In dieser Sendung zur Atomphysik geht es um Radioaktivität und um Kernumwandlungen. Diese Thematik ist, wie wenige andere Themen der Physik, seit vielen Jahren Gegenstand einer öffentlichen Diskussion. Es gibt verschiedene Meinungen zur Nutzung der Kernkraft und zur Entsorgung von radioaktivem Müll. Diese Sendung bietet dafür die fachlichen Grundlagen und erklärt wichtige Details zum Aufbau von Atomkernen. Sie gliedert sich in folgende Abschnitte:
Für die Endlagerung von radioaktivem Müll aus Kernkraftwerken werden Lagerstätten
gesucht, die auf Jahrhunderte keine Gefahr für das Grundwasser darstellen. So
werden natürliche Salzstöcke untersucht, ob sie einen sicheren Aufbewahrungsort
für die Behälter mit radioaktiven Abfällen darstellen. Was passiert mit
radioaktiven Abfällen in den vielen Jahren der Einlagerung? Wie schnell nimmt
die Gefährlichkeit der radioaktiven Strahlung ab? Auf diese beiden Fragen werden
im weiteren Verlauf der Sendung Antworten gegeben.
Zunächst einmal ist
zu klären, was passiert, wenn ein Atom ein 
-, ß- oder 
-Teilchen aussendet. Für
den -Zerfall betrachten wir das Radon-Isotop mit 212 Nukleonen. Ra212
besitzt 86 Protonen und 212 - 86 = 126 Neutronen. Ein -Teilchen besteht aus zwei Protonen
und zwei Neutronen. Deshalb entsteht beim -Zerfall von Ra212 ein Isotop mit 208 Nukleonen, davon 84 Protonen.
Radon kann das nicht mehr sein, es ist Polonium208!
Für den
ß-Zerfall betrachten das Thorium-Isotop mit 234 Nukleonen. Th234 besitzt
90 Protonen und 144 Neutronen. Aber wie kann ein Elektron aus dem Kern kommen?
Man weiß, dass bei diesem ß-Zerfall Protactinium 234 mit 91 Protonen entsteht.
Deshalb muss sich im Kern von Thorium ein Neutron in ein Proton und ein Elektron
aufgespaltet haben.
Beim -Zerfall ändert sich weder die
Anzahl der Protonen, noch die der Neutronen. -Quanten sind eine hochenergetische
Sorte von Photonen, die aus dem Atomkern Energie abführen. Man kann sich das
ganz analog zu den optischen Photonen aus der Atomhülle vorstellen. Dort springen
Hüllenelektronen aus Schalen mit höherer Energie in innere Schalen und führen
die Energiedifferenz als Photon der Energie E = h f ab; f ist die
Frequenz. Auch ein Kern kann in angeregten Energiestufen vorliegen, beim
Übergang in einen niederen führt er ebenfalls Energie in der Form E = h f
ab; die Frequenz eines -Quants ist natürlich bedeutend größer.
Für die meisten Isotope ist bekannt, ob sie stabil oder radioaktiv sind. In
einer sogenannten Nuklidtafel nimmt jedes Element eine Zeile ein, d.h. längs einer
Zeile ist die Kernladungszahl gleich, z.B. die Kernladungszahl von Protactinium
Z(Pa) = 91. Untereinander in den Spalten stehen Elemente mit gleicher
Neutronenzahl. Die Farben deuten die Zerfallsart an. -Zerfälle sind nicht markiert, weil
sich dabei das Isotop nicht verändert. Als grobe Faustregel kann man aber
annehmen, dass nach jedem - oder ß-Zerfall angeregte
Kerne vorliegen, die mit -Zerfällen den energetischen
Grundzustand erreichen.
Aus einer Nuklidtafel kann man leicht sogenannte
Zerfallsreihen herauslesen. Uran238 ist als -Strahler gelb markiert. Der
Folgekern hat zwei Neutronen und zwei Protonen weniger, also suchen wir zwei
Zeilen tiefer und zwei Spalten nach links und finden Thorium 234. Dieses ist ein
ß-Strahler und damit liegt der Folgekern bei Protactinium234
(Protonenzahl plus ein, Neutronenzahl minus eins). Die Spur von weiteren Kernen
kann man weiterverfolgen, bis man einen stabilen Kern erreicht. Die ganze Kette
nennt man Zerfallsreihe; dies hier ist die Uran-Radium-Reihe. Da nur der
-Zerfall
die Nukleonenzahl verändert, dann aber genau um die Zahl vier, führt ein
logischer Schluss auf das Ergebnis, dass es genau vier Zerfallsreihen geben
muss.
Als nächstes stellt sich die Frage, wie schnell die Zerfallsreihen
durchlaufen werden. Offensichtlich sehr langsam und nicht für alle Kerne in
gleichmäßigem Tempo, sonst würde es die Nuklidkarte nicht geben. Für das
Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne kann man als Analogie den Zerfall von Bierschaum betrachten. Jedes Bläschen zerfällt zufällig, aber
insgesamt gibt es doch im zeitlichen Mittel eine exakt bestimmbare
Wahrscheinlichkeit. Über längere Zeit beobachtet man dann, dass nach gleichen
Zeitabschnitten jeweils die gleiche Prozentzahl vom letzten Füllstand übrig bleibt. Dies ist genau
die mathematische Bedingung für einen exponentiellen Zusammenhang. Wenn man die
Messpunkte verbindet, erhält man tatsächlich eine abfallende Exponentialkurve.
Die gleiche Kurvenform liefert auch die Zählung radioaktiver Kerne, die nach gleichen Zeitabschnitten noch nicht
zerfallen sind. Die Mathematik liefert die Funktionsform des Zerfallsgesetzes:
N(t) = N0 
exp(-
t); dabei ist
N0 die Anzahl der Kerne beim Start der Messung, N(t)
die Anzahl der verbliebenen Kerne nach der Zeit t und die
Zerfallskonstante beschreibt, ob der Zerfall bei der betrachteten Kernsorte schnell oder
langsam abläuft. Mit kann die "Halbwertszeit" bestimmt
werden; nach dieser Zeit gibt es jeweils nur noch die Hälfte der vorher
vorhandenen Kerne.
Die Anzahl noch existierender Kerne ist schwer zu zählen, deshalb ist der
Begriff der Aktivität in der Praxis viel hilfreicher. Die Anzahl der
Zerfälle pro Sekunde misst man z.B. mit einem Zählrohr. Dabei muss man natürlich beachten, dass das Zählrohr
nur einen Teil der Kugeloberfläche um das Präparat abdeckt. Auch ist die
Nachweiswahrscheinlichkeit keineswegs 100%. Aber es gibt doch eine feste
Beziehung zwischen der Zählrate eines Zählrohrs und der Aktivität. Mathematisch
gesehen ist die Aktivität so etwas wie die zeitliche Änderung der Anzahl und
weil die Ableitung einer Exponentialfunktion wieder eine Exponentialfunktion
ist, darf es nicht verwundern, dass auch für die Aktivität ein Exponentialgesetz gilt: A(t) =
A0 exp(- t). Die Zerfallskonstante und die Halbwertszeit sind gleich wie
beim Zerfallsgesetz und für die meisten Isotope bekannt.
Dazu zwei
Anwendungsbeispiele: Bei Reaktorunfall von Tschernobyl 1986 wurden vor allen die
radioaktiven Isotope Caesium137 und Jod131 in Europa verteilt. Die Gefahr durch
das Jod ist inzwischen abgeklungen, weil die Halbwertszeit nur 8 Tage beträgt.
Mit der Exponentialkurve für die Aktivität von Cs137 lässt sich
erkennen, dass uns diese Strahlungsquelle noch lange erhalten bleibt. Sehr
bekannt ist auch die C14-Methode zur archäologischen Datierung. Das radioaktive
Isotop C14 entsteht laufend in der Atmosphäre durch den radioaktiven Beschuss
der Luftstickstoffmoleküle durch radioaktive Teilchen von der Sonne. Deshalb ist
die Aktivität in lebenden Pflanzen und Lebewesen konstant. Nach dem Absterben nimmt die Aktivität nach einer Exponentialkurve ab.
Mit dem Vergleich der verminderten Aktivität einer Kohlenstoffprobe aus dem
archäologischen Fundstück und einer frischen Vergleichsprobe erhält man eine Zeitdatierung.
Die Energie, die in Kernkraftwerken freigesetzt wird beruht auf der Kernspaltung. Ein einzelner Kernbaustein (ein Nukleon) im
Uran235 hat eine höhere Energie als in den beiden etwa gleich großen Teilen, in
das U235 bei Beschuss mit Neutronen zerfällt. Bei leichten Kernen mit
Nukleonenzahlen unter 60 ist es dagegen ganz anders. Hier kostet es Energie,
einen Kern in seine einzelnen Nukleonen aufzuspalten. Bei der Kernfusion von zwei Deuteriumkernen (1
Proton, 1 Neutron) zu Helium wird dagegen eine große Menge an Energie frei.
Dieser Prozess findet in der Sonne statt. Zum Überblick über die verschiedenen Prozesse wird die Energie pro
einzelnem Nukleon über der Kerngröße (Nukleonenzahl) aufgetragen. Gegenüber den
stabilsten Kernen haben sowohl die kleineren als auch die größeren Kerne eine
erhöhte Energie.