Radon

Grundlagen und Eigenschaften

Radon ist ein radioaktives chemisches Element mit dem Elementsymbol Rn und der Ordnungszahl 86. Es gehört im Periodensystem zur 18. IUPAC-Gruppe, also zu den Edelgasen. Edelgase sind Elemente, die chemisch nur sehr schwer reagieren. Radon ist unter Normalbedingungen ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist radioaktiv, das heißt, seine Atomkerne zerfallen von selbst und senden dabei Strahlung aus.

Alle Isotope des Radons sind radioaktiv. Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Das wichtigste und stabilste Radon-Isotop ist ^{222}Rn mit einer Halbwertszeit von etwa 3,8 Tagen; genauer wird im Artikel 3,823 Tage genannt. Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte einer Menge radioaktiver Atomkerne zerfallen ist. ^{222}Rn entsteht als Zerfallsprodukt aus dem Radium-Isotop ^{226}Ra.

Radon hat eine Dichte von 9,73 kg·m^{−3} und ist damit das mit Abstand dichteste elementare Gas, wenn man vom exotisch seltenen Astat und heißem zweiatomigem Iod-Dampf absieht. Sein Schmelzpunkt liegt bei 202 K (−71 °C), sein Siedepunkt bei 211,3 K (−61,8 °C). Beim Abkühlen unter seinen Schmelzpunkt wird Radon leuchtend gelb bis orange. In Gasentladungsröhren erzeugt Radon rotes Licht.

Entdeckung und Erforschung

Radon wird häufig Friedrich Ernst Dorn zugeschrieben, wurde aber zunächst von Ernest Rutherford entdeckt. Rutherford untersuchte ab 1899 Thorium und stellte fest, dass dessen Strahlung im Gegensatz zu Uran schwankte. Diese Schwankungen wurden durch leichte Luftbewegungen beeinflusst. Rutherford erklärte sie mit einem inerten, also reaktionsträgen, radioaktiven Gas, das er Emanation nannte. Für diese Emanation bestimmte er eine Halbwertszeit von 60 Sekunden.

Ernst Dorn wiederholte 1900 Rutherfords Experimente und untersuchte zusätzlich Polonium und Radium. Dabei fand er, dass auch Radium eine Emanation abgab. 1903 entdeckte André-Louis Debierne eine entsprechende Emanation bei Actinium. Weil das Konzept der Isotope damals noch nicht bekannt war, behandelte man diese Emanationen zunächst als verschiedene Elemente: Radium-Emanation, Thorium-Emanation und Actinium-Emanation. Heute entsprechen sie ^{222}Rn, ^{220}Rn und ^{219}Rn.

Im Lauf der Forschung wurden verschiedene Namen vorgeschlagen, darunter Niton und Emanation. 1918 schlug Curt Schmidt die Namen Radon, Thoron und Akton für die drei Emanationen vor; 1923 übernahm die IUPAC diese Bezeichnungen. Erst 1957 änderte die IUPAC die Definition von Radon vom Namen eines Isotops zum Namen des Elements.

Die gesundheitliche Bedeutung wurde im Bergbau deutlich. Schon seit dem 16. Jahrhundert beobachteten Ärzte wie Georgius Agricola und Paracelsus schwere Lungenkrankheiten bei Bergleuten im Schneeberger und Joachimsthaler Revier. Ab 1850 untersuchten F. H. Härting und W. Hesse die Schneeberger Lungenkrankheit, die für 75 % der Todesfälle unter Bergleuten verantwortlich war, und erkannten 1878, dass es sich um Lungenkrebs handelte. 1939 konnte Boris Rajewsky nachweisen, dass Radon für diesen Lungenkrebs verantwortlich war. 1940 wurden in St. Joachimsthal erstmals Grenzwerte für die Radonbelastung von Bergleuten erlassen, 1944 folgte Schneeberg.

Vorkommen und Gewinnung

Radon entsteht in der Natur vor allem aus den Zerfallsreihen von Uran und Thorium, die in Spuren in Gestein und Erdreich vorkommen. Im Mittel findet sich in der Erdatmosphäre ein Radonatom auf 10^{21} Moleküle in der Luft. Radon diffundiert aus den oberen Bodenschichten in die Atmosphäre, ins Grundwasser, in Keller, Rohrleitungen, Höhlen und Bergwerke. Aus tieferen Erdschichten gelangt es normalerweise nicht bis zur Oberfläche, weil es vorher zerfällt.

Erhöhte Radonkonzentrationen treten besonders in Gebieten mit hohem Uran- und Thoriumgehalt im Boden auf. Das betrifft vor allem Mittelgebirge aus Granitgestein. In Deutschland nennt der Artikel den Schwarzwald, den Bayerischen Wald, das Fichtelgebirge und das Erzgebirge; in Österreich das Granitbergland im Waldviertel und Mühlviertel. Insgesamt kommt Radon in Süddeutschland in wesentlich höherer Konzentration vor als in Norddeutschland. In der Schweiz gilt besonders der Kanton Tessin als Radon-Gebiet, in Belgien der östliche und südöstliche Teil.

Radon kann sich wegen seiner hohen Dichte in Gebäuden ansammeln, besonders in Kellern und unteren Stockwerken. Wenn Baumaterialien wie ungebrannter Lehm verwendet werden, können größere Radonmengen auch in oberen Stockwerken auftreten. Weitere Orte mit erhöhten Radonkonzentrationen sind Uranerz-, Flussspat- oder Bleibergwerke, Halden und Absetzbecken des Uranbergbaus sowie Laboratorien und Fabriken, in denen Uran, Radium oder Thorium gehandhabt werden.

Zur Gewinnung nutzt man, dass Radon beim Zerfall radioaktiver Substanzen ausgasen kann. Im Labor kann man das aus einer Probe entweichende Radon auffangen und durch Verflüssigen von der Restluft trennen. Beim Zerfall eines Gramms ^{226}Ra entstehen pro Monat 0,64 cm^{3} ^{222}Rn.

Isotope und Zerfall

Von Radon sind 39 Isotope von ^{193}Rn bis ^{231}Rn sowie 4 Kernisomere bekannt. Alle sind radioaktiv. Auffällig ist, dass die längerlebigen Isotope nicht direkt nebeneinanderliegen, sondern in zwei Bereichen vorkommen: Halbwertszeiten über 20 Minuten haben die Isotope mit den Massenzahlen 208 bis 212 und 221 bis 224. Das wird mit dem Schalenmodell erklärt. Bei ^{212}Rn liegt mit 126 Neutronen eine abgeschlossene Schale vor, eine sogenannte magische Zahl.

In den drei natürlichen Zerfallsreihen kommen vor allem vier Radon-Isotope vor: ^{222}Rn, ^{220}Rn, ^{219}Rn und ^{218}Rn. Sie sind Alphastrahler, das heißt, sie senden beim Zerfall Alphateilchen aus. Daneben entsteht in der heute künstlichen Neptunium-Reihe ^{217}Rn.

^{222}Rn ist das Zerfallsprodukt von ^{226}Ra in der Uran-Radium-Reihe. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 3,823 Tagen zu ^{218}Po. Wenn im Strahlenschutz ohne Zusatz von „Radon“ gesprochen wird, ist meist ^{222}Rn gemeint. In allgemeinen Anwendungen wie der Radon-Messung schließt der Begriff oft auch die kurzlebigen Zerfallsprodukte ein.

^{220}Rn entsteht aus ^{224}Ra in der Thorium-Reihe und wird auch Thoron genannt. Seine Halbwertszeit beträgt 55,6 Sekunden; es zerfällt zu ^{216}Po. Bei gleicher Aktivitätskonzentration wie ^{222}Rn können seine Folgeprodukte, besonders Polonium-212, eine 14-fach höhere Strahlenbelastung verursachen. ^{219}Rn, auch Actinon genannt, entsteht aus ^{223}Ra, hat eine Halbwertszeit von 3,96 Sekunden und ist radiologisch praktisch bedeutungslos. ^{218}Rn hat nur 35 Millisekunden Halbwertszeit und gelangt deshalb praktisch nicht in die Erdatmosphäre. ^{217}Rn hat 54 Millisekunden Halbwertszeit, entsteht nur in geringer Menge und kommt natürlich praktisch nicht vor.

Nutzung und Bedeutung

Radon spielt in mehreren Bereichen eine Rolle. In der medizinischen Radonbalneologie wird behauptet, Radon könne das menschliche Immunsystem stimulieren und Krankheiten lindern. Aus naturwissenschaftlicher Sicht lässt sich laut Artikel keine positive Wirkung des Radons nachweisen. Radon gelangt dabei entweder durch Einatmen radonhaltiger Luft oder bei Wannenbädern durch die Haut in den Körper. Die zusätzliche Strahlenexposition wird im Strahlenschutz zwar als gering, aber nicht vernachlässigbar beschrieben. Das Umweltbundesamt sieht Kontraindikationen für Kinder, Jugendliche und Schwangere.

Manche Heilquellen enthalten bedeutende Mengen Radon. Als Beispiele werden Kurorte wie Bad Gastein, Bad Kreuznach, Bad Schlema, Bad Steben, Bad Zell, Ischia im Golf von Neapel, Jáchymov (Sankt Joachimsthal), Menzenschwand, Meran, Sibyllenbad und Umhausen im Ötztal genannt. Bad Brambach besitzt mit der Wettinquelle die stärkste zu Trinkkuren genutzte Radonquelle der Welt.

In der Hydrologie, also der Wissenschaft vom Wasser, kann der Radongehalt eines Gewässers Hinweise auf Grundwasserzufluss geben. Regenwasser enthält fast kein Radon, und Oberflächenwasser ist nahezu radonfrei, weil Radon schnell in die Atmosphäre entweicht. Grundwasser enthält dagegen Radonkonzentrationen, die um Größenordnungen höher sein können. Ein hoher Radongehalt im Oberflächenwasser zeigt daher den Einfluss von Grundwasser an.

Radonmessungen werden außerdem in mehreren Ländern zur Erdbebenvorhersage genutzt. Leichte Erschütterungen können die Ausbreitung des Radongases im Erdreich beschleunigen, sodass die Konzentration in unterirdischen Hohlräumen messbar ansteigt. Bei der Suche nach Uranerz-Lagerstätten misst man die Radonexhalation, also die Menge des aus dem Boden austretenden Radongases. Überdurchschnittliche Messwerte können auf höhere Uran- oder Radiumkonzentrationen und auf Bodenporosität hinweisen, sind aber kein eindeutiger Uran-Nachweis, weil geologische Prozesse Uran und Radium voneinander trennen können.

Gesundheitsgefahr und Strahlenschutz

Die wichtigste Gefahr von Radon beruht nicht auf chemischer Giftigkeit, sondern auf Radioaktivität. Nach der CLP-Verordnung gibt es keine Einstufung, weil diese Verordnung nur chemische Gefährlichkeit erfasst und Edelgase chemisch kaum gefährlich sind. Entscheidend ist die Strahlenbelastung.

Besonders problematisch ist Radon in schlecht belüfteten geschlossenen Räumen. Dort kann es sich ansammeln und eine erhebliche Belastung verursachen. Die hauptsächliche Gefahrenquelle sind letztlich nicht die Radonatome selbst, sondern ihre Zerfallsprodukte. Besonders Polonium-Isotope tragen stark zur Belastung durch Alphastrahlung bei. Alphastrahlung ist eine Teilchenstrahlung, die außerhalb des Körpers schlecht eindringt, im Körper aber Gewebe stark schädigen kann.

Radon hat am gesamten natürlichen Strahlungsaufkommen auf der Erdoberfläche den größten Anteil. Für Deutschland nennt der Artikel eine durchschnittliche effektive Dosis durch Radon von etwa 1,1 mSv/Jahr pro Person. Zum Vergleich: direkte terrestrische Strahlung liegt bei etwa 0,4 mSv/Jahr, direkte kosmische Strahlung und natürlich in der Nahrung vorkommende radioaktive Stoffe jeweils bei etwa 0,3 mSv/Jahr.

Nach Studien der Weltgesundheitsorganisation steigt das Auftreten von Lungenkrebs bei Radon in Raumluft linear an. Der von der WHO empfohlene Langzeitgrenzwert liegt bei 100 Bq pro Kubikmeter Raumluft. Die Wahrscheinlichkeit für Lungenkrebs steigt näherungsweise um 10 %, wenn die Radonkonzentration in der Raumluft um 100 Bq/m³ zunimmt. 2018 wurden im österreichischen Bundesland Salzburg in 3.400 Wohnobjekten Radonmessungen durchgeführt; in 10 % der Wohnungen wurde ein Grenzwert von 300 Bq pro Kubikmeter Luft überschritten.