Radioaktivität

Grundidee und physikalische Grundlagen

Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Dabei wandelt sich ein Kern in einen anderen Kern, den Tochterkern, um oder wechselt unter Energieabgabe in einen niedrigeren Energiezustand. Der Vorgang heißt radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall; Atomsorten mit instabilen Kernen heißen Radionuklide. Die frei werdende Energie erscheint als Bewegungsenergie ausgesandter Teilchen, meist Alpha- oder Beta-Teilchen, oder als Energie von Gammastrahlung. Art und Energiespektrum sind für jedes Radionuklid typisch.

Ionisierende Strahlung ist für Menschen nicht unmittelbar wahrnehmbar. Je nach Dosis und Umständen kann sie schädlich sein, wird aber auch technisch und medizinisch genutzt. Genau genommen ist nicht die Strahlung „radioaktiv“, sondern die Substanz, aus der ionisierende Strahlung austritt. Bei kerntechnischen Zwischenfällen werden häufig radioaktive Stoffe wie Caesium-137 oder Iod-131 freigesetzt; ihre Aufnahme in den Körper kann gefährlicher sein als eine äußere Bestrahlung.

Nach derzeitigem Kenntnisstand kommen in der Natur 255 stabile und etwa 100 instabile Nuklide vor; insgesamt sind etwa 3000 Radionuklide bekannt. Ein Nuklid kann absolut stabil sein oder nur als beobachtungsstabil gelten, weil ein theoretisch möglicher Zerfall noch nie nachgewiesen wurde. Blei-208 ist ein Beispiel: Sein möglicher Alphazerfall würde etwa 0,5 MeV freisetzen, doch Abschätzungen ergeben eine Halbwertszeit von mehr als 10^100 Jahren. Alle Elemente bis Blei besitzen außer Technetium und Promethium mindestens ein stabiles Isotop; alle Elemente schwerer als Blei sind radioaktiv.

Stabilität hängt besonders von Kernmasse und Neutronen-Protonen-Verhältnis ab. Schwere stabile Kerne benötigen einen Neutronenüberschuss; das Verhältnis steigt von etwa 1:1 bei sehr leichten Nukliden bis 1,54:1 bei den schwersten stabilen Nukliden. Kerne mit mehr als 208 Nukleonen sind immer instabil. Zu viele Neutronen führen meist zum Beta-Minus-Zerfall, zu viele Protonen zum Beta-Plus-Zerfall oder Elektroneneinfang, sehr schwere Kerne zum Alpha-, Clusterzerfall oder zur Spontanspaltung. Gamma-Zerfall folgt häufig auf einen anderen Zerfall.

Zerfallsgesetz, Aktivität und Zerfallsreihen

Der Zerfallszeitpunkt eines einzelnen Atomkerns ist zufällig. Für jedes Radionuklid besteht jedoch eine feste Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeitspanne. Bei großen Stoffmengen nimmt die Zahl der noch vorhandenen Kerne deshalb nach dem exponentiellen Zerfallsgesetz ab. Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte der ursprünglichen Kerne zerfallen ist. Sie reicht von winzigen Sekundenbruchteilen bis zu Quadrillionen Jahren. Bei gleicher Stoffmenge gilt: Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer die Aktivität.

Die Aktivität A ist der Erwartungswert der Zahl der Zerfälle pro Zeitspanne. Ihre SI-Einheit ist das Becquerel (Bq); 1 Bq entspricht einem Zerfall pro Sekunde. In einem Zeitintervall T werden im Mittel N_T = A·T Zerfälle erwartet. Die tatsächlich beobachtete Zahl schwankt zufällig und folgt einer Poisson-Verteilung. Bei genügend großen Zahlen kann sie näherungsweise durch eine Gauß-Verteilung beschrieben werden; bei N Ereignissen beträgt die Standardabweichung √N. Diese Schwankungen verursachen das unregelmäßige Knacken eines Geigerzählers.

Entsteht beim Zerfall kein stabiles oder langlebiges Nuklid, kann die Gesamtaktivität durch die angesammelten Folgeprodukte stark ansteigen. Haben die Glieder einer Zerfallsreihe schließlich dieselbe Aktivität wie der Ausgangsprozess, spricht man vom säkularen Gleichgewicht. Dieses stellt sich bei ^137Cs nach wenigen Minuten, bei ^232Th erst nach etlichen Jahren ein.

Eine Zerfallsreihe oder Zerfallskette ist eine Abfolge von Zerfällen, die endet, sobald ein stabiles Nuklid entsteht. Uran-238 zerfällt zunächst durch Alpha-Zerfall in Thorium-234, anschließend durch Beta-Zerfall in Protactinium-234 und nach insgesamt 14 oder 15 Zerfällen schließlich in stabiles Blei-206. Zerfallsreihen können sich verzweigen: Etwa 64 % einer Bismut-212-Probe zerfallen durch Beta-Zerfall in Polonium-212, etwa 36 % durch Alpha-Zerfall in Thallium-208.

Wichtige Zerfallsarten

Die drei wichtigsten Zerfallsarten sind Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall. Manche Nuklide besitzen mehrere mögliche Zerfallskanäle.

• Beim Alpha-Zerfall wird ein Alphateilchen, also ein Helium-4-Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen, ausgesandt. Massenzahl A und Ordnungszahl Z sinken um 4 beziehungsweise 2: _Z^A X → _{Z−2}^{A−4} Y + _2^4 He. Beispiel: _92^238 U → _90^234 Th + α. Alpha-Zerfall tritt vor allem bei schweren, relativ neutronenarmen Kernen auf und wird durch den Tunneleffekt ermöglicht.

• Bei der Spontanspaltung zerfällt ein besonders schwerer Kern meist in zwei mittelschwere Kerne und zwei bis drei Neutronen. Sie tritt besonders jenseits der Ordnungszahl 90 auf. Selten entstehen drei oder vier Spaltprodukte. Natürliches Uran zerfällt nur zu einem winzigen Anteil auf diese Weise.

• Beim sehr seltenen Clusterzerfall wird ein leichter Kern emittiert, der schwerer als ein Alphateilchen, aber viel kleiner als der Mutterkern ist. Beobachtet wurden Cluster von ^14C bis ^34Si. Ein historisch wichtiges Beispiel ist der seltene Zerfall von ^223Ra unter Aussendung eines ^14C-Kerns zu ^209Pb.

• Bei starkem Protonen- oder Neutronenüberschuss können einzelne Protonen oder Neutronen, nahe der Stabilitätsgrenze auch zwei davon gleichzeitig, emittiert werden. Typische Lebenszeiten der Mutterkerne liegen bei 10^−22 s bis 10^−18 s.

• Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino werden emittiert; A bleibt gleich, Z steigt um 1: _Z^A X → _{Z+1}^A Y + e^− + ν̅_e. Beispiel: _6^14 C → _7^14 N + e^− + ν̅_e.

• Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Ein Positron und ein Elektron-Neutrino werden ausgesandt; A bleibt gleich, Z sinkt um 1: _Z^A X → _{Z−1}^A Y + e^+ + ν_e. Beispiel: _7^13 N → _6^13 C + e^+ + ν_e.

• Beim Elektroneneinfang nimmt der Kern ein Elektron aus der Atomhülle auf. Ein Proton wird zu einem Neutron und ein Elektron-Neutrino wird emittiert: _Z^A X + e^− → _{Z−1}^A Y + ν_e. Die frei gewordene Stelle in der Elektronenhülle wird aufgefüllt, wobei charakteristische Röntgenstrahlung entsteht. Doppelter Elektroneneinfang und doppelter Beta-Minus-Zerfall benötigen jeweils zwei schwache Wechselwirkungen und haben extrem lange Halbwertszeiten. Ob auch ein neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall vorkommt, war 2016 ungeklärt; sein Nachweis würde bedeuten, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen, also Majorana-Teilchen, sind.

Energieübergänge, Reichweite und Messung

Beim Gamma-Zerfall gibt ein angeregter Kern überschüssige Energie als hochenergetisches Photon, ein Gammaquant, ab. Protonen- und Neutronenzahl ändern sich nicht: _Z^A X* → _Z^A X + γ. Meist folgt dieser Übergang innerhalb von 10^−18 bis 10^−12 Sekunden auf einen Alpha- oder Beta-Zerfall. Cobalt-60 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5,26 Jahren durch Beta-Minus-Zerfall in angeregtes Nickel-60, das sich mit einer Halbwertszeit von etwas weniger als 1 ps meist durch zwei Gammaquanten abregt. Das Isomer Technetium-99m besitzt dagegen eine Halbwertszeit von sechs Stunden und wird medizinisch genutzt.

Alternativ kann der Kern seine Energie bei der inneren Konversion auf ein Hüllenelektron übertragen. Dieses verlässt das Atom mit einer charakteristischen Energie; anders als Beta-Elektronen bilden Konversionselektronen ein Linienspektrum. Bei der inneren Paarbildung entsteht ein Elektron-Positron-Paar, wenn die Energiedifferenz groß ist und die Emission eines Gammaquants wegen der Drehimpulserhaltung nicht möglich ist.

Die Reichweite hängt von Strahlenart, Energie und Dichte des Materials ab. Alphastrahlung wird bereits von Papier, dünner Pappe oder Luft abgeschirmt. Ein Alphateilchen mit 5 MeV erreicht in Luft etwa 3,6 cm, in Gewebe nur 0,04 mm. Betastrahlung lässt sich durch wenige Meter Luft, dünnes Plexiglas oder wenige Millimeter Metall stoppen; Materialien mit niedriger Ordnungszahl erzeugen dabei weniger Bremsstrahlung. Gammastrahlung besitzt keine feste Reichweite, sondern wird exponentiell abgeschwächt. Je nach Energie sind mehrere Zentimeter bis Dezimeter dichter Stoffe wie Blei oder Beton nötig. Für jedes Material gibt es eine energieabhängige Halbwertsdicke.

Detektoren sind jeweils für bestimmte Strahlungsarten geeignet. Beispiele sind Geigerzähler, Ionisationskammer und Nebelkammer für Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sowie Szintillationszähler und Halbleiterdetektoren für Beta- und Gammastrahlung. Im Strahlenschutz dienen Dosimeter und Dosisleistungsmesser der Überwachung. Die Energiedosis wird in Gray gemessen und beschreibt absorbierte Energie pro Masse in J/kg. Die Äquivalentdosis in Sievert berücksichtigt zusätzlich Wichtungsfaktoren verschiedener Strahlungsarten. Die Ionendosis in C/kg beschreibt die verursachte Ionisation.

Vorkommen und Anwendungen

Natürliche Radioaktivität stammt aus primordialen Radionukliden des Materials der Urerde, ihren radiogenen Zerfallsprodukten und kosmogenen Nukliden. Zu den primordialen Nukliden gehören Kalium-40 im menschlichen Körper und Uranisotope. Radon entsteht fortlaufend in natürlichen Zerfallsreihen und tritt aus dem Boden aus. Kosmische Strahlung erzeugt in der Atmosphäre unter anderem Kohlenstoff-14, das wie Kalium-40 durch den Stoffwechsel in Organismen gelangt. Die Strahlung natürlicher Radionuklide heißt terrestrische Strahlung.

Menschen setzten bereits durch Bergbau und Kohleverbrennung Radionuklide frei. Weitere Freisetzungen entstanden durch Uranförderung, Kernkraft, oberirdische Kernwaffentests und Unfälle. Große Mengen wurden unter anderem bei den Atomtests bis 1963 sowie bei den Katastrophen von Tschernobyl und Fukushima freigesetzt; nach 1990 wurde auch der Kyschtym-Unfall von 1957 mit der Osturalspur bekannt. Medizinische Anwendungen und Materialuntersuchungen tragen dagegen nicht wesentlich zur anthropogenen Radioaktivität bei, da sie nur geringe Mengen meist kurzlebiger Nuklide verwenden.

Technisch liefern Radionuklidbatterien und -Heizelemente Energie und Wärme, besonders in Raumsonden. Radioaktive Isotope dienen zur Altersbestimmung, etwa durch Radiokohlenstoffdatierung, zur Dicken-, Dichte- und Füllstandmessung sowie zur Durchstrahlungsprüfung. Als Tracer, also verfolgbarer Markierstoff, zeigen sie beispielsweise die Bewegung von Grundwasser oder Blut. In der Materialforschung werden mit kleinen Stoffmengen Defekte, Diffusion und lokale Strukturen untersucht, unter anderem durch Gammaspektroskopie, Mößbauer-Spektroskopie und Gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation.

In der Nuklearmedizin erzeugen geringe Mengen eines Gamma-Tracers bei der Szintigrafie zweidimensionale Bilder; SPECT und Positronen-Emissions-Tomografie liefern dreidimensionale Darstellungen. Für Therapien werden vorwiegend Beta-Strahler eingesetzt, etwa bei der Radioiodtherapie von Schilddrüsenerkrankungen, der Radiosynoviorthese und der Behandlung von Schmerzen durch Knochenmetastasen. Umschlossene Gammastrahler werden noch in der Brachytherapie und Radiochirurgie verwendet, bei äußerer Bestrahlung aber zunehmend durch mit Linearbeschleunigern erzeugte harte Röntgenstrahlung ersetzt.

Gefahren und Kennzeichnung

Für die Gefährdung ist die ionisierende Strahlung verantwortlich, nicht die Radioaktivität als Eigenschaft selbst. Zu unterscheiden sind Direktstrahlung von außen, Kontamination als Verunreinigung mit radioaktivem Material und Inkorporation, also die Aufnahme solcher Stoffe durch Einatmen oder Essen und Trinken. Kontamination kann eine lang anhaltende Bestrahlung verursachen; inkorporierte Stoffe bestrahlen den Körper von innen. Die Wirkungen niedriger Dosen sind schwer nachzuweisen, und zulässige Grenzwerte werden diskutiert.

Das bekannte Trefoil-Symbol ☢ warnt vor ionisierender Strahlung beziehungsweise radioaktiven Stoffen. Weil es besonders bei starken Quellen nicht immer verstanden wurde und Menschen Strahler aus ihrer Abschirmung nahmen, führte die IAEO am 15. Februar 2007 für Quellen der Kategorien 1, 2 und 3 ein zusätzliches Warnzeichen ein. Es zeigt deutlicher die tödliche Gefahr und fordert zur Flucht auf. Dieses Zeichen nach ISO 21482 wird direkt am gefährlichen Strahler angebracht; auf dem abschirmenden Behälter bleibt das bisherige Symbol. In Österreich ist es als OENORM ISO 21482 genormt, in Deutschland war es laut Artikel weder in eine nationale Norm noch in Unfallverhütungsvorschriften übernommen. Schwache Strahlenquellen erhalten keine neue Kennzeichnung.