Radioaktiver Zerfall und Halbwertszeit

Radioaktiver Zerfall

Radioaktive Nuklide wandeln sich völlig spontan unter Aussendung radioaktiver Strahlung in neue Kerne um.
Diese Form der Kernumwandlung wird als Spontanzerfall bezeichnet. Die entstehenden Folgekerne sind häufig wieder radioaktiv, sodass in der Natur ganze Zerfallsreihen existieren. Der Zerfall geht solange weiter, bis ein stabiles Nuklid entsteht.

Je nach Art der beim spontanen Zerfall von Atomkernen ausgesendeten Strahlung unterscheidet man zwischen drei grundlegenden Zerfallsarten. Beim $\alpha \text{-}\text{Zerfall}$ entstehen $\alpha \text{-}\text{Teilchen}{\text{,}}_{\text{2}}^{\text{4}}\text{He}\text{.}$ Beim $\beta \text{-}\text{Zerfall}$ werden $\beta \text{-}\text{Teilchen}$, entweder Elektronen $,{}_{–1}^0\text{e}\text{,}$ oder Positronen $,{}_1^0\text{e}\text{,}$ an die Umgebung abgegeben.
Bei den Elektroneneinfangreaktionen werden keine Teilchen, sondern radioaktive $\gamma \text{-}\text{Strahlen}$ ausgesendet.
Der Spontanzerfall und die damit verbundene Radioaktivität in unserer Umwelt führt dazu, dass wir ständig einer schwachen radioaktiven Strahlung ausgesetzt sind.
$\gamma \text{-}\text{Strahlen}$ sind elektromagnetische Wellen hoher Frequenz, die auch als energiereiche Photonen bezeichnet werden. Sie werden als ${}_0^0\gamma$ symbolisiert und sind Träger der überschüssigen Energie, die bei der Stabilisierung von Kernen abgegeben wird.
Die Energie radioaktiver Strahlung reicht aus, um chemische Bindungen spalten oder Substanzen ionisieren zu können, wodurch instabile, außerordentlich reaktive Teilchen entstehen. Dabei werden Radikale gebildet, die so reaktiv sind, dass sie eine Vielzahl anderer Substanzen angreifen und ebenfalls in Radikale umwandeln.

Zerfallsreihen

Das bei einem radioaktiven Zerfall gebildete Element ist meist ebenfalls radioaktiv und zerfällt selbst weiter. Eine solche Serie aufeinanderfolgender, auch verschiedenartiger Kernreaktionen, in deren Ergebnis ein radioaktives Nuklid in ein stabiles Isotop überführt wird, bezeichnet man als radioaktive Zerfallsreihe . Viele natürliche Radionuklide lassen sich in eine der vier Zerfallsreihen einordnen:

• Uran-Radium-Reihe,
• Thorium-Reihe,
• Uran-Actinium-Reihe,
• Neptunium-Reihe.

Halbwertszeit

Als Beispiel betrachten wir die Uran-Radium-Reihe (Bild 2). Ausgangspunkt ist das Uranisotop Uran-238. Es zerfällt unter Abgabe von Alphastrahlung, der Folgekern ist Betastrahler usw. Schließlich entsteht nach einer Reihe von Kernumwandlungen das stabile Blei-206.
Eine wichtige Größe, die die Schnelligkeit des Zerfalls der ursprünglich vorhandenen Atomkerne charakterisiert, ist die Halbwertszeit .

Die Halbwertszeit eines Nuklids gibt an, in welcher Zeit sich jeweils die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Atomkerne in andere Atomkerne umwandelt.

Eingeführt wurde der Begriff Halbwertszeit 1903 von dem französischen Kernphysiker PIERRE CURIE (1859-1906). Die Halbwertszeit z. B. von Wasserstoff-3 (Tritium) beträgt 12,3 Jahre.

Beispiel: Caesium-137

Das Nuklid Caesium-137 ist ein Beta- und Gammastrahler. Es hat eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren.
Das bedeutet:

• Geht man von einer bestimmten Anzahl von Atomkernen des Caesium-137 aus, die zum Zeitpunkt t = 0 vorhanden sind, dann hat sich im Verlaufe von 30 Jahren die Hälfte aller Caesium-Kerne umgewandelt. Aus diesen Caesiumkernen sind Bariumkerne entstanden.
• In weiteren 30 Jahren zerfällt wiederum die Hälfte der vorhandenen Caesiumkerne, sodass nach 60 Jahren nur noch 1/4 der ursprünglich vorhandenen Caesiumkerne vorhanden sind.
• Nach 90 Jahren wären dann noch 1/8 der ursprünglich vorhandenen Caesiumkerne vorhanden.

Wie groß sind die Halbwertszeiten?

Die Halbwertszeiten liegen für die verschiedenen Nuklide zwischen Bruchteilen von Sekunden und Milliarden von Jahren.
Aus Bild 3 ist erkennbar: Radionuklide zerfallen unterschiedlich schnell. Das gilt auch für die Isotope eines Elements, wie die Beispiele Uran und Radium zeigen.
Diese unterschiedlichen Halbwertszeiten sind auch für Anwendungen von Bedeutung. So nutzt man z. B. im medizinischen Bereich Radionuklide mit kurzen Halbwertszeiten, um die Strahlenbelastung gering zu halten.
Die Halbwertszeit von Kohlenstoff-14 spielt eine entscheidende Rolle bei der Altersbestimmung von organischen Stoffen nach der C-14-Methode (Radiokarbonmethode).

Halbwertszeit von Zerfallsreihen

In der Natur existieren einige Zerfallsreihen. Radionuklide zerfallen über eine ganze Reihe von Folgekernen, die ihrerseits wieder radioaktiv sind, bis zu einem stabilen Nuklid. Auch für eine solche gesamte Zerfallsreihe lässt sich eine Halbwertszeit angeben. Die folgende Übersicht gibt die Halbwertszeiten für die vier Zerfallsreihen an.

Für die Uran-Radium-Reihe bedeutet das Folgendes: Von einem Kilogramm Uran-238 sind nach einer Zeit von 4,51 Milliarden Jahren ein halbes Kilogramm zu stabilem Blei geworden.
Man beachte bei dieser Zeit:
Das Alter der Erde wird auf etwa 5 Milliarden Jahre geschätzt. Unsere Zeitrechnung begann vor etwa 2000 Jahren. Das ist nur ein Bruchteil dieser Halbwertszeit, etwa 0,000 04 % davon.
Die Neptunium-Reihe spielt in der Natur wegen der relativ kurzen Halbwertszeit keine Rolle mehr. Die in der Natur auftretenden Zerfallsreihen sind eine Ursache dafür, dass die Menschheit in ihrer Entwicklung ständig einer geringen radioaktiven Strahlung ausgesetzt war und es auch heute ist.