Radioaktivität ist der Prozess, bei dem instabile Atomkerne energetische subatomare Teilchen oder elektromagnetische Strahlung (EMR) freisetzen. Dieses Phänomen kann dazu führen, dass sich ein Element in ein anderes verwandelt und ist mitverantwortlich für die Wärme des Erdkerns. Radioaktivität hat ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich Kernkraft, in der Medizin und bei der Datierung organischer und geologischer Proben. Es ist auch potenziell gefährlich, da hochenergetische Partikel und Strahlung Zellen schädigen und abtöten sowie die DNA verändern und Krebs verursachen können.
Radioaktiver Zerfall
Instabile Atomkerne sollen zerfallen, was bedeutet, dass sie einen Teil ihrer Masse oder Energie verlieren, um einen stabileren, niedrigeren Energiezustand zu erreichen. Dieser Prozess wird am häufigsten bei den schwereren Elementen wie Uran beobachtet. Keines der schwereren Elemente als Blei hat stabile Isotope, aber leichtere Elemente können auch in instabilen, radioaktiven Formen vorkommen, wie zum Beispiel Kohlenstoff-14. Es wird angenommen, dass Wärme aus dem Zerfall radioaktiver Elemente die sehr hohe Temperatur des Erdkerns aufrechterhält und ihn in einem flüssigen Zustand hält, der für die Aufrechterhaltung des Magnetfelds, das den Planeten vor schädlicher Strahlung abschirmt, unerlässlich ist.
Radioaktiver Zerfall ist ein zufälliger Prozess, was bedeutet, dass es physikalisch unmöglich ist, vorherzusagen, ob ein bestimmter Atomkern zu einem bestimmten Zeitpunkt zerfällt und Strahlung aussendet. Stattdessen wird es durch die Halbwertszeit quantifiziert, die die Zeitdauer ist, die benötigt wird, bis die Hälfte einer bestimmten Kernprobe zerfällt. Die Halbwertszeit gilt für eine Probe jeder Größe, von einer mikroskopischen Menge bis zu allen Atomen dieses Typs im Universum. Verschiedene radioaktive Isotope variieren stark in ihrer Halbwertszeit, die von wenigen Sekunden im Fall von Astat-218 bis zu Milliarden von Jahren für Uran-238 reicht.
Arten des Verfalls
Um stabil zu sein, darf ein Kern nicht zu schwer sein und muss das richtige Verhältnis von Protonen und Neutronen haben. Ein schwerer Kern – einer mit einer großen Anzahl von Protonen und Neutronen – wird früher oder später etwas an Gewicht oder Masse verlieren, indem er ein Alphateilchen emittiert, das aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, die miteinander verbunden sind. Diese Partikel haben eine positive elektrische Ladung und sind im Vergleich zu anderen Partikeln, die emittiert werden können, schwer und bewegen sich langsam. Alpha-Zerfall in einem Element bewirkt, dass es sich in ein leichteres Element verwandelt.
Betazerfall tritt auf, wenn ein Kern zu viele Neutronen für seine Protonenzahl hat. Dabei wandelt sich ein elektrisch neutrales Neutron spontan in ein positiv geladenes Proton um, indem es ein negativ geladenes Elektron emittiert. Diese hochenergetischen Elektronen werden als Betastrahlen oder Betateilchen bezeichnet. Da dies die Anzahl der Protonen im Kern erhöht, bedeutet dies, dass das Atom zu einem anderen Element mit mehr Protonen wechselt.
Der umgekehrte Prozess kann auftreten, wenn im Vergleich zu Neutronen zu viele Protonen vorhanden sind. Mit anderen Worten, ein Proton wird zu einem Neutron, indem es ein Positron emittiert, das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons ist. Dies wird manchmal als positiver Betazerfall bezeichnet und führt dazu, dass sich das Atom in ein Element mit weniger Protonen verwandelt. Beide Arten des Betazerfalls erzeugen elektrisch geladene Teilchen, die sehr leicht und schnell sind.
Obwohl diese Umwandlungen Energie in Form von Masse freisetzen, können sie auch den verbleibenden Kern in einem „erregten“ Zustand belassen, in dem er mehr als seine minimale Energiemenge hat. Daher verliert es diese zusätzliche Energie, indem es Gammastrahlen aussendet – eine sehr hochfrequente Form elektromagnetischer Strahlung. Gammastrahlen haben kein Gewicht und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Einige schwere Kerne können, anstatt Alphateilchen auszusenden, tatsächlich auseinanderbrechen und dabei viel Energie freisetzen, ein Vorgang, der als Kernspaltung bekannt ist. Es kann in einigen Isotopen schwerer Elemente, wie Uran-235, spontan auftreten. Der Prozess setzt auch Neutronen frei. Die Spaltung kann nicht nur spontan erfolgen, sondern auch durch einen schweren Kern, der ein Neutron absorbiert, ausgelöst werden. Wenn genügend spaltbares Material zusammengebracht wird, kann eine Kettenreaktion stattfinden, bei der Neutronen, die durch die Spaltung erzeugt werden, andere Kerne spalten lassen, mehr Neutronen freisetzen und so weiter.
Verwendung
Die bekanntesten Verwendungen von Radioaktivität sind vielleicht Atomkraftwerke und Atomwaffen. Die ersten Atomwaffen nutzten eine außer Kontrolle geratene Kettenreaktion, um eine riesige Energiemenge in Form von intensiver Hitze, Licht und ionisierender Strahlung freizusetzen. Moderne Kernwaffen nutzen zwar vor allem die Fusion zur Energiefreisetzung, diese wird aber immer noch durch eine Spaltungsreaktion ausgelöst. Kernkraftwerke verwenden sorgfältig kontrollierte Kernspaltung, um die Wärme zu erzeugen, um Dampfturbinen anzutreiben, die Strom erzeugen.
In der Medizin kann Radioaktivität gezielt eingesetzt werden, um Krebsgeschwüre zu zerstören. Da es leicht zu erkennen ist, wird es auch verwendet, um den Verlauf und die Aufnahme von Medikamenten durch die Organe zu verfolgen oder ihre korrekte Funktion zu überprüfen. Radioaktive Isotope werden häufig verwendet, um Materialproben zu datieren. Organische Substanzen lassen sich durch Messung des Gehalts an Kohlenstoff-14 datieren, während das Alter einer Gesteinsprobe durch Vergleich der Mengen verschiedener vorhandener radioaktiver Isotope bestimmt werden kann. Diese Technik hat es Wissenschaftlern ermöglicht, das Alter der Erde zu messen.
Auswirkungen auf die Gesundheit
Aus gesundheitlicher Sicht werden alle Emissionen von zerfallenden Atomkernen, ob Partikel oder EMR, als Strahlung bezeichnet, und sie sind alle potenziell gefährlich. Diese Emissionen sind entweder selbst ionisierend oder interagieren mit Materie im Körper auf eine Weise, die ionisierende Strahlung erzeugt. Dies bedeutet, dass sie Elektronen aus Atomen entfernen und sie in positiv geladene Ionen umwandeln können. Diese können dann mit anderen Atomen in einem Molekül oder in benachbarten Molekülen reagieren und chemische Veränderungen verursachen, die Zellen töten oder Krebs verursachen können, insbesondere wenn Strahlung mit DNA interagiert hat.
Welche Strahlung für den Menschen am gefährlichsten ist, hängt von den Umständen ab, unter denen sie angetroffen wird. Alphateilchen können nur eine kurze Strecke durch die Luft zurücklegen und können die äußere Hautschicht nicht durchdringen. Kommen sie jedoch mit lebendem Gewebe in Kontakt, sind sie die gefährlichste Form der Strahlung. Dies kann passieren, wenn etwas, das Alphastrahlung aussendet, verschluckt oder eingeatmet wird.
Betastrahlung kann die Haut durchdringen, wird aber durch eine dünne Metallschicht, wie beispielsweise Aluminiumfolie, gestoppt. Neutronen und Gammastrahlung sind viel durchdringender und zum Schutz der Gesundheit ist eine dicke Abschirmung erforderlich. Da die meiste Gammastrahlung direkt durch den Körper geht, ist es in der Regel weniger wahrscheinlich, dass sie bei niedrigen Konzentrationen Krankheiten verursacht, aber immer noch eine sehr ernste Gefahr darstellt. Wenn Materialien, auch lebendes Gewebe, Neutronen aufnehmen, können sie selbst radioaktiv werden.
Die Exposition gegenüber schädlicher Strahlung wird im Allgemeinen anhand der vom exponierten Material absorbierten Energiemenge gemessen, ein Maß, das auf alle Strahlungsformen und alle Materialien angewendet werden kann, obwohl es am häufigsten im Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit verwendet wird. Die SI-Einheit für die Belichtung ist das Grau, wobei ein Grau einem Joule Energie entspricht, die pro Kilogramm Materie absorbiert wird. In den USA wird jedoch häufig eine andere Einheit – das Rad, das 0.01 Grau entspricht – verwendet.
Da sich verschiedene Arten von Radioaktivität unterschiedlich verhalten, wird eine andere Messung, das Sievert, verwendet, um eine bessere Vorstellung von den wahrscheinlichen gesundheitlichen Auswirkungen einer bestimmten Dosis zu erhalten. Sie wird berechnet, indem die Dosis in Graustufen mit einem für die jeweilige Strahlungsart spezifischen Qualitätsfaktor multipliziert wird. Zum Beispiel ist der Qualitätsfaktor für Gammastrahlung 1, aber der Wert für Alphateilchen ist 20. Daher würde eine Exposition von lebendem Gewebe mit 0.1 Graustufen Alphateilchen zu einer Dosis von 2.0 Sievert führen, und man würde erwarten, dass sie das Zwanzigfache hat die biologische Wirkung als ein Grau der Gammastrahlung. Eine Dosis von vier bis fünf Sievert, die über einen kurzen Zeitraum verabreicht wird, birgt ein 50%iges Sterberisiko innerhalb von 30 Tagen.