Radioaktivität: Arten, Zerfall und Anwendungen

Radioaktivität: Eine Einführung

Radioaktive Stoffe zeichnen sich durch die Emission von Strahlung aus, die undurchsichtige Materialien durchdringen kann. Diese Strahlung ionisiert die Luft, beeinflusst Fotoplatten und erregt die Fluoreszenz bestimmter Stoffe.

Arten von Radioaktiver Strahlung

Radioaktive Kerne emittieren:

• α-Strahlung (Alpha): Heliumkerne
• β-Strahlung (Beta): Schnelle Elektronen
• γ-Strahlung (Gamma): Energetische elektromagnetische Wellen (ähnlich Röntgenstrahlung)

Die Durchschlagskraft dieser Strahlungsarten ist unterschiedlich:

• α-Strahlung: Geringste Durchschlagskraft
• β-Strahlung: Mittlere Durchschlagskraft
• γ-Strahlung: Höchste Durchschlagskraft

Radioaktiver Zerfall

Radioaktiver Zerfall ist ein zufälliger Prozess. Die Anzahl der noch nicht zerfallenen Kerne (N) zu einem Zeitpunkt (t) wird beschrieben durch:

N = N₀e^-λt

wobei:

• N₀: Anzahl der Kerne zu Beginn (t=0)
• λ: Zerfallskonstante

Die Halbwertszeit (T) ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der ursprünglichen Kerne zerfallen ist:

T = ln(2) / λ

Biologische Wirkungen & Anwendungen

Hohe Dosen radioaktiver Strahlung können das Risiko für Krebs und genetische Erkrankungen erhöhen. Die Gefährlichkeit hängt von der Quelle ab:

• Externe Quelle: γ-Strahlung ist am gefährlichsten.
• Interne Quelle: α-Strahlung ist am gefährlichsten.

Radioaktivität hat viele Anwendungen:

• Medizin
• Industrie
• Chemie
• Landwirtschaft
• Technik

Der Atomkern

Der Atomkern wird charakterisiert durch:

• Ordnungszahl (Z): Anzahl der Protonen
• Massenzahl (A): Anzahl der Nukleonen (Protonen + Neutronen)

Ein Atomkern besteht aus Z Protonen und (A-Z) Neutronen.

Kernkräfte

• Starke Kernkraft: Hält den Kern zusammen.
• Schwache Kernkraft: Verantwortlich für den Beta-Zerfall (β).

Beide Kräfte sind sehr kurzreichweitig, aber intensiv.

Bindungsenergie

Die Bindungsenergie ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn sich einzelne Nukleonen zu einem Kern verbinden. Bei diesem Prozess verlieren die Nukleonen einen Teil ihrer Masse (Massendefekt, Δm):

Δm = (Z * m_p + (A-Z) * m_n) - M_n

wobei:

• m_p: Masse des Protons
• m_n: Masse des Neutrons
• M_n: Masse des Kerns

Die mit dem Massendefekt verbundene Energie (ΔE) ist:

ΔE = Δm * c²

Kernreaktionen

Kernreaktionen sind Prozesse, bei denen sich Atomkerne in andere Kerne umwandeln.

Radioaktivität und Kernreaktionen

Radioaktive Atomkerne zerfallen spontan unter Emission von α- und β-Strahlung. Eine radioaktive Zerfallsreihe (oder Familie) beschreibt die Abfolge von Isotopen, bis ein stabiler Kern erreicht ist.

Kernspaltung

Kernspaltung ist eine Kernreaktion, bei der ein schwerer Kern in zwei leichtere Kerne gespalten wird, wenn er mit Neutronen beschossen wird. Dabei werden weitere Neutronen und große Mengen an Energie freigesetzt.

Kernfusion

Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der zwei leichte Kerne zu einem schwereren Kern verschmelzen. Dieser Prozess setzt große Mengen an Energie frei.

Subatomare Teilchen & Fundamentale Kräfte

Die meisten subatomaren Teilchen bestehen aus einfacheren Elementarteilchen. Subatomare Teilchen werden in zwei Gruppen eingeteilt:

• Leptonen: Unterliegen nicht der starken Kernkraft.
• Hadronen: Unterliegen der starken Kernkraft und bestehen aus Quarks.

Es gibt vier fundamentale Kräfte in der Natur:

• Gravitation
• Elektromagnetismus
• Starke Kernkraft
• Schwache Kernkraft

Es wird daran geforscht, diese Kräfte in einer einheitlichen mathematischen Theorie zu vereinen. Bisher wurden die elektromagnetische und die schwache Kernkraft vereinheitlicht (elektroschwache Wechselwirkung).