EL-MO I Elemente, Schulbuch

KM-5: Modellbildung α -Strahlung – β -Strahlung – γ -Strahlung 13 13 α -Strahler Schwere Kerne mit Neutronenmangel (in der Nuklidkarte gelb) sind häufig α -Strahler. Beim α -Zerfall zerfällt der Kern in einen 4 He-Kern und den Restkern. Diese 4 He-Kerne nennt man α -Teilchen. Sie werden mit ca. 6 % der Lichtge- schwindigkeit aus dem Kern des α -Strahlers emittiert. Es entsteht ein neuer Kern mit einer Massenzahl, die um 4 und einer Ordnungszahl, die um 2 geringer ist. Da die Kräfte im Atomkern riesig groß sind, hat ein α -Teilchen eine Energie, die bis zu mehrere Millionen Mal so groß ist, wie die Energie, mit der Atome in che- mischen Bindungen zusammengehalten werden. Es tritt in extrem starke Wech- selwirkung mit Materie, zerstört Bindungen in Molekülen und ionisiert Atome. Bei der Zerfallsgleichung (Abb. 13–1) werden die Ionenladungen der Gesamt- atome nicht angeschrieben, da die Hüllen energiemäßig keine Rolle spielen. Durch die Wechselwirkung verliert das α -Teilchen rasch an Bewegungsenergie. Die freien Elektronen rekombinieren wieder mit den Atomen, die Atome verbin- den sich neu. Bei komplexeren Strukturen, wie belebter Materie, entstehen aller- dings nicht dieselben Moleküle wie vor der Ionisierung, lebenswichtige Moleküle können so zerstört werden. α -Strahlung hat an Luft nur eine Reichweite von wenigen Zentimetern und kann durch ein Blatt Papier oder Textilien abgeschirmt werden. Sie ist also nur dann extrem schädlich für Lebewesen, wenn sie direkt auf den Organismus einwirkt. Das ist der Fall, wenn das Radionuklid direkt in den Organismus durch einat- men oder verschlucken aufgenommen wird. Man muss also klar unterscheiden zwischen der Strahlung von außen und dem inkorporierten Strahler, also dem Radionuklid. β -Strahler Kerne mit Neutronenüberschuss sind β -Strahler (in der Nuklidkarte blau). Im Kern zerfällt dabei ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (derselbe Prozess, der auch beim freien Neutron stattfindet). Zusätzlich entsteht noch ein Teilchen, das man Antineutrino nennt. Es zeigt kaum Wechselwirkung mit Materie und spielt daher bei Betrachtungen über gesundheitliche Auswirkungen keine Rolle. Das entstehende Elektron wird mit bis zu 96 % der Lichtgeschwindigkeit vom Kern emittiert. Die raschen Elektronen nennt man β -Teilchen. Der neue Kern be- sitzt die gleiche Massenzahl und eine um eins höhere Ordnungszahl (Abb. 13–2). Die β -Strahlung ist also eine reine Elektronenstrahlung. Die Energie der Elektro- nen ist je nach Radionulkid sehr unterschiedlich, reicht aber vom tausendfachen bis zum millionenfachen der Energie von chemischen Bindungen. Die Wechsel- wirkung mit Materie ist schwächer als bei α -Strahlung, daher ist die Reichweite in Luft größer (Zentimeter bis mehrere Meter), die Abschirmung gelingt durch etwa zentimeterdickes Aluminiumblech. Auch bei β -Strahlung treten bei Wechselwirkung mit biologischen Strukturen Schäden auf. Durch die geringe Durchdringungsfähigkeit wird vor allem die Haut geschädigt (Hautkrebs). Inkorporiert sind auch β -Strahler sehr gefährlich. γ -Strahler γ -Strahlen sind elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz. Röntgenstrah- len und γ -Strahlen sind dieselbe Erscheinung. Sie breiten sich mit Lichtgeschwin- digkeit aus. γ -Strahlen werden aus Atomkernen emittiert, die einen Energie- überschuss besitzen. Meist sind das Kerne, die bei α - oder β -Zerfällen entstehen. γ -Strahlung tritt daher häufig als Begleitstrahlung von α - und β -Zerfällen auf. Bei der Abgabe von γ -Quanten selbst ändern sich Z und A des Atomkerns nicht. γ -Strahlen sind ebenfalls gesundheitsschädlich und können organische Mole- küle zerstören. Sie lassen sich nur unvollständig abschirmen. Dezimeterdicke Bleiwände und meterdicke Betonwände werden zur Herabsetzung intensiver γ -Strahlung auf ein gesundheitserträgliches Maß verwendet (Abb. 13–3). Abb. 013–3: Der γ -Zerfall Abb. 013–2: Der β -Zerfall Be 8 4 Li 8 3 e 0 –1 Li Be + e 8 3 8 4 0 –1 – -Teilchen β U He + Th 238 92 4 2 234 90 He 4 2 Th 234 90 U 238 92 -Teilchen α α -Strahler und α -Strahlung * 4 He-Kerne * 6 % der Lichtgeschwindigkeit * Starke Wechselwirkung mit ungeladener Materie * Reichweite in Luft: einige cm * Leicht abschirmbar (Blatt Papier genügt) * Inkorporation (durch Einatmen oder Verschlu- cken) sehr gefährlich β -Strahler und β -Strahlung * Elektronen * 96 % der Lichtgeschwindigkeit * geringe Wechselwirkung mit ungeladener Materie * Reichweite in Luft: einige cm * Leicht abschirmbar (Alöu-blech genügt) * Inkorporation (durch Einatmen oder Verschlu- cken) sehr gefährlich Abb. 013–1: Der α -Zerfall γ -Strahler und γ -Strahlung * Elektromagnetische Wellen * Lichtgeschwindigkeit * Begleitstrahlung * Fast nicht abschirmbar 1. Stelle die Zerfallsgleichung für den α - Zerfall von 238 U auf. 2. Stelle die Zerfallsgleichung für den β - Zerfall von 239 Np auf. 3. 14 C zerfällt zu 14 N. Stelle die Zerfallsglei- chung auf. Üb Übung 13.1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv