sich die Zusammensetzung des Atomkerns nicht.

2. Was versteht man unter Ionisierender Strahlung?

Ionisierende Strahlung ist Strahlung, die ausreichend Energie besitzt, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen und sie somit zu ionisieren.

3. Was bedeutet das Gesetz der Erhaltung der Masse in der Kernphysik?

Das Gesetz der Erhaltung der Masse besagt, dass die Gesamtmasse eines geschlossenen Systems aus Masse und Energie konstant bleibt, unabhängig von den Vorgängen, die im System ablaufen.

4. Kann Radioaktivität gesundheitlich schädlich sein? Wenn ja, warum?

Ja, besonders ionisierende Radioaktivität kann gesundheitsschädlich oder sogar tödlich sein, da sie Zellen und DNA schädigen kann.

5. Was sind Neutronen und welche Rolle spielen sie in der Atomphysik?

Neutronen sind subatomare Teilchen im Atomkern ohne elektrische Ladung. Sie stabilisieren den Kern, da sie die abstoßende Wirkung der Protonen mindern.

6. Was bezeichnet die Halbwertszeit?

Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte der Atome einer radioaktiven Substanz zerfällt.

7. Was ist ein Isotop?

Isotope sind Atome eines Elements mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen im Kern.

8. Was passiert in einem Kernreaktor?

In einem Kernreaktor wird durch kontrollierte Kernspaltung eine Kettenreaktion erzeugt, die Energie in Form von Hitze freisetzt. Dabei wird Uran oder Plutonium verwendet.

9. Beschreiben Sie den Prozess der Kernfusion.

Bei der Kernfusion vereinigen sich zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern. Dabei wird eine enorme Menge an Energie freigesetzt.

10. Was bedeutet das Begriff ‘Strahlendosis’?

Die Strahlendosis, gemessen in Sievert (Sv), gibt an, wie viel ionisierende Strahlung ein Körper bzw. Gewebe aufgenommen hat und welcher gesundheitliche Schaden daraus resultieren kann.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 27. Juli 2023