Techniklexikon

Radioaktivität

Eigenschaft instabiler Atomkerne (Atom) zu zerfallen und dabei Strahlung auszusenden, deren Hauptarten als Alpha-, Beta-und Gammastrahlen (Ionisierende Strahlung) bezeichnet werden. Atomarten, die dieser Art zerfallen, nennt man »Radionuklide« (Nuklide). Sie kommen einerseits in der Natur vor (natürliche R. ), lassen sich andererseits in Kernreaktoren gezielter erzeugen oder entstehen in diesen als gefährliche Nebenprodukte, die unter Kontrolle zu halten sind. Zerfällt ein Atom, kann ein stabiles Element entstehen. Den radioaktiven Zerfall beschreibt das »Zerfallsgesetz«, das besagt, daß die Zahl der Zerfälle proportional der Zahl der Atome ist und die Zahl der ursprünglichen Atome folglich exponentiell mit der Zeit abnimmt. Die Zeit, nach der die Hälfte einer Substanz zerfallen ist, nennt man »Halbwertszeit«. Unter »Aktivität« eines radioakt. Stoffes versteht man die Zerfälle je Sekunde; Maßeinheit ist das Becquerel (nach A. E. Becquerel (1820-1891); 1 Bq = 1/s. Bq hat die Einheit Curie abgelöst. Bei kontaminierter (Kontamination) Umgebung wird die Aktivität, weil sie über eine Fläche oder ein Volumen verteilt ist, in Bq/cm2, Bq/m2, Bq/m3, Bq/kg oder Bq/ 1 angegeben. Das sind Angaben zur Bewertung von Gefährdungspotentialen. Diese sind bei radioaktiver Strahlung stets gegeben, weil deren Energie immer für gewisse Ionisationen (Ionisierende Strahlung) ausreicht. Radioaktive Strahlen sind deshalb auch »ionisierende Strahlen«. Kernphysik, die Eigenschaft gewisser Isotope, sich von selbst, ohne jede äussere Einwirkung, umzuwandeln und dabei eine charakteristische Strahlung auszusenden. Wenn die radioaktiven Isotope in der Natur vorkommen oder aus natürlich vorkommenden Isotopen durch Umwandlung entstehen, spricht man von natürlicher Radioaktivität. Sind dagegen die radioaktiven Isotope die Produkte künstlicher Kernumwandlungen, spricht man von künstlicher Radioaktivität.

Die natürliche Radioaktivität wurde 1896 von Becquerel am Uran entdeckt. 1902 gelang es Pierre und Marie Curie, die von ihnen 1898 entdeckten radioaktiven Elemente Polonium und Radium aus der Pechblende zu isolieren. Heute kennt man über vierzig verschiedene natürlich radioaktive Isotope, welche mit wenigen Ausnahmen zu den allerschwersten Kernen, den Elementen mit den höchsten Ordnungszahlen (81 bis 92) gehören. Oberhalb der Ordnungszahl 83 zeigen alle in der Natur vorkommenden Kerne Radioaktivität. Die künstliche Radioaktivität wurde 1934 von dem Ehepaar Joliot-Curie entdeckt. Sie bestrahlten Aluminium mit a-Teilchen und beobachteten die Emission von Positronen nicht nur während der Bestrahlung sondern auch danach mit abnehmender Aktivität. Durch Kernumwandlung () hatten sie das radioaktive Phosphorisotop  erzeugt und dessen b⁺-Zerfall  beobachtet.

Die beim radioaktiven Zerfall mit hoher Energie ausgeschleuderten a-Teilchen, Elektronen oder Positronen und g-Quanten bilden die Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung der radioaktiven Stoffe. Da die aus dem Kern stammenden Strahlen beim Durchgang durch den radioaktiven Stoff selbst Sekundärteilchen erzeugen, kommt es meist zu einem ziemlich komplizierten Gemisch. Die Tochterkerne sind häufig wieder radioaktiv und zerfallen ihrerseits, bis ein stabiler Endkern gebildet wird. Ausser den angeführten Arten des radioaktiven Zerfalls spielt bei den schwersten Kernen die spontane Spaltung eine bedeutende Rolle.

Die radioaktive Umwandlung ist mit einer sehr hohen Energieentwicklung verknüpft, welche nur deswegen äusserlich nicht stark hervortritt, weil sie sich meist über eine sehr lange Zeit verteilt. So erzeugt z.B. 1 g Radium samt seinen Folgeprodukten 1,2 × 10⁷ kJ (Vergleich: 1 g Kohle erzeugt beim Verbrennen 32 kJ). Von dieser Energie wird aber die Hälfte erst innerhalb der Halbwertszeit von 1 580 Jahren frei, so dass die stündliche Energieentwicklung nur 0,57 kJ beträgt. Immerhin reicht dies aus, um einem starken Radiumpräparat dauernd einen Temperaturüberschuss von einigen Graden gegenüber seiner Umgebung zu erteilen.

Radioaktivität kommt in der Natur im wesentlichen aus vier verschiedenen Quellen: 1. Aus dem Weltall trifft eine Teilchenstrahlung und energiereiche Photonenstrahlung auf die Erde (kosmische Strahlung). 2. In der Erdatmosphäre werden durch die kosmische Strahlung ständig Radionuklide mit relativ kurzer Halbwertszeit neu gebildet. 3. Auf der Erde kommen natürliche Radionuklide mit grosser Halbwertszeit vor; sie wurden bei der Entstehung der irdischen Materie gebildet und sind wegen ihrer langen Halbwertszeit jedoch noch nicht völlig zerfallen. 4. Natürliche Nuklide mit langer Halbwertszeit wandeln sich in mehreren Stufen zu inaktiven Nukliden um. In diesen radioaktiven Zerfallsreihen entstehen auch Radionuklide mit kurzen Halbwertszeiten.

In der Natur kommen schliesslich drei radioaktive Zerfallsreihen vor, die Thorium-Reihe, die Uran-Actinium-Reihe, die Uran-Radium-Reihe (siehe Abb. radioaktive Zerfallsreihen). In diesen drei natürlichen Zerfallsreihen durchlaufen die Radionuklide die Kernladungszahl 86, wodurch verschiedene Radonisotope gebildet werden. Radon ist ein Edelgas, das teilweise aus dem Erdboden und dem Mauerwerk von Gebäuden austritt und dann in der Luft weiter zerfällt.

In den früheren Zeiten der Erdgeschichte existierte eine weitere Zerfallsreihe die Plutonium-Neptunium-Reihe. Das Ausgangsglied war , das Endglied . Diese Zerfallsreihe ist ausgestorben, weil das langlebigste Glied dieser Kette () eine verglichen mit dem Alter der Erde geringe Halbwertszeit von 2,144 × 10⁶ a hat. Nachdem aber Transurane künstlich hergestellt worden sind, existiert auch diese Zerfallsreihe wieder. Geringe Mengen ²³⁹Pu entstehen in der Natur ständig durch Neutronenbestrahlung von ²³⁸U. Die Neutronen stammen überwiegend aus Spontanspaltungen des Urans. (Strahlenbelastung, Strahlenwirkung, biologische)