EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

KM-5: Modellbildung 13 Natürliche Radioaktivität – Radiocarbonmethode – Anwendung radioaktiver Strahlen 13 Zerfallsgeschwindigkeit, Halbwertszeit Die Zerfallsgeschwindigkeit radioaktiver Nuklide lässt sich nur statistisch erfas- sen, dh. wann ein einzelnes Atom zerfallen wird, lässt sich überhaupt nicht vor- aussagen. Als Maß für die Zerfallsgeschwindigkeit dient die Halbwertszeit τ (Tau = griech. Buchstabe). Sie ist die Zeit, nach der die Hälfte der Atome eines bestimmten Ra- dionuklides zerfallen ist. Nach zwei Halbwertszeiten ist noch 1/4, nach drei Halb- wertszeiten noch 1/8 der ursprünglichen Menge vorhanden (Abb. 13–1). Die Halbwertszeiten verschiedener Radionuklide sind sehr unterschiedlich. ZB be- trägt τ von 232 Th 1,4·10 10 Jahre, die von 217 Ra nur 1,6·10 –6 s. Je kürzer τ , desto inten- siver ist die Strahlung, wenn man von der gleichen Menge Radionuklid ausgeht. Natürliche Radioaktivität Die radioaktiven Nuklide zerfallen, dh. sie werden immer weniger. Dass in der Na- tur heute trotzdem noch radioaktive Nuklide existieren, hat zwei Gründe: Einige radioaktive Nuklide haben eine sehr lange Halbwertszeit. Dazu zählen die Nuklide 232 Th, 238 U, 235 U, 40 K. Ihre Aktivität ist relativ gering. Trotzdem ist die von ihnen erzeugte Strahlung nicht unbeträchtlich. 40 K kommt zB im Granit vor und bewirkt, dass im Waldviertel die Umweltradioaktivität weit höher ist als in ande- ren Gegenden Österreichs. Die Radionuklide werden durch Kernprozesse immer wieder neu gebildet. Ra- dionuklide mit kürzerer Halbwertszeit können nur auf diese Weise in der Natur existieren. Dies ist zB bei den natürlichen Zerfallsreihen der Fall. 238 U (langlebig) zerfällt in 234 Th. Dieses ist nicht stabil und zerfällt weiter. Dadurch entsteht eine natürliche Zerfallsreihe, die beim stabilen 206 Pb endet. Solange noch 238 U vorhan- den ist, werden diese Tochtersubstanzen, die Mitglieder der natürlichen Zerfalls- reihen, ebenfalls nachweisbar sein. In der Natur gibt es drei solcher Zerfallsreihen (Abb. 13–2). Radiocarbon-Methode Ein anderes „kurzlebiges“ Radionuklid ist 14 C ( τ = 5700 a). Es entsteht in hohen At- mosphärenschichten durch Reaktion des Luftstickstoffes mit der Höhenstrahlung (Abb. 13–3). Dadurch herrscht in der Atmosphäre eine konstante 14 C-Aktivität (Neu- bildung und Zerfall sind gleich schnell). Über die Fotosynthese und die Nahrungs- kette gelangt 14 C in alle Lebewesen, die nun ebenfalls diese konstante 14 C-Aktivität aufweisen. Stirbt ein Lebewesen, so hört der Kohlenstoffaustausch mit der Um- gebung auf. 14 C zerfällt, wird aber nicht mehr aufgenommen. Misst man nun die 14 C-Aktivität eines prähistorischen Fundes, der organisches Material enthält, und vergleicht die Messung mit der natürlichen 14 C-Aktivität, so kann man über die bekannte Halbwertszeit recht genau das Alter des Fundes bestimmen (Abb. 13–4). Anwendung der radioaktiven Strahlen Radionuklide werden in der medizinischen Diagnostik und Therapie verwendet. Bei der Diagnose gewisser Schilddrüsenerkrankungen verabreicht man dem Pa- tienten eine geringe Menge radioaktives Iod und misst die Geschwindigkeit der Iodaufnahme in der Schilddrüse. Bei der Therapie bestimmter Krebsarten wird nach der Operation der Krankheits- herd mit β -Strahlen bestrahlt. Krebszellen reagieren auf radioaktive Bestrahlung empfindlicher als normale Zellen. Die Anwendung von γ -Strahlen zum Konservieren von Lebensmitteln ist umstrit- ten. Durch die Bestrahlung werden Mikroorganismen abgetötet. Die Lebensmittel werden dabei natürlich nicht radioaktiv, da sie nur der Strahlung ausgesetzt sind und nicht mit der Strahlungsquelle selbst in Kontakt kommen. Man befürchtet aber chemische Umwandlungen in den Lebensmitteln, die eine Qualitätsminde- rung bedeuten. Daher wird die Methode in Österreich nicht angewendet. Eine wichtige Anwendung finden Radionuklide in der chemischen und bioche- mischen Forschung. Dazu werden in einer organischen Verbindung beispielswei- se bestimmte „normale“ C-Atome durch radioaktive 14 C-Atome ersetzt und deren Weg während der Reaktion nachverfolgt. Anzahl nicht zerfallener Kerne Zeit Zeitpunkt, zu dem die Hälfte der ursprünglichen Kerne zerfallen ist Halbwertszeit Abb. 013–1: Das Zerfallsgesetz Abb. 013–2: Die Zerfallsreihe des 238 U Neutronenzahl N = A – Z Protonenzahl Z 124 126 128 130 132 134 136 138 140 142 144 146 82 84 86 88 90 92 U Pb -Strahler -Strahler   Abb. 013–3: Die Entstehung von 14 C N + n C + p 14 7 1 0 14 6 1 1 Abb. 013–4: Die Altersbestimmung mit 14 C 14 C-Aufnahme 14 C-Zerfall Lebenszeit eines Organismus ZEIT Heute: Bestimmung des noch vorhandenen 14 C Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv