Den Begriff radioaktiven Zerfall hören wir in den Medien häufig in Verbindung mit den Gefahren, die damit verbunden sind. Gleichzeitig findet dieser Prozess überall um uns herum statt und wird in der Medizin, Archäologie und Forschung eingesetzt. Was steckt also hinter diesem Begriff und worin unterscheiden sich alpha- und beta-Zerfall?
Tabelle zu den Grundbegriffen der Kernphysik
Wenn es um radioaktiven Zerfall in der Kernphysik geht, gibt es einige Wörter, um Atome mit bestimmten Eigenschaften zu kategorisieren. Die folgende Tabelle gibt Dir das nötige Vokabular für die Physik des Kernzerfalls:
| Atom | Nuklid | Element | Isotop |
| Teilchen, die selbst aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen | Bezeichnung von Atomen anhand ihrer Anzahl von Kernteilchen | Bezeichnung von Atomen anhand unterschiedlicher Protonenzahl | Atome mit derselben Protonenzahl, jedoch unterschiedlicher Anzahl von Neutronen |
Die Neutronen und Protonen eines Atoms bezeichnest du als Kernteilchen.
In dieser Tabelle erkennst Du, dass jeder Begriff die Begriffe rechts von ihm enthält. Jedes Nuklid kannst Du zum Beispiel genauer beschreiben, indem Du angibst, um welches Element es sich handelt.
Die Begriffe werden greifbarer, wenn wir sie kurz anhand des einfachsten Elements in unserem Universum betrachten.
Stell Dir vor, Du hast eine Ansammlung von Atomen. Zunächst misst Du ihre sogenannte Massenzahl A, also wie viele Protonen und Neutronen sie haben. Du stellst fest, dass die Massenzahl A der Atome variiert: Es handelt sich also um unterschiedliche Nuklide. Nun beginnst Du damit, ihre Anzahl an Protonen (die sogenannte Ordnungszahl Z) zu messen. Du stellst fest, dass alle Nuklide genau ein Proton besitzen: Es handelt sich also bei allen um das Element Wasserstoff.
Die unterschiedliche Massenzahl muss also aufgrund der Neutronen zustande kommen. Und tatsächlich stellst Du fest, dass ein paar kleine Neutronen besitzen – hier handelt es sich um den "klassischen Wasserstoff". Andere besitzen ein Neutron oder zwei Neutronen. Bei diesen handelt es sich um die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium.
Wenn wir von radioaktivem Zerfall sprechen, taucht häufig der Begriff Nuklid auf. Dies liegt daran, dass Radioaktivität im Atomkern entsteht und es deshalb Sinn ergibt, sich in diesem Kontext auf die Protonen- und Neutronenzahl zu konzentrieren. Doch was genau ist eigentlich radioaktiver Zerfall?
Radioaktive Strahlung & Zerfall – einfach erklärt
Im Alltag werden die Begriffe Radioaktivität, radioaktiver Zerfall und die dabei entstehende "radioaktive Strahlung" oft synonym benutzt. Allerdings gibt es Unterschiede zwischen den drei Begriffen.
Radioaktivität kannst Du als eine Eigenschaft instabiler Nuklide, sogenannter Radionuklide, verstehen.
Um in einen stabilen Zustand zu gelangen, durchlaufen sie einen Prozess, den Du als radioaktiven Zerfall bezeichnest. Es gibt Alpha-, Beta- und Gammazerfall.
Bei all diesen Zerfallsarten entsteht ionisierende Strahlung in Form von Teilchen oder elektromagnetischen Wellen.
Diese ionisierende Strahlung wird oftmals als radioaktive Strahlung bezeichnet. Tatsächlich ist die entstehende Strahlung jedoch selbst nicht radioaktiv, sondern nur das Nuklid, welches sie emittiert. Außerdem entsteht ionisierende Strahlung auch durch andere Prozesse. Wenn wir im weiteren Artikel von "ionisierender Strahlung" oder einfach nur "Strahlung" sprechen, meinen wir jene, die durch radioaktiven Zerfall entsteht.
Ein bekanntes Beispiel für ein Element, dessen Isotope radioaktiv zerfallen, ist das Uran. Dieses Element wird häufig zur Energiegewinnung in Atomreaktoren eingesetzt. Inzwischen sind über 2700 radioaktive Nuklide bekannt, die einen der drei verschiedene Zerfallsprozesse durchlaufen.
Beim Gammazerfall werden hochenergetische Photonen (also elektromagnetische Strahlung) emittiert, während bei Alpha- und Beta-Zerfall jeweils unterschiedliche Arten von Teilchenstrahlung entstehen.
Alpha Zerfall: Definition, Strahlung & Gleichung
Die drei Zerfallsarten sind nach den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets benannt: , wobei die Stärke der dabei auftretenden Strahlung der Reihe nach zunimmt. So ist die sogenannte Alphastrahlung die schwächste der drei, während Gammastrahlung die stärkste ist.
Dies liegt daran, dass die ionisierende Strahlung beim Alpha-Zerfall in Form eines Helium-4-Kerns (Teilchen mit 2 Neutronen und 2 Protonen) abgegeben wird. Dieser besitzt aufgrund seiner großen Masse und seiner positiven Ladung eine geringe Reichweite. Du brauchst zum Beispiel lediglich ein dickes Blatt Papier, um sie abzuschirmen.
Unter Alpha-Zerfall versteht man den Prozess, bei dem ein instabiles Radionuklid durch Aussendung von Alphastrahlung und Energie in einen stabileren Zustand übergeht. Du kannst diesen Prozess mit Hilfe der folgenden Formel darstellen:
Dabei entsteht ein neues Nuklid mit insgesamt 4 Kernteilchen (2 Protonen, 2 Neutronen) weniger. Diese werden in Form eines Helium-4-Kerns (Alphateilchen) emittiert.
Das entstehende Nuklid kann selbst radioaktiv sein und weitere Zerfallsprozesse durchlaufen.
Das emittierte Alphateilchen verlässt den Kern mit einer gewissen kinetischen Energie, die bei etwa (Megaelektronenvolt) liegt. Die folgende Abbildung veranschaulicht Dir den Prozess des Alphazerfalls auf Teilchenebene:
Alpha-Zerfall findet vor allem bei Atomen mit sehr schwerem Kern statt. Typischerweise solchen, deren Neutronenzahl größer als 126 ist, allerdings kann es auch schon darunter zu Alphazerfall kommen. Ein bekanntes Beispiel ist das Element Uran, welches häufig für Kernreaktionen eingesetzt wird.
Aufgabe
Stelle den Zerfallsprozess des Uranisotops zu Thorium (Th) durch Alpha-Zerfall in einer Zerfallsgleichung dar.
Lösung
Durch die Angabe weißt Du, dass Uran eine Massenzahl A von 235 Kernteilchen, sowie eine Ordnungszahl Z von 92 Protonen besitzt. Beim Alpha-Zerfall wird ein Helium-4-Kern emittiert. Dieser besteht aus 2 Protonen und zwei Neutronen. Er hat also eine Ordnungszahl Z von 2 Protonen und eine Massenzahl A von insgesamt 4 Kernteilchen. Da das Isotop diese abgibt, ziehst Du jeweils Masse- und Ordnungszahl des Alphateilchens von der des Isotops ab:
Somit erhältst Du die Masse- und Ordnungszahl des neuen Elements: Thorium. Nun kannst Du Deine Ergebnisse in die Gleichung einsetzen:
Sollte in einer Aufgabe mal nicht der Name des entstehenden Elements gegeben sein, kannst Du dafür einfach im Periodensystem der Elemente oder in der Nuklidkarte nachschauen.
Wie kommt es dazu, dass der Kern ein Alphateilchen emittiert?
In der Welt der Atome wirken zwei fundamentale Kräfte gegeneinander: die elektromagnetische Kraft und die starke Kernkraft. Die elektromagnetische Kraft sorgt dafür, dass sich zwei gleichnamige Ladungen (z. B. positiv und positiv) abstoßen, während sich ungleichnamige Ladungen (positiv und negativ) gegenseitig anziehen.
Wie kann es also sein, dass sich die positiv geladenen Protonen im Kern nicht gegenseitig abstoßen?
Das liegt an der starken Kernkraft. Diese hält Atomkerne zusammen. Auf winzigen Distanzen (wenige Teilchendurchmesser) ist sie stärker als die elektromagnetische Kraft.
Erst auf einen gewissen Abstand – dem sogenannten Coulombwall – wird die elektromagnetische Kraft stärker.
Durch den sogenannten Tunneleffekt können Alphateilchen den Coulombwall überwinden und den Kern verlassen.
Mehr zum Tunneleffekt und was dieser mit Harry Potter zu tun hat, erfährst Du in unserem entsprechenden Artikel.
Der zweite Zerfallsprozess heißt Beta-Zerfall und ist etwas stärker als der Alpha-Zerfall.
Beta Zerfall: Definition, Strahlung & Gleichung
Genau wie beim Alpha-Zerfall findet beim Beta-Zerfall eine Kernumwandlung statt. Beta-Zerfall ist allerdings deutlich energiereicher als Alpha-Zerfall. Vor allem deshalb, weil die emittierten Beta-Teilchen eine geringere Masse haben und damit deutlich stärker beschleunigt werden. Wie stark, hängt vom Zerfall selbst ab, einige können sogar nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen.
Die Abschirmung der ionisierenden Strahlung beim Betazerfalls hängt damit von der Geschwindigkeit der Beta-Teilchen ab, allerdings reicht selbst bei sehr schnellen Beta-Teilchen ein dünnes Metallblech.
Der Beta-Minus-Zerfall
Grundlegend kannst Du den Beta-Zerfall in zwei Subkategorien teilen. Benannt sind die beiden Arten nach der Ladung des Beta-Teilchens. Beim Beta-Minus-Zerfall ist dieses also negativ geladen.
Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich ein Neutron in einem Radionuklid spontan in ein Proton um. Dabei wird Beta-Strahlung in Form eines Elektrons sowie eines Elektron-Antineutrinos freigesetzt. Du kannst diesen Zerfall durch die folgende Gleichung darstellen:
Der entstehende Tochterkern besitzt damit eine höhere Ordnungszahl Z bei gleicher Massenzahl A.
Ein Neutrino ist ein neutral geladenes Teilchen mit äußerst kleiner Masse. Neutrinos treten nur kaum mit anderer Materie in Wechselwirkung, weshalb sie sehr schwer zu untersuchen sind. Hier handelt es sich um ein Elektron-Antineutrino. Das vorgeschobene "Elektron-" weist darauf hin, dass es zusammen mit einem Elektron auftritt. Das "Anti-" bedeutet, dass es sich in diesem Fall um das Antimaterie-Gegenstück zum Neutrino handelt. Im Formelzeichen erkennst Du es an dem Strich über dem v.
Die folgende Abbildung zeigt diesen Prozess auf Teilchenebene.
Da sich die Protonenzahl erhöht, entsteht ein neues Element. Auch das können wir uns an einem kurzen Beispiel veranschaulichen.
Aufgabe
Thorium (Th) ist kein stabiles Nuklid. Deshalb zerfällt es schon nach einigen Minuten weiter durch Beta-Minus-Zerfall in Protactinium (Pa).
Gib die Zerfallsgleichung an.
Lösung
Zunächst kannst Du die Zerfallsgleichung mit den Variablen füllen, die Du bereits kennst: das Mutternuklid mit seiner Ordnungs- und Massenzahl, den Tochterkern, sowie die beim Zerfall entstehenden Teilchen:
Die Massenzahl beim Beta-Minus-Zerfall bleibt unverändert. Also hat Protactinium die Massenzahl:
Da sich ein Neutron in ein Proton umwandelt, hat Protactinium eine Ordnungszahl von 1 größer als Thorium:
Das setzt Du nun in die Gleichung ein:
Das Gegenstück zum Beta-Minus-Zerfall ist der Beta-Plus-Zerfall.
In der Antike dachte man, dass Atome unteilbare kleinste Teilchen sind. Heute ist bekannt, dass sie selbst aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Doch selbst Protonen und Neutronen bestehen aus kleineren Teilchen: den Quarks.
Neutronen bestehen aus 2 down-Quarks und einem up-Quark. Beim Beta-Minus-Zerfall sorgt die sogenannte schwache Wechselwirkung durch ein Boson dafür, dass ein down-Quark des Neutrons in ein up-Quark umgewandelt wird. Somit wird das Neutron zum Proton (2 up-Quarks, 1 down-Quark). Das W Boson zerfällt in ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Grafisch veranschaulicht siehst Du das auf der folgenden Abbildung:
Mehr zum Thema Quarks findest Du im entsprechenden Artikel auf StudySmarter.
Beta-Plus-Zerfall
Beim Beta-Plus-Zerfall wird statt dem Elektron ein Positron emittiert. Ein Positron ist das Anti-Teilchen zu einem Elektron. Es besitzt dieselbe Masse wie ein Elektron, jedoch eine positive Ladung. Statt dem Elektron-Antineutrino wird ein Elektron-Neutrino emittiert. In beiden Fällen handelt es sich also um das jeweilige Anti-Teilchen:
Auf der Abbildung wird der Beta-Plus-Zerfall auf Teilchenebene durch die spontane Umwandlung eines Protons in ein Neutron ausgelöst.
Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich ein Proton in einem Radionuklid spontan in ein Neutron um. Dabei wird Beta-Strahlung in Form eines Positrons , sowie eines Elektron-Neutrinos freigesetzt. Du kannst diesen Zerfall durch die folgende Gleichung darstellen:
Der entstehende Tochterkern besitzt damit eine kleinere Ordnungszahl Z bei gleicher Massenzahl A.
Die beiden Zerfallsprozesse verlaufen gewissermaßen in umgekehrte Richtungen. Der Beta-Plus-Zerfall findet vor allem bei sehr Protonenreichen Kernen statt, während der Beta-Minus-Zerfall eher bei sehr Neutronenreichen Kernen auftritt.
Aufgabe
Gegeben sind die folgenden zwei Zerfallsgleichungen von Kohlenstoff: Bei welcher der beiden handelt es sich um Beta-Minus, bei welcher um Beta-Plus-Zerfall?
Gib jeweils an, welche Teilchen dabei emittiert werden.
Lösung
Bei der ersten Gleichung handelt es sich um Beta-Minus-Zerfall. Das siehst Du daran, dass die Protonenzahl des Tochternuklid größer wird, da sich ein Neutron in ein Proton verwandelt. Dabei wird ein Positron und ein Elektron-Antineutrino frei.
Bei der zweiten Gleichung handelt es sich also um Beta-Plus-Zerfall. Das erkennst Du auch daran, dass die Protonenzahl des Tochternuklid kleiner wird. Dabei wird ein Positron und ein Elektron-Neutrino frei.
Was passiert beim Beta-Plus-Zerfall auf subatomarer Ebene?
Auch auf Quark-Ebene findet der umgekehrte Prozess statt, vermittelt durch ein - Boson der schwachen Wechselwirkung. Dabei wird eines der beiden up-Quarks eines Protons zu einem down-Quark. Das W+ Boson zerfällt in ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Auch diesen Prozess siehst Du auf der folgenden Abbildung veranschaulicht:
Alpha und Beta Zerfall Nuklidkarte
Doch woher weißt Du nun, ob ein bestimmtes Nuklid Alpha, Beta-Plus oder Beta-Minus-Zerfall durchläuft und welches Element dann entsteht? Bei über 2700 Radionukliden ist es gar nicht so leicht, einen Überblick zu behalten. Genau deshalb gibt es die Nuklidkarte. In ihr findest Du die verschiedenen Radionuklide und ihre möglichen Zerfallsprozesse:
Auf der Abbildung siehst Du die Nuklidkarte. Diese kannst Du wie ein Diagramm lesen: auf der x-Achse befinden sich die Anzahl an Neutronen, auf der y-Achse die Anzahl an Protonen. Zu der Nuklidkarte gibt es eine Legende, die Dir die farbliche Kennzeichnung der Nuklidkarte entschlüsselt.
Wenn du nun von einem Mutternuklid ausgehst, erfährst Du die Eigenschaften des Tochternuklids, indem Du in die entsprechende Richtung der Nuklidkarte gehst. Wie auf der obigen Abbildung dargestellt, gehst Du beim Alpha-Zerfall zwei Kästchen diagonal nach rechts unten. Beim Beta-Plus-Zerfall gehst Du dagegen ein Kästchen diagonal nach rechts unten, beim Beta-Minus ein Kästchen nach diagonal nach links oben.
Wenn Dich das Thema interessiert, erfährst Du alles Wichtige in unserem Artikel zur Nuklidkarte.
Alpha und Beta Zerfall – Unterschiede mit Tabelle
Alpha- und Beta-Zerfall bezeichnen beide radioaktive Zerfallsprozesse, bei denen ionisierende Strahlung in Form von Teilchen emittiert wird. Die Art des Teilchens unterscheidet sich jedoch, genauso wie der Vorgang, im Kern.
Die wichtigsten Unterschiede zwischen Alpha- und Beta-Zerfall siehst Du in der folgenden Tabelle:
| Alpha-Zerfall | Beta-Minus-Zerfall | Beta-Plus-Zerfall |
Vorgang im Kern | Abspaltung von 2 Protonen und 2 Neutronen | Umwandlung eines Neutrons in ein Proton | Umwandlung eines Protons in ein Neutron |
emittiertes Teilchen | Helium-4-Kern | Elektron & Elektron-Antineutrino | Positron & Elektron-Neutrino |
Änderung der Massenzahl A | A - 4 | Keine Änderung |
Änderung der Ordnungszahl Z | Z - 2 | Z + 1 | Z - 1 |
Nuklidkarte | Zwei Kästen diagonal nach links unten | Ein Kästchen diagonal nach links oben | Ein Kästchen diagonal nach rechts unten |
Abschirmung | Dickes Papier | Dünnes Metall |
Neben dem Alpha- und Beta-Zerfall gibt es noch eine dritte radioaktive Zerfallsart: den Gammazerfall. Der Gammazerfall folgt häufig auf eine der anderen beiden Zerfallsarten, wenn das Atom in einem angeregten Energiezustand verbleibt. Dabei sendet der Kern Gammastrahlung aus, die weitaus energiereicher als alpha- oder beta-Strahlung ist.
Mehr zur dritten Zerfallsart findest Du in unserem Artikel zur Radioaktivität.
Alpha und Beta Zerfall - Das Wichtigste
Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron um, wobei ein Positron und ein Elektron- Neutrino emittiert werden. Die Zerfallsgleichung zum Beta-Plus-Zerfall lautet:
Anhand der Nuklidkarte erfährst Du, unter welchen Zerfallsprozessen ein bestimmtes Radionuklid zerfällt.
Alpha- und Beta-Zerfall unterscheiden sich durch die Stärke und Art der Strahlung, die sie emittieren, sowie die Änderung der Massen- und Ordnungszahl.
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