Radioaktiver Zerfall von Elementen

Die Struktur des Universums und der radioaktive Zerfall

Im Zuge der Entstehung des Universums sind einige Elemente entstanden, die sich durch eine Neigung zu Kernumwandlungen auszeichnen. Jeder radioaktive Zerfall, den wir beschreiben können, ist in der Lage, uns eine Vielzahl von Informationen über Themen zu liefern, die direkt mit dem betreffenden Kern zu tun haben – seine Struktur, die auftretenden Energiezustände und Wechselwirkungen, aber auch Informationen über den Ursprung des Universums. Die Existenz von drei Haupttypen von Strahlung, unterteilt nach ihrer Fähigkeit, Materie zu durchdringen, ist empirisch bestätigt worden:

1. Alpha (α) – die Heliumkerne, hat eine geringe Durchdringungsfähigkeit, die in der Praxis durch die Schwierigkeit gekennzeichnet ist, ein dünnes Blatt Papier zu durchdringen;
2. Beta (β) – die in Form von Elektronen oder Positronen mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter Ladung beschrieben wird, kann Aluminium bis zu einer Tiefe von etwa 3 mm durchdringen;
3. Gamma (γ) – entspricht den Photonen und hat das höchste Durchdringungsvermögen, vergleichbar mit dem Durchdringen von Blei bis zu einer Tiefe von zwei Zentimetern oder mehr.

Geschichte der radioaktiven Zerfälle

Die Anfänge der Geschichte der radioaktiven Zerfälle gehen auf Antoine Becquerel zurück, der 1896 beobachtete, dass das Einbringen eines uranhaltigen Gesteins in eine versiegelte Schachtel mit fotografischem Film zu dessen Verdunkelung führte. Er kam zu dem Schluss, dass dies auf die Emission von Strahlen zurückzuführen ist, die für das bloße Auge unsichtbar sind. Mit dem heutigen Wissensstand lassen sich mindestens drei Argumente anführen, die für einen nuklearen Ursprung dieser Strahlen sprechen:

1. Chemischer Zustand – die Form eines Elements in seinem freien Zustand oder in einer chemischen Verbindung hat keinen Einfluss auf seine Fähigkeit, radioaktiv zu sein;
2. Äußere Faktoren, die sich auf die Elektronen im Atom auswirken – wie Druck oder Temperatur -, haben keinen Einfluss auf die radioaktiven Eigenschaften;
3. Die allgemein bekannten Elektronenübergänge im Atom – erzeugen keine so großen Energiemengen, die bis zu Millionen von Elektronenvolt reichen.

Strahlung wird gegenwärtig als ein Prozess nuklearer Natur betrachtet, bei dem Masse in Energie umgewandelt wird.

Alpha-, Beta- und Gammastrahlung

Es ist möglich, die elektrischen Eigenschaften der Strahlung aufgrund ihrer Bewegung in einem homogenen Magnetfeld zu beobachten. Die Identifizierung jeder Art von Strahlung mit den entsprechenden Molekülen basiert auf der Formel der magnetischen Lorentzkraft.

Geht man von einer horizontalen Emission vom Punkt der radioaktiven Quelle aus, werden positiv geladene Teilchen nach oben und negativ geladene Teilchen nach unten abgelenkt, während ungeladene Teilchen das magnetische Feld durchlaufen, ohne die Emissionsbahn zu beeinflussen. Die Alphastrahlung entspricht der Emission des Heliumkerns ⁴He. Betastrahlung kann auf zwei Arten erfolgen – in Form von Elektronen (β^–) und Positronen (β⁺). Die Gammastrahlung hingegen beschreibt die hochenergetische Emission von Photonen.

Alphazerfall

Es kennzeichnet schwere und chemisch instabile Kerne. Beim Zerfall verliert der Kern zwei Protonen und die gleiche Anzahl an Neutronen, wodurch sich seine Ordnungszahl um zwei und seine Massenzahl um vier Einheiten verringert. Bei dieser Umwandlung entsteht jedoch ein Heliumatom. Der emittierende Kern wird als Primärkern und der beim Zerfall entstehende Kern als Nachfolgekern bezeichnet. Die grundlegende Notation des radioaktiven Zerfalls vom Typ Alpha kann wie folgt dargestellt werden:

In einer solchen Aufzeichnung ist das erste Glied, d.h.  der Primärkern, während der Nachfolgekern  ist und  das Alphateilchen ist.

Ein Beispiel für den Alphazerfall ist die Umwandlung des Uranisotops ²³⁸U, bei der sich die Ordnungszahl um zwei verringert. Der Zerfall kann in Form einer Gleichung geschrieben werden:

Die Energie, die beim Alphazerfall freigesetzt wird, entspricht der kinetischen Energie der Helium- und Thoriumkerne. Aufgrund der Masse der Thoriumkerne und damit ihrer geringeren Geschwindigkeit ist die kinetische Energie der Heliumkerne größer.

Betazerfall

Sie kann auf zwei Arten erfolgen – durch die Emission von Elektronen oder Positronen.  Ihre Ladungen sind entgegengesetzt, aber ihre Massen sind identisch, weshalb ein Positron manchmal auch als Anti-Elektron bezeichnet wird. Bei der Betrachtung des radioaktiven Beta-Zerfalls wurde in der Regel das Modell eines im Kern gebundenen Moleküls (Elektron oder Positron) verwendet, das während des Zerfalls aus dem Kern entweicht. Diese Annahme wurde jedoch in Frage gestellt, da die kinetische Energie des Elektrons unter Anwendung der Heisenbergschen Unschärferelation in der Größenordnung von mehreren GeV liegt. Empirisch wurde jedoch nachgewiesen, dass sie in der Größenordnung von einigen Megaelektronen liegt. Das bedeutet, dass beim Betazerfall nicht ein Molekül entweicht, sondern ein Nukleon in ein anderes umgewandelt wird. Beim Neutronenzerfall können wir einen solchen Übergang beobachten:

Das Elektron, geschrieben als  hat eine Massenzahl von 0 und eine Ordnungszahl. Das bedeutet, dass es sich um ein praktisch masseloses Teilchen mit negativer Ladung handelt. Bei einem Proton sind beide Zahlen gleich eins. Die Anwesenheit eines Neutrinos (v) ist aufgrund des Energie- und Impulserhaltungssatzes notwendig. Solche Umwandlungen im Kern führen zu schwachen Kernwechselwirkungen. Das Isotop, das dem Betazerfall unterliegt, ist zum Beispiel , das durch Emission β^– zerfällt, gemäß der folgenden Gleichung:

Den umgekehrten Prozess mit der Bildung von Positronen durchläuft dagegen u.a. das Aluminiumisotop :

Gammazerfall

Mit der Bezeichnung Gammazerfall wird der Zerfall bezeichnet, der eintritt, wenn ein angeregter Kern in einen niedrigeren Energiezustand übergeht und dabei Photonen aussendet. Dieser Übergang ist analog zum Übergang von Elektronen auf niedrigere Energieebenen und kann symbolisch geschrieben werden, wobei * den angeregten Zustand bezeichnet:

Beim Gammazerfall kommt es zu keiner Änderung der Masse- oder der Ordnungszahl. Die einzige Änderung ist die Art des Zellkerns.

Radioaktive Elemente

Ihre Atome zerfallen spontan und geben dabei Teilchen oder Strahlen ab. Dies geht oft auch mit der Freisetzung von Wärme und Licht einher. In der Natur kommen vier Gruppen radioaktiver Elemente vor: Thorium, Neptunium, Uran und Actinoide, wobei sich die Namen von den Stammelementen ableiten. Beispiele hierfür sind:

1. Polonium – ein atomares Zerfallsprodukt, vor allem von Uran-238, das eine Alphastrahlung erzeugt und als Energiequelle für Satelliten verwendet wird.
2. Radon – entsteht durch den Zerfall von Radium, dessen Isotop mit einem Atomgewicht von 222 bei der Behandlung von schweren Krebserkrankungen eingesetzt wird.

Zerfallsreihe

Es wird davon ausgegangen, dass alle Kerne mit einer höheren Ordnungszahl als 82 instabil sind und spontan zerfallen. Die meisten zeichnen sich auch durch eine kurze Lebensdauer aus und sind daher in der Natur nicht zu beobachten. Es gibt jedoch einige bemerkenswerte Ausnahmen, wie  und , deren Halbwertszeiten entsprechend 1,39·10¹⁰ Jahre und 7,04·10⁸ Jahre betragen. Der Zerfall schwerer Kerne kann zu einer langen Reihe von Zerfällen führen, da jeder entstehende Nachfolgekern wieder zum Primärkern des nächsten Zerfalls werden kann, bis ein stabiler Kern entstanden ist. Ein solcher Prozess wird als Zerfallsreihe bezeichnet.