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Radio|aktivität,

 

die Eigenschaft einer Reihe von Atomkernen (Kern) oder allgemeiner Nukliden (Radionuklide), sich spontan, d. h. ohne äußere Einwirkung, in andere Kerne umzuwandeln (radioaktiver Zerfall), wobei Energie in Form von kinetischer Energie ausgesandter Teilchen und/oder elektromagnetischen Strahlung frei wird. Die Radioaktivität beruht stets auf einer Instabilität der Kerne infolge eines Überschusses an Protonen oder Neutronen, der durch Aussendung der für die verschiedenen Zerfallsarten charakteristische Teilchen oder durch Elektroneneinfang beseitigt wird: Beim Alphazerfall (α-Zerfall) wird ein α-Teilchen (Heliumkern ⁴₂He mit der Massenzahl 4 und der Kernladungszahl 2) ausgesandt, beim Betazerfall (β-Zerfall) ein Elektron (β^--Zerfall) und ein Antineutrino oder ein Positron (β⁺-Zerfall) und ein Neutrino; beim Elektroneneinfang wird, ebenso wie beim β⁺-Zerfall, die Kernladungszahl des Mutterkerns um eins erniedrigt. Häufig befinden sich die entstehenden Tochter- oder Folgekerne in einem angeregten Zustand, aus dem sie - bis auf wenige Ausnahmen (Kernisomerie) - wegen seiner sehr kurzen Lebensdauer praktisch sofort unter Emission eines oder mehrerer hochenergetischer, als Gammaquanten (Symbol γ) bezeichneter Photonen in den energetisch tiefsten Zustand (Grundzustand) des jeweiligen Folgekerns übergehen (Gammastrahlung). Das Tochternuklid nimmt stets einen anderen Platz im Periodensystem der chemischen Elemente ein, gehört also einem anderen chemischen Element an (fajans-soddysche Verschiebungssätze). Die Strahlen der bei den verschiedenen Zerfallsarten emittierten Teilchen werden als α-, β- und γ-Strahlen (oder -Strahlung) bezeichnet, die Muttersubstanzen entsprechend als α-, β- oder γ-Strahler. - Unter Radioaktivität im weiteren Sinn versteht man auch Kernumwandlungen durch Neutronenemission (Kernspaltung), durch Protonenemission (Protonenabstrahlung) und durch spontane Kernspaltung sowie den Zerfall instabiler Elementarteilchen. Je nachdem, ob die radioaktiven Nuklide beziehungsweise Isotope in der Natur vorkommen oder künstlich durch Kernreaktionen erzeugt werden, unterscheidet man zwischen natürlicher und künstlicher Radioaktivität.

 

Zerfallsgesetz und Aktivität:

 

In einer einheitlichen radioaktiven Substanz laufen die Kernzerfälle in statistisch unabhängiger Folge ab. Man kann nicht sagen, welches der Atome sich in der nächsten Sekunde umwandeln wird, sondern nur eine für jedes Radionuklid charakteristische Übergangswahrscheinlichkeit (Zerfallskonstante) λ angeben, mit der im Mittel ein Atom pro Zeitintervall zerfällt. Enthält eine radioaktive Substanz zur Zeit t gerade N (t) radioaktive Atome, so ändert sich diese Zahl im Zeitintervall [t, t + dt] im Mittel um —dN = λ · N (t ) dt Atome. Für die augenblickliche Zerfallsrate (Aktivität) gilt daher die Beziehung A = —dN / dt = λ · N (t). Die Zahl der nach einer gewissen Zeit t, die seit einem Zeitpunkt t₀ verstrichen ist, noch vorhandenen radioaktiven Atome wird demnach durch N (t) = N (t₀) · exp (—λ t) gegeben; entsprechend klingt auch die Aktivität exponentiell ab. Nach der Zeit τ = 1 / λ, der mittleren Lebensdauer, sind N (t) und auch die Aktivität A auf den e-ten Teil (d. h. den ≈ 0,37 fachen Betrag) des Anfangswertes abgefallen. Aus praktischen Gründen gibt man anstelle von τ meist die Halbwertszeit T_1/2 = τ · ln 2 ≈ τ · 0,693 an, nach deren Ablauf die Aktivität auf die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes abgeklungen ist. Die Halbwertszeiten der Radionuklide variieren zwischen weniger als 10^-9 Sekunden und 10¹⁴ Jahren und mehr.

 

Einheiten der Radioaktivität:

 

Die Aktivität einer radioaktiven Substanz wird in der SI-Einheit Becquerel angegeben (ältere Einheit Curie). Die physikalische Wirkung einer radioaktiven Strahlung wird durch die Ionendosis (Dosis), gemessen in Coulomb/Kilogramm (ältere Einheit Röntgen), und die Energiedosis, gemessen in Gray (ältere Einheit Rad), gekennzeichnet, die biologische Wirkung am menschlichen Körper durch die Äquivalentdosis, gemessen in Sievert (ältere Einheit Rem).

 

Energie, Reichweite und Messung der radioaktiven Strahlung:

 

Die Energie der Teilchen einer radioaktiven Strahlung liegt je nach Zerfallsart zwischen einigen Kilo- (keV) und einigen Megaelektronvolt (MeV). Da es beim α- und beim γ-Zerfall nur jeweils zwei Zerfallsprodukte gibt, beim β-Zerfall dagegen drei, haben die α -Teilchen und die γ-Quanten aus kinematischen Gründen eine jeweils feste Energie, während die der β-Teilchen (Elektronen oder Positronen) jeweils zwischen null und einem Maximalwert liegt. Insgesamt strahlt 1 g Radium eine Energie von etwa 13 · 10⁶ kJ ab, während 1 g Kohle beim Verbrennen im Mittel eine Wärmemenge von nur 32 kJ liefert.

 

Beim Durchdringen von Materie werden die radioaktiven Strahlen durch Wechselwirkung mit Atomen abgeschwächt beziehungsweise absorbiert. Hierbei verlieren die energiereichen Alpha- und Betateilchen ihre Energie durch zahlreiche inelastische Stöße mit den Hüllenelektronen, die zur Ionisation oder Anregung der betroffenen Absorberatome führen (mittlerer Energieverlust pro ionisierendem Stoß etwa 35 eV). Entlang der Teilchenbahn entsteht so eine Spur von Ionenpaaren, die in der Nebelkammer sichtbar gemacht werden kann. Auf dieser Ionisierung beruht auch der Nachweis radioaktiver Strahlung mit Kernspurplatte, Ionisationskammer, Zählrohr, Funkenkammer, Blasenkammer u. a. Bei Szintillationsdetektoren wird die Strahlung anhand der von angeregten Atomen emittierten Lichtstrahlung nachgewiesen.

 

Die spezifische Ionisierung der schweren Alphateilchen ist etwa 100-mal größer als die für Betateilchen gleicher Energie; die von Gammastrahlung ist hingegen um einen Faktor 100 geringer. Monoenergetische Alphateilchen haben eine geradlinige Bahn und dieselbe Reichweite (bis zu 8 cm in Luft oder etwa 0,1 mm in Aluminium). Monoenergetische Betateilchen haben keine einheitlichen Reichweiten; ihre mittlere Reichweite beträgt bei Energien von etwa 1 MeV in Luft 3 bis 4 m, in Aluminium 0,2 mm. Ihre Bahnen sind infolge elastischer Streuungen an den Atomkernen völlig unregelmäßig. Gammastrahlen sind aufgrund ihrer geringeren Ionisierungsfähigkeit wesentlich durchdringender als Alpha- und Betastrahlen vergleichbarer Energie; ihre Intensität nimmt exponentiell mit der Absorberdicke ab. Ihre Durchdringungsfähigkeit nimmt mit ihrer Energie zu; sie beträgt z. B. in Aluminium 2,2 cm für 50-keV-Quanten, 13 cm für 500 keV und 19 cm für 5 MeV. Die Verwendung von Blei als Abschirmmaterial gegen Gamma- und Röntgenstrahlen beruht auf der mit wachsender Ordnungszahl zunehmenden Absorption.

 

Natürliche Radioaktivität:

 

Sie tritt nur bei einigen Elementen mit Ordnungszahlen Z ≦ 80 auf, hingegen bei allen Elementen mit Ordnungszahlen Z > 80. Die insgesamt etwa 50 natürliche Radionuklide (Radioisotope) haben größtenteils kurze Halbwertszeiten. Sie wären heute - etwa 6 Mrd. Jahre nach ihrer Entstehung - nicht mehr nachweisbar, wenn sie nicht immer wieder neu aus dem Zerfall der langlebigen Uranisotope ²³⁸U und ²³⁵U sowie des Thoriumisotops ²³²Th und dem Zerfall ihrer Tochterkerne hervorgingen.

 

Es gibt insgesamt drei natürliche Zerfallsreihen, denen sich die meisten der natürlich vorkommenden Radionuklide zuordnen lassen. Es handelt sich dabei um die Uran-Radium-, die Thorium- und die Uran-Actinium-Reihe, innerhalb deren die Radionuklide jeweils in einem genetischen Zusammenhang miteinander stehen. Eine weitere mögliche Zerfallsreihe, die Neptuniumreihe, kann nur künstlich dargestellt werden, da alle ihre Glieder Halbwertszeiten von höchstens einigen Mio. Jahren haben und somit im Lauf des Erdalters praktisch vollständig zerfallen sind. - Auch der Zerfall der durch Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre und mit Meteoriten erzeugten kurzlebigen Nuklide sowie die spontane Spaltung schwerer Kerne kann zur natürlichen Radioaktivität gerechnet werden.

 

Künstliche Radioaktivität:

 

Durch Kernreaktionen mit Neutronen in Kernreaktoren und mit energiereichen Teilchen in Teilchenbeschleunigern entstehen aus stabilen Nukliden insgesamt weit über 1 000 künstliche radioaktive Nuklide. Die meisten künstlichen Radionuklide sind β-Strahler; α-Emission wurde bisher an künstlichen radioaktiven Nukliden mit Z 51 nicht beobachtet. Relativ selten sind Neutronen- und Protonenstrahler. - Von jedem chemischen Element gibt es ein oder mehrere (zum Teil über 30) Radioisotope.

 

Umweltradioaktivität:

 

Entsprechend ihrer Häufigkeit und Halbwertszeit sind die Radionuklide ²³⁸U, ²³²Th und ⁴⁰K die Hauptträger der irdischen Radioaktivität. Diese ist in den äußeren Gesteinsschichten der Erde (Lithosphäre) von etwa 10 km Dicke konzentriert. Zwar finden sich ²³⁸U und ²³²Th bevorzugt in uran- und thoriumhaltigen Mineralen und Gesteinen wie Graniten und Gneisen, in kleinen Konzentrationen sind sie jedoch in jedem Gesteins- und Bodenmaterial enthalten, sodass ein mittlerer Gehalt der Lithosphäre von 3 · 10^-6 g Uran je Gramm Gestein beziehungsweise 12 · 10^-6 g Thorium je Gramm Gestein vorliegt. Die vom Radium herrührende Aktivität einer 1 km² großen und 1 m dicken Erdschicht beträgt etwa 7,5 · 10¹⁰ Bq. Dem durchschnittlichen ⁴⁰K-Gehalt von ebenfalls 3 · 10^-6 g je Gramm Gestein entspricht eine ⁴⁰K-Betaaktivität von etwa 4 · 10¹² Bq. Die durch Absorption radioaktiver Strahlung verursachte Erwärmung der Lithosphäre führt zu einem ständigen Wärmestrom nach außen, der im Durchschnitt etwa 10^-4 J/(cm² · min) beträgt. Die Radioaktivität des Meerwassers ist etwa 2 bis 3 Größenordnungen geringer als die der festen Erdkruste. Die vom Radium herrührende Aktivität pro km³ beträgt im Mittel nur etwa 4 · 10⁹ Bq, die vom ⁴⁰K herrührende Betaaktivität wegen des relativ hohen Kaliumgehalts von 0,035 % jedoch etwa 11 · 10¹² Bq.

 

Hauptträger der Radioaktivität der Atmosphäre ist das der Uran-Radium-Zerfallsreihe angehörende Isotop ²²²₈₆Rn des Edelgases Radon, das in beträchtlichen Mengen aus der oberen Erdschicht herausdiffundiert. Wesentlich geringer ist der Beitrag des der Thoriumzerfallsreihe entstammenden Isotops ²²⁰₈₆Rn und der durch die Höhenstrahlung in der Atmosphäre gebildeten Radionuklide (z. B. des Tritiums). - In den letzten Jahrzehnten ist die Radioaktivität der Atmosphäre zeitweilig als Folge der Kernwaffentests, durch die große Mengen radioaktiver Spalt- und Fusionsprodukte in die Stratosphäre geschleudert wurden, sowie durch Reaktorunfälle (z. B. Tschernobyl) und Unfälle in militärischen Anlagen erheblich angestiegen. Der Transport dieser künstlich injizierten Radioaktivität über die Hemisphären und das Niedersinken der entstandenen radioaktiven Teilchen in Form radioaktiver Niederschläge (Fall-out) hängt wesentlich stärker von Wetterlagen und -entwicklungen ab als im Falle der natürlichen Radioaktivität der Atmosphäre. - Zur Radioaktivität in Anlagen zur Nutzung der Kernenergie Kernkraftwerk (Sicherheit).

 

Biologische

 

und physiologische Wirkung: Die Wirkung radioaktiver Strahlung auf lebende Organismen, die stark von der Art, Intensität und Reichweite der Strahlen abhängt, zeigt sich z. B. in einer Herabsetzung der Keimungsfähigkeit von Samen und in Entwicklungshemmungen oder Fehlbildungen bei Mensch und Tier bei größerer Strahlenbelastung. Durch geringe Dosen kann das Wachstum jedoch auch angeregt werden. Gewebe sind umso empfindlicher, je jünger ihre Zellen und je größer deren Teilungsgeschwindigkeit ist. Daher werden v. a. Gonaden, Blut bildende Organe, die Schleimhaut des Magen-Darm-Kanals, aber auch schnell wachsende Tumoren (Krebs, Sarkom) bei zu hoher Strahlendosis geschädigt. Darauf beruht der Erfolg der Strahlentherapie bei Krebs. Alphastrahlen sind wegen ihrer kurzen Reichweite unschädlich, solange nicht Alphastrahlen abgebende Substanzen in den tierischen oder menschlichen Körper gelangen. Strahlenschäden werden daher v. a. von den durchdringenden Gammastrahlen und energiereichen Betastrahlen verursacht. (Strahlenexposition, Strahlenschutz)

 

Geschichte:

 

Die Radioaktivität wurde zuerst 1896 von A. H. Becquerel an Uranmineralen beobachtet, bald darauf auch an Thorium (Gerhard C. Schmidt, * 1865, ✝ 1949; Marie Curie) und einigen neu entdeckten, aus Uranmineralen isolierten Elementen wie Polonium und Radium (P. und Marie Curie) sowie am Actinium (André Louis Debierne, * 1874, ✝ 1949). E. Rutherford und Paul Ulrich Villard (* 1860, ✝ 1934) wiesen 1899 die Alpha-, Beta- und Gammastrahlen nach. Das Zerfallsgesetz fanden J. Elster und H. Geitel. Rutherford und F. Soddy erkannten 1902, dass es sich bei der Radioaktivität um eine Umwandlung von Atomen mit Energiefreisetzung handelt. Die Entdeckung zahlreicher weiterer radioaktiver Elemente beziehungsweise Radioisotope (O. Hahn u. a.) führte zur Erkenntnis der Zerfallsreihen, zum Begriff der Isotopie und der Aufstellung der Verschiebungssätze (Soddy und K. Fajans 1912/13). Die künstliche Radioaktivität entdeckten 1934 F. und Irène Joliot-Curie beim Beschuss von Aluminium mit Alphateilchen, wobei das Phosphorisotop ³⁰P, ein Positronenstrahler, entstand. Die Protonenradioaktivität wurde 1981 entdeckt.

 

Literatur:

 

W. Minder: Gesch. der R. (1981);

 C. Keller: Die Gesch. der R. (1982);

 P. Weish u. E. Gruber: R. u. Umwelt (³1986);

 

Pschyrembel-Wb. R., Strahlenwirkung, Strahlenschutz, hg. v. C. Zink (²1987);

 H. von Buttlar u. M. Roth: R. Fakten, Ursachen, Wirkungen (1990);

 L. Herforth u. H. Koch: Praktikum der R. u. der Radiochemie (³1992);

 W. Stolz: R. Grundlagen, Messung, Anwendungen (³1996).

 

Weitere Literatur: Kernphysik.