Radioaktive Strahlungsarten, Gemeinsamkeiten, Unterschiede, Zerfallsgleichungen

Radioaktive Strahlungsarten und Zerfallsgleichungen

Hinweis: Radioaktive Strahlung umfasst drei Hauptarten: Alpha, Beta und Gamma. Jede Strahlungsart hat spezifische Eigenschaften und Zerfallsprozesse.

Alpha-Strahlung

Alpha-Strahlung

Eigenschaften

• Reichweite: cm-Bereich
• Besteht aus Heliumkernen (2 Protonen, 2 Neutronen).
• Schwere, geladene Teilchen.
• Geringe Durchdringungsfähigkeit.
  • kann durch Papier abgeschirmt werden

Zerfall

Zerfallsgleichung

${}_Z^{A}X{\to }_{Z-2}^{A-4}Y{+}_2^4\alpha$

Beispiel

${}_{88}^{208}Ra{\to }_2^4\alpha {+}_{86}^{204}Rn$

Tunneleffekt

Tunneleffekt

Definition

Als Tunneleffekt bezeichnest du das quantenmechanische Phänomen, bei dem ein Quant eine Barriere einfach durchqueren kann. Auch wenn ihm eigentlich die Energie fehlen würde, um die Barriere auf konventionellem Weg zu überqueren.

Der Tunneleffekt tritt beim $\alpha$-Zerfall auf. Dabei gelingt es dem Atomkern durch dieses qantenmechansiche Phänomen die Wände seines Potentialtopfes zu verlassen ohne, dass er dafür die notwendige Energie hat. Dies liegt daran, dass der Kern eine sehr geringen Aufenthaltswahrscheinlichkeit hat, außerhalb seines Potentialtopfes zu sein.

Dies liegt am Wellen-Teilchen-Dualismus.

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Beta-Strahlung

Beta-Strahlung

Eigenschaften

• Reichweite: dm-Bereich
• Elektronen (Beta-Minus) oder Positronen (Beta-Plus).
• Moderat in der Durchdringungsfähigkeit.
  • kann durch Metalle abgeschirmt werden
• Entstehen aus Neutronen- oder Protonenumwandlung.

Zerfall

${\beta }^{-}$ (Beta-Minus Zerfall)

Gleichung: ${}_Z^{A}X{\to }_{Z+1}^{A}Y+e^{-}+\overline{{\nu }_e}$ ${}_0^1{\to }_1^{1}p{+}_{-1}^{0}e+\nu e$ (Antineutrino) Beispiel: ${\beta }^{-}{\text{ : }}_{93}^{236}Np{\to }_{-1}^{0}e{+}_{94}^{236}Pu$

${\beta }^{+}$ (Beta-Plus Zerfall)

Gleichung: ${}_Z^{A}X{\to }_{Z-1}^{A}Y+e^{+}+{\nu }_e$ Beispiel: ${\beta }^{+}{\text{ : }}_{83}^{203}Bi{\to }_{+1}^{0}e{+}_{82}^{203}Pb$

Funktionsweise

Beim Betazerfall werden entweder Neutronen in Protonen oder Protonen in Neutronen umgewandelt.

Schwere Atomkerne brauchen immer eine bestimmte Anzahl an Neutronen, damit sie stabil sind. Dies liegt daran, dass die gleich geladenen Protonen sonst nicht zusammen einen Kern bilden können. Betazerfall tritt auf, wenn ein Atomkern nicht die richtige Anzahl an Neutronen besitzt.

Somit bleibt die Massenzahl bei einem Betazerfall gleich, allerdings ändert sich die Kernladungszahl. Bei einem Betazerfall werden je nach Typ weitere Teilchen emittiert. Die lässt sich mit dem Prinzip der Ladungserhaltung¹ begründen:

• ${\beta }^{-}$-Zerfall: Neutron $\to$ Proton + $e^{-}$ + $\overline{\nu }$ (Antineutrino)

• ${\beta }^{+}$-Zerfall: Proton $\to$ Neutron + $e^{+}$ (Positron) + $\nu$ (Neutrino)

Footnotes

1. Ladungserhaltung bedeutet, dass die Landungen vor und nach einer Reaktion gleich sein müssen. Sie können allerdings umverteilt werden. Die Gesamtladung darf sich während eines physikalischen Prozesses nicht ändern. ↩

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Gamma-Strahlung

Gamma-Strahlung

Eigenschaften

• Reichweite: hoch
• Elektromagnetische Strahlung (Photonen).
• Hohe Durchdringungsfähigkeit.
  • kann durch Blei abgeschirmt werden
• Begleitet oft Alpha- oder Beta-Zerfall.

Zerfallsgleichung: ${}_Z^A{X}^{\ast }{\to }_Z^{A}X+\gamma$

Exkurs Enerieniveauspektrum von Ra-226

Exkurs: Enerieniveauspektrum von Ra-226

Wenn ${}_{88}^{226}Ra$ zerfällt sendet es nicht immer nur ein $\alpha$-Partikel mit der Energie $E_{{\alpha }_1}=4,78MeV$ aus sondern in $5,5\%$ aller Zerfälle ein $\alpha$-Partikel mit der Energie $E_{{\alpha }_2}=4,59MeV$. Wenn dies passiert ist der Tochterkern in einem angeregten Zustand ($E_2$). Um in den Grundzustand zu gelangen emittiert der Tocharern eine $\gamma$-Quant mit der Energie $E_{\gamma }=0,19MeV$. Somit kommt er der Tochterkern in den Grundzustand. Die Beträge der Energie $E_{\alpha 1}=E_{\alpha 2}+E_{\gamma }$ sind gleich.

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Energie der Gammastrahlung

Energie der $\gamma$-Strahlung

Die Energie der $\gamma$-Strahlung kann mit einem Szintillationszähler gemessen werden. B1 zeigt das Energiespektrum der $\gamma$-Strahlung eines Cs-137-Präparates. Zur Deutung des Diagramms müssen die Wechselwirkungen der $\gamma$-Strahlung mit dem Detektorkristall berücksichtigt werden. Beim Fotoeffekt überträgt ein Photon der $\gamma$-Strahlung seine gesamte Energie $E=h\ast f$ an ein Elektron. Das Maximum bei $0,662MeV$ (diskrete Gesamtabsorptionstinie) zeigt dies.

Ein Photon der $\gamma$-Strahlung kann seine Energie aber auch wie bei einem mechanischen Zusammenstoß übertragen. Der übertragene Energieanteil hängt vom Winket, unter dem die Strahlung abgelenkt wird, ab (Comptoneffekt). Bei einem Streuwinkel von 180° ist der Anteil maximal (“Comptonkante”). Für kleinere Winkel ist die Energieübertragung geringer, dies ist das Kontinuum in Bild B1. Bringt man zur Abschirmung Blei zwischen Präparat und Zähler, dann sinkt die Intensität im Spektrum deutlich, die Lage des Maximums ändert sich dagegen nicht ($\to$ B1).

Die Photonen der $\gamma$-Strahlung können in Blei durch den Fotoeffekt oder durch den Comptoneffekt Energie auf Elektronen übertragen. Einige Photonen durchdringen die Bleischicht ohne Wechselwirkung.

Bei hoher Energie der $\gamma$-Strahlung kann es zu Schwächung kommen, weil aus einem $\gamma$-Strahlung ein Elektron und ein Positron (ein „positiv geladenes Elektron”) entstehen können.

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Wichtig: Die Summe der Massenzahlen und der Kernladungszahlen muss auf beiden Seiten der Zerfallsgleichungen erhalten bleiben. Diese Gleichungen repräsentieren die Umwandlung von einem Atomkern in einen anderen durch den radioaktiven Zerfall.

	$\alpha \text{-Strahlung}$	$\beta \text{-Strahlung}$	$\gamma \text{-Strahlung}$
Strahlung	- Heliumkerne -${}_2^{4}a$	- ${\beta }^{-}$: - Schnelle Elektronen - ${}_{-1}^{0}e$ - ${\beta }^{+}$: Positronen - ${}_1^{0}e$	- energiereiche Strahlung
Reichweite	- cm-Bereich	- dm-Bereich	- hohe Reichweite (Meterbereich)
Absorption	- durch Papier	- diverse Metalle (Aluminium)	- Blei, Stahlbeton