Grundlagen der Kernphysik: Radioaktivität, Isotope & Kernenergie

Grundlagen der Kernphysik: Ein Überblick

Isotope

Atome mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Atommasse.

Radioaktivität

Die Fähigkeit einiger instabiler Kerne, spontan Teilchen und/oder elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Alle Kerne mit Ordnungszahlen größer als 83 sind radioaktiv.

Interne Strahlung

Strahlung, die von internen radioaktiven Stoffen in Lebensmitteln, Wasser und Luft stammt. Beim Verschlucken oder Einatmen wird sie von Gewebe im Körper absorbiert. Die wichtigsten radioaktiven Isotope, die im menschlichen Körper enthalten sind, sind Kalium-40, Kohlenstoff-14 und Tritium.

Radon

Kontinuierlich aus der Erdoberfläche austretend. Radon ist ein Gas und wird daher von Lebewesen eingeatmet. Wenn die Konzentration dieses Elements in einem geschlossenen Raum eingeschlossen ist, kann sie deutlich ansteigen und Lebewesen schädigen.

Alpha-Strahlung

Alpha-Teilchen-Emissionen haben eine geringe Geschwindigkeit und Durchschlagskraft, da sie eine hohe Masse besitzen, was zu einer niedrigen Geschwindigkeit führt. Sie bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Alpha-Teilchen sind stark ionisierend, da sie Elektronen aus einem Atom herausschlagen können, wodurch dieses Atom ionisiert wird.

Beta-Strahlung

Beta-Teilchen sind viel kleiner als Alpha-Teilchen und weiter verbreitet, da ihre höhere Geschwindigkeit sich der Lichtgeschwindigkeit nähert (sie bewegen sich mit etwa einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit). Sie treten in Kernen mit einem Überschuss an Neutronen oder Protonen auf, wobei Neutronen den Kern durch Erhöhung der Protonenzahl stabilisieren können. Es sind Teilchen mit Masse und Ladung, die identisch mit Elektronen sind.

Gammastrahlung

Elektromagnetische Strahlung ist allgegenwärtig, besitzt keine elektrische Ladung und ist hoch mutagen für lebende Zellen. Sie bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit und hat eine hohe Frequenz. Gammastrahlung manifestiert sich bei radioaktiven Prozessen als Folge der De-Anregung eines zuvor angeregten Kerns. Daher werden Prozesse, die Alpha- oder Beta-Teilchen-Emissionen erzeugen, von der Emission elektromagnetischer Strahlung in Form von Gamma-Photonen begleitet.

Kernreaktionen und Radioaktiver Zerfall

Kernreaktionen werden durch einen instabilen Kern, den sogenannten Mutterkern, verursacht. Dieser Mutterkern emittiert Strahlung und wandelt sich spontan in einen stabileren Kern, den Tochterkern, um. Der radioaktive Zerfall wird durch die allgemeine Zerfallsgleichung dargestellt:

• Kerne mit hoher Masse (Z > 83): Alpha-Emission.
• Kerne mit Neutronenüberschuss: Beta-Minus-Emission.
• Kerne mit Protonenüberschuss: Umwandlung von Protonen in Neutronen (Positronen-Emission oder Elektroneneinfang).

Halbwertszeit (t½)

Die Halbwertszeit (t½) ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, damit die Hälfte der ursprünglichen radioaktiven Atome zerfällt.

Kernspaltung

Kernspaltung ist ein Prozess, bei dem ein schwerer Atomkern (Z > 200) durch Neutronenbeschuss in kleinere, stabilere Kerne mittlerer Masse gespalten wird, wobei zusätzlich ein oder mehrere Neutronen freigesetzt werden. Dieser Prozess setzt große Mengen an Energie frei. Kernspaltung wird derzeit in Kernkraftwerken zur Energiegewinnung genutzt.

Kernfusion

Kernfusion ist ein Prozess, bei dem leichte Atomkerne zu einem schwereren Atomkern verschmelzen. Dieser Prozess setzt große Mengen an Energie frei. Solche Reaktionen erfordern extrem hohe Temperaturen, typischerweise über 100.000.000 °C.

Kernreaktoren

Kernreaktoren sind Systeme, in denen die freigesetzte Kernenergie zur Stromerzeugung genutzt wird. Es gibt verschiedene Reaktortypen:

Forschungsreaktoren

Diese Reaktoren nutzen Neutronen, um Isotope zu produzieren.

Leistungsreaktoren

Diese Reaktoren erzeugen Wärme zur Stromerzeugung.

Intensität der Strahlung

Die Intensität der Strahlung ist proportional zu 1/d², wobei d die Entfernung von der Quelle ist.