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
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).
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
| Merkmal | Alpha | Beta | Gamma |
|---|---|---|---|
| Teilchen | Heliumkern | Elektron | elektromagnetische Strahlung |
| Ladung | zweifach positiv | einfach negativ | ungeladen |
| Reichweite in Luft | wenige Zentimeter | einige Meter | sehr groß |
| Abschirmung | ein Blatt Papier | einige mm Aluminium | dicke Blei- oder Betonschicht |
Typische Fehler bei der Halbwertszeit
Der häufigste Fehler: Halbwertszeit wird als halbe Lebensdauer gelesen, nach der angeblich alles zerfallen 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.
Ein zweiter Fehler ist lineares statt exponentielles Rechnen. Manche denken, wenn nach 8 Tagen die Hälfte übrig ist, seien nach 16 Tagen alle Kerne zerfallen. Tatsächlich ist nach 16 Tagen ein Viertel übrig, nicht null – jede Halbwertszeit halbiert nur den jeweils aktuellen Rest, nicht den ursprünglichen Anfangswert direkt.
Ein dritter Fehler ist die Verwechslung von Aktivität und Strahlungsgefahr. Eine hohe Aktivität in Becquerel sagt allein noch nicht, wie gefährlich eine Strahlenquelle ist – das hängt auch von der Strahlungsart, der Energie und der Entfernung ab. Ein Alphastrahler mit hoher Aktivität ist von außen kaum gefährlich, weil die Strahlung schon in der Luft abgebremst wird.
Alltagsbezug: Rauchmelder, Medizin und Altersbestimmung
Ältere Rauchmelder enthalten eine winzige Menge Americium-241, einen Alphastrahler. Die Strahlung ionisiert Luft in einer Messkammer, wodurch ein schwacher Strom fließt. Dringt Rauch ein, wird dieser Strom unterbrochen, und der Alarm löst aus. Weil Alphastrahlung eine so kurze Reichweite hat, ist das für Menschen im Alltag ungefährlich.
In der Medizin nutzt man Gammastrahler wie Cobalt-60, um gezielt Tumorgewebe zu zerstören, während gesundes Gewebe möglichst geschont wird. Auch die Altersbestimmung archäologischer Funde beruht auf Radioaktivität: Aus dem gemessenen Anteil an Kohlenstoff-14 im Vergleich zum stabilen Kohlenstoff-12 lässt sich mithilfe der bekannten Halbwertszeit von 5730 Jahren das Alter organischer Funde berechnen.
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 TagenLösung:
- Anzahl der Halbwertszeiten: n = 24 Tage / 8 Tage = 3
- Nach 8 Tagen: 800 Bq2400 Bq
- Nach 16 Tagen: 400 Bq2200 Bq
- Nach 24 Tagen: 200 Bq2100 Bq
Nach 24 Tagen beträgt die Aktivität 100 Bq, also ein Achtel des Anfangswerts.
Wie viele Halbwertszeiten sind vergangen?
Eine Cobalt-60-Quelle hat anfangs eine Aktivität von 1200 Bq und eine Halbwertszeit von 5 Jahren. Nach wie vielen Jahren ist die Aktivität auf 150 Bq gesunken?
Gegeben:
- Anfangsaktivität: 1200 Bq
- Endaktivität: 150 Bq
- T5 Jahre
Gesucht:
vergangene Zeit tLösung:
- Verhältnis bilden: 1200 Bq150 Bq8
- 8 ist eine Zweierpotenz: 82 · 2 · 22³
- Der Exponent 3 gibt die Anzahl der Halbwertszeiten an: n = 3
- tn · T3 · 5 Jahre15 Jahre
Nach 15 Jahren ist die Aktivität auf 150 Bq gesunken. Der Trick: Prüfe, welche Zweierpotenz das Verhältnis von Anfangs- zu Endwert ergibt.
Jetzt bist du dran
Was gibt die Halbwertszeit eines Nuklids an?
Noch nicht. Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte der ursprünglichen Kerne übrig, nach zwei ein Viertel. Vollständig verschwindet die Probe rechnerisch nie.
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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Häufige Fragen zu Radioaktivität
- Was versteht man unter Radioaktivität einfach erklärt?
- Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich von selbst in andere Kerne umzuwandeln und dabei Strahlung abzugeben. Man unterscheidet Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Der Zerfall ist zufällig, aber bei sehr vielen Kernen lässt sich mit der Halbwertszeit genau vorhersagen, welcher Anteil in einer bestimmten Zeit zerfallen ist.
- Wie berechnet man die Halbwertszeit?
- Die Halbwertszeit selbst wird gemessen und ist für jedes Nuklid ein fester Wert, sie wird nicht berechnet, sondern nachgeschlagen. Um mit ihr zu rechnen, teilst du die vergangene Zeit durch T, um die Anzahl der Halbwertszeiten n zu erhalten, und halbierst den Anfangswert n-mal. Iod-131 hat zum Beispiel eine Halbwertszeit von etwa 8 Tagen.
- Was ist der Unterschied zwischen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung?
- Alphastrahlung besteht aus schweren, zweifach positiv geladenen Heliumkernen mit sehr kurzer Reichweite, schon ein Blatt Papier hält sie auf. Betastrahlung besteht aus leichteren, einfach geladenen Elektronen mit mittlerer Reichweite, abgeschirmt durch einige Millimeter Aluminium. Gammastrahlung ist ungeladene elektromagnetische Strahlung mit der größten Reichweite, gegen die nur dicke Blei- oder Betonschichten wirksam helfen.
- Wie lange dauert es, bis eine radioaktive Probe ungefährlich ist?
- Weil der Zerfall exponentiell verläuft, wird eine Probe rechnerisch nie vollständig zu null. Nach etwa 10 Halbwertszeiten ist aber weniger als ein Tausendstel der ursprünglichen Aktivität übrig, was in der Praxis oft als weitgehend unbedenklich gilt. Bei Nukliden mit sehr langer Halbwertszeit wie manchen Endlagerabfällen können das trotzdem tausende Jahre sein.
- Ist jede Radioaktivität von Menschen gemacht?
- Nein, es gibt eine natürliche Hintergrundstrahlung, der jeder Mensch ständig ausgesetzt ist. Dazu zählen Kalium-40 in Lebensmitteln, Radon aus dem Erdboden und kosmische Strahlung aus dem Weltall. Künstliche Radioaktivität entsteht zusätzlich etwa in Kernkraftwerken, in der Medizin oder bei bestimmten technischen Anwendungen.
- Wie schützt man sich vor radioaktiver Strahlung?
- Die drei Grundregeln des Strahlenschutzes sind Abstand halten, Aufenthaltszeit kurz halten und passend abschirmen. Da die Strahlungsintensität mit der Entfernung stark abnimmt, hilft schon mehr Abstand deutlich. Zusätzlich wählt man das Abschirmmaterial passend zur Strahlungsart: Papier gegen Alpha, Aluminium gegen Beta, Blei oder Beton gegen Gamma.
- Was ist der Unterschied zwischen Becquerel und Sievert?
- Becquerel (Bq) misst die Aktivität einer Quelle, also wie viele Kerne pro Sekunde zerfallen. Sievert (Sv) misst dagegen die Äquivalentdosis, also wie stark die Strahlung auf menschliches Gewebe wirkt. Eine Quelle mit hoher Aktivität in Becquerel muss nicht automatisch eine hohe Dosis in Sievert verursachen, das hängt auch von Strahlungsart, Energie und Abstand ab.
- In welcher Klasse behandelt man Radioaktivität im Physikunterricht?
- Radioaktivität gehört meist zur Atomphysik in der zehnten Klasse. Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse zum Aufbau des Atoms und zu Isotopen. Darauf bauen später Kernspaltung und Kernfusion auf, die in Kernkraftwerken beziehungsweise in der Sonne ablaufen.
Wiederhol diese Fragen später mit deinem Lernkarten-Trainer.
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