Alpha-Zerfall
Der Alpha-Zerfall wurde 1899 von Ernest Rutherford als eigenständige Strahlungsform identifiziert. Er tritt bei schweren radioaktiven Kernen wie Uran, Radium oder Polonium auf. Das Besondere: Der Helium-4-Kern überwindet die Abstoßungsbarriere nicht klassisch – er tunnelt quantenmechanisch durch sie hindurch. George Gamow erklärte diesen Mechanismus 1928 mit der Quantenmechanik.
Der Alpha-Zerfall findet statt, weil schwere Kerne (Z > 82) energetisch instabil sind. Das Alpha-Teilchen – ein besonders stabiles Cluster aus zwei Protonen und zwei Neutronen – bildet sich im Kern spontan und wird durch den Tunneleffekt freigesetzt. Klassisch gesehen wäre dies unmöglich: Die Coulomb-Barriere zwischen dem Alpha-Teilchen und dem Restkern beträgt typisch 20–30 MeV, während das Alpha-Teilchen nur 4–9 MeV kinetische Energie besitzt. George Gamow berechnete 1928 mit der Schrödinger-Gleichung die Tunnelwahrscheinlichkeit – eine der ersten triumphalen Anwendungen der Quantenmechanik.
Die kinetische Energie des Alpha-Teilchens ist im Gegensatz zum Beta-Zerfall diskret: Für jeden bestimmten Übergang gibt es genau eine Energie. Dies erlaubt die Alpha-Spektroskopie als präzises Werkzeug zur Kernidentifikation. Alpha-Teilchen haben eine sehr geringe Reichweite in Materie (wenige Zentimeter in Luft, einige Mikrometer in Gewebe) – sie werden bereits durch ein Blatt Papier vollständig abgeschirmt. Dennoch sind Alpha-Strahler bei Einatmung oder Ingestion extrem gefährlich, da sie die gesamte Ionisierungsenergie in unmittelbarer Zellnähe deponieren.
Bekannte Alpha-Strahler sind Uran-238 (Halbwertszeit 4,47 Milliarden Jahre – etwa das Alter der Erde), Radium-226 (1.600 Jahre, von Marie Curie entdeckt), Polonium-210 (138 Tage) und Plutonium-239 (24.000 Jahre). Alpha-Zerfälle in Zerfallsreihen – wie der Uran-Zerfallsreihe – erklären die Entstehung von Blei-206 als stabilem Endprodukt. In der Astrophysik produziert die Alpha-Leiter-Reaktionsfolge die schweren Elemente in massereichen Sternen.