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Radioaktivität

In dieser Lektion lernst du, wie instabile Atomkerne zerfallen und welche drei Strahlungsarten dabei auftreten. Du rechnest mit der Halbwertszeit und kennst die drei Grundregeln des Strahlenschutzes.

  • Fach: Physik
  • Klasse 10
  • Thema: Atomphysik
  • Dauer: 16 Min
  • Niveau: Mittel
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Warum Atomkerne zerfallen

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Bei vielen Kernen ist diese Zusammensetzung stabil – sie bleiben unverändert. Bei anderen stimmt das Verhältnis von Protonen zu Neutronen nicht, und der Kern wandelt sich irgendwann von selbst in einen anderen um. Dabei gibt er Energie in Form von Teilchen oder Strahlung ab. Diese Eigenschaft nennt man Radioaktivität, den Vorgang Kernzerfall.

Der Zerfall ist ein Zufallsprozess. Man kann für einen einzelnen Kern nicht sagen, wann er zerfällt. Bei sehr vielen Kernen lässt sich aber genau angeben, welcher Anteil in einer bestimmten Zeit zerfällt. Die Halbwertszeit T ist die Zeit, nach der von einer Probe noch die Hälfte der ursprünglichen Kerne übrig ist. Sie ist für jedes Nuklid eine feste Größe und reicht von Bruchteilen von Sekunden bis zu Milliarden Jahren. Iod-131 hat etwa 8 Tage, Kohlenstoff-14 rund 5730 Jahre.

Radioaktivität ist kein künstlicher Sonderfall. Es gibt eine natürliche Hintergrundstrahlung: Kalium-40 in Lebensmitteln, Radon aus dem Untergrund, kosmische Strahlung. Gemessen wird die Aktivität einer Probe in Becquerel (Bq) – ein Becquerel bedeutet ein Zerfall pro Sekunde. Wie stark die Strahlung auf Gewebe wirkt, beschreibt dagegen die Äquivalentdosis in Sievert (Sv).

Ein typischer Fehler: Halbwertszeit wird als halbe Lebensdauer gelesen, nach der alles weg ist. Das ist falsch. Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte übrig, nach zwei ein Viertel, nach drei ein Achtel. Der Rest wird immer kleiner, erreicht rechnerisch aber nie genau null.

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Alpha-, Beta- und Gammastrahlung

Beim Zerfall treten drei Strahlungsarten auf. Alphastrahlung besteht aus Heliumkernen, Betastrahlung aus Elektronen oder Positronen, Gammastrahlung aus energiereicher elektromagnetischer Strahlung ohne Masse.

Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie weit sie in Materie eindringen. Je schwerer und stärker geladen ein Teilchen ist, desto schneller gibt es seine Energie ab und desto kürzer ist seine Reichweite. Daran richtet sich die passende Abschirmung aus.

Alphastrahlung

Ein schwerer Kern gibt einen Heliumkern aus zwei Protonen und zwei Neutronen ab.

Beispiele

  • Radium-226 zerfällt unter Abgabe eines Alphateilchens zu Radon-222
  • Americium-241 in älteren Rauchmeldern

Signalwörter

  • zweifach positiv geladen, relativ schwer
  • Reichweite in Luft nur wenige Zentimeter
  • ein Blatt Papier schirmt sie ab
  • die Kernladungszahl sinkt um 2, die Massenzahl um 4
  • im Körper wirksam, von außen kaum

Beta- und Gammastrahlung

Beta: Im Kern wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, ein Elektron wird frei. Gamma: Ein angeregter Kern gibt überschüssige Energie als Strahlung ab.

Beispiele

  • Kohlenstoff-14 zerfällt als Betastrahler zu Stickstoff-14
  • Cobalt-60 gibt Gammastrahlung ab, die in der Medizintechnik genutzt wird

Signalwörter

  • Beta: einfach geladene Elektronen, einige Meter Reichweite in Luft
  • Beta: einige Millimeter Aluminium schirmen ab
  • Gamma: ungeladen und masselos, sehr große Reichweite
  • Gamma: nur dicke Blei- oder Betonschichten schwächen sie deutlich
  • bei Beta bleibt die Massenzahl gleich, die Kernladungszahl steigt um 1
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Beispielrechnung

Eine Probe Iod-131 hat anfangs eine Aktivität von 800 Bq. Die Halbwertszeit beträgt 8 Tage. Wie groß ist die Aktivität nach 24 Tagen?

Gegeben:

  • Anfangsaktivität: 800 Bq
  • T8 Tage
  • Zeitspanne: 24 Tage

Gesucht:

Aktivität nach 24 Tagen

Lösung:

  1. Anzahl der Halbwertszeiten: n24 Tage8 Tage3
  2. Nach 8 Tagen: 800 Bq2400 Bq
  3. Nach 16 Tagen: 400 Bq2200 Bq
  4. Nach 24 Tagen: 200 Bq2100 Bq

Nach 24 Tagen beträgt die Aktivität 100 Bq, also ein Achtel des Anfangswerts.

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Jetzt bist du dran

Aufgabe 1 von 3

Was gibt die Halbwertszeit eines Nuklids an?

Was gibt die Halbwertszeit eines Nuklids an?
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Das Wichtigste in Kürze

  • Instabile Atomkerne wandeln sich von selbst um und geben dabei Strahlung ab.
  • Alphastrahlung sind Heliumkerne, Betastrahlung Elektronen, Gammastrahlung ist elektromagnetisch.
  • Die Reichweite steigt von Alpha über Beta zu Gamma – und damit der Aufwand für die Abschirmung.
  • Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte der Kerne übrig, nach zwei ein Viertel.
  • Strahlenschutz heißt: Abstand halten, Aufenthaltszeit kurz halten, passend abschirmen.

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Das solltest du vorher können

  • Aufbau des Atomsin Arbeit
  • Isotope und Nuklidein Arbeit

Das kommt als Nächstes

  • Kernspaltung und Kernfusionin Arbeit
  • Strahlenschutz und Dosisin Arbeit