physikalische Grundlagen:

Auf dieser Seite kannst Du wichtige physikalische Grundlagen nachlesen, die für das Verständnis der Stationen wichtig sind. Wichtige Begriffe sind auch nochmal in Kürze im Glossar nachzulesen.
Gliederung:

		Grundbegriffe
		Der radioaktive Zerfall
		Die Halbwertzeit
		Zerfallsreihen
		Einheiten
		Weiterführende Links

Der Elementarphysiker Ernest Rutherford bewies, dass Atome aus einem kleinen Kern und einer vergleichsweise großen Hülle bestehen. Im Kern befinden sich die Neutronen (N) und positiv geladenen Protonen (Z), in der Hülle die negativ geladenen Elektronen. Protonen und Neutronen werden auch als Nukleonen (A; aus dem griech. "nucleos" = der Kern) bezeichnet. Die Protonenanzahl im Kern ist charakteristisch für ein Element, die Neutronenzahl kann jedoch, auch bei konstanter Protonenzahl, schwanken: Kerne mit gleicher Protonenzahl, aber variierender Neutronenzahl, nennt man Isotope.

		Hast Du es verstanden?
		Warum ist die Aussage "Chlor hat die Masse 35,45 u" falsch?

Ein Atom des Elementes Sauerstoff kann man so formulieren:

Dabei ist A = 16 und Z = 8.

Vom am einfachsten aufgebauten Element, Wasserstoff (chemisches Zeichen "H") sind drei Isotope bekannt:

Viele dieser Isotope sind jedoch nicht stabil und zerfallen in kleinere Kerne. Hierbei sind verschiedene Mechanismen möglich:

1) a-Zerfall: ein Alpha-Teilchen (hiermit experimentierte auch E. Rutherford in seinem berühmten "Streuversuch", mit dem er die Unterteilung in Kern und Hülle eines jeden Atoms nachwies) hat die Zusammensetzung eines Heliumkerns, besteht also aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Sie sind also zweifach positiv geladen. Ein Beispiel ist der Zerfall von Polonium Po-210 zu Blei Pb-206:

Alpha-Teilchen können Papier nicht durchdringen, sind also leicht abschirmbar. Gelangen Sie über die Nahrung in den Körper, können sie dort natürlich dennoch Schaden anrichten!

2) b-Zerfall: Beta-Teilchen sind negativ geladen und sind schnell fliegende Elektronen. Sie entstehen durch den Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron. Das Elektron wird emittiert, also aus dem Kern gesandt. Das Proton verbleibt im Kern, die Kernladungszahl Z steigt also durch diesen Zerfall um 1. Ein Beispiel ist der Zerfall von Thallium-204 zu Blei-204:

Mit einer 5mm dicken Aluminiumschickt kann man Beta-Teilchen abschirmen.

3) g-Zerfall: Gamma-Teilchen sind elektrisch neutral und besitzen fast keine Masse. Sie bestehen, ähnlich wie Licht, aus Energie. Der Gamma-Zerfall tritt vor allem dann auf, wenn die beteiligten Kerne nach einem a- oder b-Zerfall noch überschüssige Energie besitzen. Diese wird dann in Form eines g-Teilchens abgegeben. Ein Beispiel ist der Zerfall von Americium Am-241 zu Neptunium Np-237:

Nur dicke Bleischichten können diese Teilchen abschirmen.

		Hast Du es verstanden?
		Rn-222 entsteht durch zwei Beta-Zerfälle und drei Alpha-Zerfälle. Wie heißt das Isotop, von dem diese Zerfallsreihe ausgeht?

Das Sanduhr-Prinzip: Um zeitliche Abläufe messen zu können, benötigt man eine Uhr. In der Natur steht uns ein als Uhr verwendbarer Prozess in Form der radioaktiven Umwandlung von nichtstabilen zu stabilen Atomkernen (Nukliden) zur Verfügung. Der "Takt" dieser Uhr wird durch die so genannte Halbwertszeit bestimmt. Sie gibt an, wie lange es dauert bis die Hälfte der vorhandenen nichtstabilen Nuklide zerfallen ist. Die Halbwertszeiten von Nukliden, die sich für die Datierung eignen, variieren von einigen Jahren bis zu Milliarden von Jahren.

das Sanduhr-Prinzip. © J. Hopp, MPIK. Vergrößerte Darstellung bei Klick! >

Wie der radioaktive Zerfall bei der Altersbestimmung angewendet wird, soll mit dem Beispiel einer Sanduhr veranschaulicht werden. Für jedes Korn, das im oberen Gefäß verschwindet, kommt im unteren eines hinzu; genauso entsteht für jedes Mutter-Nuklid, das zerfällt, ein Tochter-Nuklid. Da die Halbwertszeit oder die Geschwindigkeit, mit der die Sanduhr läuft, bekannt ist, lässt sich aus dem Verhältnis der Sandkörner im oberen und unteren Gefäß bzw. der beteiligten Nuklide die Zeit bestimmen, die seit dem Start der Sanduhr vergangen ist. Das funktioniert allerdings nur, wenn das untere Gefäß zu Beginn leer ist (oder man weiß, wie viel sich darin befindet) und die Gefäße keine Löcher haben, damit weder Körner verloren gehen noch Sand von außerhalb in das Gefäß rieselt.

Diese Bedingungen sind in der Natur praktisch nie vollständig verwirklicht. Da die Wissenschaft aber oft in der Lage ist, Störungen mit Hilfe verfeinerter Methoden zu erkennen, können dennoch zuverlässig Alter bestimmt werden.

Die Halbwertzeit variiert sehr von Kernart zu Kernart: das Kohlenstoffisotop C-14 (A = 14) hat eine Halbwertzeit von 5730 Jahren: in dieser Zeit zerfällt also die Hälfte der vorhandenen, instabilen (also radioaktiven) C-14-Kerne. Andere Isotope haben Halbwertzeiten von mehreren Millionen oder gar Milliarden Jahren: Uran-238 hat eine Halbwertzeit von knapp 4,5 Milliarden Jahren, Platin-190 gar von 690 Milliarden Jahren. Blei-205 hat dagegen eine Halbwertzeit von nur 15 Millionen Jahren.

		Hast Du es verstanden?
		Im lebenden Organismus zerfallen 16 Atomkerne C-14-Kohlenstoff zu pro Minute und Gramm Kohlenstoff. Eine Probe aus einem Fossil, die 5 Gramm Kohlenstoff enthält, zeigt eine Aktivität von 20 Zerfällen pro Minute: Berechne das Alter des Fossils! Die Halbwertzeit beträgt 5730 Jahre.

In vielen Fällen ist es so, dass nach einem radioaktiven Zerfall die entstehenden Tochterisotope selber wieder radioaktiv sind und weiter zerfallen. Dann entstehen so genannte Zerfallsreihen, bis als Tochterisotop ein stabiles Isotop auftritt, welches nicht mehr weiter zerfällt. Die Zerfallsarten (a-, b- oder g-Zerfall) können hierbei alle auftreten. Wichtige Zerfallsreihen sind zum Beispiel:

1) die Uran-Radium-Reihe: Ausgangsnuklid U-238, Endnuklid Pb-206
2) die Uran-Actinium-Reihe: Ausgangsnuklid U-235, Endnuklid Pb-207
3) die Thorium-Reihe: Ausgangsnuklid Th-232, Endnuklid Pb-208
4) die Neptunium-Reihe: Ausgangsnuklid Np-237, Endnuklid Bi-209

Besonders eindrucksvoll ist die erste Zerfallsreihe: mit 17 Zwischenschritten zerfällt Uran238 zu Blei206. Natürlich besitzen alle instabilen Isotope, die im Laufe dieser Zerfallsreihe durchlaufen werden, verschiedene Halbwertszeiten: die Halbwertszeiten der auftretenden Isotope schwanken zwischen knapp 4,5 Mrd. Jahren (U-238) und 35 Millisekunden (Rn-218).

Die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde nennt man die Aktivität einer radioaktiven Substanz. Sie wird in Bequerel gemessen: 1 Bq = 1 / s.

		Hast Du es verstanden?
		Ist die Aktivität eines radioaktiven Isotops während der gesamten Dauer des Zerfalls gleich oder verändert sich die Aktivität zeitlich?

Ist man radioaktiver Strahlung ausgesetzt, so ist als Maß für die Strahlenbelastung die aufgenommene Energiemenge in Abhängigkeit vom Körpergewicht bedeutend: man spricht hier von der effektiven Dosis. Sie wird in Sievert gemessen: 1 Sv = 1 J / kg.
In der BRD beträgt die durchschnittliche natürliche Strahlenexposition eines Menschen etwa 2,4 mSV pro Jahr. Hinzu kommt die so genannte zivilisatorische Strahlenexposition von cirka 1,6 mSv pro Jahr.

   http://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertzeit
   http://de.wikipedia.org/wiki/Zerfallsreihe