Radioaktivität

Drei Arten ionisierender Strahlung

Ein instabiler Kern kann auf drei grundsätzlich verschiedene Arten Energie und Ladung loswerden. Alpha- und Betastrahlung wurden bereits 1899 von Ernest Rutherford anhand ihres unterschiedlichen Durchdringungsvermögens unterschieden; die 1900 von Paul Villard entdeckte, noch durchdringendere Gammastrahlung ordnete Rutherford 1903 in dieses Schema ein — lange bevor die genaue Natur aller drei Strahlungsarten bekannt war.

Durchdringungsvermögen im Größenvergleich: Alpha wird schon von Haut oder Papier gestoppt, Beta braucht Aluminium, Gamma erst dicke Bleiabschirmung.

Halbwertszeit

Radioaktiver Zerfall ist ein reiner Zufallsprozess auf Ebene des einzelnen Kerns — niemand kann vorhersagen, wann genau ein bestimmtes Atom zerfällt. Bei einer großen Anzahl von Kernen ergibt sich daraus jedoch ein exaktes statistisches Gesetz: In jeder gleich langen Zeitspanne, der Halbwertszeit t_½, zerfällt immer genau die Hälfte der noch vorhandenen Kerne — unabhängig davon, wie viele es zu Beginn waren.

Halbwertszeiten variieren enorm: Polonium-214 zerfällt binnen einer Zehntelmillisekunde, Uran-238 braucht 4,5 Milliarden Jahre — fast das Alter der Erde. Diese Konstanz macht radioaktive Isotope zu präzisen "Uhren", wie bei der Radiokarbonmethode.

Zerfallsreihen & radioaktives Gleichgewicht

Viele schwere Kerne erreichen Stabilität nicht in einem einzigen Schritt. Uran-238 etwa durchläuft eine ganze Zerfallsreihe aus vierzehn aufeinanderfolgenden Alpha- und Beta-Zerfällen, bevor am Ende das stabile Blei-206 steht. Jedes Zwischenprodukt dieser Kette ist selbst wieder radioaktiv, mit einer eigenen, oft ganz anderen Halbwertszeit.

Der 1,17-Minuten-Wert gilt für das kurzlebige Isomer Protactinium-234m, das in über 99,8 % der Fälle entsteht; das übrige, langlebigere Protactinium-234 (Grundzustand, Halbwertszeit ≈ 6,7 Stunden) mündet auf einem selteneren Nebenweg ebenfalls in Uran-234.

Der erste Schritt dieser Kette — der Alpha-Zerfall von Uran-238 — zeigt, wie empfindlich Halbwertszeiten auf die Physik dahinter reagieren. Damit sich ein Alphateilchen (ein Helium-Kern) aus dem Uran-Kern löst, müsste es klassisch betrachtet die Coulomb-Barriere überwinden — die elektrische Abstoßung zwischen ihm und dem positiv geladenen Restkern, gegen die es eigentlich gar nicht genug Energie hat. Es entkommt trotzdem, aber nur über den quantenmechanischen Tunneleffekt: eine kleine, aber nicht null Wahrscheinlichkeit, diese Barriere pro Anlauf zu durchqueren, statt sie zu überwinden. Wie klein diese Wahrscheinlichkeit ist, hängt extrem empfindlich von der beim Zerfall freigesetzten Energie ab — und Uran-238 setzt dabei ungewöhnlich wenig frei (etwa 4,3 statt der bis zu 9 Megaelektronenvolt anderer Alphastrahler). Das macht die Barriere vergleichsweise dick und den Tunnelversuch enorm selten erfolgreich: Ein einzelner Uran-Kern "versucht" es zwar unvorstellbar oft pro Sekunde, scheitert aber fast immer — im statistischen Mittel gelingt es erst nach 4,47 Milliarden Jahren.

Dieselbe Zerfallsreihe, aber auf der Nuklidkarte (N gegen Z) statt als Kette: Jeder Alpha-Zerfall springt zwei Felder nach links und zwei nach unten (Z−2, N−2), jeder Beta-Zerfall wandert ein Feld nach rechts und eins nach unten (Z+1, N−1). Gleiche Farbe = gleiches Element, unabhängig vom Massendefekt — U, Po und Pb tauchen mehrfach als unterschiedliche Isotope auf.