Radioaktiver Strahlung - Arten und Eigenschaften

Radioaktive Strahlung entsteht beim Umwandeln von instabilen Atomkernen (Radionukliden). Dabei wird zwischen Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung unterschieden.

Alphastrahlung

Alphastrahlung ist eine Teilchenstrahlung . Es handelt sich bei Alphateilchen um doppelt positiv geladene Heliumkerne .
Bild 1 zeigt eine solche Kernumwandlung. Die Reaktionsgleichung lautet:

${}_{88}{}^{226}\text{R}\text{a}\to {}_{86}{}^{222}\text{R}\text{n}+{}_2{}^4\alpha \text{(}{}_{\text{2}}{}^{\text{4}}\alpha ={}_2{}^4\text{H}\text{e})$

Bei Abgabe von Alphastrahlung verringert sich die Massenzahl um 4 und die Kernladungszahl (Ordnungszahl) um 2.

Betastrahlung

Betastrahlung ist ebenfalls eine Teilchenstrahlung. Es handelt sich dabei um Elektronen oder um Positronen. Bild 2 zeigt eine Kernumwandlung, bei der Elektronen frei werden. Die Reaktionsgleichung lautet:

${}_{55}{}^{137}\text{C}\text{s}\to {}_{56}{}^{137}\text{B}\text{a}+{}_{-1}{}^0\text{e}$

Bei Abgabe eines Elektrons bleibt die Massenzahl gleich. Die Kernladungszahl (Ordnungszahl) vergrößert sich um 1. Bei solchen Kernumwandlungen ist zu beachten, dass dieses frei werdende Elektron nicht aus der Atomhülle stammt. Es entsteht vielmehr dadurch, dass sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt:

${}_0{}^1\text{n}\to {}_1{}^1\text{p}+{}_{-1}{}^0\text{e}$

Die Betastrahlung, bei der Elektronen abgegeben werden, bezeichnet man auch als Elektronenstrahlung oder als ${\beta }^{-}-\text{Strahlung}$.

Bei Kernumwandlungen können auch Positronen abgegeben werden. Das sind ebenfalls Teilchen, die aber im Unterschied zu Elektronen keine negative Ladung, sondern eine gleich große positive Ladung besitzen. Bild 3 zeigt ein Beispiel für eine solche Kernumwandlung. Die Reaktionsgleichung lautet:

${}_{11}{}^{22}\text{N}\text{a}\to {}_{10}{}^{22}\text{N}\text{e}+{}_{+1}{}^0\text{e}$

Bei Abgabe eines Positrons bleibt die Massenzahl gleich. Die Kernladungszahl (Ordnungszahl) verkleinert sich um 1. Ein Positron entsteht, wenn sich im Kern ein Proton in ein Neutron und ein Positron umwandelt:

${}_1{}^1\text{p}\to {}_0{}^1\text{n}+{}_{+1}{}^0\text{e}$

Die Betastrahlung, bei der Positronen abgegeben werden, wird auch als Positronenstrahlung oder als ${\beta }^{+}-\text{Strahlung}$ bezeichnet.

Gammastrahlung

Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung kurzer Wellenlänge. Die Wellenlänge ist kleiner als ${10}^{-10}\text{m}$, die Frequenz größer als $3\cdot {10}^{18}\text{Hz}$. Damit liegt diese Strahlung am kurzwelligen Ende des Spektrums elektromagnetischer Wellen.
Bild 4 zeigt ein Beispiel für eine Kernumwandlung mit Gammastrahlung. Die Reaktionsgleichung lautet:

${}_{56}{}^{137}\text{B}\text{a}\to {}_{56}{}^{137}\text{B}\text{a}+\gamma$

Im Unterschied zu Alpha- und Betastrahlung verändert sich die Zusammensetzung des Atomkerns bei Gammastrahlung nicht. Der Kern gelangt aber von einem energiereicheren (angeregten) Zustand in einen energetisch niedrigeren und damit meist auch stabileren Zustand. Das ist vergleichbar mit der Aussendung von Licht, wo sich ebenfalls der energetische Zustand von Atomen, nicht aber ihre Zusammensetzung ändert. Die Vorgänge vollziehen sich bei Licht allerdings nicht im Atomkern, sondern in der Atomhülle.

Radioaktive Strahlung hat eine Reihe von Eigenschaften, die für ihre Wirkungen, ihren Nachweis und ihre Anwendungen von Bedeutung sind. Dabei ist zwischen Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung zu differenzieren.

Energie radioaktiver Strahlung

Radioaktive Strahlung besitzt Energie, wobei diese Energie von den jeweiligen Bedingungen abhängig ist. Es gibt deshalb zwei unterschiedliche Möglichkeiten, die Energie anzugeben:

1. Für eine bestimmte Kernumwandlung lässt sich die Energie der dabei auftretenden radioaktiven Strahlung messen und ein bestimmter Wert angeben.
2. Allgemein lassen sich für die einzelnen Arten von radioaktiver Strahlung nur Bereiche für die Energie angeben.

Nachfolgend sind für die einzelnen Strahlungsarten die Energiebereiche angegeben, innerhalb derer die Energie der radioaktiven Strahlung in den meisten Fällen liegt:

$\begin{array}{l}\alpha -\text{Strahlung 8}\cdot {\text{10}}^{\text{-13}}\text{J}-13\cdot {10}^{-13}\text{J}\\ \text{(5 MeV - 8 MeV)}\\ \\ \beta -{\text{Strahlung 10}}^{\text{-13}}\text{J}-5\cdot {10}^{-13}\text{J}\\ \text{(0}\text{,6 MeV - 3 MeV)}\\ \\ \gamma -\text{Strahlung 0}\text{,5}\cdot {\text{10}}^{\text{-13}}\text{J}-4\cdot {10}^{-13}\text{J}\\ \text{(0}\text{,2 MeV - 2}\text{,5 MeV)}\\ \end{array}$

Die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen besitzen eine kontinuierliche Energieverteilung. Ihre mittlere Energie beträgt etwa $\mathrm{2,4}\cdot {10}^{-13}\text{J}=\mathrm{1,5}\text{MeV}$.

Infolge der Energie, die radioaktive Strahlung besitzt, können Gase ionisiert, Filme geschwärzt oder Zellen verändert werden.
Das Ionisationsvermögen ist bei der Alphastrahlung am größten, bei der Gammastrahlung am kleinsten. Das Verhältnis beträgt zwischen den drei Arten von Strahlung:

$\begin{array}{l}\alpha -\text{Strahlung :}\beta -\text{Strahlung :}\gamma -\text{Strahlung}\\ \text{10 000 : 100 : 1}\end{array}$

Ausbreitung radioaktiver Strahlung

Die Ausbreitung radioaktiver Strahlung erfolgt von einer Strahlungsquelle aus geradlinig. Eine Ablenkung von Alpha- und Betastrahlung kann durch elektrische oder magnetische Felder erfolgen.
Im elektrischen Feld (Bild 6) wird Alphastrahlung (doppelt positiv geladene Heliumkerne) und Betastrahlung (Elektronen oder Positronen) abgelenkt. Die Richtung der Ablenkung ergibt sich aus der Richtung des Feldes und aus der Ladung der Teilchen. Die Teilchen bewegen sich auf parabelförmigen Bahnen. Gammastrahlung als elektromagnetische Welle wird durch elektrische Felder nicht abgelenkt.

Im magnetischen Feld (Bild 7) wird Alphastrahlung (doppelt positiv geladene Heliumkerne) und Betastrahlung (Elektronen oder Positronen) abgelenkt. Die Richtung der Ablenkung ergibt sich aus der Rechte-Hand-Regel (UVW-Regel). Die Teilchen bewegen sich auf kreisförmigen Bahnen. Gammastrahlung als elektromagnetische Welle wird durch magnetische Felder nicht abgelenkt.

Durchdringungsvermögen und Absorptionsvermögen radioaktiver Strahlung

Trifft radioaktive Strahlung auf Stoffe, so wird sie z. T. hindurchgelassen und z. T. absorbiert (aufgenommen). Wie viel Strahlung durch einen Stoff hindurchgeht bzw. von ihm absorbiert wird, hängt ab von

• der Art der Strahlung,
• der Intensität (Energie) der Strahlung,
• der Art des durchstrahlten Stoffes,
• der Dicke des durchstrahlten Stoffes.

Das Durchdringungsvermögen ist für Alphastrahlung am kleinsten und für Gammastrahlung am größten. Das Verhältnis beträgt zwischen den drei Arten von Strahlung:

$\begin{array}{l}\alpha -Strahlung\text{:}\beta -Strahlung\text{:}\gamma -Strahlung\\ \text{1 : 100 : 10 000}\end{array}$

Umgekehrt ist das Absorptionsvermögen für Alphastrahlung am größten und für Gammastrahlung am kleinsten (Bild 8). In Luft beträgt die Reichweite von Alphastrahlung 4 cm - 6 cm, die von Betastrahlung mehrere Meter.
Besonders geeignet zur Abschirmung radioaktiver Strahlung ist Blei.

Radionuklide dürfen wegen möglicher Strahlenbelastungen nur in speziellen Behältern transportiert werden. Diese sind so aufgebaut, dass ein Großteil der Strahlung absorbiert wird.

Bei Kernreaktoren existieren mehrere Schutzbarrieren, die ein Austreten von radioaktiver Strahlung und auch von radioaktiven Stoffen unter allen Umständen verhindern sollen:

• Metallische Hüllrohre um den Kernbrennstoff,
• stählerner Reaktordruckbehälter mit Wandstärken bis zu 25 cm,
• Betonabschirmung mit ca. 2 m dicken Wänden,
• kugelförmiger Sicherheitsbehälter aus etwa 3 cm dicken Stahlplatten,
• bis zu 2 m dicke Stahlbetonhülle.