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Radioaktivität

Radioaktivität

Nachdem Peter Parker von einer radioaktiven Spinne gebissen wurde, entwickelte er übermenschliche Kräfte. Seitdem rettet unter dem Decknamen "Spider-Man" regelmäßig die Welt und ist neuerdings sogar Teil der Avengers.

Während in Comics viele Superhelden und Superheldinnen ihre Fähigkeiten durch Radioaktivität erhalten, wird in der Realität jedoch in der Politik über die Risiken von Atomenergie aufgrund radioaktiven Abfalls und in der Medizin über ihren Nutzen in der Krebstherapie diskutiert. Doch was genau ist eigentlich Radioaktivität und woher kommt die dabei entstehende Strahlung?

Radioaktivität: Entdeckung

1911 fand in Brüssel die erste internationale Solvay-Konferenz für Physik und Chemie statt. Unter dem Titel "la théorie du rayonnement et les quantas" – zu Deutsch "die Theorie der Strahlung und Quanten" – diskutierten namhafte Forschende der Naturwissenschaften wie Albert Einstein, Max Planck und Hendrik Lorentz über die neusten Erkenntnisse aus der Wissenschaft der kleinsten Teilchen.

Hier siehst Du ein Bild dieser ersten Konferenz:

Auffällig an dem Foto ist, dass nur eine einzige Frau an dieser Konferenz teilnahm: Marie Curie. Im selben Jahr erhielt sie den Nobelpreis für Chemie. Bis heute zählt sie zu den einzigen vier Personen, die mehrfach einen Nobelpreis verliehen bekamen. Bereits 1903 erhielt Marie Curie den Nobelpreis für Physik.

Du siehst Marie Curie unter den am Tisch sitzenden Wissenschaftlern als zweite Person von rechts. Sie beugt sich mit dem rechts neben ihr sitzenden Henri Poincaré über eines der auf dem Tisch liegenden Büchern. Die zweite stehende Person von rechts aus gesehen, ist übrigens der junge Albert Einstein.

Den Nobelpreis für Physik teilte sich Marie Curie mit ihrem Mann Pierre Curie und dem Physiker Henri Becquerel für die Entdeckung der Radioaktivität. Bereits 1896 entdeckte Becquerel, dass Uransalze eine Strahlung aussendeten.

Auf dieser Entdeckung aufbauend, studierte das Ehepaar Curie die Eigenschaften dieser Strahlen genauer und wies sie auch bei anderen Elementen wie Thorium nach. Marie Curie gab dieser Entdeckung den Namen Radioaktivität.

Radioaktivität: Definition und Begriffe

Doch was genau entdeckten die drei Forschenden eigentlich? Konkret kannst Du Dir Radioaktivität als eine Eigenschaft bestimmter Atomkerne vorstellen, ionisierende Strahlung zu emittieren.

Unter ionisierender Strahlung versteht man hochenergetische Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die in der Lage ist, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen.

Oftmals wird ionisierende Strahlung auch als radioaktive Strahlung bezeichnet. Tatsächlich ist die Strahlung selbst nicht radioaktiv, sondern nur das Atom, welches sie aussendet.

Im Kontext der Radioaktivität ist die Anzahl der Kernteilchen eines Atoms sehr wichtig. Deshalb kannst Du mit dem Begriff Nuklid allgemein Atome beschreiben, die anhand ihrer Anzahl an Protonen und Neutronen charakterisiert sind. Über 3.000 verschiedene Nuklide sind bekannt, von denen nur rund 300 stabil sind. Alle anderen sind instabil und somit radioaktiv.

Unter Radioaktivität wird die Eigenschaft instabiler Nuklide verstanden, spontan und ohne äußere Einwirkung ionisierende Strahlung zu emittieren (auszusenden). Nuklide mit dieser Fähigkeit werden auch als Radionuklide bezeichnet.

Eines der wohl bekanntesten Beispiele eines radioaktiven Nuklids ist Uran .

Das Element Uran ist nach dem Planeten Uranus benannt und besitzt 92 Protonen. Seine verschiedenen Isotope werden häufig in Kernreaktoren zur Energiegewinnung angewendet.

Als Isotope werden alle Atome mit derselben Protonenzahl, jedoch unterschiedlicher Neutronenzahl, bezeichnet.

Isotope

Uran besitzt 25 verschiedene Isotope, von denen nur 4 natürlich vorkommen. In Kernkraftwerken wird häufig das Uranisotop verwendet. Wie alle Isotope von Uranium besitzt es 92 Protonen, diese Zahl ist durch die sogenannte Ordnungs- oder Kernladungszahl A angegeben (die untere der beiden Zahlen vor dem Elementsymbol für Uranium U).

Die obere Zahl wird Massenzahl Z genannt. Sie gibt die Zahl an Kernteilchen – also Protonen und Neutronen – an. Damit erhältst Du die Zahl der Neutronen N, indem Du die Ordnungszahl von der Kernladungszahl abziehst:

Ein weiteres Isotop von Uranium ist . Es besitzt dieselbe Protonenzahl (92), jedoch eine größere Massenzahl Z. Diese kommt durch die drei zusätzlichen Neutronen () des Isotops zustande.

Nicht alle Arten der ionisierenden Strahlung stammen übrigens von radioaktiven Nukliden. Einige hochenergetische Strahlung erreicht uns zum Beispiel auch als kosmische Strahlung, die in Sonnenwinden, Supernovae oder sogar fernen Galaxien entsteht. Wird von ionisierender Strahlung im Kontext von Radioaktivität gesprochen, ist meist die Strahlung gemeint, die durch einen der drei Zerfallsprozesse von Radionukliden entsteht.

Radioaktiver Zerfall

Radioaktive Nuklide sind instabil. Das bedeutet, dass sie sich in einem energetisch ungünstigen Zustand befinden. Um in einen stabilen Zustand (energetisch günstigen) zu gelangen, durchlaufen sie einen radioaktiven Zerfall.

Als radioaktiven Zerfall wird der Prozess bezeichnet, bei dem instabile Radionuklide durch Emission von Energie, in Form von ionisierender Strahlung, in einen energetisch günstigeren Zustand gelangen.

Radioaktiver Zerfall eines Nuklids läuft spontan ab, deshalb lässt sich der Zerfallszeitpunkt nicht vorhersagen.

Diese Energieabgabe kann auf verschiedene Arten erfolgen. Meist werden in der Physik drei Hauptzerfallsarten unterschieden: Alpha-, Beta- und Gammazerfall. Die resultierende ionisierende Strahlung trägt denselben Namen wie der Zerfallstyp, aus dem sie entsteht. Zum Beispiel werden Teilchen, die ein Nuklid während des Alphazerfalls emittiert, als Alphastrahlung bezeichnet.

Alphazerfall

Die drei Hauptzerfallsarten wurden nach den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets benannt. Der erste und schwächste Zerfall wird als Alphazerfall bezeichnet. Dabei emittiert das Radionuklid einen , der in diesem Kontext auch Alphateilchen heißt.

Zu den drei Hauptzerfallsarten gibt es auch eigene, detailliertere Erklärungen.

Alphazerfall ist ein Prozess, bei dem ein Radionuklid durch Aussendung eines Helium - 4 - Kerns (dem sogenannten Alphateilchen) in ein anderes Nuklid umgewandelt wird.

Radioaktivität Alphazerfall StudySmarter

Das neue Tochternuklid besitzt eine um 4 Teilchen verringerte Massenzahl A und eine um 2 Protonen kleinere Ordnungszahl Z als das Radionuklid.

Die folgende Abbildung veranschaulicht den Alphazerfall. Wie Du siehst, emittiert der Kern ein Alphateilchen, welches aus 2 Neutronen und 2 Protonen besteht:

Radioaktivität Alphazerfall StudySmarterAbb. 2 - Alphazerfall

Da Nuklide durch ihre Anzahl an Protonen und Neutronen charakterisiert werden, entsteht nach dem Verlust dieser insgesamt vier Kernteilchen ein neues Nuklid. Das ursprüngliche Nuklid wird Mutternuklid genannt. Das entstehende Nuklid heißt entsprechend Tochternuklid.

Schaue Dir den Prozess des Alphazerfalls anhand des Uranisotops an.

Dieses zerfällt unter Aussendung eines Helium-4-Kerns in das Nuklid Thorium - 231 . Das kannst Du durch die folgende Zerfallsreihe darstellen:

Wie du siehst, ist die Massenzahl von Thorium genau um 4 Teilchen kleiner als die des Mutternuklids Uran und besitzt eine um 2 geringere Ordnungszahl. Diese stecken nun in dem Alphateilchen, dessen Massenzahl 4 und dessen Ordnungszahl 2 beträgt.

Manchmal werden Nuklide abkürzend nur mit ihrer Massenzahl geschrieben. Deshalb findest Du für dieses Uranisotop etwa die Schreibweise: Uran-235. Dabei schreibst Du einfach den Namen des Isotops (Uran) und hängst mit einem Bindestrich die Massenzahl (235) an.

Alphastrahlung ist die schwächste der drei durch radioaktiven Zerfall entstehenden ionisierenden Strahlungen. Das Alphateilchen verlässt den Mutterkern mit einer Geschwindigkeit von ca. . Dadurch ist dieses Teilchen vergleichsweise energiearm. Zur Abschirmung reicht schon ein Blatt Papier.

Mehr zum Thema "Alphastrahlung" findest Du im entsprechenden Artikel.

Ähnlich wie bei diesem Zerfall senden Nuklide auch beim sogenannten Betazerfall ionisierende Strahlung in Form von Teilchen aus.

Betazerfall

Der sogenannte Betazerfall wird in zwei Arten unterschieden: den - Zerfall und den - Zerfall. Bei beiden Zerfallsarten entsteht aus dem Mutternuklid ein neues Tochternuklid. Der Kern sendet ionisierende Strahlung in Form eines positiv oder negativ geladenen Teilchens aus. Betastrahlung ist deutlich energiereicher als Alphastrahlung.

Ihre Geschwindigkeit hängt stark vom zerfallenden Nuklid ab, kann jedoch sogar nahe an die Lichtgeschwindigkeit kommen. Betastrahlen werden zum Beispiel durch ein Metallblech absorbiert.

Beta-Minus-Zerfall

Der - Zerfall hat seinen Namen von der Art des Teilchen, welches als ionisierende Strahlung emittiert wird, erhalten. Die Ladung des emittierten Elektrons ist negativ, was durch ein negatives Vorzeichen (-) dargestellt wird.

Beim Beta-Minus-Zerfall (- Zerfall ) wandelt sich ein Neutron in einem Radionuklid in ein Proton um und emittiert dabei ein Elektron und ein sogenanntes Elektron-Antineutrino . Diese Zerfallsart kann mit der folgenden Gleichung dargestellt werden:

Radioaktivität Beta Minus StudySmarter

Dabei entsteht ein neues Nuklid mit derselben Massenzahl A, jedoch um 1 Proton größeren Ordnungszahl Z. Da sich hier die Massenzahl A selbst nicht ändert, spricht man von nuklearer Transmutation.

Ein Neutrino ist ein neutral geladenes Teilchen mit unvorstellbar kleiner Masse. Neutrinos treten nur sehr selten mit anderer Materie in Wechselwirkung, weshalb es schwierig ist, sie zu untersuchen. Hierbei 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.

Der Beta-Minus-Zerfall kann folgendermaßen dargestellt werden:

Radioaktivität Beta Minus zerfall StudySmarterAbb. 3 - Beta-Minus-Zerfall

Du siehst, dass der Kern ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino emittiert und dabei ein Neutron (n) in ein Proton (p) umgewandelt wird. Der Ausschnitt links unten im Bild zeigt Dir das noch einmal auf Teilchenebene.

Zum besseren Verständnis folgt hier noch ein Beispiel:

Radioaktiver Zerfall geschieht übrigens nicht nur bei sehr massereichen oder seltenen Kernen. Auch eher häufig vorkommende Elemente mit geringerer Massenzahl besitzen solche radioaktiven Isotope.

Das Element Kohlenstoff (C) ist dafür ein Beispiel. Das am häufigsten vorkommende Isotop von Kohlenstoff ist C-12 und ist selbst stabil. Ein anderes Isotop von Kohlenstoff C-14 zerfällt durch Beta-Minus-Zerfall in Stickstoff N-14:

Die zweite Art des Beta-Zerfalls ist der Beta-Plus-Zerfall.

Beta-Plus-Zerfall

Genau wie beim Beta-Minus-Zerfall, leitet sich die Bezeichnung "Beta-Plus-Zerfall" von der Ladung eines der Teilchen, die bei diesem Prozess emittiert werden, ab.

Beim Beta-Plus-Zerfall () wandelt sich ein Proton in einem Radionuklid in ein Neutron um und emittiert dabei ein Positron und ein Elektron-Neutrino.

Radioaktivität Beta Plus StudySmarter

Das neu entstehende Nuklid besitzt dieselbe Massenzahl A und eine um 1 Proton geringere Ordnungszahl Z. Auch hier handelt es sich um eine nukleare Transmutation.

Ein Positron ist das Antimaterie-Gegenstück zu einem Elektron. Es besitzt dieselbe Masse, hat jedoch eine positive Ladung. Dies erkennst Du an dem hochgestellten + nach dem e.

In der folgenden Abbildung siehst Du, dass sich der Beta-Plus-Zerfall sehr ähnlich zum Beta-Minus-Zerfall verhält. Die beiden Zerfallsarten bilden gewissermaßen Gegenstücke zueinander:

Radioaktivität Beta Plus zerfall StudySmarterAbb. 4 - Beta-Plus-Zerfall

Auch dazu gibt es ein kurzes Beispiel:

Ein weiteres Isotop von Kohlenstoff ist das Isotop C-10, welches durch Beta-Plus-Zerfall in das Nuklid Bor-10 zerfällt:

Wenn Dich diese Zerfallsart genauer interessiert, kannst Du Dir den entsprechenden Artikel durchlesen.

Gammazerfall

Alpha- und Beta-Zerfall bilden die Grundlage für die letzte der drei Zerfallsarten: den Gammazerfall. Im Unterschied zu den beiden vorherigen Zerfallsarten sendet ein Radionuklid unter Gammazerfall keine ionisierende Strahlung in Form von Teilchen, sondern elektromagnetischen Wellen aus.

Radioaktivität elektromagnetisches Spektrum StudySmarterAbb. 5 - Das elektromagnetische Spektrum

Auf der obigen Abbildung siehst du das elektromagnetische Spektrum. Den kleinen Teil mit einer Wellenlänge von ungefähr 750 nm bis etwa 400 nm kennst Du als sichtbares Licht. Ganz rechts auf der Abbildung siehst Du die sogenannte Gammastrahlung. Dabei handelt es sich also um sehr hochenergetische Strahlung mit kleiner Wellenlänge.

Gammastrahlung ist allgemein der Begriff für elektromagnetische Strahlung in diesem Wellenlängen- und Frequenzbereich, unabhängig von dessen Entstehung. Der Gammazerfall wurde demzufolge nach der Strahlung benannt, die dabei emittiert wird, nicht umgekehrt.

Die Emission von Gammastrahlung kannst Du hier sehen:

Radioaktivität Gammazerfall StudySmarterAbb. 6 - Gammazerfall

Gammazerfall findet statt, wenn nach einem Alpha- oder Betazerfall der Kern in einem angeregten Energiezustand verbleibt. Um in einen stabilen Zustand zu gelangen, emittiert der Kern seine überschüssige Energie in Form von hochenergetischer Gammastrahlung. Im Gegensatz zu den anderen Zerfallsarten bleibt die Anzahl der Protonen und Neutronen gleich, damit ändert sich nicht die Art des Nuklids.

Gammazerfall ( - Zerfall) findet statt, wenn nach einem Alpha- oder Betazerfall der Kern des neuen Tochternuklids in einem angeregten Energiezustand verbleibt und anschließend die überschüssige Energie in Form von Gammastrahlung emittiert:

Radioaktivität Gammazerfall StudySmarter

Beim Gammazerfall bleibt die Anzahl der Protonen und Neutronen konstant. Das Nuklid vor dem Gammazerfall kannst Du zum Beispiel mit einem Sternchen * kennzeichnen.

Gammazerfall kann nur auf eine der anderen beiden Zerfallsarten folgen, allerdings muss ein Kern nicht zwingend nach einem Alpha- oder Betazerfall auch einen Gammazerfall durchlaufen.

Von den drei Strahlungsarten ist die Gammastrahlung die hochenergetischste und entsprechend schwer abzuschirmen. Deswegen werden hierzu meist sehr dichte Materialien wie Blei verwendet.

Schaue Dir dazu das folgende Beispiel an:

Nachdem Uran-235 durch Alphazerfall zu Thorium-231 wird, verbleibt dieses manchmal in einem angeregten Energiezustand und durchläuft noch einmal einen Gammazerfall:

Dieses Th kann übrigens selbst weiter durch Beta-Minus-Zerfall zu Palladium (Pa-231) zerfallen, welches wiederum eine Kette an aufeinanderfolgenden radioaktiven Zerfällen durchlaufen kann.

Zerfallsreihe und Halbwertszeit von Radionukliden

Wenn ein Radionuklid mehr als einen Zerfall durchläuft, bis es in einen stabilen Zustand gelangt, spricht man von einer Zerfallsreihe. Wann genau jedoch ein Nuklid zerfällt, kann nicht vorhergesagt werden, da radioaktiver Zerfall immer spontan abläuft. Um dennoch ein statistisches Maß für den Zeitraum des Zerfalls zu haben, gibt es die sogenannte Halbwertszeit.

Zerfallsreihen

Anhand des obigen Beispiels von Uran-235 erkennst Du, dass Radionuklide mehrere Zerfallsarten durchlaufen können. Dies geschieht so lange, bis ein stabiles Nuklid erreicht ist. Im spezifischen Fall von Uran-235 endet diese sogenannte Zerfallsreihe in einem Isotop von Blei (Pb).

Eine Zerfallsreihe ist ein Vorgang, bei dem ein Radionuklid mehrere Zerfallsarten durchläuft, bis schließlich ein stabiles Nuklid erreicht wird.

Die vollständige Zerfallsreihe von Uran-235 zeigt Dir die folgende Abbildung. Bei solchen Zerfallsreihen werden in der Regel nur Alpha- und Betazerfall angegeben, da sich nur bei diesen beiden Arten die Art des Nuklids ändert. Hinzu kommt, dass sich nicht vorhersagen lässt, ob auf einen der beiden Fälle tatsächlich ein Gammazerfall folgen wird:

Radioaktivität Zerfallsreihe Uran StudySmarterAbb. 7 - Beispiel einer Zerallsreihe anhand von Uran

Wie Du siehst, gibt es auf dem Weg von Uran zu Blei mehrere Zerfallsmöglichkeiten. Diese sind durch mehrere Pfeile gekennzeichnet, die von einem einzigen Nuklid ausgehen. Alle möglichen Zerfallsarten eines Nuklids, zeigt Dir die Nuklidkarte.

Mehr dazu und wie Du selbst eine Zerfallsreihe aufstellen kannst, erfährst Du im Artikel zur "Nuklidkarte".

Halbwertszeit

Mithilfe der Zerfallsreihe kennst Du immer den nächstmöglichen Zerfallsprozess eines Radionuklids. Allerdings ergibt sich daraus noch nicht, wann ein bestimmtes Nuklid zerfallen wird, da diese Zerfallsprozesse spontan ablaufen. Statt dem genauen Zeitpunkt des Zerfalls gibst Du die sogenannte Halbwertszeit an.

Die Halbwertszeit eines Radionuklids beschreibt die Zeitspanne, nach der von einer ursprünglichen Menge dieses Nuklids, die Hälfte der Atome einen Zerfallsprozess durchlaufen haben.

Wenn die Halbwertszeit einmal vergangen ist, ist also nur noch die Hälfte der ursprünglichen Menge des Nuklids übrig. Die andere wurde durch Zerfallsprozesse in andere Nuklide umgewandelt. Jedes Mal, wenn die Halbwertszeit vergeht, hat sich die Menge des Nuklids erneut halbiert.

Nach dem zweiten Mal bleibt also nur noch ein Viertel der ursprünglichen Menge. Nach dem dritten Mal bleibt sogar nur noch ein Achtel. Das passiert so lange, bis nichts mehr von dem ursprünglichen Nuklid übrig ist.

Die Halbwertszeit von Uran-235 beträgt etwa 704 Millionen Jahre. Angenommen Du hast eine Menge von 100 dieser Nuklide, dann sind nach 704 Millionen Jahre noch etwa 50 Urannuklide vorhanden. Nach insgesamt 1408 Millionen Jahren, sind nur noch 25 Urannuklide übrig.

Meistens arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen übrigens mit sehr viel größere Mengen an Nukliden. Entsprechend lange würde es dauern, bis alle Nuklide zerfallen sind.

Interessant dabei ist, dass nicht alle Nuklide mit derselben Halbwertszeit zerfallen. Das Tochternuklid von Uran, Thorium-231, zerfällt zum Beispiel schon nach etwa 25 Minuten. Deshalb erhältst du nach der Halbwertszeit von Uran auch nicht die 50 Urannuklide und 50 Thoriumnuklide, da diese selbst in der Zwischenzeit mehrere Zerfallsprozesse durchlaufen.

Wenn Dich das Thema interessiert, findest Du mehr Informationen, Beispiele und Formeln im Artikel zur "Halbwertszeit".

Radioaktivität: messen & Einheiten

Doch wie kann man überhaupt feststellen, ob radioaktiver Zerfall stattgefunden hat? Schließlich sind die einzelnen Nuklide und die ionisierende Strahlung nicht sichtbar. Deswegen nutzen Physiker und Physikerinnen verschiedene Messmethoden. Dazu zählen unter anderem Nebelkammern oder Geiger-Müller-Zählrohre.

Geiger-Müller-Zählerohr

Das Geiger-Müller-Zählrohr (auch Geigerzähler), ist eine Vorrichtung zur Messung von Strahlung aus radioaktivem Zerfall. Damit kannst Du vor allem Alpha- und Betastrahlung nachweisen, aber auch bis zu einem gewissen Maße Gammastrahlung.

Aufbau

Geigerzähler bestehen aus einem negativ geladenen Metallrohr, das mit einem Edelgas (zum Beispiel Neon oder Helium) gefüllt ist und ein strahlungsdurchlässiger Öffnung hat. In der Mitte der Röhre befindet sich ein Anodendraht, der über einen Stromkreis mit einem Verstärker und einem sogenannten Zähler verbunden ist. Das negativ geladene Rohr fungiert in hierbei als Kathode.

Den Aufbau der einzelnen Komponenten zeigt Dir die folgende Abbildung.

Radioaktivität Geigerzähler Funktion StudySmarterAbb. 8 - Aufbau eines Geigerzählers

Die ionisierende Strahlung nach Alpha-, Beta- oder Gammazerfall gelangt durch die Öffnung ins Innere des Rohrs.

Funktionsweise

Trifft anschließend die Strahlung auf die Atome des Edelgases, ionisiert es dieses, indem es Elektronen aus den Atomen löst. Diese Elektronen sind selbst hochenergetisch und können dadurch andere Elektronen aus den Gasteilchen lösen. Das zeigt Dir die folgende Abbildung:

Radioaktivität Funktionsweise  Geigerzähler  StudySmarterAbb. 9 - Funktionsweise eines Geigerzähler

Dabei siehst Du außerdem, dass die Elektronen aufgrund ihrer negativen Ladung von der positiven Anode angezogen werden. Das Gas wird dadurch für kurze Zeit elektrisch leitfähig und der Stromkreis wird geschlossen. Durch den Verstärker amplifiziert, kannst Du das Signal über den Zähler messen.

Manchmal wird auch ein Lautsprecher angeschlossen, der ein charakteristisches "Knack"-Geräusch produziert.

Verwendete Einheit bei der Messung von Radioaktivität

Doch was genau misst der Zähler des Geiger-Müller-Zählrohrs eigentlich?

Der Zähler registriert jedes Mal, wenn es zu einem Stromfluss, einem sogenannten Impuls, kommt. Das passiert immer dann, wenn etwa ein Alphateilchen in das Rohr gelangt. Der Zähler zählt also die Anzahl der Impulse in einem gewissen Zeitraum. Dadurch kann das Maß an radioaktivem Zerfall identifiziert werden.

Die Stärke der Radioaktivität wird anhand der Anzahl an Zerfällen pro Zeitraum gemessen und in der Einheit Becquerel angegeben. Ein Becquerel entspricht dabei einem Zerfall pro Sekunde s:

Radioaktivität Becquerel StudySmarter

Die Einheit wurde nach dem Physiker Henri Becquerel benannt, der zusammen mit dem Ehepaar Curie den Nobelpreis für die Entdeckung der Radioaktivität erhielt.

Manche Geigerzähler können nicht nur die Strahlenbelastung in unserer Umgebung messen, sondern auch die sogenannte Äquivalentdosis. Sie ist ein Maß für die Strahlenbelastung, der ein Lebewesen ausgesetzt ist.

Die Äquivalentdosis ist die Höhe der ionisierenden Strahlung, der ein Lebewesen ausgesetzt ist. Mit ihrer Hilfe kann die statistische Wahrscheinlichkeit ermittelt werden, dass eine gewisse Menge an Strahlung negative Auswirkungen auf einen Organismus hat. Die Äquivalentdosis wird in Sievert angegeben:

Radioaktivität Sievert StudySmarter

Der Geiger-Müller-Zähler findet zum Beispiel Anwendung im Bergbau, wo das Vorkommen natürlicher Radioaktivität und die Strahlenbelastung gemessen wird.

Strahlenexposition und Anwendung in der Medizin

Prinzipiell kann zwischen natürlicher und künstlicher Radioaktivität unterschieden werden. Mit natürlicher Radioaktivität kommen Menschen täglich in sehr geringen Dosen in Kontakt. Diese stammt zum Beispiel aus verschiedenen Gesteinsschichten der Erde oder aus kosmischer Strahlung. Einen kleinen Teil nehmen wir dabei sogar über die Luft oder unsere Nahrung auf. Somit ist Radioaktivität ein natürlicher Bestandteil des Lebens auf der Erde.

Die jährliche Strahlenbelastung in Deutschland liegt bei ungefähr 2,1 Millisievert [mSv] im Jahr. Das bedeutet, jede Person in Deutschland ist jährlich 2,1 mSv ionisierender ausgesetzt, einem relativ geringen Wert. Der Wert ist jedoch stark abhängig vom Wohngebiet.

Allerdings sind Menschen nicht nur natürlicher Strahlung ausgesetzt, sie können inzwischen auch ionisierende Strahlung produzieren. Diese entsteht zum Beispiel als Nebenprodukt der Kernspaltung in Atomreaktoren, fand in den letzten Jahrzehnten jedoch auch zunehmend im medizinischen Bereich Anwendung.

Kernenergie und Radioaktivität

In Kernkraftwerken werden beispielsweise Isotope des Nuklids Uran (vor allem Uran-235 oder Uran-238) durch Neutronen in kleinere Atomkerne gespalten. In diesem Prozess der Kernspaltung wird viel Energie freigesetzt, die anschließend vom Menschen genutzt werden kann.

Alles zum Thema Kernspaltung findest Du im entsprechenden Artikel.

Dabei kommt es auch zu radioaktiven Zerfällen und in geringem Maße tritt radioaktives Material in die Umwelt aus. Allerdings sind heutige Kernkraftwerke mit sehr vielen Sicherungen ausgestattet, sodass von den jährlichen 2,1 mSv an Strahlung weniger als 1 % Kernkraftwerken stammt.

Als viel problematischer erachten viele die Lagerung des radioaktiven Abfalls, der dabei entsteht. Nach der Kernspaltung bilden sich Radionuklide, die selbst durch weitere Kernspaltung keine nennenswerten Mengen an Energie produzieren. Dazu zählen zum Beispiel Isotope von Plutonium oder Neptunium.

Allerdings sind diese Nuklide noch immer radioaktiv und senden ionisierende Strahlung aus. Bis sie so weit zerfallen, dass sie ungefährlich sind, müssen sie sicher verwahrt werden. Das kann je nach Halbwertszeit der Nuklide einige Monate bis Millionen von Jahren dauern.

Radioaktivität in der Medizin

Woher stammt nun das beliebte Erzählmotiv, nach dem Superhelden und -heldinnen ihre besonderen Fähigkeiten durch Radioaktivität erhalten?

Das liegt daran, dass ionisierende Strahlung die Fähigkeit hat, die Zellmembran zu durchdringen und Mutationen an der DNA zu verursachen. Leider führen diese Veränderungen am Erbgut in der Realität zu DNA-Schäden oder sogar zum Zelltod. Eine erhöhte Menge an Strahlung kann damit ein erhebliches Risiko für Krankheiten wie Krebs darstellen.

Wenn Dich das Thema interessiert, kannst Du mehr dazu im Artikel zum Thema "biologische Strahlenwirkung" lesen.

Paradoxerweise kann diese Strahlung jedoch auch in der Medizin für die Behandlung von Krebstumoren verwendet werden. Dies geschieht durch die sogenannte Strahlentherapie.

Tumore bestehen aus mutierten Zellen, die sich rasant teilen und eine hohe Stoffwechselrate besitzen. Dadurch können sie enorm schnell wachsen, sind jedoch auch anfälliger gegenüber externen Einflüssen. Zudem besitzen Tumore im Gegensatz zu gesundem Gewebe kaum DNA-Reparaturmechanismen.

Genau das macht sich die Strahlentherapie zunutze, bei der Krebsgewebe intensiv mit hochenergetischer Strahlung (z. B. Gammastrahlung) gezielt unschädlich gemacht wird.

Zudem wird ionisierende Strahlung auch in manchen Fällen zu Diagnosezwecken eingesetzt. Die Radioaktivität gilt also wie bei den meisten Arzneistoffen: "Die Dosis macht das Gift".

Radioaktivität - Das Wichtigste

  • Unter ionisierender Strahlung wird hochenergetische Strahlung verstanden, die in der Lage ist, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen.
  • Radioaktivität ist die Eigenschaft instabiler Nuklide, spontan und ohne äußere Einwirkung ionisierende Strahlung zu emittieren.
  • Beim radioaktiven Zerfall geben instabile Radionuklide ionisierender Strahlung ab, um in einen energetisch günstigeren Zustand zu gelangen.
  • Alphazerfall ist der Prozess, bei dem ein Radionuklid durch Aussendung eines Alphateilchen in ein anderes Nuklid umgewandelt wird.
  • Beim Beta-Plus-Zerfall () wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und emittiert dabei ein Positron und ein Elektron-Neutrino
  • Beim Beta-Minus-Zerfall (- Zerfall) verwandelt sich ein Neutron in ein Proton und emittiert dabei ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino .
  • Gammazerfall ( - Zerfall) findet statt, wenn nach einem Alpha- oder Betazerfall der Kern des neuen Tochternuklids in einem angeregten Energiezustand verbleibt und die überschüssige Energie in Form von Gammastrahlung emittiert
  • Als Zerfallsreihe wird der Vorgang bezeichnet, bei dem ein Radionuklid mehrere Zerfallsarten durchläuft, bis schließlich ein stabiles Nuklid erreicht wird.
  • Die Halbwertszeit ist die Zeitspanne, nach der von einer ursprünglichen Menge eines Radionuklids, die Hälfte der Atome einen Zerfallsprozess durchlaufen haben.
  • Du kannst die Strahlenintensität mit der Einheit Becquerell ( ) oder Sievert () angeben. Letztere verwendet man bei der Äquivalentdosis, also wenn es um die Strahlenexposition eines Organismus geht.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Radioaktivität

Marie Curie entdeckte die Radioaktivität und die bis dahin unbekannten Elemente Polonium und Radium. 

Radioaktivität kann in der Medizin zum Beispiel zu Diagnosezwecken oder in der Krebsbehandlung durch Strahlentherapie verwendet werden.

Der Geigerzähler zeigt dir das Vorhandensein von radioaktiver Strahlung 

Das hängt von der jeweiligen Halbwertszeit des Elements ab. Diese kann zwischen wenigen Minuten und mehreren Millionen Jahren liegen. Die Halbwertszeit gibt dir an nach welcher Zeitspanne die Hälfte aller Radionuklide zerfallen sind.

Finales Radioaktivität Quiz

Frage

Erkläre, was Alphastrahlung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Alphastrahlung ist die ionisierende Strahlung, welche beim Alphazerfall vom Atomkern ausgesendet wird.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Alphateilchen?

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Antwort

Ein Alphateilchen ist ein Helium-4-Atomkern, welcher sich beim Alphazerfall vom Mutteratomkern abspaltet.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Helium-4-Atomkern?

Antwort anzeigen

Antwort

Helium-4 ist ein zweiwertiges Kation von Helium. Das bedeutet, dass dieses Heliumatom 2 Neutronen und 2 Protonen besitzt.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie sich die Kernladungszahl und die Ordnungszahl beim Alphazerfall verändert.

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Antwort

Beim Alphazerfall nimmt die Massenzahl A des Atomkerns um vier Einheiten und die Kernladungszahl Z um zwei Einheiten ab.

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter Mutter- und Tochternuklid?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Mutternuklid ist das ursprüngliche Atom, welches in das Tochternuklid zerfällt. Dabei ändert sich das Element des Atoms.

Frage anzeigen

Frage

Erläutere, welchem Energiespektrum die Alphastrahlung entspricht.

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Antwort

Das Energiespektrum der Alphastrahlung entspricht einem Linienspektrum. Jeder Alphastrahler hat sein eigenes spezifisches Linienspektrum.

Frage anzeigen

Frage

Nenne Eigenschaften von Alphateilchen.

Antwort anzeigen

Antwort

Alphateilchen:

  • sind elektrisch geladen
  • sind relativ schwer
  • können nur bedingt in Materie eindringen
  • bestehen aus 2 Protonen und 2 Neutronen

Frage anzeigen

Frage

Wodurch kannst du dich vor Alphastrahlungen schützen?

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Antwort

Ein Stück Paper reicht aus um Alphastrahlung abzuschirmen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Strahlungswichtungsfaktor?

Antwort anzeigen

Antwort

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.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum die Alphastrahlung für den Menschen ungefährlich ist

Antwort anzeigen

Antwort

Alphastrahlung ist wegen der geringen Durchschlagskraft und der kurzen Reichweite relativ ungefährlich für den Menschen. Schon ein einfaches Kleidungsstück kann genügen, um Menschen vor der Strahlung abzuschirmen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Alphastrahler?

Antwort anzeigen

Antwort

Alphastrahler sind Atomkerne, welche Alphastrahlung aussenden.

Frage anzeigen

Frage

Wie kannst du herausfinden in welches Element das Mutternuklid beim Alphazerfall zerfällt?

Antwort anzeigen

Antwort

Du kannst im Periodensystem nachschauen. Dort findest du das neue Element „zwei links“ vom ursprünglichen Element.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, welche Teilchen bei Beta-Minus-Zerfall freiwerden.

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Beta-Minus-Zerfall werden ein Elektro \( e^-\) und einem Elektron-Antineutrino \(\overline v_{e}\) frei.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe den Prozess des Beta-Minus-Zerfalls.

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Beta-Minus-Zerfall geht ein Isotop durch Umwandlungen eines Neutrons in ein Proton in einen günstigeren Energiezustand über, wobei Strahlung frei wird.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie Du die Strahlung bei radioaktiven Zerfallsprozessen, wie dem Betazerfall, noch nennst.

Antwort anzeigen

Antwort

ionisierende Strahlung

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe den Unterschied zwischen Beta-Zerfall und Betastrahlung.

Antwort anzeigen

Antwort

Beta-Zerfall ist ein Prozess, den ein Atom unter bestimmten Voraussetzungen durchlaufen kann. Betastrahlung ist das Produkt, das dabei entsteht.

Frage anzeigen

Frage

Wie ändert sich die Kernladungszahl bei einem Betazerfall?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Beta-Minus-Zerfall ändert sich die Kernladungszahl um +1 und beim Beta-Plus-Zerfall um -1.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was Du unter Ionisation durch Strahlung verstehst.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei diesem Prozess gibt Strahlung ihre Energie an Elektronen ab, sodass diese das Atom verlassen können. Zurück bleiben Ionen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, welche Art der Strahlung Betastrahlung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Teilchenstrahlung

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, woher der Name Beta-Minus-Strahlung kommt.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Name stammt von der negativen Ladung des Elektrons, welches beim Beta-Minus-Zerfall frei wird.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Begriff Betastrahler.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein radioaktives Isotop, welches Betastrahlung aussendet, wird auch als Betastrahler bezeichnet.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, bei welchen Atomen vor allem Beta-Minus-Zerfall auftaucht.

Antwort anzeigen

Antwort

Beta-Minus-Zerfall tritt auf, wenn das Atom einen relativen Neutronenüberschuss besitzt.

Frage anzeigen

Frage

Stelle die Zerfallsgleichung für Beta-Minus-Zerfall auf.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Zerfallsgleichung für Beta-minus-Zerfall lautet:


\(\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z+1}Y + e^- + \overline{v_{e}}}\)

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wovon die Geschwindigkeit der Betastrahlung abhängt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Geschwindigkeit hängt vor allem von der Energie der Betateilchen ab. 

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, bei welchen Atomen vor allem Beta-Plus-Zerfall auftritt.

Antwort anzeigen

Antwort

Damit ein Beta-Plus-Zerfall auftritt, muss der Atomkern einen relativen Protonenüberschuss besitzen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was Du unter Beta-Plus-Zerfall verstehst.

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Antwort

Beta-Plus-Zerfall ist ein Prozess, den ein Atom unter bestimmten Voraussetzungen durchlaufen kann. Betastrahlung ist das Produkt, das dabei entsteht.

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Stelle die Zerfallsgleichung für den Beta-Plus-Zerfall auf.

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Die Zerfallsgleichung für Beta-Plus-Zerfall lautet: 

\(\ce{^{A}_{Z}X -> ^{A}_{Z-1}Y + e^+ + v_{e}}\)

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Erkläre, wie Betastrahlung in der Medizin angewendet werden kann.

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Betastrahlung kann zum Beispiel in der Strahlentherapie angewendet werden, um Tumore zu zerstören.

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Gib an, was Du unter Betastrahlung verstehst.

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Als Betastrahlung bezeichnest Du die Art von ionisierender Teilchenstrahlung, die beim radioaktiven Beta-Zerfall von Atomkernen entsteht. 

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Beschreibe die gesundheitlichen Folgen durch eine hohe Dosis an Betastrahlung.

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Ist der Mensch großen Mengen an Betastrahlung ausgesetzt, kann es zu Verbrennungen kommen. Eine Spätfolge ist Hautkrebs. Sind die Augen betroffen, kann Betastrahlung zu einer Sehschwäche führen.

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Gib an, wie Du Betastrahlung abschirmen kannst.

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Betastrahlung lässt sich bereits durch ein wenige Millimeter dickes Aluminiumblech abschirmen.

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Erkläre, was Du unter der Reichweite von Teilchenstrahlung verstehst.

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Als Reichweite bezeichnest Du die Entfernung, die Teilchenstrahlung zurücklegt, bis sie ihre kinetische Energie vollständig (durch Ionisation) abgegeben hat. Die Reichweite ist abhängig von der Art der Teilchen, ihrer ursprünglichen Energie und dem umgebenden Medium.

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Was ist Radioaktivität?

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Unter Radioaktivität verstehst du die Eigenschaft instabiler Nuklide spontan und ohne äußere Einwirkung ionisierende Strahlung zu emittieren.

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Welche radioaktiven Zerfallsarten gibt es?

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Die drei Zerfallsarten heißen:

  • Alphazerfall
  • Betazerfall
  • Gammazerfall

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Bei welchem Zerfall wird keine Teilchenstrahlung emittiert?

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Gammazerfall

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Welche Zerfallsart ist am schwersten abzuschirmen?

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Gammazerfall

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Was passiert beim Beta-Plus-Zerfall?

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Ein Proton wird zu einem Neutron 

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Was ist eine Zerfallsreihe?

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Als Zerfallsreihe bezeichnest du den Vorgang, bei dem ein Radionuklid mehrere Zerfallsarten durchläuft bis schließlich ein stabiles Nuklid erreicht wird. 

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Was gibt die Halbwertszeit an?

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Die Halbwertszeit gibt an, wie lange es dauert bis die Hälfte der ursprünglichen Menge eines Radionuklids zerfallen ist.

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In welchen Einheiten kannst du die radioaktive Strahlung angeben?

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Becquerell [Bq]

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Wozu dient die Äquivalentdosis?

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Die Äquivalentdosis beschreibt die Strahlenbelastung der ein lebender Organismus ausgesetzt ist. 

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Welche Probleme gibt es bei Strom aus Atomkraftwerken?

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Austritt radioaktiver Strahlung

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Das Risiko für welche Krankheit steigt bei zu hoher Strahlenbelastung?

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Radioaktive Strahlung kann zu Zellschäden führen und steigert damit das Krebsrisiko

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Wo kann Radioaktivität in der Medizin angewandt werden?

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Für Radioaktivität gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten, dazu zählen die Strahlentherapie von Tumoren oder Diagnosezwecke

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Welche drei Wissenschaftler leisteten einen wichtigen Beitrag zur Entdeckung der Radioaktivität?

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Marie Curie

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Was verstehst du unter ionisierender Strahlung?

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Unter ionisierender Strahlung verstehst du hochenergetische Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die in der Lage ist, Elektronen aus Atome oder Moleküle zu entfernen. 

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Benenne die Hauptbestandteile eines Geiger-Müller-Zählers.

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Das GMZ besteht aus einem Anodendraht, einem Metallzylinder als Kathode, einem Glimmfenster und einem Zähler. 

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Beschreibe die Entstehung einer Elektronenlawine.

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Eine Elektronenlawinen entsteht durch Ionisierungsvorgänge der energiereichen Strahlung. Sie löst die Elektronen aus ihren Atomen, welche auf dem Weg zum Draht weitere Elektronen aufgrund des Photoeffekts herauslösen. Die Elektronenlawine entsteht dann durch die vielen Elektronen welche Richtung Draht beschleunigen.

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Benenne die Messkomponente, die vom Zähler gemessen wird.

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Der Zähler misst Spannungsimpulse, die durch die Elektronenlawinen hervorgerufen werden und somit die Anzahl der detektierten Teilchen bestimmt.

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Erkläre die Entstehung der Totzeit des Geigerzählers.

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Da sich Atome zu positiven Ionen umwandeln, wenn sich Elektronen abspalten, entstehen entsprechend viele positive Ionen, die sich in entgegengesetzter Richtung zur Kathode bewegen. Da diese jedoch deutlich langsamer als die Elektronen sind, erzeugen die Ionen eine Art positiven Schirm um den Draht und schwächen das elektrische Feld im Inneren. Die Elektronen werden nicht mehr zum Draht beschleunigt, wodurch der Stromfluss gestoppt wird und der Zähler keine Teilchen mehr detektieren kann.

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