Radioaktivität und Kernphysik: Eine Einführung

Einführung in die Radioaktivität

Röntgenstrahlen durchdringen feste Materialien, können Luft ionisieren, werden an Glas nicht gebrochen und nicht von Magnetfeldern abgelenkt. Sie sind hochfrequente elektromagnetische Wellen, die durch die Anregung der innersten Orbitalelektronen von Atomen emittiert werden.

Die Entdeckung der Radioaktivität

Der französische Physiker Henri Becquerel versuchte zu prüfen, ob einige Elemente spontan Röntgenstrahlen emittierten. Er stellte fest, dass die meisten Stoffe keinen Einfluss hatten, aber Uran Strahlen erzeugte. Es stellte sich bald heraus, dass ähnliche Strahlen auch von anderen Elementen wie Thorium, Actinium und zwei neuen Elementen, die von Marie und Pierre Curie entdeckt wurden – Polonium und Radium – emittiert werden. Diese Strahlen waren das Ergebnis eines spontanen Zerfalls des Atomkerns: Radioaktivität.

Arten der Radioaktivität

Alle Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 82 sind radioaktiv. Sie emittieren drei verschiedene Arten von Strahlen:

• Alpha-Strahlung: Ist ein Strom von Heliumkernen (positiv geladen).
• Beta-Strahlung: Ist ein Fluss von Elektronen (negativ geladen).
• Gammastrahlung: Ist elektromagnetische Strahlung. Sie ist Teil des elektromagnetischen Spektrums und hat oft eine viel größere Energie als Licht und Röntgenstrahlen. Gammastrahlen entstehen im Atomkern (ungeladen).

Der Atomkern und seine Bestandteile

Nukleonen und Kernformen

Die Teilchen, die den Atomkern bilden, werden als Nukleonen bezeichnet. Wenn sie eine elektrische Ladung tragen, sind es Protonen; Neutronen sind elektrisch neutral. Einige Kerne sind kugelförmig, aber die meisten haben unterschiedliche Formen, wie oval, und einige sogar die Form eines Türgriffs.

Quarks und Antiquarks

Quarks sind neue Teilchen, die bei Kernkollisionen entstehen. Sie können nur als Kombination von sechs subnuklearen Partikeln mit gebrochenen elektrischen Ladungen existieren. Teilchenphysiker haben sechs Arten von Quarks benannt:

• Up
• Down
• Charm
• Strange
• Top
• Bottom

Das Antiquark ist das Antiteilchen, das einem Quark entspricht. Die Anzahl der Arten von Quarks und Antiquarks ist gleich. Sie werden durch die gleichen Symbole wie die Quarks dargestellt, jedoch mit einem Balken über dem entsprechenden Buchstaben. Zum Beispiel, wenn ein Up-Quark als 'u' dargestellt wird, ist ein Up-Antiquark als 'ū' geschrieben.

Ionen und Isotope

• Ionen: Atome oder andere Teilchen mit positiver (Kation: verliert Elektronen) oder negativer (Anion: gewinnt Elektronen) elektrischer Ladung, oft in einer Lösung.
• Isotope: Atomarten eines chemischen Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl.

Die Kernkraft und Halbwertszeit

Warum Kerne stabil sind: Die starke Wechselwirkung

Warum werden die Protonen im Kern nicht durch die große Abstoßungskraft auseinandergeworfen? Weil es eine noch stärkere Kraft innerhalb des Atomkerns gibt: die Kernkraft. Sowohl Neutronen als auch Protonen werden durch diese Anziehungskraft zusammengehalten. Die Kernkraft ist viel komplizierter als die elektrische Kraft und wird erst jetzt vollständig verstanden.

Der größte Teil der Kernkraft, der den Kern zusammenhält, wird als starke Wechselwirkung bezeichnet. Es ist eine Anziehungskraft, die zwischen Protonen, Neutronen und Teilchen, die Mesonen genannt werden (diese sind Hadronen), wirkt. Diese Kraft wirkt nur über eine sehr kurze Distanz. Während also die Protonen in kleinen Atomkernen nahe beieinander liegen, überwindet sie leicht die elektrische Abstoßung. Aber bei größeren Abständen zwischen Protonen, wie sie auf gegenüberliegenden Seiten eines großen Kerns vorkommen, kann die nukleare Anziehungskraft im Vergleich zur elektrischen Abstoßung gering werden. Eine höhere Konzentration von Nukleonen in einem großen Kern ist daher nicht so stabil wie in einem kleineren Kern.

Halbwertszeit

Die Halbwertszeit ist die Zeit, die eine radioaktive Probe benötigt, um die Hälfte ihrer ursprünglichen Radioaktivität zu verlieren. Zum Beispiel hat Radium-226 eine Halbwertszeit von 1620 Jahren, was bedeutet, dass die Hälfte einer gegebenen Probe von Radium-226 nach 1620 Jahren in andere Elemente zerfallen ist.

Strahlungsdetektoren

Strahlungsdetektoren sind Geräte, mit denen die Zerfallsrate gemessen und die Anwesenheit von Strahlung nachgewiesen werden kann. Zu den gängigsten Typen gehören:

• Geigerzähler

  Ein Geigerzähler erkennt Strahlung, indem sie ein in der Röhre eingeschlossenes Gas ionisiert. Die dabei entstehenden Stromimpulse werden gezählt und als akustisches Signal oder auf einem Display angezeigt.

• Szintillationszähler

  Ein Szintillationszähler zeigt Strahlung durch Lichtblitze (Szintillationen) an, die entstehen, wenn geladene Teilchen oder Gammastrahlen ein Szintillatormaterial passieren. Diese Lichtblitze werden dann von einem Photomultiplier in elektrische Signale umgewandelt.

• Nebelkammer

  Eine Nebelkammer macht die Spuren geladener Teilchen sichtbar, die sich durch übersättigten Dampf bewegen. Wenn sich die Kammer in einem starken elektrischen oder magnetischen Feld befindet, geben die Ablenkungen der Spuren Aufschluss über Ladung, Masse und Impuls der Teilchen.

• Blasenkammer

  Die Spuren von Teilchen in einer Blasenkammer sind winzige Gasbläschen in flüssigem Wasserstoff. Der flüssige Wasserstoff wird unter Druck in einer Glas- und Edelstahlkammer auf eine Temperatur knapp unter dem Siedepunkt erhitzt. Wenn der Kammerdruck plötzlich gesenkt wird, ionisiert ein Teilchen, das in diesem Moment vorbeifliegt, eine dünne Spur von Blasen entlang seiner Flugbahn. Die Flüssigkeit beginnt zu sieden, aber bevor dies vollständig geschieht, zeigen die Bilder der kurzen Spuren der Teilchen in einem Magnetfeld in der Blasenkammer die Ladung und Masse der Teilchen.

• Funkenkammer

  Eine Funkenkammer ist ein Detektor, der aus einer Reihe von dicht beieinander liegenden parallelen Platten besteht. Jede dritte Platte ist geerdet, und die Zwischenplatten werden mit einer hohen Spannung von etwa 10 kV betrieben. Ionen werden im Gas zwischen den Platten erzeugt, wenn geladene Teilchen die Kammer durchqueren. Die Entladung entlang des Weges der Ionen erzeugt einen sichtbaren Funken zwischen Plattenpaaren. Eine Spur aus vielen Funken zeigt die Flugbahn des Teilchens. Ein anderes Design wird als Suchkammer bezeichnet, die nur zwei Platten umfasst, die durch einen elektrischen Schlag die Flugbahn geladener Teilchen sichtbar machen.