Radioaktivität, Halbwertszeit & Strahlung

Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne bestimmter chemischer Elemente, ohne äussere Einflüsse zu zerfallen, sich umzuwandeln und dabei Energie in Form von Strahlung freizusetzen. Der radioaktive Zerfall verläuft gemäss einer sta­tistischen Wahrscheinlichkeit und dauert je nach Nuklid unterschiedlich lang. Die Zeitspanne, in der durch den Zerfallsprozess nur noch die Hälfte der Ausgangsmenge des Radionuklids vorhanden ist, heisst Halbwertszeit. Sie ist eine für jedes radio­aktive Isotop charakteristische Kenngrösse. Bei chemischen Reaktionen sind nur Elektronen be­teiligt. Radioaktive Zerfälle sind dagegen Reaktionen des Atomkerns, bei denen hauptsächlich drei Arten von Strahlung auftreten:

Radioaktive Elemente

Alle Nuklide „benötigen“ zur Stabilität mindestens ebenso viele, meist aber sogar mehr Neutronen als Protonen. Das durchschnittliche Verhältnis von Neutronenzahl zu Protonenzahl wächst mit zunehmender Ordnungszahl von 1:1 für sehr leichte Nuklide zu 1,54:1 für die schwersten stabilen Nuklide. Alle Nuklide mit zu vielen oder zu wenigen Neutronen sind instabil und damit radioaktiv, damit besitzen alle Elemente auch radioaktive Isotope. Kerne mit mehr als 208 Teilchen sind immer instabil. Die Grenze bildet somit das Blei. $$^{208}Pb$$ ist der schwerste nicht radioaktive Kern. Vor dem Blei gibt es mit Technetium und Promethium aber noch zwei Ausnahmen. Diese Elemente besitzen trotz ihrer geringen Masse kein stabiles Isotop.​

Die drei natürlichen Zerfallsreihen

Eine Zerfallsreihe im allgemeinen Sinn ist die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. Sie bildet sich, indem ein Radionuklid sich in ein anderes, dieses in ein drittes umwandelt usw. Das zuerst entstehende Nuklid wird Tochternuklid genannt. Es gibt drei natürliche radioaktive Zerfallsreihen. Die sehr langlebigen Mutternuklide, die schon bei der Entstehung der Erde vorhanden waren, sind Uran-238, Uran-235 und Thorium-232. Durch Alpha- und Beta-Zerfälle, die mehr oder weniger regelmässig abwechselnd aufeinander folgen, entstehen dann alle weiteren Elemente der Zerfallsreihe. Alle drei Zerfallsreihen münden in Blei, dem schwersten nicht radioaktiven Element. Für die Elemente in der Zerfallsreihe stellt sich jeweils ein Gleichgewicht ein, da sie gleich schnell gebildet werden, wie sie zerfallen.

Radiokarbonmethode

Die Radiokarbonmethode ist eine Methode, um das Alter von Lebewesen zu bestimmen. $$^{14}C$$ ist ein Kohlenstoffisotop mit 8 Neutronen, das fortlaufend in der Atmosphäre durch die Strahlung der Sonne gebildet wird. Kosmische Strahlung setzt in den obe­ren Schichten der Erdatmosphäre Neutronen frei. Diese sto­ssen mit Stickstoffatomen zusammen und es entsteht ein kleiner Anteil des​ $$^{14}C$$-Isotops, das durch die Reaktion mit Sauerstoff der Luft in Kohlenstoffdioxid eingebaut wird.

​$${}_{7}^{14}N + {}_{0}^{1}n \rightarrow {}_{6}^{14}C + {}_{1}^{1}p$$​​

​$${}_{6}^{14}C + O_2 \rightarrow {}_{6}^{14}CO_2$$​​

Pflanzen nehmen dieses Isotop durch die Luft aus der Atmosphäre auf. Auch Tiere nehmen dieses Isotop auf, indem sie Pflanzen fressen. $$^{14}C$$-Isotop wird dadurch Bestandteil des pflanzlichen und tie­rischen Gewebes. Im Laufe des Lebens eines Tieres stellt sich so ein Gleichgewicht ein. Jedoch zerfällt​ $$^{14}C$$ allmählich im Körper. Stirb also das Lebewesen, so ist kein Austausch mehr möglich. Die $$^{14}C$$ Konzentration nimmt allmählich ab. Das Kohlenstoffisotop zerfällt wieder zu Stickstoff und das mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Durch das Verhältnis des stabilen $$^{12}C$$​ Atoms und des instabilen ​ $$^{14}C$$ Atoms kann das Alter bestimmt werden.