Alphastrahlung

Alphastrahlung ist eine ionisierende Strahlung. In diesem Artikel erklären wir dir was genau die Alphastrahlung ist und geben dir praktische Beispiele mit an die Hand.

Die Alphastrahlung gehört zum Teilgebiet der Kernphysik und wird im Fach Physik unterrichtet.

george.bellamy@studysmarter.de

Berechnen der Energie die beim Zerfall entsteht

20:49 27.07.2021

Was genau ist eine Alphastrahlung?

Alphastrahlung ist die ionisierende Strahlung, welche beim Alphazerfall vom Atomkern ausgesendet wird. Beim Alphazerfall handelt es sich um einen radioaktiven Zerfall, da dieser zufällig und ohne Einwirkung von außen geschieht. Beim Alphazerfall spaltet sich ein Helium-4 Atom vom Mutteratomkern ab. Dieses Helium-4 Atom nennt man Alphateilchen. Da es sich hierbei um ein Teilchen und keine elektromagnetischen Wellen handelt, gehört die Alphastrahlung zu den Teilchenstrahlungen. Ein Atomkern, welcher Alphastrahlung aussendet nennt man Alphastrahler.

Beispiele für Alphastrahler sind Radium und Uran.

Abb.1: Alphastrahlung
(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Alphastrahlung)

Und hier noch einmal die Definitionen kurz und knackig:

• Alphastrahlung: Die ionisierende Strahlung  (Energie) welche beim Alphazerfall vom Atomkern ausgesendet wird.
• Alphazerfall: Der Vorgang bei welchem Alphastrahlung aus dem Atomkern austritt.
• Alphastrahler: Das Radionuklid, welches Alphastrahlung aussendet.
• Alphateilchen:  Der Helium-4-Atomkern, welcher sich vom Mutteratomkern abspaltet und zum Tochterkern wird.

Alphastrahlung im Detail

Alphateilchen - Was ist ein Helium-4-Atomkern?

Helium hat die Kernladungszahl 2 und besitzt demnach 2 Protonen und 2 Elektronen. In der Natur kommen die zwei Isotope Helium-3 und Helium-4 vor, wobei Helium-3 nur sehr selten auftritt. 

Du möchtest dein Wissen über die Kernladungszahl und Isotope auffrischen? Dann schau dir unsere Artikel zum Thema Atomaufbau und Periodensystem an.

Helium-4, welches das stabile Zerfallsprodukt bei radioaktivem Alphazerfall ist, ist ein zweiwertiges Kation von Helium. Man schreibt auch 42He.  Das bedeutet, dass dieses Heliumatom 2 Neutronen und 2 Protonen besitzt.

Hier sind die beiden Helium Isotope Helium-3 und Helium-4 dargestellt. Protonen sind rot, Neutronen sind gelb und Elektronen blau.

Abb. 2: Helium-3 und Helium-4
(Quelle: https://commons.wikipedia.org/wiki/File:Helium-3_and_Helium-4.gif)

Alphazerfall

Da beim Alphazerfall ein 42He abgespaltet wird, verliert der Mutteratomkern 2 Protonen und 2 Neutronen. Deswegen nimmt beim Alphazerfall die Massenzahl A des Atomkerns um vier Einheiten und die Kernladungszahl Z um zwei Einheiten ab. Dabei wird Energie in Form von Alphastrahlung frei.

X steht für das ursprüngliche Isotop, auch Mutternuklid genannt. Das entstehende Isotop Y wird Tochternuklid bezeichnet. ΔE steht hierbei für die Energie, welche in ionisierender Strahlung austritt. 

Die Kernladungszahl gibt die Anzahl der Protonen im Atomkern an. Diese Zahl ist spezifisch für jedes Element. Das heißt: ändert sich die Kernladungszahl, ändert sich das Element. Beim Alphazerfall wird also das Mutternuklid des Elementes E in das Tochternuklid des Elementes G umgewandelt. 

Tipp: Wenn du dir nicht sicher bist, wie das neue Element nach einem Alphazerfall heißt, schaue im Periodensystem nach! Dort findest du das neue Element „zwei links“ vom ursprünglichen Element.

Abb. 3: Periodensystem Ausschnitt
(Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem)

Beispiele für den Alphazerfall

Beispiel 1: Radium kommt in der Natur als Isotop Radium-224 vor. Das Mutternuklid Radium-224 wandelt sich in das Tochternuklid Radon-220 um:

Radium hat eine Halbwertszeit von 3,6 Tagen. Das heißt, innerhalb dieser Zeit sind die Hälfte der vorhandenen Radium-224 Kerne in Radon-220 Kerne zerfallen. Radon dagegen hat nur eine Halbwertszeit von 55 Sekunden. Radon zerfällt nämlich in Windeseile in Polonium. 

Aufgabe: Kannst die die Reaktionsgleichung für diesen Alphazerfall aufschreiben?

Tipp: Du kannst die Lösung dieser Abbildung entnehmen.

Diese Abbildung zeigt die Thorium-Zerfallsreihe an. In dieser zerfällt der Thorium-232 Kern (ganz oben links) solange bis er in das Element Blei-208 (Pb-208) umgewandelt wurde. Blei-208 ist das stabile Endprodukt der Zerfallsreihe. Die Pfeile in der Abbildung zeigen dir an, ob es sich um einen Alpha- oder Betazerfall (link) handelt.

Außerdem siehst du, dass während des Alphazerfalls immer ein Element „übersprungen“ wird. Das hat damit zu tun, dass bei der Alphastrahlung sich die Kernladungszahl um 2 ändert.

Abb. 4: Thorium-Zerfallsreihe

(Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Decay_chain#Radium_series_(also_known_as_uranium_series))

Beispiel 2:
Der Plutoniumkern-239 kann durch Alphazerfall zu einem Urankern-235 zerfallen.

Der Urankern-235 ist kein stabiles Produkt und kann weiter zu Throrium-231 zerfallen. 

Dieser Zerfall hat allerdings eine Halbwertzeit von 704.000.000 Jahre! Dieses Beispiel ist der Anfang der Actinium-Zerfallsreihe. Hier ist Blei-207 das stabile Endprodukt.

Aufgabe: Versuche auch hier wieder die Reaktionsgleichungen der Alphazerfälle dieser Reihe aufzuschreiben. Schaffst du es von Throrium-227 bis zu Blei-211? Die Abbildung kann dir dabei wieder behilflich sein. 

Eigenschaften der Alphastrahlung

Die Energie der freiwerdenden Alphastrahlung ist kinetische Energie des Mutter- und Tochterkerns. Diese liegt meistens in einem Bereich von 2-5 MeV (Elektronenvolt). Es ist möglich, dass ein Teil der Energie den Tochterkern in einen angeregten Zustand versetzt. Diese Energie wird anschließend durch Gammastrahlung abgebaut. Die freigesetzte Energie kann nur ganz konkrete Werte annehmen. Das heißt das Energiespektrum der Alphastrahlung ist ein Linienspektrum. Jedes Radionuklid hat sein eigenes, für ihn typisches Linienspektrum und kann dadurch bestimmt werden.

Alphastrahlung kann durch einen Teilchendetektor nachgewiesen werden.

Wirkung der Alphastrahlung auf die Umgebung 

Die Alphateilchen (Helium-4-Kerne) sind elektrisch geladen. Außerdem sind sie mit 4u (u = atomare Masseneinheit) relativ schwer. Aufgrund dieser beiden Eigenschaften kann Alphastrahlung nur bedingt in Materie eindringen.

Beispiel: Ein Alphateilchen mit einer Energie von 5,5 MeV kann nur 45 µm weit in Wasser oder organische Materie eindringen. Demnach reicht ein dickes Stück Paper schon aus, um Alphastrahlung abzuschirmen.

Die Reichweite von Alphastrahlung ist abhängig von der kinetischen Energie und der Dichte der Umgebung.

Beispiel: In Luft beträgt die Reichweite der Alphastrahlung bei 10MeV 10cm. In der Atmosphäre, wo der Luftdruck gegen null geht, kann Alphastrahlung über mehrere hunderte Kilometer weit strahlen.

Aus den oben genannten Eigenschaften – geringer Eindringtiefe und kurze Reichweite - ist Alphastrahlung für den Menschen relativ ungefährlich. Beim Eindringen in den Körper, erreicht die Alphastrahlung nur die obere Hautschicht und verweilt dort.

Gefährlich wird es, wenn Alphastrahlung durch Einatmen in den Körper aufgenommen wird oder sich ein Alphastrahler in einem Organ ansammelt. Dies kann zur Schädigung lebender Zellen führen und weitreichende Auswirkungen auf den Organismus haben. 

Der Strahlungswichtungsfaktor ist ein regulatorischer Wert aus dem Strahlenschutz. Er ist abhängig von der Art der ionisierende Strahlung, sowie der Energie des Strahlenteilchens. Der Strahlungswichtungsfaktor für Alphastrahlung beträgt 20. Wohingegen der für Beta und Gammastrahlung nur 1 beträgt. Es wird also bei gleicher Energie von einer 20-fachen Schadwirkung durch Alphastrahlung ausgegangen. 

Anwendung der Alphastrahlung

Alphastrahlen können in Rauchmeldern Verwendung finden. In diesen Ionisationsrauchmeldern wird die Leitfähigkeit der durch Alphastrahlen ionisierten Luft gemessen. Die Leitfähigkeit wird von den Rauchpartikel verändert.

Alphastrahlung – das Wichtigste auf einen Blick!

Allgemein gilt: