Strahlenschutz-Serie: Grundlagen zur Radioaktivität
Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan zu zerfallen und dabei ionisierende Strahlung auszusenden. Atome, welche instabil und damit radioaktiv sind, werden Radionuklide genannt. Neben künstlich erzeugten radioaktiven Materialien in Kernkraftwerken und Beschleunigern gibt es in der Natur diverse Arten von radioaktiven Stoffen.
Beim radioaktiven Zerfall handelt es sich um eine spontane Umwandlung eines instabilen, energiereicheren Atomkerns in einen stabileren, energieärmeren Atomkern. Die überschüssige Energie wird dabei in Form von Strahlung abgegeben.
Jedes Radionuklid hat seine charakteristische Zerfallsart, Zerfallsenergie und Halbwertszeit. Mit Halbwertszeit ist die Zeitspanne gemeint, in der die Hälfte der Atome eines radioaktiven Stoffes zerfällt.
Kosmische und terrestrische Strahlung
Natürliche radioaktive Stoffe umgeben uns überall. Die kosmische Strahlung entsteht hauptsächlich in der Sonne und in anderen Himmelskörpern und gelangt aus dem Weltall zu uns; sie besteht aus Protonen und Alpha-Partikeln, die bei Interaktionen in der Atmosphäre der Erde weitere Radionuklide erzeugen können. Beispielsweise bildet sich das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 in der obersten Atmosphäre durch die Reaktion der kosmischen Strahlung mit Stickstoff.
Terrestrische Strahlung kommt aus Radionukliden, die sich in der Erde befinden. Diese wurden vor der Entstehung der Erde ebenfalls durch kosmische Ereignisse erzeugt und werden deshalb als primordiale Nuklide bezeichnet. Ihre Halbwertszeiten sind extrem lang, weshalb sie noch heute – 4,6 Milliarden Jahre nach der Erdentstehung – nachgewiesen werden können.
Primordiale Nuklide
Die bekanntesten primordialen Nuklide sind Thorium-232, Kalium-40, Uran-235 und Uran-238. Thorium und Uran bilden bei ihrem Zerfall radioaktive Tochternuklide, deren Töchter wiederum radioaktiv sind. Diese Reihe aus radioaktiven Töchtern über mehrere Generationen wird auch als Zerfallskette bezeichnet.
In der Uran-Zerfallskette entsteht das radioaktive Edelgas Radon-222, das aufgrund seiner Halbwertszeit und Mobilität aus dem Boden in Häuser gelangt und von Menschen eingeatmet werden kann. Andere natürliche Radionuklide gelangen durch das Wasser sowie über Pflanzen und Tiere in die Lebensmittel und schliesslich in den Menschen.
Die Entstehung von künstlichen radioaktiven Stoffen
Künstliche Radionuklide entstehen durch Kernreaktionen, die von Menschen herbeigeführt wurden: Kernspaltung, Aktivierung oder Kernspallation:
- Bei der Kernspaltung zerfällt ein schwerer Atomkern in zwei fast gleich grosse Kerne und mehrere schnelle Neutronen unter Freisetzung von Energie. Die Reaktion der Kernspaltung tritt auch spontan auf – also ohne äussere Einwirkung –, aber durch den Beschuss von Atomkernen wie Uran-235 mit langsamen Neutronen in einem Reaktor wird die Spaltrate stark erhöht.
- Von Aktivierung spricht man, wenn Atomkerne in einem Reaktor Neutronen einfangen und dadurch radioaktiv werden.
- Die Kernspallation ist eine Wechselwirkung eines schnellen geladenen Teilchens mit einem Atomkern, wie es in einem Teilchenbeschleuniger herbeigeführt werden kann. Je nach Energie des geladenen Teilchens kann der Atomkern in mehrere grosse und kleine Kernbruchstücke zerbersten.
Verhalten von radioaktiven Stoffen beim Zerfall
Sowohl natürliche wie auch künstliche radioaktive Stoffe zerfallen, indem ein instabiler Kern in einen anderen Kern umgewandelt wird. Zerfällt ein Atomkern unter Aussendung geladener Teilchen, wie dies auch beim Alpha- oder Betazerfall der Fall ist, ändert sich die elektrische Ladung des Kerns. In diesen Fällen entstehen beim Zerfall Atome eines anderen Elements mit anderen chemischen Eigenschaften.
Das radioaktive Edelgas Radon geht keine chemische Bindung mit anderen Materialien ein. Radon ist deshalb sehr flüchtig und bleibt nach dem Einatmen nicht in der Lunge, sondern wird schnell wieder ausgeatmet. Zerfällt das Radon allerdings in der Lunge oder in der Raumluft, so entstehen radioaktive Tochterisotope, auch Radonfolgeprodukte genannt, die neue chemische Eigenschaften besitzen und durch andere Atome gebunden werden können. Die eingeatmeten Radonfolgeprodukte werden in der Lunge absorbiert und verbleiben im Körper, wo sie beim weiteren Zerfall Strahlung aussenden.
Jedes Radionuklid hat zudem eine charakteristische Halbwertszeit, also die Zeitspanne, nach der jeweils die Hälfte vorhandener radioaktiver Kerne zerfallen ist. Sie reicht von Bruchteilen einer Sekunde bis zu Jahrmilliarden. Während beispielsweise Uran-218 (nicht zu verwechseln mit U-238) eine Halbwertszeit von 6 Millisekunden hat, beträgt die von Kalium-40 mehr als 1,2 Milliarden Jahre.
Dies ist der fünfte von 14 Teilen der Artikelserie zum Thema Strahlenschutz. Im sechsten Teil geht es um die biologische Wirkung von ionisierender Strahlung.