Radioaktiver Zerfall
Unter Radioaktivem Zerfall oder Radioaktivität versteht man den Übergang eines instabilen Atomkerns in einen Anderen, wobei radioaktive Strahlung in Form von Alphastrahlung, Betastrahlung, Gammastrahlung, Protonenstrahlung, Neutronenstrahlung oder Röntgenstrahlung freigesetzt wird.Unter radioaktiven Zerfall zusammen zu fassende Vorgänge sind:
- Alphazerfall
- Betazerfall
- Elektroneneinfang (auch als K-Einfang bezeichnet)
- Protonenemission
- Neutronenemission
- Spontane Spaltung
- Doppelter Betazerfall (hypothetisch?)
Allerdings ist für jedes Nuklid die Zerfallswahrscheinlichkeit ein fester Wert, der durch die Halbwertszeit angegeben wird. Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die Hälfte der instabilen Atomkerne einer Menge zerfallen sind.
Die Halbwertszeit kann bei sehr instabilen Atomkernen nur Sekundenbruchteile, aber auch 10 Mrd. Jahre betragen. Ein derartiges metastabiles Element ist z.B. Thorium. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer die Radioaktivität.
Im Atomkern wirken im Wesentlichen zwei Wechselwirkungen: Die Starke Wechselwirkung, auch "Kernkräfte" genannt, welche die Bindung der Protonen und Neutronen aneinander bewirkt, und die Elektromagnetische Wechselwirkung, welche eine gegenseitige Abstoßung der Protonen bewirkt.
Ist der Atomkern sehr schwer, enthält also viele Protonen und Neutronen, kommt es zum α-Zerfall. Die Starke Wechselwirkung kann den Kern dann nicht mehr zusammen halten, und er stößt einen Heliumkern ab, bekannt als Alphastrahlung.
Wenn die elektrische Abstoßung der Protonen die Starke Wechselwirkung überwiegt, tritt normalerweise ein β(+)-Zerfall ein: ein Proton wandelt sich unter Abgabe eines Positrons, der β(+)-Strahlung, und eines Elektronneutrinos in ein Neutron um.
Die Neutrinostrahlung ist sehr schwer nachzuweisen, da Neutrinos nur der Schwachen Wechselwirkung unterliegen und z.B. die Erde durchqueren können, ohne eine Wechselwirkung einzugehen.
Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht darin, ein Elektron aus der Atomhülle in den Kern "zu ziehen", dem sog. Elektroneneinfang. Dabei wird wie beim β(+)-Zerfall ein Elektronneutrino frei. Ein auf die freie Position der innersten Schale nachrutschende Elektron gibt seine Energie in Form von charakteristischer Röntgenstrahlung ab, welche als Folge des Elektroneneinfangs beobachtet werden kann.
Außerdem kann der Atomkern bei sehr hohem Protonenüberschuss ein Proton als Protonenstrahlung abstoßen.
Wenn die Anzahl der Neutronen im Kern zu hoch wird, kommt die Schwache Wechselwirkung ins Spiel. Sie ist unter anderem für die Instabiliät des isolierten Neutrons verantwortlich.
Hierbei wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, und stößt ein Antielektronneutrino und ein Elektron aus, welches als β(-)-Strahlung beobachtet wird.
Besonders schwere Atomkerne und Kerne mit sehr hohem Neutronenüberschuss können Neutronen direkt ausstoßen, es entsteht Neutronenstrahlung.
Bei einigen Zerfallsprozessen geht der Atomkern in einen "angeregten Zustand" über. Die überschüssige Energie wird als als hochenergetische, elektromagnetische Welle, der Gammastrahlung abgegeben.
Nicht nur wann ein Zerfall geschieht, sondern auch die Art des Zerfalls ist u.U. zufällig. Bismut-212 kann z.B. mit jeweils unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf drei verschiedenen Wegen zerfallen.
Es wurden Listen aller Nuklide angefertigt, der man die genaue Art und Anteile der möglichen Zerfälle und Halbwertszeiten jedes bekannten Nuklids entnehmen kann, den Nuklidkarten.
Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keinen radioaktiven Zerfall gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt.
Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, bei Helium und Elementen darüber müssen gleich viele Protonen als auch Neutronen den Kern bilden, und bei größeren Kernen überwiegt immer mehr die Zahl der Neutronen.
Ab einer gewissen Zahl an Nukleonen werden alle Atomkerne instabil, weil die Kernkräfte sie nicht zusammen halten können.
Unter Einwirkung von Strahlung können stabile Atomkerne in andere Atomkerne umgewandelt werden, die instabil sind.
siehe auch: Zerfallsmodus
Zerfallsmodi