Zerfallsarten - Kernreaktionen
Schlagwörter: Kernphysik, Atom, Atomkern, Atomhülle, Proton, Neutron, Nukleon, Nuklid, Isotop, Nuklidkarte, Kernspaltung, Kernzerfall, alpha-Strahlung, beta-Strahlung, gamma-Strahlung
Neben den stabilen Isotopen eines Elements, hat jedes chemische Element auch nichtstabile Isotope. Diese nichtstabilen Isotope können zerfallen. Die jeweilige Zerfallsart können wir der farblichen Zuordnung entnehmen. Diese kann bei den Nuklidkarten verschiedener Verlage variieren. Im Metzler, im Dorn-Bader, im Universum und den meisten Formelsammlungen gilt:
- α – Zerfall – gelb, beige
- ß– – Zerfall – blau
- γ-Strahlung
- ß+ – Zerfall – rot, rosa, grün
- kein Zerfall, Kern ist stabil – schwarz, grau
Andere Kernumwandlungen, wie der Neutroneneinfang, sind in der Nuklidkarte gekennzeichnet.
Es gibt auch Isotope, die zweifarbig gekennzeichnet sind (z.B. Po-208, Bi-212, …)►01. Bei diesen Elementen können verschiedene Zerfälle beobachtet werden. Sie treten in etwa in dem Verhältnis des dargestellten Farbanteils auf.
Bei γ-Strahlung handelt es sich nicht um einen Kernzerfall. Sie tritt u.a. bei allen o.g. Zerfällen auf. Bei der γ-Strahlung befindet sich der Kern in einem angeregten Zustand. Wenn dieser angeregte Zustand verlassen wird, wird diese Energie in Form von γ-Strahlung abgegeben.
Strahlungsarten
Atomkerne können sich auf verschiedene Weisen verändern bzw. zerfallen. Dabei werden wir hier die folgenden Fälle näher betrachten:
- spontane Zerfälle
- α-Strahlung
- ß-Strahlung
- ß– -Strahlung
- ß+ -Strahlung (erst in Sek 2)
- Übergang aus angeregten Zuständen (γ-Strahlung)
- Kernspaltungen
- Kernfusionen
- Aufnahme von Neutronen / Neutroneneinfang
Spontane Kernzerfälle
Wie wir der Nuklidkarte entnehmen können, gibt es neben den schwarz dargestellten Nukliden (stabil) eine Vielzahl von Nukliden, die nicht stabil sind.
Ob ein Kern stabil ist oder nicht, hängt u.a. vom Verhältnis der Protonen und Neutronen im Kern ab. Bei leichten Kernen erkennen wir im ►Bild 02, dass die stabilen Isotope ungefähr die gleiche Anzahl von Neutronen und Protonen haben. Je höher die Ordnungszahl (Kernladungszahl) der Isotope, desto mehr Neutronen benötigen sie, um stabil zu sein. Oberhalb einer Kernladungszahl von 83 (Bi-209), gibt es quasi keine stabilen Kerne mehr.
α-Zerfall
Beim α-Zerfall gilt allgemein:
{\large {}_{Z}^{A}\text{Mutterkern}\,\xrightarrow{\alpha }\,{}_{Z-2}^{A-4}\text{Tochterkern}\,\text{+}\,\underbrace{{}_{2}^{4}\text{He}}_{\alpha -Teilchen} }
Der Mutterkern gibt 2 Protonen und 2 Neutronen in Form eines α-Teilchens (Heliumkern) ab. Die Energie der Strahlung resultiert aus der Geschwindigkeit des α-Teilchens.
Beispiel Am-241
Amerizium -241
{\large{}_{95}^{241}\text{Am}\,\xrightarrow{\alpha }\,{}_{93}^{237}\text{Np}\,\text{+}\,\underbrace{{}_{2}^{4}\text{He}}_{\alpha -Teilchen} }
In der Nuklidkarte können wir das Zerfallsprodukt der α-Strahlung nach dem Schema in ►05 finden.
Weitere Beispiele
{\large \begin{array}{l}{}_{88}^{226}\text{Ra}\,\xrightarrow{\alpha }\,{}_{86}^{222}\text{Rn}\,\text{+}\,\underbrace{{}_{2}^{4}\text{He}}_{\alpha -Teilchen}\\\\{}_{86}^{222}\text{Rn}\,\xrightarrow{\alpha }\,{}_{84}^{218}Po\,\text{+}\,\underbrace{{}_{2}^{4}\text{He}}_{\alpha -Teilchen}\end{array} }
Da α-Teilchen 2 Protonen und 2 Neutronen enthalten, sind sie elektrisch positiv geladen (+2e). Damit können sie durch elektrische- und magnetische Felder abgelenkt werden.
α-Strahlen bzw. Heliumkerne sind vergleichsweise groß, daher haben sie auch nur kurze Reichweiten. In Luft können sich α-Strahlen nur wenige Zentimeter ausbreiten. Bereits ein Blatt Papier schirmt die α-Strahlung vollständig ab. Trotzdem sollte die Gefahr, die von α-Strahlen ausgeht, nicht unterschätzt werden. Bei der Inkorporation können sie große Schäden im Körper anrichten.
ß- Zerfall (minus)
Beim ß– – Zerfall gilt allgemein:
{\large {}_{Z}^{A}\text{Mutterkern}\,\xrightarrow{\beta }\,{}_{Z+1}^{A}\text{Tochterkern}\,\text{+}\,\underbrace{{}_{-1}^{0}\text{e}}_{\beta -Teilchen} }
Der Mutterkern gibt ein Elektron ab. Das Elektron entsteht im Kern. Dabei wird ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umgewandelt. Die Energie der Strahlung resultiert aus der Geschwindigkeit des Elektrons.
Beispiel – Sr-90
{\large {}_{38}^{90}\text{Sr}\,\xrightarrow{{{}^{-}}}\,{}_{39}^{90}\text{Y}\,\text{+}\,\underbrace{{}_{-1}^{0}\text{e}}_{{{\beta }^{-}}-Teilchen} }
{\large{}_{39}^{90}\text{Y}\,\xrightarrow{{{}^{-}}}\,{}_{40}^{90}\text{Zr}\,\text{+}\,\underbrace{{}_{-1}^{0}\text{e}}_{{{\beta }^{-}}-Teilchen} }
Da die Halbwertzeit von Y-90 mit 64,6h deutlich kleiner ist, als die Halbwertzeit von Sr-90 (28,8a) zerfallen die Tochterkerne quasi zeitgleich. Somit werden wir bei einer Messung der ß-Strahlung stets die ß-Strahlen beider Zerfälle messen.
Schematisches Vorgehen
In der Nuklidkarte können wir das Zerfallsprodukt der ß– -Strahlung nach dem Schema in ►09 finden.
Weitere Beispiele
{\large \begin{array}{l}{}_{6}^{14}C\,\xrightarrow{{{}^{-}}}\,{}_{7}^{14}\text{N}\,\text{+}\,\underbrace{{}_{-1}^{0}\text{e}}_{{{\beta }^{-}}-Teilchen}\\\\{}_{7}^{16}N\,\xrightarrow{{{}^{-}}}\,{}_{8}^{16}O\,\text{+}\,\underbrace{{}_{-1}^{0}\text{e}}_{{{\beta }^{-}}-Teilchen}\end{array}}
Da ß-Strahlen aus Elektron bestehen, sind sie elektrisch negativ geladen (-e). Damit können sie durch elektrische- und magnetische Felder abgelenkt werden.
ß-Strahlen bzw. schnelle Elektronen sind vergleichsweise klein, daher haben sie eine größere Reichweite als α-Strahlen. In Luft können sie sich auch über mehrere Meter ausbreiten. ß-Strahlen lassen sich durch eine dickere Aluminiumschicht oder wenige Millimeter starke Bleiplatten vollständig abschirmen.
gamma- Strahlung
Bei der γ–Strahlung bleiben Massenzahl und Kernladungszahl unverändert. Die γ-Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung. Der Kern geht dabei von einem angeregten Zustand in den Grundzustand über. Die Energiedifferenz ΔE wird in Form elektromagnetischer Strahlung abgegeben.
γ-Strahlung tritt i.d.R. neben α- und ß-Strahlung auf.
Der angeregte Zustand eines Nuklids wird i.d.R. durch einen Stern (*) oder ein „m“ gekennzeichnet.
{\large {}_{Z}^{A}Kern\,\,\text{(angeregt)}\,\xrightarrow{\gamma }\,{}_{Z}^{A}\text{Kern}\,\text{+}\,\gamma -Strahlung }
z.B. {\large z.B.\,\,\,\,\,Ba-{{137}^{m}}\xrightarrow{\gamma }Ba-137 }
Ein Beispiel hierfür bietet das Experiment mit dem Isotopengenerator.
γ-Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung. Sie trägt keine Ladung und kann somit nicht von elektrischen- oder magnetischen Feldern beeinflusst werden. γ-Strahlung hat ein starkes Durchdringungsvermögen. Sie kann durch verschiedener Materialien geschwächt, aber nicht vollständig abgeschirmt werden.
Wenn γ-Strahlung auf den Körper trifft, dann kann sie diesen schädigen. Der Grad der Schädigung, die auch tödlich sein kann, ist von der Dosis abhängig.
Wie gelangen die Kerne in einen angeregten Zustand?
Bei Kernumwandlungen (α-Strahlung und ß-Strahlung) finden im Kern Umwandlungen statt. Bei diesen Umwandlungen gelangt der Kern in einen angeregten Zustand.
Tiefere Betrachtungen erfolgen in Semester 4 der Kursstufe.