Radioaktivität

1. Radioaktivität im Allgemeinen

Radioaktivität ist eine spontane Umwandlung von Atomkernen unter gleichzeitiger Aussendung subatomarer Teilchen, die als Alphateilchen bzw. Betateilchen bezeichnet werden oder von elektromagnetischen Strahlen, die man Gammastrahlen bzw. Röntgenstrahlen nennt.

2. Die Geschichte der Radioaktivität

Der französische Physiker Antoine Henri Becquerel entdeckte diese Erscheinung 1896, als er feststellte, dass das Element Uran eine photographische Platte schwärzen kann, selbst wenn es davon durch Glas oder dickes schwarzes Papier getrennt wird.
Er stellte darüber hinaus fest, dass dieselben Strahlen, welche die Schwärzung bewirken, ein Elektroskop entladen können und durchstrahlte Gase zu schwachen elektrischen Leitern machen.
Daraus schloß er, dass diese Strahlen elektrische Ladung tragen. 1898 erkannten Gerhard Carl Schmidt in Erlangen und unabhängig davon die französische Chemikerin Marie Curie, dass Radioaktivität ein Phänomen ist, das gleichermaßen bei verschiedenen Elementen (hier Thorium) auftritt: Radioaktivität ist also eine Eigenschaft von Atomen und hängt nicht vom physikalischen oder chemischen Zustand ab.
Aus der größeren radioaktiven Intensität des uranhaltigen Erzes Pechblende gegenüber den Uransalzen, mit denen Becquerel seine Versuche ausführte, schloß Marie Curie, dass dieses Erz weitere radioaktive Elemente enthalten müsse. Sie isolierte gemeinsam mit ihrem Ehemann Pierre Curie zwei neue radioaktive Elemente, Polonium und Radium aus der Pechblende.
1899 entdeckte der französische Chemiker André Louis Debierne das radioaktive Element Actinium. Im selben Jahr entdeckten die britischen Physiker Ernest Rutherford und Frederick Soddy das radioaktive Gas Radon, das sie in Verbindung mit Thorium, Actinium und Radium beobachtet hatten.

Sehr schnell erkannte man, dass Radioaktivität eine viel "mächtigere" Energiequelle darstellte als alles bis dahin bekannte.
Das Ehepaar Curie bestimmte die beim radioaktiven Zerfall von Radium frei werdende Wärmeenergie und fanden, dass ein Gramm Radium pro Stunde etwa eine Energie von 420 Joule freisetzt.
Diese Wärmeabgabe hält über Jahre unvermindert an, während sich z. B. aus einem Gramm Kohle bei der Verbrennung eine Gesamtenergie von nur 33 600 Joule gewinnen lässt. Das Phänomen der Radioaktivität zog die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern der ganzen Welt auf sich, die auf der Grundlage dieser Entdeckungen weiterforschten.
Viele Einzelheiten dieser Erscheinung wurden in den folgenden Jahrzehnten sorgfältig erforscht.
Die künstliche Radioaktivität wurde 1934 von den Curies entdeckt. Sie bestrahlten Aluminium mit a - Strahlen und erhielten radioaktiven Phosphor.
Aluminium wurde nach Einfang des α - Teilchens und Aussendung eines Neutrons in ein unbeständiges, radioaktives Phosphor - Isotop[1] der Massenzahl 30 umgewandelt, das mit einer Halbwertszeit von 2,50 Min. unter Aussendung von Positronen (e⁺) in ein stabiles Silicium - Isotop der Massenzahl 30 überging:




Seit 1934 entdeckte man in rascher Folge, dass die meisten neuen Kerne, die bei der Beschießung mit α -, p -, d -, n - oder γ - Strahlen, also als Folge von Kernreaktionen entstehen, nicht stabil, sondern radioaktiv sind und nach einer - für jedes Isotop charakterististischen - Halbwertszeit (zwischen Millisekunden und einigen 100000 Jahren) unter Aussendung von Elektronen oder Positronen, a - Strahlen und dergleichen in stabile Kerne übergehen.

Abbildung 1 Von einem Radium - Präparat ausgehende ionisierende Strahlung.

Beim Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes in der Wilson - Kammer zeigte sich, dass ein Teil der Radium - Strahlung unverändert geradeaus geht (g - ), während andere Teile zum Pluspol (b - ) od. Minuspol (a - ) abgelenkt werden.

3. Eigenschaften von Radioaktivität

3.1 Wichtige Erkennungszeichen radioaktiver Elemente

Das wichtigste und empfindlichste Erkennungszeichen der radioaktiven Elemente ist ihre Strahlung, mit der sich schon geringste Spuren von radioaktiven Stoffen nachweisen lassen - auf dieser Eigenschaft beruhen die analytischen Anwendungen in der Kernchemie und als markierte Verbindungen, z.B. in der Hevesy - Paneth - Analyse und der Isotopenverdünnungsanalyse. Die vor allem anhand von Radium - Präperation frühzeitig untersuchte Strahlung hat folgende Eigenschaften:

Sie schwärzt die Photoplatte. Aus nächster Nähe können schon einige mg Radium nach einminütiger Belichtungszeit Schwärzung hervorrufen; ggf. ist mehrtägige Exposition nötig. Sie kann bestimmte Stoffe (Szintillatoren, z.B. Sidot - Blende) zur Aussendung von Licht anregen; diese Erscheinung nutzte man in radioaktiven Leuchtstoffen und im Spinthariskop. Die vom Radium und anderen radioaktiven Elementen ausgehenden Strahlen rufen in der umgebenden Luft starke Ionisation hervor; infolgedessen wird die Luft leitend, und die Blättchen eines Elektroskops fallen zusammen.

Ionisierung ermöglicht auch die Sichtbarmachung der radioaktiven Strahlung in der Wilson - Kammer und der Blasenkammer und die Registrierung mit Geigerzähler und anderen Zählrohren.
Die von Radium ausgehende Strahlung ist nicht einheitlich, sondern ein Gemisch aus drei verschiedenen Strahlensorten, die man als α -, β - und γ - Strahlen bezeichnet; als Oberbegriff dient heute die Bezeichnung ionisierende Strahlung.
Der Schluß auf die 3 verschiedenen Strahlungen ergab sich aus dem in Abbildung 1 dargestellten Experiment, bei dem die Strahlung nur durch eine röhrenartige Öffnung geradlinig austreten konnte.

3.2 Auftreten verschiedener Strahlungen bei natürlicher und künstlicher Radioaktivität

Bei allen natürlichen radioaktiven Vorgängen treten im wesentlichen nur α -, β - und γ - Strahlen auf, während bei der künstlichen Radioaktivität von Elementen mit Z> 90 spontane Kernspaltung in zwei Kerne eintreten kann und außerdem auch Neutronen, Positronen (b+), in seltenen Fällen Protonen, mittelschwere Teilchen wie 14C oder 24Ne und bei der sogenannten b - verzögerten Emission auch ungewöhnliche bzw. mehrere Teilchen gleichzeitig emittiert werden.
Elektronen, die durch direkt ionisierende Strahlung aus Atomen herausgestoßen werden und ihrerseits weiter ionisieren können, nennt man manchmal δ - Strahlen (Delta - Strahlen). Die gesamte Energie der radioaktiven Strahlung wird schließlich in Wärme umgewandelt.

3.3 Radioaktive Zerfallsreihen

Beim Zerfall eines natürlichen Radionuklids entsteht im allgemeinen ein Kern, der wieder radioaktiv ist und weiter zerfällt. Man kann daher für die natürlich radioaktiven Elemente (ab Ordnungszahl 81) sogenannte "radioaktive Zerfallsreihen" aufstellen, d.h. Folgen (radioaktiver Familien) der jeweils auseinander hervorgehenden Radionuklide.
Die Glieder der Zerfallsreihen haben die Massenzahlen A = 4n + 0 (Thorium - Familie), A = 4n + 2 (Uran - Radium - Familie) und A = 4n + 3 (Uran - Actinium - Familie); die nicht natürlich vorkommende, vom Neptunium - Isotop 23793Np (bzw. schon vom Einsteinium - Isotop 24999Es) ausgehende Neptunium - Familie hat A = 4n + 1.
Die Endglieder der Familien sind jeweils stabile Blei - Isotope. Das erste Glied einer Zerfallsreihe - oft auch nur das jeweils dem betrachteten Radionuklid vorangehende Glied - wird als Mutternuklid, die folgenden Glieder (bzw. das folgende Glied) als Tochterprodukt bezeichnet. Ein analog zu verstehender Terminus ist Mutterkern.

Die radioaktiven Umwandlungen folgen einem Schema, zu dessen Aufklärung von Fajans, Soddy und Russell Vorarbeit geleistet wurde (= "radioaktive Verschiebungssatz", 1913): Bei der Aussendung eines α - Teilchens (α - Zerfall) aus einem Radionuklid ändert sich dessen Ordnungszahl um zwei Einheiten, seine Massenzahl um vier Einheiten.
Gibt sein Kern ein Elektron ab (β^- - Zerfall), so nimmt dadurch die Ordnungszahl des betreffenden Radionuklids bei prakt. unveränderter Massenzahl um eine Einheit zu, entsprechend bei Positronen - Abgabe (β⁺- Zerfall) um eine Einheit ab.
Beim Aussenden von γ - Strahlung ändern sich weder die Massenzahl noch die Ordnungszahl, sondern lediglich die Energieinhalte der Nuklide.
α - Strahlung tritt bezeichnenderweise nur bei den schwersten Elementen mit höchsten Atomgewicht auf; die α - Strahler beginnen mit dem Bismut im Periodensystem, d.h. Elemente mit Z> 83 zeigen natürlichen radioaktiven Zerfall.

3.4 Intensität oder Stärke radioaktiver Quellen

Das Maß für die Intensität oder Stärke einer radioaktiven Quelle ist ihre Aktivität, d.h. die Anzahl der radioaktiven Umwandlungen.
Einheit der Aktivität im Internationalen Einheitensystem (SI) ist seit 1.1.1986 das Becquerel (Kurzzeichen: Bq), das die bis dahin gebräuchliche Einheit Curie (Kurzzeichen: Ci) abgelöst hat - diese war ursprünglich definiert als die Aktivität von 1 g elementarem Radium.
Abgeleitete Einheiten sind das Bq/g (spezifische Aktivität) und Bq/1 (Aktivitätskonzentration). Hochradioaktive Stoffe, die sehr energiereiche Strahlung emittieren, werden manchmal als heiß bezeichnet; Untersuchungen werden in Heißen Zellen vorgenommen.
Als radioaktives Gleichgewicht bezeichnet man den Zustand einer Zerfallsreihe, bei dem in einer Zeitspanne ebenso viele Atome eines Gliedes zerfallen, wie durch den Zerfall des vorhergehenden Radionuklids wieder nachgebildet werden. Ein stationäres Gleichgewicht (Dauergleichgewicht) kann sich nur dann einstellen, wenn die Halbwertszeit der Muttersubstanz sehr groß gegenüber der aller Folgeprodukte ist.
Alle Glieder einer unverzweigten Zerfallsreihe haben in diesem Falle die gleiche Aktivität. Ist die Halbwertszeit des Mutternuklids nicht sehr groß, sondern nur merklich größer als alle übrigen Halbwertszeiten, so stellt sich ein laufendes Gleichgewicht ein, bei dem die Aktivitäten aller Glieder der Zerfallsreihe in zeitlich konstanten Verhältnissen zueinander stehen.

In der Radiobiologie ist die sogenannte relative biologische Wirksamkeit (RBW) ein Maß für potentielle Strahlenschäden an lebenden Organismen oder Teilen eines Organismus (RBW = 20 für α - Strahlen und bis 1 für β - bzw. γ - Strahlen).

4. Genauere Beschreibung der verschiedenen Strahlungsarten

Abbildung 2 Darstellungen eines Alphateilchens
Rutherford erkannte, dass radioaktive Strahlung mindestens zwei Bestandteile enthalten muss: Alphateilchen, die nur wenige hundertstel Millimeter in Aluminium eindringen, und Betateilchen, die eine etwa hundertfach stärkere Durchdringungswirkung haben.
Folgende Experimente, in denen radioaktive Strahlung elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt wurde, legten eine dritte Strahlungsart offen, die Gammastrahlung; diese erwies sich im Vergleich zur Betastrahlung als erheblich durchdringender.
In einem elektrischen Feld wird die Bahn eines Betateilchens stark in Richtung des positiv geladenen Pols abgelenkt, die Bahn eines Alphateilchens wird weniger stark auf den negativen Pol hin abgelenkt, während Gammastrahlen überhaupt keine Ablenkung erfahren.


Abbildung 3 Darstellung eines Betateilchens

Daraus lässt sich ableiten, dass Betateilchen negativ geladen sind, Alphateilchen sind positiv geladen und im Verhältnis zur Ladung schwerer als Betateilchen, Gammastrahlen tragen keine Ladung.
Beim Zerfall von Radium entsteht Radon - diese Entdeckung war der schlüssige Beweis, dass mit dem radioaktiven Zerfall eine Veränderung der chemischen Natur des zerfallenden Elements einhergeht.


Abbildung 4 Darstellung von Gammastrahlen
Versuche zur Ablenkung von Alphateilchen in einem elektrischen Feld zeigten, dass deren Verhältnis der elektrischen Ladung zur Masse ziemlich genau der Hälfte des Verhältnisses beim Wasserstoffion entspricht.
Physiker nahmen an, dass es sich bei diesen Teilchen um doppelt positiv geladene Heliumionen (Heliumatome, denen zwei Elektronen fehlen) handeln könnte. Die Masse eines Heliumions beträgt relativ exakt das Vierfache der Masse eines Wasserstoffions, was das Verhältnis der Ladungen zu den Massen erklärt.
Diese Annahme erwies sich als zutreffend, als Rutherford einen radioaktiven Alphastrahler unmittelbar neben ein luftleer gepumptes Gefäß aus sehr dünnem Glas stellte.
Die Alphateilchen konnten die Gefäßwand von außen her durchdringen und blieben in dessen Innerem gefangen. Nach einigen Tagen zündete Rutherford in diesem Gefäß eine Gasentladung und konnte mittels spektroskopischer Messungen die Existenz elementaren Heliumgases zweifelsfrei nachweisen.
Wenig später wurde gezeigt, dass Betateilchen Elektronen sind und Gammastrahlen elektromagnetische Wellen von gleicher Art wie Röntgenstrahlen, jedoch mit beträchtlich größerer Energie.

5. Kernaufbau

Zur Zeit der Entdeckung der Radioaktivität herrschte in der Physik die verbreitete Meinung, das Atom sei der kleinste, unzerteilbare Grundbaustein aller Materie.
Dann erkannte man Alpha - und Betateilchen als diskrete Materie - Einheiten. Und man erkannte die Radioaktivität als einen Vorgang, bei dem Atome durch Aussendung diverser Bestandteile umgewandelt werden, wobei neue Atome mit gänzlich anderen chemischen Eigenschaften entstehen.
Dies brachte die Erkenntnis mit sich, dass Atome ihrerseits eine Substruktur haben müssen und nicht die kleinsten Fundamentalbausteine der Natur sind.
1911 zeigte Rutherford mit seinem Streuversuch, dass Atome einerseits aus einem kleinen Kern bestehen, der die gesamte positive Ladung und fast die gesamte Masse enthält.
Der größte Teil des Raumes, den ein Atom einnimmt, ist dagegen fast leer: Hier verteilen sich die negativ geladenen Elektronen (Hülle). Dies folgt aus dem Rutherfordschen Streuversuch, bei dem Alphateilchen an einer dünnen Metallfolie gestreut wurden und die Streuintensität in Abhängigkeit vom Winkel gemessen wurde.
Der Kern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut. Im elektrisch neutralen Atom ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle; Neutronen sind elektrisch neutral und haben beinahe dieselbe Masse wie Protonen.
Ein Alphateilchen, ein doppelt positiv geladenes Heliumion, besteht aus zwei Neutronen und zwei Protonen und kann demzufolge nur aus dem Kern eines Atoms ausgesandt werden. Nachdem ein Kern ein Alphateilchen freigesetzt hat, hat er sich in einen neuen Kern umgewandelt, der nun um vier atomare Masseneinheiten leichter geworden ist als der Ausgangskern (die Massen des Neutrons und des Protons betragen je etwa eine atomare Masseneinheit).
Ein Atom des Uranisotops mit Massenzahl 238 geht durch Ausstoß eines Alphateilchens in ein Atom eines anderen Elements mit Massenzahl 234 über (die Massenzahl eines Kernes ist die Summe der enthaltenen Neutronen und Protonen; sie ist in guter Näherung, aber nicht ganz genau, gleich der in atomaren Masseneinheiten ausgedrückten Kernmasse).
Jedes der zwei Protonen, die im Alphateilchen enthalten sind, trägt eine positive Ladungseinheit.
Die Anzahl der positiven Ladungen im Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen des elektrisch neutralen Atoms und gibt an, um welches chemische Element es sich handelt, bestimmt also die chemischen Eigenschaften des Atoms. Weil die Ladung des Uran - 238 - Kernes infolge des Alpha - Ausstoßes um zwei Einheiten abnehmen muss, geht die Elementnummer des Ursprungsatoms (im Falle des Urans hat sie den Wert 92) um zwei zurück.
Das neue Atom trägt die Nummer 90 im Periodensystem und ist demnach ein Isotop des Elements Thorium. Siehe chemische Elemente; Kernphysik.
Thorium 234 strahlt Betateilchen, also Elektronen, aus. Bei der Betastrahlung wandelt sich ein Neutron im Kern in ein Proton um, folglich nimmt die Kernladung um eine Einheit zu, d. h., auch die Elementnummer im Periodensystem steigt um den Wert eins. Die Masse des Betateilchens ist zu vernachlässigen, das neue Element, das beim Betazerfall von Thorium 234 entsteht, behält also die Massenzahl 234, die Kernladung beträgt jetzt allerdings 91 Einheiten, es handelt sich also um ein Isotop des Elements Protactinium.

6. Genauere Beschreibung der Gammastrahlung

Gammastrahlung tritt gewöhnlich in Verbindung sowohl mit Alpha - als auch mit Betastrahlung auf. Gammastrahlen besitzen keine Ladung oder Masse, ihre Abstrahlung aus dem Kern bewirkt also auch keine Veränderung seiner chemischen Eigenschaften, vielmehr einen bestimmten Verlust an Strahlungsenergie.
Durch einen Alpha - oder Beta - Zerfallsvorgang gerät der verbleibende Kern in einen energetisch angeregten Zustand, der weniger stabil als sein Grundzustand ist. Wenn der Kern schrittweise in seinen energetischen Grundzustand übergeht, wird die dabei frei werdende Energie in Form von elektromagnetischen Wellen, den Gammastrahlen, abgegeben.
Die ersten Gammastrahlen werden fast genau zeitgleich mit den Alpha - bzw. Betastrahlen emittiert. Es gibt auch Fälle reinen Alpha - oder Betazerfalls, wobei keine zusätzliche Gammaemission erfolgt. In diesen Fällen gelangt der Kern gleich beim Zerfall in seinen Grundzustand. Man kennt auch einige Isotope, die nur Gammastrahlung aussenden.
Reine Gammastrahlung tritt auf, wenn ein Isotop in zwei nach außen gleichen, aber energetisch verschiedenen Formen vorliegt. Man spricht hier von Isomeren.
Der Übergang des Isomers mit höherer Energie zum energetisch niedrigeren Zustand wird von Gammastrahlung begleitet. Ein Beispiel für Isomerie ist das Protactinium - 234 - Isotop, das in zwei unterschiedlichen Energiezuständen vorliegt, wobei Gammaemission den Übergang vom einen zum anderen anzeigt.
Alpha - und Betateilchen werden von ihren Ausgangskernen mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausgestoßen. Alphateilchen werden beim Durchgang durch jedwede Materie sehr schnell gebremst und gestoppt, in erster Linie aufgrund der Wechselwirkung der Alphateilchen mit den in jeder Materie vorhandenen Elektronen.
Des weiteren haben die meisten Alphateilchen, die aus derselben Substanz stammen, näherungsweise dieselbe Geschwindigkeit.
Zum Beispiel haben alle Alphateilchen von Polonium 210 eine mittlere Reichweite in Luft von 3,8 Zentimetern, diejenigen von Polonium 212 erreichen unter identischen Bedingungen 8,5 Zentimeter, bevor sie gestoppt werden. Reichweitenmessungen dieser Art werden durchgeführt, um Radio - Isotope zu identifizieren. Betateilchen werden mit erheblich höheren Geschwindigkeiten als Alphateilchen freigesetzt.
Obwohl der Mechanismus, durch den sie gebremst und gestoppt werden, grundsätzlich ähnlich ist, erreichen sie daher eine größere Eindringtiefe in Materie als Alphateilchen.
Anders als Alphateilchen werden Betateilchen mit gänzlich verschiedenen Geschwindigkeiten ausgestrahlt, und Betastrahler müssen von einander anhand der charakteristischen Durchschnitts - und Höchstgeschwindigkeiten ihrer Betateilchen unterschieden werden.
Die Geschwindigkeits -, d. h. Energieverteilung bei der Emission von Betateilchen legte den Schluß nahe, dass am Beta - Zerfallsprozeß ein weiteres masseloses und ungeladenes Teilchen, dem man den Namen Neutrino gegeben hat, beteiligt sein muss.
Jeder Betazerfall geht mit der gleichzeitigen Emission eines Neutrinos einher. Die Reichweite von Gammastrahlung ist um ein Mehrfaches größer als die der Betastrahlung.
Gammastrahlen können mitunter mehrere Zentimeter starke Bleiplatten durchdringen. Alpha - und Betateilchen verursachen bei ihrem Durchgang durch Materie die Bildung von Ionen. Diese Ionisierung ist insbesondere bei gasförmiger Materie leicht zu beobachten.
Gammastrahlen sind ungeladen und können deshalb keine Ionisation in dem Umfang bewirken wie Alpha - oder Betateilchen. Die Ionisation von Betastrahlen beträgt nur
bis
gegenüber der Wirkung von Alphateilchen pro Zentimeter Wegstrecke in Luft.
Die ionisierende Wirkung von Gammastrahlen beträgt nur
von derjenigen der Betastrahlung. Der Geiger - Müller - Zähler und andere Nachweiskammern, die auf dem Ionisationsprinzip basieren, werden benutzt, um die jeweilige Anzahl von Alpha -, Beta - und Gammastrahlen zu messen und mithin die absolute Zerfallsrate der radioaktiven Substanz zu bestimmen.
Die Einheit für die Aktivität einer radioaktiven Substanz ist das Becquerel (ein Becquerel entspricht einem Zerfall pro Sekunde). Siehe biologische Strahlenwirkungen.
Außer den oben beschriebenen Zerfallsarten gibt es noch weitere. Einige Isotope sind in der Lage, Positronen abzustrahlen.
Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons; es hat dieselbe Masse wie das Elektron und trägt eine positive Ladungseinheit.
Die Positronenemission wird als Beta - Zerfallsvorgang eingeordnet und als Positronenzerfall bezeichnet. Beim Positronenzerfall geschieht, vereinfacht ausgedrückt, eine nur im gebundenen Kern mögliche Umwandlung eines Protons in ein Neutron.
Auch hier bleibt die Massenzahl erhalten, die Kernladung wird um eine Einheit verringert. Mit der Emission eines Positrons beim Positronenzerfallsprozeß geht ebenfalls die zusätzliche gleichzeitige Emission eines Neutrinos einher. Eine ähnliche Art der Kernumwandlung geschieht beim sogenannten K - Einfang. Ein Atomelektron aus der innersten, dem Kern am nächsten gelegenen K - Schale wird in den Kern eingefangen und reagiert (stark vereinfacht, aber phänomenologisch zutreffend) mit einem im Kern gebundenen Proton so, dass dieses sich in ein Neutron umwandelt.
Dabei wird wie beim Positronenzerfall ein Neutrino derselben Klasse freigesetzt. Aufgrund seines verschwindend kleinen Wirkungsquerschnitts kann das Neutrino fast nicht nachgewiesen werden, allerdings ist das Verschwinden des Elektrons beobachtbar: In der Elektronenhülle des Atoms tritt anschließend zwangsläufig Röntgenstrahlung auf. Einige Isotope, darunter insbesondere Uran 235 und diverse Isotope der künstlichen Transurane, können in einem Prozeß der spontanen Kernspaltung zerfallen, bei der ein Kern in zwei Bruchstücke, nämlich Kerne leichterer Elemente zerfällt (siehe Kernenergie).
Mitte der achtziger Jahre wurde eine einzigartige Zerfallsart entdeckt, bei der Radiumisotope mit den Massenzahlen 222, 223 und 224 statt der üblichen Alphateilchen Kerne des Kohlenstoffisotops C 14 emittierten.
Eine weitere, äußerst seltene Zerfallsart ist Protonenemission, die mit geringer Wahrscheinlichkeit bei den Isotopen Thulium 147 und Lutetium 151 auftritt.

7. Halbwertszeit

Der Zerfall mancher Stoffe, wie etwa Uran 238 und Thorium 232, scheint unendlich lange und ohne nachweisbare Verminderung der spezifischen Zerfallsrate (bezogen auf eine Masseneinheit eines bestimmten Isotops) vonstatten zu gehen.
Andere radioaktive Substanzen zeigen einen drastischen Abfall ihrer spezifischen Zerfallsrate über die Zeit. Unter ihnen ist z. B. das Isotop Thorium 234 (man nannte es urprünglich einmal Uran - X), das in isolierter Form innerhalb von 25 Tagen in seiner Zerfallsaktivität auf die Hälfte des anfänglichen Wertes abfällt.
Jedes einzelne radioaktive Material hat eine charakteristische Zerfallsdauer oder Halbwertszeit, innerhalb derer die Aktivität auf die Hälfte des Wertes zu Beginn dieses Zeitintervalls abgesunken ist.
Manche Isotope, bei denen die Abnahme der spezifischen Zerfallsrate so gering ist, dass sie mit einfachen Mitteln nicht nachgewiesen werden können, haben entsprechend sehr lange Halbwertszeiten.
So beträgt die Halbwertszeit von Thorium 232 z. B. 14 Milliarden Jahre. Egon von Schwerdler gab 1905 eine statistische Deutung für das Zerfallsgesetz. Dies war die erste Deutung in der Physik, bei der nicht von einer Kausalität ausgegangen wurde.

8. Künstliche Radioaktivität

Alle in der Natur vorkommenden Elemente oberhalb vom Wismut im chemischen Periodensystem haben nur radioaktive Isotope.
Darüber hinaus gibt es natürlich radioaktive Isotope der Elemente Wismut, Thallium, Vanadium, Indium, Neodym, Gadolinium, Hafnium, Platin, Blei, Rhenium, Lutetium, Rubidium, Kalium, Wasserstoff, Kohlenstoff, Lanthan und Samarium. Rutherford führte 1919 die erste künstlich angeregte Kernreaktion herbei: Er nahm gewöhnlichen gasförmigen Stickstoff 14 mit Alphateilchen unter Beschuß und stellte fest, dass die Stickstoffkerne Alphateilchen einfingen und sehr schnell Protonen ausstießen, wobei sich das stabile Sauerstoffisotop Sauerstoff 17 gebildet hatte.
Diese Reaktion lässt sich symbolisch darstellen:




Nach einer weltweit üblichen Konvention werden die chemische Ordnungszahl des Elements links unten und die Massenzahl des jeweiligen Isotops links oben an das internationale Elementsymbol geschrieben.
Das Alphateilchen wird in der obigen Notation als Heliumkern, das Proton als Wasserstoffkern identifiziert.
Bis 1933 konnte nicht gezeigt werden, dass bei derartigen Kernreaktionen auch neue Kerne gebildet werden können. In diesem Jahr aber gelang den französischen Chemikern Irène und Frédéric Joliot - Curie erstmals die Herstellung eines künstlich radioaktiven Stoffes, indem sie Aluminium heftigem Beschuß mit Alphateilchen aussetzten.
Die Aluminiumkerne fingen Alphateilchen ein, und unter Aussendung eines Neutrons entstand ein Phosphor - Isotop, das über Protonenemission mit kurzer Halbwertszeit zerfiel.
Die Joliot - Curies erzeugten weiterhin ein Stickstoffisotop aus Bor und ein Aluminiumisotop aus Magnesium. Seit dieser Zeit wurden sehr viele Kernreaktionen entdeckt, und die Kerne aller Elemente des Periodensystems wurden mit den verschiedensten Teilchen bombardiert, wie z. B. Alphateilchen, Protonen, Neutronen und Deuteronen (Kerne des Deuteriums, also des Wasserstoffisotops mit Massenzahl zwei).
Als Ergebnis dieser intensiven Forschung sind inzwischen über 400 verschiedene künstlich radioaktive Substanzen bekannt. Dieser Forschung kam vor allem die Entwicklung der Teilchenbeschleuniger zugute, welche die Projektile auf große Geschwindigkeit bringen, so dass sie von den Targetkernen leichter eingefangen werden.
Die intensive Erforschung der Kernreaktionen und die unermüdliche Suche nach immer neuen künstlichen Radioaktivitäten vor allem bei den schwereren Elementen brachte schließlich die Entdeckung der Kernspaltung und letztlich die Entwicklung der Atombombe mit sich (siehe Kernenergie; Atomwaffen).
Diese Forschung hat auch zur Entdeckung mehrerer neuer Elemente geführt, die es in der Natur nicht gibt. Die Entwicklung von Kernreaktoren ermöglichte die Produktion radioaktiver Isotope von nahezu allen chemischen Elementen in großer Menge.
Die dadurch mögliche jederzeitige Verfügbarkeit dieser Isotope ist von unschätzbarer Bedeutung für die chemische, biologische und medizinische Forschung und Anwendung (siehe Isotopentracer).
Von besonders großer Bedeutung ist es, dass sich das radioaktive Kohlenstoffisotop C 14 mit seiner Halbwertszeit von 5730 Jahren künstlich herstellen lässt.

8.1 Altersbestimmungsmethode C 14

Die Verfügbarkeit von C 14 hat die Erforschung biologischer Vorgänge, z. B. der Photosynthese, in noch grundlegenderer Weise ermöglicht, als dies früher für möglich gehalten wurde.
C 14 kommt im natürlichen Isotopengemisch des Kohlenstoffes in genau bekannter Menge ebenfalls vor und dient der sehr präzisen Altersbestimmung organischer Proben.
Eine geringfügige Menge C 14 ist ständig in der Erdatmosphäre enthalten. Dies ist eine Folge kosmischer Höhenstrahlung. Daher war und ist die Konzentration von C 14 stets etwa konstant.
Alle Organismen nehmen während ihres Lebens mit den stabilen Kohlenstoffisotopen C 12 und C 13 auch eine geringfügige Menge C 14 auf, wobei dessen Konzentration im Organismus stets einigermaßen konstant gehalten wird.
Nach dem Tod des Organismus endet diese Aufnahme, und die stetige Konzentration kann nicht weiter aufrechterhalten werden, da das C - 14 - Isotop konstant zerfällt. Ermittlungen des Alters bestimmter Gegenstände von historischem oder archäologischem Interesse, etwa Knochen oder Mumien, wurden mit Hilfe der C - 14 - Methode möglich (siehe Altersbestimmung). Dabei ist die Datierung auf ein Alter von 30 000 Jahren beschränkt.

Bei der Probenuntersuchung mit Neutronenaktivierung wird eine Probe eines zu untersuchenden Stoffes in einem Kernreaktor durch massiven Neutronenbeschuß radioaktiv aktiviert. Eine ganze Menge von Verunreinigungen, die mit anderen Mitteln nicht feststellbar sind, können erkannt werden, indem man speziell die charakteristischen Arten der Radioaktivität, die von diesen Verunreinigungen bekanntermaßen ausgehen, untersucht.

Andere Anwendungen radioaktiver Isotope bestehen in medizinischer Bestrahlungstherapie (siehe Radiologie), industrieller Radiographie und spezieller Geräte wie phosphoreszierender Lichtquellen, Dickenmesser und Kernbatterien.

9. Isotope

Abbildung 5 Darstellung eines Isotops
Isotope, nennt man die zu einem Element gehörenden Atome gleicher Ordnungszahl, die sich aber in ihren Massenzahlen unterscheiden. Isotope nehmen im Periodensystem der Elemente ein und denselben Platz ein.
Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Kern und die Massenzahl der Summe aus Protonen und Neutronen im Kern. Dies lässt die Schlußfolgerung zu, dass Isotope ein und desselben Elements nur eine verschiedene Anzahl von Neutronen in ihren Kernen haben.

9.1 Forschung

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigten Experimente, dass sich radioaktive Substanzen nur in der Struktur ihrer Kerne unterscheiden. Sie lassen sich nicht auf chemische Weise trennen.
Der britische Physiker Sir Joseph Thomson bewies im Jahre 1912 die Existenz stabiler Isotope. Er leitete Neon durch eine Gasentladungsröhre und lenkte die Neonionen mittels magnetischer und elektrischer Felder ab.
Auf diese Weise fand er zwei Neonisotope, das eine mit der Massenzahl 20 und das andere mit 22, und konnte somit zeigen, dass das stabile Element Neon in mehr als nur einer Form vorliegen kann. Natürlich vorkommendes Neon setzt sich zu 90 Prozent aus Neon 20, zu 9,73 Prozent aus Neon 22 und zu 0,27 Prozent aus Neon 21 zusammen.
Die Isotopenforschung wurde von vielen Wissenschaftlern weitergeführt, besonders erwähnt sei an dieser Stelle der britische Physiker Francis William Aston. Mit der Entwicklung des Massenspektrometers erlangte die Forschung zum Nachweis und zur Untersuchung der Isotope neuen Auftrieb.
Heutzutage ist bekannt, dass die Mehrzahl der Elemente in ihrem natürlichen Zustand aus einem Gemisch von zwei oder mehreren Isotopen bestehen. Ausnahmen sind Beryllium, Aluminium, Phosphor und Natrium. Die in Tabellen angegebene relative Atommasse eines Elements ist das gewichtete Mittel aus den relativen Atommassen (oder Massenzahlen) der einzelnen Isotope. Beispielsweise besteht Chlor (relative Atommasse 35,457) aus Chlor 35 und Chlor 37, wobei das erstgenannte Isotop mit einer Häufigkeit von 76 Prozent und das letztgenannte mit 24 Prozent auftritt. Alle Isotope der Elemente mit einer Ordnungszahl über 83 (nach Bismut im Periodensystem) sind radioaktiv, ebenso einige von den leichteren Isotopen, z. B. Kalium 40. Zu Beginn der neunziger Jahre kannte man 334 natürlich vorkommende Isotope (262 stabile und 72 radioaktive Isotope).
Die ersten künstlichen radioaktiven Isotope (auch Radioisotope) wurden 1933 von den französischen Physikern Irène und Frédéric Joliot - Curie dargestellt.

9.2 Trennung

Verschiedene Isotope eines Elements lassen sich nur schwer voneinander trennen. Es ist nicht möglich, eine vollständige Trennung mit chemischen Methoden in einem Schritt durchzuführen, da Isotope eines Elements die gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen.
Physikalische Methoden beruhen dagegen im allgemeinen auf äußerst kleinen Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften. Bei der Isotopentrennung nutzt man die geringen Massedifferenzen.
Die elektrolytische Trennung und verschiedene Austauschverfahren zur Isotopentrennung hängen von der Reaktionsgeschwindigkeit oder von Unterschieden im chemischen Gleichgewicht ab. Diese wiederum basieren hauptsächlich auf Energiedifferenzen in den chemischen Bindungen und hängen von der Isotopenmasse ab.
Die Wasserstoffisotope Deuterium (Wasserstoff 2) und gewöhnlicher Wasserstoff (Wasserstoff 1) waren die ersten, die in nennenswerten Mengen getrennt wurden. Dieses Verdienst gebührt dem amerikanischen Chemiker Harold Urey, der im Jahre 1932 das Deuterium entdeckte.
Vor 1940 dienten die meisten Methoden zur Trennung kleiner Mengen von Isotopen hauptsächlich zu Forschungszwecken. Zu den erfolgversprechendsten gehörten die Zentrifugation, die fraktionierte Destillation, die Thermodiffusion, die Elektrolyse, die Gasdiffusion und die elektromagnetische Trennung. Am wirkungsvollsten verläuft die Trennung natürlich bei den Wasserstoffisotopen.
Hier beträgt die Massendifferenz zwischen den zwei Isotopen 100 Prozent. Im Vergleich dazu differieren die Massen der Kohlenstoffisotope Kohlenstoff 12 und Kohlenstoff 13 und auch die Neonisotope Neon 20 und Neon 22 nur um circa zehn Prozent. Bei den Uranisotopen Uran 235 und Uran 238 sind es sogar nur etwas mehr als ein Prozent. Dieser Faktor von 10 zu 1 bzw. 100 zu 1 erschwert natürlich die Trennung um den Faktor 10 beziehungsweise 100. Außer bei der elektromagnetischen Methode gelingt die Isotopentrennung nur in mehreren Stufen. Die elektromagnetische Methode ist das einzige Einstufenverfahren. Das Nettoergebnis jeder einzelnen Stufe besteht in der Trennung des Ausgangsmaterials in zwei Fraktionen, wobei der prozentuale Anteil des schwereren Isotops in einer der beiden Fraktionen etwas höher liegt als im Ausgangsgemisch. Die andere Fraktion enthält etwas mehr vom leichteren Isotop.
Um das gewünschte Isotop in nennenswerter Konzentration (oder angereichert) zu erhalten, sind weitere Verfahrensschritte notwendig. Man bedient sich dazu einer Kaskade, d. h. einer großen Anzahl von Stufen.
Die angereicherte Fraktion jeder Stufe wird dabei als Ausgangsmaterial für die nächste Stufe eingesetzt. Die so dezimierte Fraktion wird mit der vorhergehenden Stufe vermischt, denn sie enthält noch einen beträchtlichen Anteil des gewünschten Isotops.
Wenn das Ausgangsmaterial (wie beim Uran) knapp ist, wird sogar die dezimierte Fraktion der Anfangsstufe einer Trennung in zusätzlichen Stufen unterworfen. Um den Stofffluß von Stufe zu Stufe automatisch und kontinuierlich ablaufen zu lassen, hat man effiziente Apparaturen entwickelt.
Eine solche Kaskade ist sehr flexibel. Die Einheiten mit den Fraktionen können nach Wunsch von einer Trennstufe zur anderen verschoben werden. Bei der Trennung von Uran beispielsweise muss man anfangs mit Unmengen an Material umgehen, da das gewünschte Uran 235 etwa 140mal soviel Uran 238 enthält.
Am Ende des Prozesses liegt Uran 235 dann in fast reiner Form vor, der Materialumfang ist entsprechend kleiner. Außerdem lassen sich durch Änderungen im Rohrleitungssystem die Stufen verschieben. Dadurch lässt sich der Zuwachs an Material auf einer mittleren Stufe ausgleichen.

9.3 Gasdiffusion

Die Gasdiffusion wurde zusammen mit der elektromagnetischen Methode zur Trennung der Uranisotope eingesetzt. Ihre Effizienz blieb bisher unerreicht. 1940 gelang zum ersten Mal die Spaltung von Uran 235 mit Neutronen.
Kurz darauf erkannte man die Möglichkeit der militärischen Nutzung. Uran 235 findet man in natürlich vorkommendem Uran zu einem Anteil von sieben Teilen in 1 000 Teilen Uran 238. Um über größere Mengen waffenfähiges Uran 235 zu verfügen, musste man Trennverfahren entwickeln.
Im Rahmen des Atombombenprojekts wurden die verschiedenen Methoden zur Isotopentrennung untersucht. Die Gasdiffusion und die elektromagnetische Methode wurden dann großtechnisch betrieben. Damit ließ sich pro Tag circa ein Kilogramm Uran 235 für den Einsatz in Atomwaffen herstellen.
Bei der Gasdiffusionsmethode macht man es sich zunutze, dass Gase mit verschiedenen relativen Molekülmassen unterschiedlich schnell diffundieren.
Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases verhält sich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Masse. Dementsprechend diffundieren leichte Atome schneller als schwere durch ein poröses Hindernis.
Bei der Trennung der Uranisotope wird die einzige gasförmige Uranverbindung, Uran(VI) - fluorid (UF6), kontinuierlich durch poröse Membranen gepumpt. Der Massenunterschied zwischen Uran 235 und Uran 238 beträgt etwas über ein Prozent, die Massendifferenz bei den Fluoriden ist allerdings noch etwas kleiner als ein Prozent.
Der Anreicherungsfaktor, der von der Wurzel aus der oben angegebenen Differenz abhängt, beträgt theoretisch 0,43 Prozent für ein Momentanverfahren. Bei kontinuierlicher Verfahrensweise liegt der Wert um 0,30 Prozent. In der Praxis erreicht man allerdings nur einen Anreicherungsfaktor von circa 0,14 Prozent pro Stufe. Man benötigt also 4 000 Stufen, um aus natürlichem Uran gut 99 Prozent Uran 235 herzustellen.
Das Verfahren erfordert Tausende Kilometer Rohrleitung, Tausende Pumpen und Motoren und komplizierte Kontrollmechanismen.

9.4 Laserstrahl

Die Idee, Trennung und Anreicherung von Isotopen mit Hilfe von Lasern durchzuführen, entstand bald nach der Erfindung des Lasers im Jahre 1960. Bis zur Entwicklung eines durchstimmbaren Farbstofflasers, der Photonenstrahlen in einem wählbaren schmalen Bereich von infraroten bis zu ultravioletten Wellenlängen liefert, dauerte es weitere arbeitsreiche sechs Jahre.
Nach diesem Konzept wird ein Element zuerst verdampft. Danach können dessen Atome mit einem genau abgestimmten Laserstrahl selektiv angeregt und ionisiert werden, so dass das gewünschte Isotop abgetrennt werden kann.
Die Isotope können aber auch in molekularer Form separiert werden, indem man die Moleküle, die das gewünschte Isotop enthalten, mit dem Laserstrahl ionisiert. An der Entwicklung derartiger Verfahren arbeitet man seit 1972, besonders hinsichtlich der Anreicherung von Uran und Plutonium für Kernkraftwerke bzw. Kernwaffen.
Die Methode ist zwar kostenaufwendig und technisch schwer zu beherrschen, zur Erzeugung hochangereicherten Materials werden dafür aber nur wenige Stufen benötigt.
Zur Anwendung von Isotopen in Biologie, Medizin, Chemie und Physik, siehe Kernchemie; Radiologie.

Abbildungsverzeichnis




Quellenverzeichnis



CD Microsoft Lexirom - Version 2.0, Microsoft Corporation

CD Römpp Chemie Lexikon - Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995

CD Microsoft Encarta 97, Microsoft Corporation

[1] Isotope, nennt man die zu einem Element gehörenden Atome gleicher Ordnungszahl, die sich aber in ihren Massenzahlen unterscheiden.

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