Unterrichtsreihe Radioaktivitaet und Aufbau der Materie: Unterschied zwischen den Versionen

Jahrhunderte lang versuchten Alchemisten Gold aus anderen Stoffen herzustellen. Mit chemischen Reaktionen war dies jedoch nicht zu schaffen. Mittlerweile ist dies möglich (Goldsynthese), jedoch mit sehr hohen Energiekosten verbunden, so dass eine Herstellung sich gar nicht lohnt. Es bleibt aber prinzipiell die Frage, wie ist es möglich ein chemisches Element in ein anderes umzuwandeln?

Alle schwereren chemischen Elemente sind ursprünglich aus der Verwandlung von Wasserstoff zu Helium und dann zu weiteren schwereren Kernen entstanden. Dies ist nur bei hohen Temperaturen, z.B. im Inneren der Sonne möglich. Mit Hilfe von hochspezialisierten Techniken heutzutage ist es möglich, eine ganze Reihe von Elementen künstlich herzustellen. Dies geschieht im Normalfall in Teilchenbeschleunigern (s. Bild rechts) oder in Kernreaktoren.

Zahlreiche Experimente in den letzten 100 Jahren haben eine Menge an völlig neuen Erkenntnissen über den Aufbau der kleinsten Teilchen gebracht. Bereits in den den 30er Jahren des vergangenen Jahrhunderts hat man zusätzlich zum Proton das Neutron als Hauptbestandteil des Atomkerns nachgewiesen.

Um die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern direkt anzugeben, wurde eine neue Schreibweisen eingeführt: . Dabei bezeichnet die obere Zahl die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern (also Protonen und Neutron zusammen).

Die untere Zahl gibt die Anzahl der Protonen im Kern an. Sie ist damit ausschlaggebend für die chemischen Eigenschaften des Elements und damit dessen Lage innerhalb des Periodensystems. Sie trägt deshalb die Bezeichnung Ordnungszahl. Die obere Zahl gibt die Zahl der Nukleonen an und gibt damit einen Hinweis auf die Masse des Kerns. Sie wird als Massezahl bezeichnet.

Aus der Chemie ist das Periodensystem der Elemente (oder kurz Periodensystem) bekannt. Das Periodensystem sortiert die Elemente nach Anzahl der Protonen und der Anordnung der Elektronen in den Elektronenschalen.

Für die Physik ist der genaue Kernaufbau sehr wichtig. Darüber gibt das Periodensystem aber keine Auskunft.
Nehmen wir an, wir wollen uns ein Heliumatom genauer anschauen. Aus dem Periodensystem kennen wir die Anzahl der Protonen bereits. Beim Helium sind es immer zwei. Außerdem können wir aus der Differenz aus der Massenzahl und der Ordnungszahl (=Anzahl der Protonen) auf die Anzahl der Neutronen schließen. (Fast) jedes Atom besitzt auch Neutronen. Beim Helium sind es in der Regel zwei Neutronen.

Aber es können auch Atome mit einer abweichenden Menge Neutronen vorkommen, z.B. statt zwei Neutronen nur ein Neutron. Wir sprechen dann von ³He und sagen Helium-3.

³He und das gewöhnliche ⁴He sind zwei sogenannte Isotope des Elements Helium.

Jedes Element besitzt verschiedene Isotope. Die Isotopentafel stellt alle uns bekannten Isotope in einer Tabelle dar.

Dabei sind die Isotope so angeordnet, dass ihre Protonenanzahl auf der Y-Achse und ihre Neutronenzahl auf der X-Achse abgelesen werden kann.

Darüber hinaus sind die Isotope farbig markiert. Schwarz hinterlegte Atome sind stabil, sie zerfallen nicht.

Die anderen Farben zeigen die Art des Zerfalls an, mit der das Isotop zerfällt. Uns interessieren zunächst nur die beiden in der Natur am meisten vorkommenden Zerfälle: Der α-Zerfall und der β-Zerfall.

Bestimmte Isotope sind nicht stabil. Das bedeutet, dass sie nach einer gewissen Zeit in zwei kleinere Teile zerfallen. Welches Isotop auf welche Art zerfällt, lässt sich nachweisen. Wann aber ein einzelnes Isotop zerfällt, lässt sich nicht vorhersagen.

In der Natur kommen vor allem zwei verschiedene Zerfallsarten vor: Der Alpha-Zerfall und der Beta-Zerfall.
In beiden Fällen stößt der Kern ein Teilchen ab und schleudert es aus dem Kern heraus. Wir bezeichnen diesen Vorgang als Alpha- bzw. Betastrahlung und schreiben α-Strahlung bzw. β-Strahlung. Beides sind radioaktive Strahlen.

Radioaktive Strahlung wirkt ionisierend (man spricht daher auch von ionisierender Strahlung). Das bedeutet, dass die Strahlung Elektronen aus der Hülle eines Atoms heraus schlagen kann, wenn das Atom der ionisierenden Strahlung ausgesetzt wird. So erklärt sich die zellschädigende Wirkung ionisierender Strahlung.

Menschen haben für radioaktive Strahlung (egal ob α-, β-, oder γ-Strahlung) kein Sinnesorgan. Es gibt aber Geräte, mit denen wir radioaktive Strahlung nachweisen können. Ein weit verbreitetes Gerät ist das Geiger-Müller-Zählrohr (auch Geiger-Zähler genannt). Das Funktionsprinzip des Geiger-Müller-Zählrohrs basiert auf der ionisierenden Wirkung der radioaktiven Strahlung.

Emission eines Alphateilchens

Beispiel: → + + Energie

Eigenschaften der α-Strahlung: Aufgrund ihrer starken, positiven Ladung haben Alphateilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie. Ihre Reichweite in Luft beträgt nur ca. 5 – 10 cm. Zur vollständigen Abschirmung reichen bereits einige Blätter Papier aus.

α-Strahlung besteht aus elektrisch geladenen Teilchen, sie wirkt stark ionisierend.

Stoffe die α-Strahlung aussenden (sog. α-Strahler) sind vor allem dann für Menschen gefährlich, wenn diese Stoffe in den Körper aufgenommen werden. Die α-Strahlung kann im inneren des Körpers schwere Schäden verursachen. Wirkt die Strahlung hingegen nur von außen, so bietet bereits die oberste Hautschicht einen sehr guten Schutz vor der α-Strahlung. Eine Ausnahme bildet hierbei die Hornhaut des Auges, die bereits durch Alphastrahlung schwer geschädigt werden kann.

β⁻-Strahlung

Bei einem β-Zerfall sendet ein Atomkern ein β-Teilchen aus. Das β-Teilchen (ein Elektron) kommt üblicherweise aber gar nicht im Kern vor! Es entsteht dadurch, dass sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt. Das Proton verbleibt im Atomkern (die Kernladungszahl nimmt dadurch um eins zu, die Massenzahl bleibt gleich!) und das Elektron wird aus dem Kern herausgeschossen.

Beispiel: → + + Energie

Eigenschaften der β-Strahlung: β-Teilchen haben aufgrund der geringen Ladung eine deutlich höhere Eindringtiefe in Materie. Je nach Anfangsenergie (Geschwindigkeit) haben β-Teilchen in Luft eine Reichweite von bis zu mehreren Metern. Auch β-Teilchen sind elektrisch geladen. Sie wirkt schwach ionisierend. Bereits wenige Millimeter Metall (z.B. Aluminium) reichen aus, um β-Strahlung praktisch vollständig abzuschirmen.

β-Strahlung kann auch bei äußerer Einwirkung auf den menschlichen Körper Zellen im Inneren des Körpers schädigen. Die schädigende Wirkung der β-Strahlung ist allerdings nicht so stark wie bei der α-Strahlung. Um die gleichen Schäden zu verursachen ist also eine höhere Strahlendosis erforderlich.

γ-Strahlung ist (wie Licht oder Röntgenstrahlung) eine elektromagnetische Welle. Sie tritt in der Regel als Folge vom α- und β-Zerfall auf. Bei diesen Zerfällen wird Energie vom Atomkern abgegeben. Diese Energie wird sowohl in Form von γ-Strahlung als auch in Form von Wärme vom Atom abgegeben. Es gibt für das Auftreten von γ-Strahlung auch andere Ursachen, z.B. andere Kernreaktionen.

Eigenschaften von γ-Strahlung: γ-Strahlung wirkt schwach ionisierend. Die Abschirmung von γ-Strahlung ist sehr schwierig. Grundsätzlich wird die abschirmende Wirkung mit wachsender Dicke der Barriere und mit zunehmender Massenzahl des abschirmenden Materials größer.

Der α-Zerfall (sprich: Alpha-Zerfall) lässt sich in der Nuklidkarte verfolgen. Der Kern verliert dabei zwei Protonen und zwei Neutronen (also einen Helium-Kern ()). Um vom Ausgangs-Isotop zum Ziel-Isotop zu gelangen geht man zwei Zeilen nach unten (für die verlorenen Protonen) und zwei Spalten nach links (für die verlorenen Neutronen).

Die farbige Kennzeichnung der Isotope (oder Nuklide) verrät etwas über die Zerfallsart. Für uns sind drei Farben wichtig:

• schwarzer Hintergrund: Das Isotop ist stabil. Es zerfällt nicht weiter, es ist nicht radioaktiv.
• sehr hell grauer Hintergrund: Das Isotop zerfällt über den β-Zerfall. Es handelt sich daher um einen β-Strahler.
• sehr dunkel grauer Hintergrund: Das Isotop zerfällt über den α-Zerfall. Es handelt sich daher um einen α-Strahler.

Bei den stabilen Isotopen steht eine Prozent-Angabe unter dem Element-Symbol. Sie gibt den prozentualen Anteil des Isotops in dem natürlich vorkommendem Element an.
Bei den radioaktiven Isotopen steht eine Zeit unter dem Element-Symbol. Sie gibt die Halbwertszeit des Isotops an.

Die Halbwertszeit eines Isotops beschreibt die Zeit die vergeht, bis von einer gegebenen Menge des Isotops die Hälfte der Kerne zerfallen ist (sich also in ein anderes Element umgewandelt hat). Nach einer Halbwertszeit ist noch die Hälfte von den ursprünglichen vorhandenen Isotopen übrig. Nach einer weiteren Halbwertszeit hat sich die restliche Menge des Isotopes erneut halbiert usw.

Das Zählrohr ist mit einem Gas gefüllt. Durch eine kleine Öffnung, die mit einer dünnen Folie bedeckt ist, können radioaktive Strahlen in das Innere des Zählrohrs gelangen. Innerhalb des Zählrohrs befindet sich ein dünner Draht. Zwischen dem Draht und der äußeren Hülle des Zählrohrs wird eine hohe Spannung angelegt. Gelangen nun radioaktive Strahlen in das Innere des Rohrs, so ionisieren sie die Moleküle des Gases, es entstehen dann positive und negative Ionen (und Elektronen), die sich - je nach Ladung - zu dem Draht bzw. zu dem Gehäuse mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen. Auf ihrem Weg stoßen sie auf andere Moleküle, die bei dem Zusammenstoß ebenfalls ionisiert werden. Es entsteht eine Lawine von Teilchen, die sich erst an dem Draht (oder dem Gehäuse) entlädt. Das Messgerät registriert dann eine Veränderung der Spannung, die in einem angeschlossenen Lautsprecher als kurzes Knacken hörbar gemacht wird.

Ionisierende Strahlen beeinflussen Körperzellen durch Ionisation der Moleküle. Im Allgemeinen sind dabei nicht die wenigen direkten Treffer an den Makromolekülen, sondern überwiegend die Bildung von Radikale im Gewebe von Bedeutung. Die Radikale oxidieren wichtige zelluläre Makromoleküle und stören deren Funktion.

Dabei ist nur der im Gewebe absorbierte Anteil der eingestrahlten Energie wirksam. Eine Strahlung kann durch die Energiemenge (die ein Strahlungsteilchen pro Mikrometer abgibt) charakterisiert werden.

In der Strahlenbiologie wird stattdessen auch die relative biologische Wirksamkeit verwendet, ein Faktor, der die Schädlichkeit einer Strahlung im Vergleich zu 250-kV-Röntgenstrahlen angibt.

Strahlenschäden an Biomolekülen (Proteinen/Lipiden) können problemlos ertragen werden, ihre Auswirkungen auf die Zellfunktionen sind minimal.

Dagegen führen Radikalreaktionen mit der DNA (Erbsubstanz) manchmal zum Zelltod oder zur Mutation, da jede Zelle nur über zwei Kopien verfügt und die Reparaturmechanismen begrenzte Kapazität haben.

Die meisten Strahlenfolgen sind erst ab einer gewissen Mindestdosis nachweisbar, das heißt, dass Strahlung in der Größenordnung der natürlichen Hintergrundstrahlung gilt in dieser Beziehung als ungefährlich.

Neben der Mutation und dem Zelltod kommt es in Säugetierzellen nach Bestrahlung auch zu Verzögerungen des Zellzyklus, und zuvor unbegrenzt teilungsfähige Stammzellen und Krebszellen können nach Bestrahlung ausdifferenzieren und ihre Klonbildungsfunktion verlieren.

Unterschiedliche Gewebe sind unterschiedlich strahlenempfindlich. Je niedriger der Sauerstoffpartialdruck im Gewebe, desto unempfindlicher ist es auf ionisierende Strahlen.

Auch der makroskopische Aufbau der Organe spielt eine Rolle: Linear aufgebaute Organe wie der Dünndarm oder das Rückenmark sind wesentlich stärker gefährdet als parallel aufgebaute wie z. B. Drüsen.

Auf Basis der Spätfolgen, die wesentlich gefürchteter sind als die frühe Strahlungswirkung, hat man für die meisten Organe und Gewebe Toleranzdosen definiert. Beispielsweise liegt die TD_5/5 der Augenlinse für die Linsentrübung(grauer Star) bei 10 Gy

Die Empfindlichkeit von Tumoren gegenüber ionisierender Strahlung ist in der Regel höher als die von gesunden Geweben. Sie sind gekennzeichnet durch eine kürzere Zellzykluszeit (< 2 Tage) und einen höheren Anteil an sich teilenden Zellen (Wachstumsfraktion > 40 %). Die Verträglichkeit von Strahlung ist höher, wenn die Dosisleistung (= Dosis pro Zeiteinheit) gering ist oder die Strahlung auf viele kleine Behandlungen verteilt wird. Das liegt an den sofort nach Strahleneintritt anlaufenden Gewebereaktionen:

• Reparatur (enzymatische Korrektur der Einzel- und Doppelstrangbrüche und Basenfehler in der DNA)
• Redistribution (Fortsetzung der unterbrochenen Zellzyklen, sodass wieder Zellen aus allen Phasen vorliegen)
• Reoxygenierung (erhöhte Sauerstoffversorgung im Gewebe)
• Repopulation (Nachwachsen von Zellen)

• Auswahl von Bedingungen, die mit kleinstmöglicher Exposition des Personals das erwünschte Ergebnis erreicht,
• Vorausschauende Organisation und Planung des Arbeitsvorgangs, um die Expositionsdauer kurz zu halten,
• möglichst großer Bestrahlungsabstand, beispielsweise durch Benutzung langer Greifzangen,
• Benutzung geeigneter Abschirmungen.

Halbwertzeit (abgekürzt HWZ, Formelzeichen meist ) ist die Zeitspanne, nach der die Hälfte der ursprünglichen Substanz zerfallen ist. Sie hängt weder von der Anfangsmenge noch von der bereits verstrichenen Zeit ab.

Nuklidkarte mit farblich gekennzeichneter Größenordnung der Halbwertszeit

Periodensystem der Elemente gefärbt nach der Halbwertszeit ihres stabilsten Isotops.

Man kann somit nur noch die Hälfte der Aktivität des Radionuklids messen. 50 % der Atomkerne haben sich unter Aussendung ionisierender Strahlung in ein anderes Nuklid umgewandelt; dieses kann seinerseits ebenfalls radioaktiv sein oder nicht. Für jedes Nuklid ist die Halbwertszeit eine feste Größe, die sich nicht beeinflussen lässt.

Die Halbierung gilt allerdings nur als statistischer Mittelwert. Man findet sie umso genauer bestätigt, je mehr nicht zerfallene Atome die betrachtete Probe noch enthält. Der Zeitpunkt der Umwandlung eines einzelnen Atomkerns kann NICHT vorhergesagt werden, nur die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung pro Zeiteinheit kann angegeben werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein betrachteter einzelner Kern sich innerhalb der ersten Halbwertszeit umwandelt, beträgt 50 %, dass er sich innerhalb von zwei Halbwertszeiten umwandelt, 50 % + 25 % = 75 %, bei drei Halbwertszeiten 50 % + 25 % + 12,5 % = 87,5 % usw. (Wikipedia: Halbwertszeit)

Es gibt radioaktive Halbwertszeiten im Bereich von weniger als einer Mikrosekunde bis zu einigen Quadrillionen Jahren. Polonium-212 beispielsweise hat 0,3 µs Halbwertszeit, Tellur-128 dagegen etwa 7·10²⁴ (7 Quadrillionen) Jahre.

Eng verknüpft mit der Halbwertszeit eines Radionuklids ist seine spezifische Aktivität, also die Aktivität pro Masse, ausgedrückt z. B. in Becquerel pro Milligramm: Bq/mg. Dabei bezeichnet die Aktivität im Allgemeinen die Anzahl der Kernzerfälle pro Zeiteinheit, die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). 1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde.

Erst Ende des 20. Jahrhunderts sind einige früher als stabil geltende Nuklide als extrem langlebige Radionuklide „entlarvt“ worden, zum Beispiel ¹⁴⁹Sm, ¹⁵²Gd (beides Lanthanoide), ¹⁷⁴Hf, ¹⁸⁰W und ²⁰⁹Bi mit Halbwertszeiten von bis zu einigen Trillionen Jahren. Die Aktivität ist bei so langen Halbwertszeiten entsprechend gering und nur mit großem Aufwand nachweisbar.

Heute kann man sich Röntgengeräte gar nicht mehr aus dem Alltag wegdenken. Ob am Flughafen oder in der Medizin, überall sind sie fest in unseren Alltag integriert. Alles begann vor über 100 Jahren: Am 8.11.1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), bei einem seiner Experimente mit einer Gasentladungsröhre, die heutige Röntgenstrahlung. Dabei leuchteten fluoreszierende Kristalle auf, wobei sich die Strahlen auch nicht durch Abdunkeln aufhalten ließen. So stellte er fest, dass die Strahlen, welche Wilhelm Röntgen X-Strahlen‘‘‘ nannte, unterschiedlichste Materialien durchdringen können. Dadurch, dass er als erster die Hand seiner Frau röntgte, wurde er weltberühmt und erhielt 1901 den ersten Physik-Nobelpreis.

Röntgenstrahlung entsteht in einer luftleeren Glasröhre, wobei zwischen einer erhitzten Kathode und einer Anode eine hohe Spannung erzeugt wird. Dabei treten die Elektronen aus der Glühkathode aus und treffen stark beschleunigt auf den Pluspol der Anode. Sie dringen durch die Atomhülle ein, werden aber durch den Atomkern abgebremst, wobei wiederum Energie freigesetzt wird (meist Wärmeenergie, ca. 1% in Form von Röntgenstrahlung). Zum Teil wird diese in Form von Röntgenstrahlung, auch Bremsstrahlung genannt, aber auch in Form von Röntgenstrahlung mit besonderes großer Intensität und bestimmter Energie, welche vom Material der Anode abhängig ist, abgegeben.

Wenn die beschleunigten Elektronen in den kernnahen Bereich der Anode gelangen, schlagen sie Elektronen aus den inneren Schalen heraus und die anderen Elektronen der äußeren Schalen müssen aufrücken. Dabei kommt es zu der Entstehung eines Röntgenquants. Da sich dabei der energetische Zustand erhöht, werden charakteristische Röntgenstrahlen ausgesendet, wodurch der Energiezustand der Anode niedriger wird. Heutzutage findet man die Röntgenstrahlung zum Beispiel bei der Computertomographie, wo dann das rotierende Gerät Querschnitte des Körpers macht. Dies geschieht durch das Aussenden der Strahlung, wodurch ein spezielles Helligkeitsmuster entsteht. Dann fangen Detektoren die Strahlung auf und der Computer bekommt die Informationen in Daten umgewandelt.