Allgemeines zur radioaktiven Strahlung :
Es gibt insgesamt drei verschiedene „radioaktive Strahlungen“. Diese bezeichnet man als a-, b– beziehungsweise g-Strahlung.
Es gibt eine allgemeine Gemeinsamkeit bei den radioaktiven Strahlungen : Sie sind alle Kernstrahlungen und entstehen durch den Zerfall eines Elements.
Voneinander zu unterscheiden sind sie im Aufbau, der Reichweite, der magnetischen Ablenkbarkeit und der Durchdringbarkeit.
Im Aufbau unterscheiden sie sich in so fern, als dass die a– und die b-Strahlung aus sogenannten „Strahlungsteilchen“ bestehen.
Die g-Strahlung jedoch besteht aus elektromagnetischen Wellen, beziehungsweise aus Photonen (Lichtquanten).
Die drei Strahlungstypen können beim Zerfall eines Elements gemeinsam vorkommen.
a-Strahlung
Die Reichweite der a-Strahlung beträgt nur wenige Zentimeter.
Sie hat eine sehr geringe Durchdringbarkeit . Dies bedeutet soviel, dass man diese Strahlung schon durch ein einfaches Blatt Papier eindämmen kann.
Beim a-Zerfall eines Atoms werden aus dem Atomkern Heliumkerne herausgelöst und „abgestrahlt“.
Diese Heliumkerne bestehen nur aus Nukleonen. Sie enthalten also keine Elektronen, sondern nur Protonen und Neutronen. Daher sind sie doppelt positiv geladen.
Die Masse dieser Heliumkerne beträgt circa 4,001 u (atomare Masseneinheiten).
Diese Masse ergibt sich aus der Addition der Masse zweier Protonen und zweier Neutronen.
Die Alpha-Strahlung ist nur bedingt magnetisch ablenkbar, da sie relativ „schwer“ ist. Näheres zu diesem Thema ist unter „Magnetische Ablenkbarkeit der Strahlungsteilchen“ nachzulesen.
Für den a-Zerfall sind folgende Regelmäßigkeiten zu beobachten :
Die Massezahl des Atoms wird durch den Verlust der Protonen und Neutronen um „4“ verringert.
Da die Ordnungszahl mit der Anzahl der Protonen im Atomkern zusammenhängt und jetzt 2 zwei Protonen (und zwei Neutronen) abgegeben wurden, muß die Ordnungszahl um „2“ verringert werden.
Durch den a-Zerfall entsteht ein neues Element. Diese kann man mit der Regel bestimmen, dass dieses neue Element generell zwei Stellen vor dem Ausgangselement steht.
Ein Beispiel für eine a-Zerfallsgleichung :
Aus „U (Uran)“ wird durch den a-Zerfall : „Th (Thorium)“ + „He (Helium++) >>> Über die Fortsetzung dieser Zerfallsreihe ist weiter unten etwas zu erfahren.
b-Strahlung
Die b-Strahlung hat eine höhere Reichweite, als die a-Strahlung. Sie beträgt circa 10 cm.
Sie hat außerdem eine höre Durchdringbarkeit und ist somit schwerer einzudämmen. Für ihre Eindämmung benötigt man Elemente mit einer hohen Dichte, wie zum Beispiel Blei.
Bei dieser Art des radioaktiven Zerfalls lösen sich ausschließlich Elektronen aus dem Atomkern und werden „abgestrahlt“.
Ein Strahlungsteilchen, beziehungsweise ein Elektron, ist einfach negativ geladen.
Neben seiner Ladung entspricht auch die Masse eines Strahlungsteilchen der, eines Elektrons, also circa 0,0005 u (atomare Masseneinheiten).
Bei diesem Zerfall ist außerdem noch eine Besonderheit zu beobachten :
Ein Neutron zerfällt in ein Elektron und ein Proton.
Die Strahlungsteilchen der b-Strahlung sind besser magnetisch ablenkbar, als die der a-Strahlung.
Die Strahlungsteilchen werden generell in die entgegengesetzte Richtung der a-Strahlungsteilchen abgelenkt.
Wie bei dem a-Zerfall gibt es auch für b-Zerfall bestimmte Regelmäßigkeiten und eine Zerfallsgleichung :
Die Massezahl des Atoms ist gleichbleibend, beziehungsweise verringert sie sich um 0,0005 u (atomare Masseneinheiten).
Jedoch wird die Ordnungszahl um „1“ vergrößert werden.
Dies hängt damit zusammen, dass aus einem Neutron ein Proton (= ihre Anzahl gibt die Ordnungszahl an) und ein Elektron gebildet wird. Dabei wird dann das Elektron „abgestrahlt“, während das Proton weiterhin im Atomkern bleibt. Es wurde also ein Proton hinzugefügt. Auch durch den b-Zerfall entsteht ein neues Element. Dies läßt sich so bestimmen, indem man die neue Ordnungszahl im Periodensystem sucht. Das neu entstandene Element ist immer das nachfolgende Element des Ausgangsstoffes.
Ein Beispiel für eine b-Zerfallsgleichung :
Aus „Po (Polonium) wird durch den b-Zerfall : „At (Astat) + e (Elektron -) >>> Diese Zerfallsreihe endet hier noch nicht. Auch hier ist näheres über ihren Verlauf weiter unten, in dem Kapitel „Die Zerfallsreihe“ zu entnehmen.
g-Strahlung
Die höchste Reichweite hat die g-Strahlung. Wie weit genau diese Strahlung reicht ist nicht bekannt.
Ihre Durchdringbarkeit ist nochmals höher, als die der b-Strahlung. Man benötigt schon starke Betonwände, um die g-Strahlung wirkungsvoll einzudämmen.
Für die g-Strahlung läßt sich keinerlei Zerfallsgleichung aufstellen. Zu begründen ist dies damit, dass es sich hierbei nicht um eine Teilchenstrahlung, wie bei der a– und b-Strahlung handelt. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine elektromagnetische Wellenstrahlung. Das heißt, dass so gesehen auch nicht von einem „g-Zerfall“ gesprochen werden kann.
Es gibt zwei verschiedene Ansichten, woraus die g-Strahlung besteht.
Eine davon stellt diese Strahlung als „Welle“ dar. Die andere zeigt, dass die g-Strahlung aus sogenannten Photonen (= Lichtquant) besteht. Diese Photonen haben eine Ruhemaße von 0 und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.
Das bedeutet, dass sich auch die g-Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, beziehungsweise verbreitet.
Die g-Strahlung läßt sich nicht magnetisch ablenken. Dies liegt daran, dass ein Photon keine elektrische Ladung besitzt.
Auch in der zweiten Ansichtsweise der g-Strahlung (Wellenform) ist keine elektrische Ladung vorhanden. Auch dies bedeutet, dass eine magnetische Ablenkbarkeit nicht vorhanden ist. Eigenschaften einer „g-Welle“ sind der Info-Folie „Spektrum der elektromagnetischen Strahlung zu entnehmen.
g-Strahlen verlieren ihre Energie beim Durchdringen von Materie, beziehungsweise durch Zusammenstöße mit Elektronen oder ganzen Atomkernen. Man unterscheidet dabei zwei Effekte :
Der „Photoeffekt“
Beim Photoeffekt wird die ganze Energie eines g-Quants auf ein Elektron in der Hülle des Atoms übertragen. Dieses wird dort durch die Energie „x“ gehalten.
Die Differenz aus diesen beiden Energien ist die kinetische Energie (die Bewegungsenergie) des Elektrons.
Außerdem ist noch anzumerken, dass das g-Quant nach diesem Prozess verschwunden ist und dass das Elektron mit der Zeit seine Energie verliert.
Der „Comptoneneffekt“
Beim Comptoneneffekt verschwindet das g-Quant nicht direkt. Dennoch handelt es dich auch bei diesem Prozess um eine Art des Energieabsorbierungsprozesses. Dadurch, dass das vom g-Quanten getroffene Elektron seine Energie wieder verliert entsteht ein neues g-Quant. Dieser Prozess kann man als Kreislauf bezeichnen.
Die Zerfallsreihe :
Uran zerfällt in insgesamt achtzehn Schritten zu dem stabilen Element Blei, mit der Atommasse 206 u (atomare Masseneinheit).
Bei einer Zerfallsreihe ist es immer wichtig, auf die Atommasse zu achten, da, wie hier zum Beispiel, das Blei mit einer Atommasse von 210u kein stabiles Element ist !
Eine kurze Beschreibung : Die Zahl vor dem Element steht für die Atommasse, gemessen in „u“.
238 Uran Þ 234 Thorium Þ 234 Protactinium Þ 234 Uran Þ 230 Thorium Þ 226 Radium Þ 222 Radon Þ 218 Polonium Þ 214 Blei Þ 218 Astat Þ 214 Bismut Þ 214 Polonium Þ 210 Thallium Þ 210 Blei Þ 210 Bismut Þ 206 Quecksilber Þ 206 Thallium Þ 210 Polonium Þ206 Blei.
Näheres, zum Beispiel die Halbwertszeit und den Zerfallstyp, zu dieser Zerfallsreihe und alle möglichen Zerfallskombinationen werden bitte der Info-Folie „Zerfallsreihe des Uran238“ entnommen.
Magnetische Ablenkbarkeit der Strahlungsteilchen
Ein a-Teilchen, beziehungsweise ein Heliumkern, ist, wie oben beschrieben, schwerer abzulenken, als ein b-Teilchen, beziehungsweise ein Elektron.
Dies hängt mit der Masse der beiden Teilchen zusammen. Während das Elektron nur eine Masse von 0,0005 u (atomare Masseneinheit) besitzt, hat ein Heliumkern eine circa achttausend mal größere Masse als ein Elektron.
Dieser Effekt, dass ein Heliumkern viel schlechter abzulenken ist, beschreibt man als „Massenträgheit“.
Die magnetische Ablenkbarkeit hängt aber auch von der elektrischen Ladung ab. Dies erklärt auch, warum ein negativ geladenes Elektron genau in die entgegengesetzte Richtung eines positiv geladene Heliumkern abgelenkt wird.
Die „g-Strahlungsteilchen“ sind überhaupt nicht magnetisch ablenkbar, da diese Strahlung nur aus masselosen Lichtquanten oder aus einer elektromagnetischen Welle besteht.
Radioaktive Strahlung in unserer Umgebung
Man stellt sich meistens vor, dass Radioaktive Strahlung etwas vom Menschen erzeugtes sei, und in der Natur nicht vorkommen würde.
Diese Ansicht ist völlig falsch.
Wir werden jeden Tag durch radioaktive Strahlung belastet, wobei die Dosis so gering ist, dass es meistens nicht gesundheitlich bedenklich ist. Es ist schon fast unvorstellbar, wie und wo wir überall mit Radioaktivität konfrontiert werden.
Zum Beispiel nehmen wir mit jedem Atemzug ein radioaktives Gas (nämlich Radon) auf. Es sind zwar nur relativ geringe Mengen, jedoch besteht diese Belastung ununterbrochen.
Eine weitere Belastung geht von der „solaren und galaktischen Strahlung“ aus. Diese Strahlung setzt sich zum größten Teil aus ungefährlichen Protonen und a-Strahlungsteilchen zusammen.
Außerdem werden wir sogar von unserer Erde mit radioaktiver Strahlung belastet. Sie geht meist von dem radioaktiven Element „Radon“ aus. Ja sogar über unsere Nahrung nehmen wir radioaktive Stoffe auf und lassen sie in unseren Körper.
Was man nur dazu sagen muß, ist, dass diese Strahlung wirklich nicht bedenklich ist. Wir haben uns einfach an diese arten der Belastung gewöhnt und angepaßt.
Wie hoch diese „Hintergrundstrahlung“ nun wirklich ist, hängt von der geographischen Lage ab.
So sind zum Beispiel höher gelegene Gebiete, wie die Zugspitze (circa 4000m über dem Meeresspiegel), einer höheren Strahlenbelastung ausgesetzt, als zum Beispiel die Stadt Hamburg (auf gleicher Höhe mit dem Meeresspiegel).
Gemessen werden kann diese Strahlung mit einem Geiger-Müller-Zähler, welcher schon bei der Hintergrundstrahlung einen Ausschlag verzeichnet.
Die Entdeckung der kosmischen Radiostrahlung
Die kosmische Radiostrahlung wurde 1931 von einem amerikanischen Ingenieur entdeckt.
Die Strahlung „gefunden“ hat dadurch, dass er nach einer Erklärung für periodisch auftretende Störungen im Rundfunkempfang suchte. Er ging zuerst davon aus, dass diese störende Strahlung von der Sonne ausging. Doch als sich der Zyklus auf den „Sternentag“ verschob konzentrierte er sich auf die Suche in den Sternbildern.
Im Sternbild „Schütze“ wurde er fündig und fand eine der stärksten natürlichen Strahlungsquellen überhaupt.
Die Entdeckung der Radioaktivität, beziehungsweise der radioaktiven Strahlung
Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts wurden die meisten Strahlungsarten entdeckt. Die radioaktive Strahlung wurde von den Eheleuten Curie entdeckt.
Marie Curie entdeckte bei einer Untersuchung an Pechblende (das ist ein Uranerz) drei strahlende Elemente :
Das „Polonium“, das sie nach ihrem Heimatland benannte, das sogenannte „Radium“, dessen Name aus dem lateinischem übersetzt soviel, wie „strahlend“ bedeutet und das „Thorium“.
Sie erforschte, dass diese Elemente neben dem damals bekannten Uran ohne Einwirken von außen Strahlen abgeben. Sie erkannte außerdem, dass bei der Abgabe von Strahlen sich die Stoffe veränderten. Dies hat sie an dem Beispiel des Radiums bewiesen, da sie aus knapp einer Tonne Uranerz ein zehntel Gramm Radium erzeugte. Bis dahin war nur bekannt, dass es radioaktive Strahlung gibt. Marie Curie hat außerdem vier sehr wichtige Regeln aufgestellt und ergründet :
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) Ein radioaktiv Strahlender Stoff bildet in seiner Umgebung Ionen.
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) Je stärker ein radioaktiver Stoff strahlt, desto größer ist die Temperaturentwicklung, ohne, dass von außen Energie zugefügt werden muß.
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) Radioaktive Strahlung ist für lebende Zellen in höchstem Maße schädlich. Sie kann sogar Krebs auslösen !
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) Man kann die stoffliche Eigenschaft „Radioaktiv“ durch kein heute bekanntes Verfahren beseitigen.
Es war aber noch nicht erforscht, dass es drei verschiedene Arten von radioaktiver Strahlung gibt.
Diese wurden von Pierre Curie, dem Ehemann von Marie Curie, durch Ablenkungsversuche in einem Magnetfeld nachgewiesen. Der Versuch verlief so, dass man vor einen radioaktiv strahlenden Stoff einen Magneten stellten und dort hinter dann eine Fotoplatte. Nun war zu beobachten, dass sich insgesamt drei verschiedene Stellen durch das auftreffen von Strahlung erhellten.
Einmal war zu erkennen, dass eine Strahlungsart gar nicht abgelenkt werden konnte. Diese Strahlungsart ist uns heute als „Gamma-Strahlung“ bekannt. Dazu aber später mehr.
Des weiteren war zu beobachten, dass sich eine Strahlung sehr stark magnetisch ablenken ließ. Gemeint ist die Beta Strahlung. Bei der letzten Strahlungsart fiel auf, dass sie zwar auch magnetisch ablenkbar ist, nicht aber so stark, wie die Beta-Strahlen abgelenkt werden konnte. Außerdem wurde diese Strahlung genau in die entgegengesetzte Richtung der Beta-Strahlung abgelenkt.
Nachweis von radioaktiver Strahlung
Es gibt verschiedene Methoden, um die radioaktiven Strahlungen nachzuweisen.
Eine davon ist zum Beispiel der „Nebelkammer-Versuch“ von Charles Wilson.
Mit dieser Methode läßt sich jedoch nur die a– und die b-Strahlung nachweisen.
Der Versuchsaufbau ist der Info-Folie „Nebelkammer nach Wilson“ zu entnehmen.
Man füllt zunächst eine geringe Menge Wasser-Propanol-Gemisch in eine Gummiblase.
Anschließend drückt man diese Blase zusammen und läßt sie wieder los. Dadurch entsteht ein sogenannter „gesättigter Wasserdampf“(Nebel). Der radioaktive Strahlungstift sendet nun Strahlungsteilchen in diesen Nebel. Diese Strahlungsteilchen bringen den Nebel zur Kondensation und Nebelspuren werden erkennbar.
Eine weitere Methode radioaktive Strahlung nachzuweisen ist der Einsatz eines Geiger-Müller-Zähler.
Dieser leitet durch die radioaktive Strahlung entstandene Ionen über einen Widerstand ab und mißt sie mit Hilfe eines Elektrometers.
Quellen :
„Chemie heute – Sekundarbereich 1“ Schroedel Verlag;
„Der große Knaur – Band 15“ Knaur Verlag;
„Brockhaus Enzyklopädie – Band 15“ Brockhaus Verlag;
Internet : „http://www.physik.de“
Internet : „http://www.zum.de/schule/dwu/“ (hier gibt es ziemlich gute farbige Folien zum Thema !)
Kurzfassung für Vortrag (20 Minuten) :
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Insgesamt gibt es 3 verschiedene Strahlungsarten.
Nämlich a-, b– und g-Strahlung.
Man nennt sie auch „Kernstrahlungen“.
Zu unterscheiden sind sie durch den Aufbau der Strahlungsteilchen, der elektrischen Ladung, der Masse, der magnetischen Ablenkbarkeit und durch ihre Durchdringbarkeit.
a– und b-Strahlung besteht aus Strahlungsteilchen. g-Strahlung aus Photon, bzw. aus einer elektromagnetischen Welle.
Die Strahlungsarten entstehen beim radioaktiven Zerfall eines Elements und können alle gleichzeitig vorkommen.
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a-Strahlung …
… hat eine geringe Reichweite von nur wenigen cm.
… hat eine sehr geringe Durchdringbarkeit.
… kann schon durch Papier eingedämmt werden.
… besteht aus Heliumkernen.
… hat eine Masse (pro Heliumkern) von 4,005 U.
… ist schwer magnetisch ablenkbar.
… ist einfach positiv geladen.
a-Zerfall …
… stellt ein neues Element her, das zwei Plätze vor dem Ausgangsstoff steht.
… verringert die Ordnungszahl um „2“.
… verringert die Massezahl um „4“.
Zerfallsgleichung :
Uran wird durch den a-Zerfall zu Thorium und Helium
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b-Strahlung …
… hat eine Reichweite von circa 10 cm.
… hat eine mittelmäßige Durchdringbarkeit.
… kann durch Blei und ähnliches eingedämmt werden.
… besteht aus Elektronen.
… hat (pro Elektron) eine Masse von 0,0005 u.
… ist magnetisch leichter (als a-Strahlung) ablenkbar.
… wird in die entgegensetzte Richtung der a-Strahlung abgelenkt.
… ist negativ geladen.
b-Zerfall …
… stellt ein neues Element her, das einen Platz nach dem Ausgangsstoff steht.
… läßt die Massezahl gleichbleibend.
… erhöht die Ordnungszahl um 1.
… läßt ein Neutron in ein Elektron und ein Proton zerfallen.
Zerfallsgleichung :
Aus Polonium wir durch den b-Zerfall Astat.
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g-Strahlung …
… besteht als elektromagnetische Welle, beziehungsweise aus Photonen.
… ist masselos.
… besteht aus Photonen mit einer Ruhemaße von 0. Das bedeutet, dass es ein stillstehendes Photon in diesem Sinne nicht gibt.
… hat keine Zerfallsgleichung, da keine „Teilchenstrahlung“ vorliegt.
… dehnt sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
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