Aktivierung (Radioaktivität)

Begriff und Bedeutung

Aktivierung bezeichnet in der Physik die Umwandlung stabiler Stoffe in instabile radioaktive Stoffe, also Radionuklide, durch Bestrahlung. Sie ist immer die Folge von Kernreaktionen; grundsätzlich kann jeder Typ von Kernreaktion radioaktive Produkte hinterlassen. Aktivierung kann gezielt genutzt werden, etwa zur Analyse oder zur Herstellung von Radionukliden, kann aber auch Materialien, Anlagenboden oder Bauteile unerwünscht radioaktiv machen. Kernspaltung erzeugt ebenfalls radioaktive Produkte, wird üblicherweise jedoch nicht als Aktivierung bezeichnet.

Aktivierung durch Neutronen

Besonders wichtig ist die Neutronenaktivierung. Meist ist damit der Einfang eines thermischen Neutrons durch einen Atomkern gemeint. Thermische Neutronen sind stark abgebremste Neutronen; für ihren Einfang haben die meisten Nuklide große Wirkungsquerschnitte. Der Wirkungsquerschnitt beschreibt dabei vereinfacht, wie wahrscheinlich eine bestimmte Kernreaktion ist.

Die Aktivierung in einem Forschungsreaktor oder mit einer Neutronenquelle ist eine hochempfindliche Nachweismethode für Spurenelemente. Außerdem werden so Radionuklide hergestellt, beispielsweise für medizinische Zwecke. Unerwünscht ist der Neutroneneinfang unter anderem bei Strukturmaterialien von Kernreaktoren. Auch große Teilchenbeschleuniger können radioaktive Stoffe im Boden erzeugen; diese können unter bestimmten Voraussetzungen mit dem Grundwasser transportiert werden.

Schnelle Neutronen

Schnelle Neutronen aktivieren Kerne vor allem durch Reaktionen der Typen (n,p) oder (n,alpha). Dabei trifft ein Neutron auf einen Kern, und es wird jeweils ein Proton beziehungsweise ein Alpha-Teilchen abgegeben. Ab etwa 10 MeV Neutronenenergie ist auch die Reaktion (n,2n) möglich, bei der zwei Neutronen entstehen.

Diese Aktivierung wird gelegentlich zur Analyse von Elementen verwendet, bei denen der Einfang thermischer Neutronen kein gut messbares Radionuklid liefert. Für die Materialien zukünftiger Fusionsreaktoren ist sie unerwünscht, weil sie den größten Teil der Radioaktivität dieser Anlagen verursachen wird.

Photonen und geladene Teilchen

Gammastrahlung und Bremsstrahlung können durch den Kernphotoeffekt aktivieren. Dieser setzt je nach Element ab einer Gammaenergie von etwa 2 MeV ein. Ein Neutron oder Proton wird dabei aus dem Kern herausgeschleudert und kann weitere Kernreaktionen auslösen. In wasserhaltigen Medien betrifft dies vor allem Deuterium, das als Schweres Wasser natürlich enthalten ist. Wasser wirkt außerdem als Moderator und bremst Neutronen auf thermische Energie ab, bei der Folgereaktionen eintreten können.

Bei der industriellen Lebensmittelbestrahlung wird ^{60}Co verwendet. Seine Gamma-Quanten haben eine mittlere Energie von 1,25 MeV und reichen nicht aus, um typische Lebensmittelbestandteile zu aktivieren. Wenige Nuklide mit niedriger Schwellenenergie, etwa Indium, kommen kaum in Lebensmitteln vor; zudem ist ihr Wirkungsquerschnitt so gering, dass eine theoretische Aktivierung praktisch kaum messbar ist. Auch Elektronenstrahlen können beim Abbremsen in schwerem Material Bremsstrahlung erzeugen. Deshalb ist ihre Höchstenergie bei der Lebensmittelbestrahlung gesetzlich vorgeschrieben.

Geladene Teilchen wie Alpha- und Betastrahlung sowie beschleunigte Elektronen geben ihre Energie vor allem in Stößen an die Elektronen der Atomhülle ab und treffen nur selten einen Atomkern. Eine Aktivierung ist höchstens indirekt durch entstehende Bremsstrahlung möglich. Gegenüber den direkten Wirkungen der übertragenen Stoßenergie ist sie allgemein unbedeutend. Die Energie führt teils zu Wärme, überwiegend aber zur Ionisation von Atomen; die dadurch entstehenden reaktiven Ionen können chemische Reaktionen mit erwünschten oder unerwünschten Folgen auslösen.