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Kernzerfall

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Kernzerfall

Beim Kernzerfall denken die meisten Menschen an Kernkraftwerke oder gar Reaktorkatastrophen. Dass es allerdings ein natürlicher Prozess sein kann, wissen dabei nur die wenigsten. Gleichzeitig zerfallen jede Sekunde Millionen Atomkerne in den Gesteinen unserer Welt. Dieser Zerfall findet ganz spontan und auf natürlichem Wege statt – ganz ohne menschliches Eingreifen.

Da Gestein unter anderem zu Baumaterialien verarbeitet wird, zerfallen auch die Kerne in Gebäudewänden und senden radioaktive Strahlung aus. Doch was ist Radioaktivität eigentlich?

Radioaktivität

Kernkraftwerke sollten ausgeschaltet werden, denn Radioaktivität ist sehr gefährlich.

Bestimmt hast Du diesen Satz in der einen oder anderen Form schon mal gehört.

Allein schon das Wort „Radioaktivität“ verunsichert Menschen und jagt dem einen oder anderen sogar Furcht ein. Dabei ist es eigentlich etwas ganz Natürliches, was uns in unserem Alltag umgibt.

Radioaktivität ist die Eigenschaft von instabilen Atomkernen, spontan zu zerfallen.

Wenn Dich dieses Thema näher interessiert, kannst Du es in der Erklärung zur Radioaktivität nachlesen!

Atomkerne, die spontan zerfallen, nennst Du radioaktiv.

Kernzerfall Definition

Im Gegensatz zur Kernspaltung, bei der schwere Atomkerne durch Neutronenbeschuss in leichtere Kerne zerlegt werden, findet der Kernzerfall also auf natürlichem Weg statt.

Dabei wird im Falle der Kernspaltung mehr Energie freigesetzt als beim Kernzerfall: Die Spaltung von Uran-235 setzt etwa 200 MeV Energie frei. Der Zerfall von Uran-235 hingegen liefert nur 4,47 MeV (im Alpha-Zerfall).

Bei einem Kernzerfall wandeln sich instabile Atomkerne zu stabilen Kernen um. Als Nebenprodukt entsteht radioaktive Strahlung in Form von Teilchen- oder elektromagnetischer Strahlung.

Radioaktivität an sich sollte also keine Besorgnis erregen. Viel vorsichtiger solltest Du jedoch mit radioaktiver Strahlung sein.

Radioaktive Strahlung

Radioaktive Strahlung entsteht, wenn ein Atomkern zerfällt. Je nach Zerfallsart wird dabei zwischen Alpha (α)-, Beta (β)- oder Gamma (γ)-Strahlung unterschieden.

Alphastrahlung besteht aus -Kernen (sogenannten α-Teilchen) und ist somit eine Form der Teilchenstrahlung. Sie entsteht beim Alpha-Zerfall.

Betastrahlung entsteht im Beta-Zerfall und besteht je nach Zerfallsart aus Elektronen oder Positronen.

Als Gammastrahlung bezeichnest Du hochenergetische elektromagnetische Strahlung. Diese wird freigesetzt, wenn ein angeregter Atomkern in einen energetisch tieferen Zustand übergeht.

Mehr zur Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung erfährst Du in den entsprechenden Erklärungen. Außerdem kannst Du die entsprechenden Zerfallsarten in der Erklärung zum alpha- und beta-Zerfall nachlesen.

Weil Radioaktivität eine natürliche Eigenschaft ist, so kommt auch radioaktive Strahlung auf natürliche Weise auf der Erde vor und kann sogar als Hintergrundstrahlung gemessen werden. Das alleine ist allerdings kein Grund zur Sorge, denn die Menschheit war seit jeher dieser natürlichen Strahlung ausgesetzt – ohne gravierende Folgen.

Gefährlich wird es erst, wenn zu der natürlichen Strahlenbelastung zusätzliche Belastung durch menschengemachte Strahlungsquellen hinzukommt. Doch warum ist radioaktive Strahlung in hohen Dosen so gefährlich?

Biologische Wirkung

Sowohl Alpha- und Betastrahlung als auch Gammastrahlung kann je nach Energie mit Elektronen oder gar Atomkernen wechselwirken. Dabei kann sie auch Elektronen aus Molekülen oder Atomen der Materie entfernen. Dieser Vorgang wird als Ionisation bezeichnet und hinterlässt positiv geladene Ionen. Da diese nun in ihrer Struktur geändert sind, können sie nicht mehr uneingeschränkt ihrer Funktion nachgehen. Dadurch können wichtige Vorgänge im Körper – hauptsächlich die Zellteilung – gestört.

Mehr über die Biologische Strahlenwirkung kannst Du in der entsprechenden Erklärung nachlesen.

Glücklicherweise kannst Du Dich in den meisten Fällen gut vor radioaktiver Strahlung schützen. Die einfachste Möglichkeit bietet dabei die Abschirmung.

Bei der Abschirmung kommt es darauf an, wie tief die Strahlung in Materie eindringen kann. Da Alphastrahlung aus relativ schweren Teilchen besteht, dringt sie nicht so tief in Materie ein wie Betastrahlung (bestehend aus Elektronen oder Positronen). Gammastrahlung hingegen tritt durch jede Art von Materie.

Die Reichweite von Alphastrahlung in Luft beträgt beispielsweise etwa 10 cm. Um diese abzuschirmen, reicht auch schon ein Blatt Papier. Betastrahlung kannst Du mit einem dünnen Aluminiumblech oder etwa 100 Blatt Papier abschirmen. In Luft hingegen reicht die Strahlung 5–10 m weit. Gammastrahlung kannst Du nicht vollständig abschirmen, aber Du kannst sie durch dicke Blei- und Betonschichten eindämmen.

In der Regel kannst Du Dich also gut vor radioaktiver Strahlung schützen. Damit sie jedoch überhaupt auftreten kann, muss zunächst ein Kern zerfallen. Aber warum zerfallen Kerne überhaupt – oder genauer gesagt: Was hält einen Atomkern zusammen?

Kernzerfall Physik

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Diese werden als Nukleonen zusammengefasst. Die Protonenanzahl bestimmt dabei, zu welchem Element das Atom gehört. Jedes Element kann allerdings unterschiedlich viele Neutronen haben und Elemente verschiedener Neutronenzahlen heißen Isotope.

Isotope kannst Du auf unterschiedliche Weise angeben. Einerseits kannst Du den Elementnamen ausschreiben und die Massenzahl, also die Summe aus Protonen und Neutronen, dahinter schreiben (z.B. Uran-238 oder Kalium-40). Diese Schreibweise wird meist im Fließtext verwendet. In Zerfallsgleichungen oder Abbildungen wird hingegen die Massenzahl in den Index links oben neben dem chemischen Symbol des Elements geschrieben (z.B. 238U oder 40K). Optional kannst Du zusätzlich noch die Anzahl der Protonen unten links einfügen.

Eine ausführliche Erklärung dazu findest Du unter "Isotope".

Beispielsweise hat Wasserstoff drei Isotope:

Mehr zum Thema Atomaufbau und Atomkern kannst Du in den jeweiligen Erklärungen nachlesen.

Protium besteht lediglich aus einem Proton (Kern) und einem Elektron.

Da es das am weitesten verbreitete Isotop des Elements "Wasserstoff" ist, wird es umgangssprachlich auch "Wasserstoff" genannt.

Der Kern von Deuterium hat zusätzlich zum Proton noch ein Neutron. Da Deuterium durch das zusätzliche Neutron schwerer ist, als Protium, wird es auch als "schwerer Wasserstoff" bezeichnet. Tritium kommt auf natürliche Weise nur in Spuren vor und ist radioaktiv. Da es ganze zwei Neutronen im Kern hat, wird es umgangssprachlich auch "überschwerer Wasserstoff" genannt.

Während Neutronen ungeladen sind, tragen Protonen eine positive Ladung. Dadurch stoßen sie sich im Kern ab. Diese abstoßende Kraft wirkt allerdings über lange Distanzen hinweg. Auf kurzen Distanzen hingegen dominieren Anziehungskräfte zwischen den Nukleonen.

In diesem Zusammenhang beziehen sich „lange“ und „kurze“ Distanzen auf die Maßstäbe im Atomkern! „Lang“ bedeutet in diesem Sinne, dass ein Proton nicht nur auf seine nächsten Nachbarn, sondern auch auf alle anderen Protonen im Kern wirkt.

Die Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Atomkernen tragen zur Bindungsenergie bei. Diese bestimmt über die Stabilität eines Kerns und hängt davon ab, wie viele Protonen und wie viele Neutronen vorhanden sind.

Sind zu viele Protonen vorhanden, so dominiert die Abstoßung und der Kern wird destabilisiert. In diesem Fall sprichst Du vom Protonenüberschuss. Auch zu viele Neutronen können den Kern destabilisieren. Dies bezeichnest Du als Neutronenüberschuss.

Alle Kerne mit mehr als 82 Protonen sind instabil. Außerdem die Bindungsenergie davon beeinflusst, ob die Anzahl der Protonen und Neutronen gerade oder ungerade ist. Kerne mit gerader Protonen und Neutronenzahl sind beispielsweise stabiler. Eine ausführliche Erklärung dazu findest Du in der Erklärung „Stabilität von Kernen“.

Wirfst Du einen Blick auf die Nuklidkarte, so kannst Du erkennen, dass nur ein Bruchteil aller vorkommenden Isotope stabil ist:

Eine ausführliche Beschreibung der Nuklidkarte findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

Dabei zerfallen Isotope mit einem Mangel an Neutronen (Protonenüberschuss) überwiegend unter Aussendung von Positronen im sogenannten Beta-Plus-Zerfall. Bei Neutronenüberschuss hingegen werden Elektronen im Beta-Minus-Zerfall freigesetzt. Elemente mit sehr hohen Protonen- und Neutronenzahlen hingegen zerfallen im Alpha-Zerfall, da hierbei das größte Teilchen – der -Kern – freigesetzt wird. Ziel ist dabei stets die Umwandlung eines instabilen Kerns in einen stabilen.

Energie- und Impulsbilanzen bei Kernreaktionen

Bei Kernumwandlungen bleibt sowohl die Gesamtenergie als auch der Gesamtimpuls vor und nach dem Kernzerfall erhalten. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten für einen Zerfall: Beispielsweise kann bei einem Alpha- oder Beta-Zerfall überschüssige Energie in Form von Gammastrahlung abgegeben werden. Alternativ kann die sich die kinetische Energie der Produkte ändern, um die Impuls- oder Energieerhaltung zu erfüllen.

Wenn Du Dich näher für die Umwandlungen bei einem Kernzerfall interessierst, dann schau doch in der Erklärung zur Energie- und Impulsbilanzen bei Kernreaktionen vorbei.

Wann ein Kern zerfällt, ist allerdings nicht exakt vorhersagbar. Stattdessen ist es ein rein statistischer Prozess, der zu einer bestimmten Zeit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eintreten kann. Diesen kannst Du über das Zerfallsgesetz beschreiben.

Kernzerfall Gleichung

Bei einem radioaktiven Zerfall nimmt die Anzahl an noch vorhandenen Kernen exponentiell ab. Dies bezeichnest Du als das Zerfallsgesetz.

Das Zerfallsgesetz gibt an, wie viele Atomkerne nach einer bestimmten Zeit t noch vorhanden, also nicht zerfallen, sind. Dabei ist N0 die anfängliche Anzahl an Kernen vor dem Zerfall und λ die Zerfallskonstante:

Kernzerfall Zerfallsgesetz StudySmarter

Die Zerfallskonstante beschreibt die Zerfallswahrscheinlichkeit des Isotops und ist demnach isotopenspezifisch.

Wenn Du mehr zum Zerfallsgesetz nachlesen möchtest, dann schau doch in der entsprechenden Erklärung vorbei!

Die exponentielle Abnahme der Atomkerne kannst Du folgendermaßen verbildlichen:

Kernzerfall Zerfallsgesetz StudySmarterAbbildung 4: Zerfallsgesetz

Dabei siehst Du am Graphen, dass mit der Zeit immer weniger Kerne zerfallen. Wie viele Kerne pro Zeiteinheit zerfallen, wird durch die Zerfallskonstante bestimmt. Diese ist eng mit der Halbwertszeit verbunden.

Kernzerfall Halbwertszeit

Ein anschauliches Maß für die Lebensdauer und Aktivität eines radioaktiven Isotops bietet seine Halbwertszeit.

Die Halbwertszeit T1/2 entspricht der Zeit, nach der die Hälfte aller ursprünglich vorhandenen Atomkerne bereits zerfallen sind. Der Zusammenhang mit der Zerfallskonstanten λ ist gegeben durch

Kernzerfall Halbwertszeit StudySmarter

Eine ausführliche Erklärung zu diesem Thema findest Du bei „Halbwertszeit“.

An der Zerfallskurve kannst Du die Halbwertszeit beispielsweise direkt als Zeitpunkt ablesen, zu dem die anfängliche Anzahl der Kerne N0 auf den halben Wert abgesunken ist:

Kernzerfall Zerfallskurve Halbwertszeit StudySmarter

Abbildung 5: Halbwertszeit

Die Formel der Halbwertszeit folgt wiederum unmittelbar aus dem Zerfallsgesetz.

Um die Gleichung der Halbwertszeit herzuleiten, löst Du das Zerfallsgesetz nach der Zeit auf, bei der noch die Hälfte der ursprünglichen Kerne vorhanden sind. Diese Zeit entspricht der Halbwertszeit T1/2:

Dann nutzt Du zunächst aus, dass der natürliche Logarithmus die Exponentialfunktion umkehrt und benutzt anschließend die Logarithmusgesetze:

Da auch die Zerfallskonstante stoffspezifisch ist, variiert die Halbwertszeit je nach Isotop. Die Halbwertszeiten einiger wichtiger, natürlich vorkommender radioaktiver Isotope findest Du im Folgenden aufgelistet:

IsotopHalbwertszeit
Kalium-401.248 Milliarden Jahre
Uran-2384,468 Milliarden Jahre
Uran-235
703,800 Millionen Jahre
Uran-234
245.500 Jahre
Radium-2261600 Jahre
Radium-228
5,75 Jahre
Blei-21022,2 Jahre
Polonium-210138 Tage
Radon-2223,8 Tage

Einige dieser Isotope sind Produkte von Zerfallsreihen in Mineralien und Gesteinen. Andere hingegen kommen natürlich vor und zerfallen mit der Zeit unter Aussendung von Strahlung. Aber eines haben sie gemeinsam: Sie gelten als natürliche Quellen der Radioaktivität für alle Lebewesen und die Umwelt.

Natürlicher Kernzerfall Beispiele

Einen großen Teil radioaktiver Isotope nehmen wir durch die Nahrung auf. Dies liegt daran, dass radioaktive Isotope meist dieselben chemischen Eigenschaften besitzen wie ihre nicht-radioaktiven Gegenstücke und deswegen auch genau in denselben Lebensmitteln vorkommen.

Ein radioaktives Isotop bezeichnest Du als Radionuklid.

Pflanzen nehmen Radionuklide durch ihre Wurzeln auf und verwerten sie in ihrem Stoffwechsel. Somit werden radioaktive Isotope in Pflanzenzellen eingebaut, die dann wiederum von Mensch oder Tier verzehrt werden. Die Menge an „eingebauten“ Radionukliden variiert dabei je nach Pflanzenart.

Beispielsweise reichern Pilze und Paranüsse hohe Mengen an Radionukliden an. Außerdem ist der Gehalt an natürlichen Radionukliden in Innereien wie Leber oder Nieren größer als in anderem Gewebe, da diese Schadstoffe herausfiltern.

Natürliche Radioaktivität der Umwelt

Kalium ist beispielsweise ein wichtiger Mineralstoff, der essenziell für den Stoffwechsel ist. Da Dein Körper auf Kalium angewiesen ist, ist es auch wichtig, Kalium mit der Nahrung aufzunehmen. Dabei entsprechen etwa 0,01 % aller Kalium-Atome dem radioaktiven Isotop Kalium-40. Da Kalium allerdings in fast jedem Lebensmittel – sowohl in Obst und Gemüse als auch in tierischen Produkten – zu finden ist, ist es eine der größten radioaktiven Quellen in Lebensmitteln.

Lebewesen nehmen Kalium-40 durch ihre Nahrung auf. Daraufhin wird es in den Organismus eingebaut. Dort verbleibt es auch – bis es irgendwann schließlich zerfällt.

Kalium-40 zerfällt im Beta-Zerfall und durchläuft dabei beide Zerfallsarten:

Dabei wird in jedem β+-Zerfall Betastrahlung in Form eines Positrons (e+) und ein Neutrino () freigesetzt. Der β--Zerfall erzeugt hingegen jeweils ein Elektron (e-) und ein Anti-Neutrino ().

Somit sondert jeder Organismus Betastrahlung aus.

Eine ausführliche Erklärung des Beta-Zerfalls kannst Du unter alpha- und beta-Zerfall nachlesen.

Allerdings reguliert Dein Körper den Kaliumgehalt selbst und sofern Du nicht übermäßig viel Kalium verspeist, bleibt der Gehalt an Kalium-40 in Deinem Körper konstant. Da es sich dabei um einen sehr geringen Anteil handelt, brauchst Du auch nichts zu befürchten oder gar auf Kalium zu verzichten – denn das könnte fatale Folgen haben!

Neben Kalium-40 tragen auch Blei-210 und Polonium-210 signifikant zur Aufnahme an Radionukliden durch die Nahrung bei. Diese reichern sich nämlich in Meeresfrüchten und Fischen an. Ansonsten findest Du Radium-226 und Radium-228 angereichert in Gemüse, Obst und Getreide.

Allerdings gelten die Mengen, die Du auf natürliche Weise aufnimmst, als unbedenklich.

Dabei entspringen diese Radionuklide allesamt der Uran-Radium-Zerfallsreihe.

Uran-Radium-Zerfallsreihe

In der Natur kommt Uran in Verbindung mit anderen Elementen in Mineralien vor. Dabei existiert das natürlich vorkommende Uran als Gemisch der radioaktiven Isotope Uran-238 (Anteil: 99,2742 %), Uran-235 (Anteil: 0,7204 %) und Uran-234 (Anteil: 0,0054 %).

Da im Vergleich zum Vorkommen von Uran-238 die anderen natürlichen Uran-Isotope einen winzigen Bruchteil darstellen, ist der Zerfall von Uran durch den Zerfall des Isotops 238U bestimmt. Dieses unterläuft eine lange Zerfallskette, die schließlich im stabilen Isotop Blei-206 endet:

Neben Blei-209 ist Bismut-209 das letzte, quasistabile Glied der Zerfallskette. Ganz stabil ist Bismut-209 nicht, weil es mit einer Halbwertszeit von 20 Trillionen Jahren zerfällt. Da diese Zeitspanne aber so unglaublich groß ist – im Vergleich dazu ist das Universum erst 14 Milliarden Jahre jung – kannst Du das Isotop allerdings, vor allem für Alltagsanwendungen, als stabil betrachten. Elemente mit diesem Verhalten bezeichnest Du als quasistabil.

Diese Zerfallskette wird als Uran-Radium-Zerfallsreihe bezeichnet. Wie Du erkennen kannst, sind unter anderem Blei-210 (), Polonium-210 (), Radium-226 () und Radon-222 () wichtige Bestandteile der Zerfallskette. Diese zerfallen wiederum selbst und tragen durch ihren Zerfall zur natürlichen Radioaktivität bei.

Radon-222 ist das erste gasförmige Glied der Zerfallskette. Damit entweicht es aus dem Gestein der Erdkruste und mischt sich unter die Atem- und Raumluft. Mit einer Halbwertszeit von 3,8 Tagen zerfällt es dann im Alpha-Zerfall unter Aussendung eines α-Teilchens.

Wird das Radongas eingeatmet, so führt der Zerfall einerseits dazu, dass die Alphastrahlung an sich die Atome im Körper ionisieren und somit Gewebe zerstören kann. Andererseits bestehen die Zerfallsprodukte aus Schwermetallen, die sich in den Luftwegen und der Lunge absetzen, zerfallen und Lungenkrebs verursachen können.

Der Radongehalt der Atemluft ist stark abhängig von der Bodenzusammensetzung und variiert daher je nach Region. Um gesundheitliche Schäden vorzubeugen, werden insbesondere in Kellerräumen regelmäßige Messungen durchgeführt und die Messwerte veröffentlicht. So kannst Du nämlich überprüfen, wie viel Radon in Deiner Region entsteht.

Kernzerfälle sind also natürliche Prozesse in unserer Umwelt – deswegen ist es auch nicht möglich, sich vollständig vor radioaktiver Strahlung zu schützen. Glücklicherweise kann der menschliche (und tierische) Körper die natürliche Strahlenbelastung aber gut kompensieren, sofern diese in Maßen auftritt.

Allerdings steigt die Strahlungsbelastung durch menschlichen Einfluss bei Anwendung der Kernphysik enorm an. Wie diese aussieht, kannst Du in den Erklärungen zu Kernwaffen, Reaktorkatastrophen oder Röntgenstrahlung nachlesen.

Kernzerfall - Das Wichtigste

  • Instabile Atomkerne können sich in Kernzerfällen spontan in stabilere Kerne umwandeln. Diese Eigenschaft bezeichnest Du als Radioaktivität. Den radioaktiven Kern bezeichnest Du als Radionuklid. Dabei entsteht radioaktive Strahlung (Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung).
    • Alphastrahlung: -Kerne ( α-Teilchen), entsteht beim Alpha-Zerfall.
    • Betastrahlung: Elektronen oder Positronen, entsteht beim β-- oder β+-Zerfall.
    • Gammastrahlung: hochenergetische elektromagnetische Strahlung, entsteht beim Gammazerfall.
  • Die Reichweite von Alphastrahlung ist kürzer als die von Betastrahlung. Gammastrahlung hat eine unendliche Reichweite.
  • Die Bindungsenergie bestimmt die Stabilität von Kernen und hängt von der Protonen- und Neutronenanzahl ab.

    • Protonenüberschuss führt zum Beta-Plus-Zerfall.
    • Neutronenüberschuss führt zum Beta-Minus-Zerfall.
    • Schwere Kerne zerfallen im Alpha-Zerfall
  • Mit dem Zerfallsgesetz berechnest Du die Anzahl der Atomkerne, die nach einer bestimmten Zeit t noch nicht zerfallen sind. Dabei ist N0 die anfängliche Anzahl an Kernen und λ die Zerfallskonstante:

    Kernzerfall Zerfallsgesetz StudySmarter

  • Die Zerfallskonstante ist eng mit der Halbwertszeit T1/2 verbunden. Diese entspricht der Zeit, nach der die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Atomkerne zerfallen sind:

  • Radioaktivität kommt in der Natur häufig vor und Radionuklide können durch Nahrung oder Luft aufgenommen werden. Beispiele für natürliche Quellen der Radioaktivität sind Kalium-40, Blei-210, Polonium-210, Radium-226 und Radon-222. Sie ergeben sich zum Teil als Nebenprodukte der Uran-Radium-Zerfallsreihe.

Nachweise

  1. um.baden-wuerttemberg.de: Natürliche Radioaktivität. (01.07.2022)
  2. bfs.de: Natürliche Strahlung in Deutschland. (01.07.2022)
  3. bfs.de: Welche Radionuklide kommen in Nahrungsmitteln vor? (08.07.2022)
  4. umweltanalysen.com: Kalium-40. (08.07.2022)
  5. internetchemie.info: Kalium-40. (08.07.2022)
  6. bfs.de: Polonium-210. (08.07.2022)
  7. periodensystem.info: Uran. (08.07.2022)
  8. internetchemie.info: Uran-Isotope. (08.07.2022)
  9. internetchemie.info: U-238. (08.07.2022)
  10. geothermie.de: Uran-Radium-Zerfallsreihe. (08.07.2022)
  11. dwd.de: Radon. (08.07.2022)
  12. radonova.de: Radongas – Alles was Sie wissen müssen. (08.07.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kernzerfall

Das Zerfallsgesetz gibt an, wie viele Atomkerne N(t) nach einer bestimmten Zeit t noch vorhanden sind. Mit N0 als anfängliche Anzahl an Kernen vor dem Zerfall und der Zerfallskonstante λ ergibt sich dabei ein exponentieller Zusammenhang:

N(t)=N0*exp(-λ*t)

Bei einem Kernzerfall wandelt sich ein instabiler Atomkern in einen stabileren Kern um. Dabei wird entweder Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung frei.

Du unterscheidest zwischen dem Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall. Darüber hinaus gibt es noch den Elektroneneinfang.

Bei der Spaltung eines Urankerns werden etwa 200 MeV freigesetzt.

Finales Kernzerfall Quiz

Frage

Definiere den Begriff Radioaktivität.

Antwort anzeigen

Antwort

Radioaktivität ist die Eigenschaft von instabilen Atomkernen, spontan zu zerfallen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie ein Kernzerfall generell abläuft.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einem Kernzerfall wandeln sich instabile Atomkerne zu stabilen Kernen um. Dabei entsteht neben den Reaktionsprodukten auch radioaktive Strahlung in Form von Teilchen- oder elektromagnetischer Strahlung.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei Arten der radioaktiven Strahlung.

Antwort anzeigen

Antwort

Alphastrahlung: -Kerne (α-Teilchen)


Betastrahlung: je nach Zerfallsart Elektronen oder Positronen


Gammastrahlung: elektromagnetische Strahlung

Frage anzeigen

Frage

Gib an, welche der folgenden Strahlungsarten Teilchenstrahlung sind.

Antwort anzeigen

Antwort

Alpha-Strahlung

Frage anzeigen

Frage

Erläutere, was einen Kernzerfall begünstigt.

Antwort anzeigen

Antwort

Sind zu viele Protonen vorhanden (Protonenüberschuss), so dominiert die Abstoßung und der Kern wird destabilisiert. Auch zu viele Neutronen (Neutronenüberschuss) können den Kern destabilisieren.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Erhaltungsgrößen bei Kernzerfällen.

Antwort anzeigen

Antwort

Energie- und Impulserhaltung

Frage anzeigen

Frage

Nenne das Zerfallsgesetz und beschreibe seine Bedeutung.

Antwort anzeigen

Antwort

Das Zerfallsgesetz gibt an, wie viele Atomkerne N(t) nach einer bestimmten Zeit t noch vorhanden sind. Dabei ist N0 die anfängliche Anzahl an Kernen vor dem Zerfall und λ die Zerfallskonstante:




Damit nimmt die Anzahl der nicht-zerfallenen Kerne mit der Zeit exponentiell ab.

Frage anzeigen

Frage

Erläutere die Bedeutung der Halbwertszeit.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte aller ursprünglich vorhandenen Atomkerne bereits zerfallen sind.

Frage anzeigen

Frage

Gib mindestens zwei natürlich vorkommende Radionuklide an, die wir durch die Umwelt (Nahrung, Atemluft, etc.) aufnehmen.

Antwort anzeigen

Antwort

Kalium-40: Kommt in fast jedem Lebensmittel vor


Blei-210 und Polonium-210: Reichern sich insbesondere in Fisch und Meeresfrüchten an


Radium-226 und Radium-228: Kommen hauptsächlich in Gemüse, Obst und Getreide vor


Radon-222: Kommt in Atem- und Raumluft vor.

Frage anzeigen

Frage

Begründe, warum hohe Konzentrationen an Radon-222 gesundheitsschädlich sein können.

Antwort anzeigen

Antwort

Radon-222 ist gasförmig. Wird das Radongas eingeatmet, so kann es im Körper im Alpha-Zerfall zerfallen. Die freigesetzte Alphastrahlung kann dabei die Atome im Körper ionisieren und somit Gewebe zerstören. Außerdem sind die Zerfallsprodukte Schwermetalle, die sich in den Luftwegen und der Lunge absetzen, zerfallen und Lungenkrebs verursachen können. 

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wo die meisten natürlich vorkommenden Radionuklide herstammen.

Antwort anzeigen

Antwort

Es sind Produkte der Uran-Radium-Zerfallsreihe.

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche Alpha-, Beta- und Gammastrahlung hinsichtlich ihrer Eindringtiefe in Materie und erkläre, wie Du die jeweilige Strahlung abschirmen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Da Alphastrahlung aus relativ schweren Teilchen besteht, dringt sie nicht so tief in Materie ein, wie Betastrahlung. Um diese also abzuschirmen, reicht auch schon ein Blatt Papier. Betastrahlung kannst Du mit einem dünnen Aluminiumblech oder etwa 100 Blatt Papier abschirmen.


Gammastrahlung tritt durch jede Art von Materie, sie kannst Du deshalb nicht vollständig abschirmen. Allerdings kannst Du sie durch dicke Blei- und Betonschichten eindämmen.

Frage anzeigen
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