Radioaktiver Zerfall: Arten und Halbwertszeit
Beim radioaktiven Zerfall ändern sich Kerne oder ihr Energiezustand. Erkenne Alpha, Beta und Gamma an den Kernzahlen.
Kurz gesagt
Radioaktiver Zerfall ist eine spontane Kernumwandlung. Bei Alpha sinken Massen- und Ordnungszahl um 4 und 2, bei Beta-minus steigt die Ordnungszahl um 1, und bei Gamma bleiben beide gleich. Einzelne Zerfälle sind zufällig; nach jeder Halbwertszeit halbiert sich der erwartete Rest vieler Kerne.
Radioaktiver Zerfall ist die spontane Umwandlung eines instabilen Atomkerns. Dabei entstehen andere Kerne oder der Kern gibt überschüssige Energie ab. Der Zeitpunkt eines einzelnen Zerfalls ist zufällig; bei sehr vielen gleichen Kernen lässt sich der verbleibende Anteil jedoch zuverlässig beschreiben. Auf dieser Seite lernst du, Kernschreibweisen und Zerfallsgleichungen zu lesen, Alpha-, Beta- und Gammazerfall zu unterscheiden und mit der Halbwertszeit zu rechnen.
Deine Lernziele
In der Kernschreibweise {}^{A}_{Z}X steht X für das Elementsymbol. Die Ordnungszahl Z gibt die Protonenzahl an. Die Massenzahl A zählt Protonen und Neutronen zusammen. Für die Neutronenzahl N gilt:
A=Z+N
Daraus folgt:
N=A-Z
Nuklid
Ein Nuklid ist eine bestimmte Atomkernsorte, die durch ihre Protonenzahl Z und ihre Massenzahl A festgelegt ist. Nuklide desselben Elements haben dieselbe Protonenzahl, aber sie können unterschiedliche Neutronenzahlen besitzen. Dann heißen sie Isotope.
Beispiel: Beim Uran-238-Kern {}^{238}_{92}\mathrm{U} ist A=238 und Z=92.
- 1N=238-92=146
- 2Der Kern enthält also 92 Protonen und 146 Neutronen.
Teste dich
Bei einem Zerfall müssen die Zahlen der Kernbausteine und der elektrischen Ladungen auf beiden Seiten zusammenpassen. So erkennst du die Zerfallsart und bestimmst einen Tochterkern.
Alphazerfall: Ein Heliumkern verlässt den Mutterkern. Der Tochterkern hat zwei Protonen und insgesamt vier Kernteilchen weniger.
Beta-minus-Zerfall: Im Kern wird ein Neutron zu einem Proton. Ein Elektron und ein sehr schwer nachweisbares neutrales Teilchen, das Antineutrino, entstehen. Das Elektron stammt nicht aus der Atomhülle. A bleibt gleich, Z steigt um 1. Vereinfacht, ohne das Antineutrino, schreibt man:
{}^{214}_{82}\mathrm{Pb}\rightarrow{}^{214}_{83}\mathrm{Bi}+e^-
Das Zeichen e^- steht für das abgegebene Elektron.
Gammazerfall: Ein angeregter Kern gibt Energie als Gammaquant ab. Es entsteht kein anderes Nuklid: A und Z bleiben gleich.
{}^{A}_{Z}X^*\rightarrow{}^{A}_{Z}X+\gamma
Der Stern kennzeichnet den angeregten Kern; \gamma bezeichnet das abgegebene Gammaquant.
| Zerfallsart | Abgegeben wird | Änderung von A | Änderung von Z |
|---|---|---|---|
| Alpha (\alpha) | Heliumkern {}^{4}_{2}\mathrm{He} | -4 | -2 |
| Beta-minus (\beta^-) | Elektron und Antineutrino aus einer Kernumwandlung | 0 | +1 |
| Beta-plus (\beta^+) | Positron und Neutrino aus einer Kernumwandlung | 0 | -1 |
| Gamma (\gamma) | energiereiches Photon | 0 | 0 |
Beispiel: Radium-226 zerfällt unter Abgabe eines Alphateilchens:
- 1{}^{226}_{88}\mathrm{Ra}\rightarrow{}^{222}_{86}\mathrm{Rn}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}
- 2Die Kontrolle zeigt: 222+4=226 und 86+2=88. Beide Zahlenbilanzen stimmen.
Merke: Ändern sich A und Z, entsteht ein anderer Kern. Bleiben beide gleich und wird nur Energie abgegeben, handelt es sich um Gammastrahlung.
Teste dich
Du kannst nicht vorhersagen, wann ein bestimmter instabiler Kern zerfällt. Auch Temperaturänderungen oder chemische Reaktionen legen diesen Zeitpunkt nicht fest. Bei vielen gleichartigen Kernen zeigt sich ein Muster: In gleichen Zeitabschnitten zerfällt im Mittel derselbe Anteil, nicht dieselbe Kernzahl.
Nach jeder Halbwertszeit halbierst du den aktuellen Bestand. Im mathematischen Modell nähert sich die erwartete Kernzahl null an. In einer echten endlichen Probe kann auch der letzte radioaktive Kern zerfallen.
Sind n Halbwertszeiten vergangen, gilt für die erwartete Restkernzahl:
N=N_0\left(\frac12\right)^n
N_0 ist der Anfangsbestand. Wenn die Zeit t gegeben ist, bestimmst du zuerst die Zahl der Halbwertszeiten:
n=\frac{t}{T_{1/2}}
Caesium-137 hat eine Halbwertszeit von ungefähr 30 Jahren. Nach ungefähr 90 Jahren sind etwa drei Halbwertszeiten vergangen. Der erwartete Restanteil beträgt \left(\frac12\right)^3=\frac18. Dabei müssen t und T_{1/2} dieselbe Zeiteinheit haben.
Halbwertszeit
Die Halbwertszeit T_{1/2} ist die Zeit, nach der im statistischen Mittel die Hälfte der zuvor vorhandenen, noch nicht zerfallenen Kerne übrig ist. Sie ist für das jeweilige Nuklid charakteristisch.
| vergangene Halbwertszeiten n | Restanteil | Prozent |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 100\,\% |
| 1 | \frac12 | 50\,\% |
| 2 | \frac14 | 25\,\% |
| 3 | \frac18 | 12{,}5\,\% |
| 10 | \frac{1}{1024} | ungefähr 0{,}098\,\% |
Beispiel
- 1Eine große Probe enthält anfangs 1000 noch nicht zerfallene gleichartige Kerne. Es vergehen drei Halbwertszeiten.
- 2Nach der ersten Halbwertszeit bleiben 1000\cdot\frac12=500 Kerne.
- 3Nach der zweiten bleiben 500\cdot\frac12=250 Kerne.
- 4Nach der dritten bleiben 250\cdot\frac12=125 Kerne.
- 5Direkt gerechnet:
- 6N=1000\left(\frac12\right)^3=125
- 7Im statistischen Modell sind nach drei Halbwertszeiten also 125 Kerne beziehungsweise 12{,}5\,\% des Anfangsbestands übrig.
Teste dich
Der bei einem Zerfall entstandene Tochterkern kann selbst instabil sein. Zerfällt er weiter, entsteht eine Zerfallsreihe. Sie endet, wenn ein stabiler Kern erreicht ist. In der Uran-Radium-Reihe zerfällt Uran-238 zuerst durch Alpha zu Thorium-234. Nach weiteren Alpha- und Betazerfällen endet die Reihe bei stabilem Blei-206.
Radioaktiver Zerfall kann als Zeitmaß dienen. Bei der Radiokarbonmethode nimmt ein Lebewesen während seines Lebens Kohlenstoff-14 auf. Nach seinem Tod endet die Aufnahme, während vorhandenes Kohlenstoff-14 weiter zerfällt. Sein verbliebener Anteil hilft, das Alter einer organischen Probe abzuschätzen.
Radioaktive Strahlung kann Zellen durch Ionisation schädigen. Die Wirkung hängt von Strahlungsart, Energie und davon ab, ob radioaktiver Stoff in den Körper gelangt. Die Tabelle zeigt typische Abschirmungen; sie hängen auch von Energie und Material ab.
| Strahlung | qualitative Abschirmung |
|---|---|
| Alpha | geringe Reichweite; Papier kann genügen |
| Beta | stärker durchdringend; dünnes Aluminium kann abschirmen |
| Gamma | schwerer abzuschirmen; dicke Bleischichten werden verwendet |
Teste dich
Alles auf einen Blick
Radioaktiver Zerfall
A, Z und N=A-Z
Alpha und Beta
Gamma
Nach jeder Halbwertszeit halbiert sich der erwartete Rest
Zerfallsreihe bis zum stabilen Nuklid
Altersbestimmung und Strahlenschutz
Tochterkern beim Alphazerfall bestimmen
- 1Uran-238 hat die Kernzahlen A=238 und Z=92. Ein Alphateilchen trägt A=4 und Z=2 fort.
- 2Für den Tochterkern gilt A=238-4=234 und Z=92-2=90.
- 3Die Ordnungszahl 90 gehört zu Thorium: {}^{238}_{92}\mathrm{U}\rightarrow{}^{234}_{90}\mathrm{Th}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}.
- 4Die Bilanz stimmt: 234+4=238 und 90+2=92.
Fehler finden
Fehler in Zeile 3Die Massenzahl bleibt bei Beta-minus gleich: richtig sind A=115 und Z=50. Ein Neutron wird zum Proton; kein Kernbaustein verlässt den Kern.
Lückentext
Nach einer Halbwertszeit bleibt des vorherigen Bestands. Nach zwei Halbwertszeiten ist insgesamt des Anfangsbestands übrig. Der Zerfallszeitpunkt eines einzelnen Kerns ist .