Radioaktive Strahlungsarten

Radioaktive Strahlung entsteht durch die Umwandlung von Atomkernen in andere Atomkerne. Sie wird in \alphaα\alpha-, \betaβ\beta- und \gammaγ\gamma-Strahlung unterschieden.


Atommodell und Symbolschreibweise

Radioaktive Strahlung entsteht bei der Umwandlung von Kernen in andere Kerne. Um zu verstehen, wie radioaktive Strahlung entsteht, musst du dir also zunächst noch einmal die Grundlagen des Atomaufbaus ansehen.

Dazu kannst du das Atommodell nach Bohr betrachten:

In der Mitte ist ein Kern aus Protonen und Neutronen. Darum bewegen sich Elektronen auf Kreisbahnen.

Jedes Atom hat im Inneren den Atomkern. Dieser besteht aus Protonen und Neutronen.

Die Atomhülle umgibt den Atomkern. In der Atomhülle befinden sich die Elektronen.

Im Kern sind zwei Protonen und zwei Neutronen. Darum kreisen zwei Elektronen.

Hier siehst du ein Heliumatom.
Die Symbolschreibweise für das Heliumatom sieht so aus:

^{\col[1]4}_{\col[2]2}He24He^{\col[1]4}_{\col[2]2}He

Die \col[2] 22\col[2] 2 heißt \col[2] {\text{Ordnungszahl}}Ordnungszahl\col[2] {\text{Ordnungszahl}}. Sie gibt an, wie viele Protonen ein Atom hat. Da das Periodensystem nach Protonenzahlen sortiert ist, verrät sie dir auch, wo das Element im Periodensystem eingeordnet ist.

Die \col[1] 44\col[1] 4 heißt \col[1] {\text{Massenzahl}}Massenzahl\col[1] {\text{Massenzahl}}, da sie die gesamte Masse im Kern angibt. Also hier 2 Neutronen und 2 Protonen.

Bei der Atomphysik wirst du vor allem Helium-Kerne ohne Elektronen finden. Dem Helium-Atom fehlen damit zwei Elektronen. Es ist zweifach positiv geladen. Die \bf\col[3]{Ladung}Ladung\bf\col[3]{Ladung} kennzeichnest du in der Symbolschreibweise dann so:

^4_2He^{\col[3]{2+}}24He2+^4_2He^{\col[3]{2+}}

Kerne mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl heißen Isotope.

Kerne mit unterschiedlichen Kombinationen aus Neutronen und Protonen heißen Nuklide.

α-Strahlung

Die \alphaα\alpha-Strahlung entsteht durch den \alphaα\alpha-Zerfall. Dabei wird ein Helium-Kern, das \alphaα\alpha-Teilchen, aus einem Atomkern geschossen. Der Atomkern wandelt sich dadurch in einen anderen Kern um.

Wie du in der Animation siehst, zerfällt der ursprüngliche Mutterkern in einen neuen Tochterkern mit zwei Protonen und zwei Neutronen weniger und in das \alphaα\alpha-Teilchen.

Da sich die Ordnungszahl des ursprünglichen Elements um zwei ändert, musst du im Periodensystem nachsehen, wie das so entstandene Element heißt.

Das kannst du zum Beispiel mit einem Isotop des Actinium-Atoms testen.
Am übersichtlichsten ist es, erst einmal die Reaktionsgleichung aufzustellen:

^{226}_{\:89}Ac \: \rightarrow \: ^{222}_{\:87}? \: + \: ^{4}_{2}He^{2+}^{226}_{\:89}Ac \: \rightarrow \: ^{222}_{\:87}? \: + \: ^{4}_{2}He^{2+}

Im Periodensystem schaust du jetzt nach, welches Element die Ordnungszahl \bf 8787\bf 87 hat, also an 87. Stelle steht.

Die 7. Reihe des Periodensystems ist dargestellt. Ganz links ist Francium mit einer Ordnungszahl von 87. Rechts daneben kommen Radium mit 88 und Actinium mit 89.

Das Element mit der Ordnungszahl 87 heißt Francium.
Damit kannst du die gesamte Reaktionsgleichung aufschreiben:

^{226}_{\:89}Ac \: \rightarrow \: ^{222}_{\:87}Fr^{2-} \: + \: ^{4}_{2}He^{2+}^{226}_{\:89}Ac \: \rightarrow \: ^{222}_{\:87}Fr^{2-} \: + \: ^{4}_{2}He^{2+}

Da sich nur ein Helium-Kern abspaltet, ist dieser zweifach positiv geladen. Der zurückbleibende Kern Francium ist dadurch zweifach negativ geladen.

Da \alphaα\alpha-Strahlung aus großen Helium-Kernen besteht, lässt sie sich leicht abschirmen, ist sehr langsam und hat nur eine kurze Reichweite.

β-Strahlung

Die \betaβ\beta-Strahlung entsteht durch den \betaβ\beta-Zerfall. Dabei wird ein \betaβ\beta-Teilchen aus einem Atomkern geschossen. Der Atomkern wandelt sich dadurch in einen anderen Kern um.
Je nachdem, ob es sich bei dem \betaβ\beta-Teilchen um ein Elektron oder Positron handelt, spricht man von \beta^-β\beta^--Zerfall oder \beta^+β+\beta^+-Zerfall.

β¯ -Strahlung

Die \beta^-β\beta^--Strahlung findet nur bei Atomkernen statt, die mehr Neutronen als Protonen besitzen.

Damit das Verhältnis im Kern wieder ausgeglichen wird, können sich die Neutronen in Protonen umwandeln.
Dazu geben die Neutronen ein Elektron ab und werden so insgesamt positiv geladen.

_{\: 89}^{185}Ac \: \rightarrow \: _{\: 90}^{185 }Th^+\:+\: _{0}^{0 }e^-_{\: 89}^{185}Ac \: \rightarrow \: _{\: 90}^{185 }Th^+\:+\: _{0}^{0 }e^-

Das aus dem Kern gelöste Elektron wird auch \betaβ\beta-Teilchen genannt. Da es negativ geladen ist und mit einem negativen Vorzeichen dargestellt wird, bekommt auch der Zerfallsname ein Minus. Du schreibst dann \beta^-β\beta^--Zerfall.

β+ -Strahlung

Die \beta^+β+\beta^+-Strahlung ist eine rein künstlich erzeugte Strahlung. Sie kann deswegen bei Kernen mit mehr Neutronen als auch mit mehr Protonen durch den \beta^+β+\beta^+-Zerfall angeregt werden.

Bei der \beta^+β+\beta^+-Strahlung gibt ein Proton ein Positron - also ein positiv geladenes Teilchen - ab. Auf diese Weise verliert das Proton seine positive Ladung und wird zum Neutron.

_{\: 89}^{178}Ac \: \rightarrow \: _{\: 88}^{178 }Ra^-\:+\: _{0}^{0 }e^+_{\: 89}^{178}Ac \: \rightarrow \: _{\: 88}^{178 }Ra^-\:+\: _{0}^{0 }e^+

Das aus dem Kern gelöste Positron wird ebenfalls \betaβ\beta-Teilchen genannt. Da es positiv geladen ist und daher mit einem positiven Vorzeichen dargestellt wird, bekommt auch der Zerfallsname ein Plus. Du schreibst dann \beta^+β+\beta^+-Zerfall.

Da \betaβ\beta-Strahlung aus schnell abgeschossenen Elektronen oder Positronen besteht, hat sie eine höhere Reichweite und ist schwerer abzuschirmen als die langsameren, größeren Helium-Kerne der \alphaα\alpha-Strahlung. Zur Abschirmung benötigst du hier schon bestimmte Metalle.

γ-Strahlung

Die \gammaγ\gamma-Strahlung entsteht in Folge des \alphaα\alpha- oder \betaβ\beta-Zerfalls. Hat der Kern nach einem der beiden Zerfälle eine erhöhte Energie gibt er diese in Form von energiereicher, elektromagnetischer \gammaγ\gamma-Strahlung ab. Dabei entsteht kein neuer Kern.

Um zu kennzeichnen, dass der Kern zuvor eine hohe Energie hatte, markierst du ihn in der Reaktionsgleichung mit einem Sternchen:

^{226}_{\:89}Ac^* \: \rightarrow \:^{226}_{\:89}Ac \: + \:_0^0\gamma ^{226}_{\:89}Ac^* \: \rightarrow \:^{226}_{\:89}Ac \: + \:_0^0\gamma

Die \gammaγ\gamma-Strahlung hat die höchste Reichweite unter den radioaktiven Strahlungsarten. Sie bewegt sich sehr schnell fort und ist nur schwer abschirmbar. Eine zuverlässige Abschirmung gelingt zum Beispiel durch dicke Bleischichten.


Beispiele

Zerfallsgleichung bestimmen

Du betrachtest ein Radium-Isotop _{\: 88}^{224}Ra88224Ra_{\: 88}^{224}Ra. An dem Isotop findet ein \alphaα\alpha-Zerfall statt.
Bestimme die Reaktionsgleichung.

Tipp: Beim \alphaα\alpha-Zerfall von Radium entsteht Radon.

Lösung

Schreibe am besten zunächst die Teile der Reaktionsgleichung auf, die du schon kennst. Du weißt ja bereits, dass beim \alphaα\alpha-Zerfall ein Helium-Kern frei wird. Das muss also auf die rechte Seite der Gleichung. Das unbekannte Element, das aus dem Radium entsteht, ist hier erst einmal mit einem Fragezeichen gekennzeichnet:

\begin{aligned} _{\: 88}^{224}&Ra \: \rightarrow \: _{\: 88-2}^{224-4}?\:&&+\: _{2}^{4}He^{2+} \\_{\: 88}^{224}&Ra \: \rightarrow \: _{\: 86}^{220 }?\:&&+\: _{2}^{4}He^{2+} \end{aligned}\begin{aligned} _{\: 88}^{224}&Ra \: \rightarrow \: _{\: 88-2}^{224-4}?\:&&+\: _{2}^{4}He^{2+} \\_{\: 88}^{224}&Ra \: \rightarrow \: _{\: 86}^{220 }?\:&&+\: _{2}^{4}He^{2+} \end{aligned}

Jetzt kannst du im Periodensystem nachsehen, welches Element die Ordnungszahl 86 hat.

Radon und Radium im Periodensystem. Radon ist rechts über Radon.

Das Radon kannst du abschließend noch in deiner Reaktionsgleichung ergänzen:

\lsg{_{\: 88}^{224}Ra \: \rightarrow \: _{\: 86}^{220 }Rn^{2-}\:+\: _{2}^{4}He^{2+}}\lsg{_{\: 88}^{224}Ra \: \rightarrow \: _{\: 86}^{220 }Rn^{2-}\:+\: _{2}^{4}He^{2+}}

Strahlungsart bestimmen

Sieh dir die folgende Reaktionsgleichung an.
Bestimme, durch welchen Zerfall der Kern umgewandelt wurde.

_{\: 82}^{214}Pb \: \rightarrow \: _{\: 83}^{214 }Bi^+\:+\: _{0}^{0 }e^-_{\: 82}^{214}Pb \: \rightarrow \: _{\: 83}^{214 }Bi^+\:+\: _{0}^{0 }e^-

Lösung

Du kannst die Aufgabe am einfachsten auf zwei unterschiedliche Weisen lösen:

  1. Du erkennst an dem MInus bei dem _{0}^{0 }e^-00e_{0}^{0 }e^-, dass auf der rechten Seite ein Elektron steht. Dieses wird nur bei der \beta^-β\beta^--Strahlung frei.
  2. Du erkennst an den Ordnungszahlen, dass das entstehende Element ein Proton mehr besitzt, obwohl die Anzahl der Nukleonen gleich bleibt. Damit weißt du, dass sich ein Neutron in ein Proton umgewandelt haben muss. Das passiert nur bei der \beta^-β\beta^--Strahlung.
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