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Grundwissen

Alphazerfall und Alphastrahlung

Alphazerfall

Abb. 1 Alphazerfall eines \({}_{88}^{224}{\rm{Ra}}\)-Kerns in einen \({}_{86}^{220}{\rm{Rn}}\)-Kern und ein Alphateilchen (\({}_{2}^{4}{\rm{He}}\)-Kern)

Der Alphazerfall (kurz: \({\rm{\alpha }}\)-Zerfall) tritt bei instabilen Nukliden auf, bei denen die Kernkräfte die abstoßenden Kräfte der Protonen untereinander nicht vollständig aufheben können. Der Kern hat deshalb das Bestreben, in einen stabileren Zustand überzugehen. Dazu formiert sich im Atomkern ein Helium-4-Atomkern (kurz: \({}_2^4{\rm{He}}\) oder \(\rm{\alpha }\)), ein sogenanntes Alphateilchen. Das Alphateilchen kann zwar klassisch das Potential der starken Wechselwirkung nicht überwinden, verlässt den Mutterkern jedoch mittels des Tunneleffekts mit einer Anfangsgeschwindigkeit von etwa \(15000 - 20000\frac{{{\rm{km}}}}{{\rm{s}}}\). Den Strom von aus vielen Kernen ausgesandten Alphateilchen bezeichnet man auch als Alphastrahlung (kurz: \(\rm{\alpha }\)-Strahlung) .

Nach dem Ausstoß des Alphateilchens verbleibt der Atomkern unter Umständen in einem angeregten Zustand. Der Übergang in den Grundzustand ist mit dem Aussenden von Gammastrahlung (Gammaübergang) verbunden.

Beim Alphazerfall nimmt die Massenzahl um vier Einheiten und die Kernladungszahl um zwei Einheiten ab; die Reaktionsgleichung lautet demnach\[{}_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}}\mathop  \to \limits^{\rm{\alpha }} {}_{{\rm{Z - 2}}}^{{\rm{A - 4}}}{\rm{Y}} + {}_{\rm{2}}^{\rm{4}}{\rm{He}}\;\;\;{\rm{oder}}\;\;\;{}_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}}\mathop  \to \limits^{\rm{\alpha }} {}_{{\rm{Z - 2}}}^{{\rm{A - 4}}}{\rm{Y}} + {\rm{\alpha }}\]

Die ausgesandten Alphateilchen nehmen aus der Umgebung zwei Elektronen auf, wodurch Heliumatome entstehen.

Beispiel: Das in der Natur vorkommende Isotop Radium-224 wandelt sich unter Aussendung eines Alphateilchens in das Isotop Radon-220 um: \(_{{\rm{88}}}^{{\rm{224}}}{\rm{Ra}}\mathop  \to \limits^{\rm{\alpha }} {}_{86}^{220}{\rm{Rn}} + _{\rm{2}}^{\rm{4}}{\rm{He}}\); die dabei frei werdende Energie beträgt \(6,288{\rm{MeV}}\).

Alphastrahlung

Beobachtet man Alphastrahlung in einer Nebelkammer, so kann man dicke, gleich oder fast gleich lange Spuren beobachten. Diese Spuren sind durch Magnetfelder schwach ablenkbar, die Ablenkung geschieht in die gleiche Richtung wie bei positiven Ladungsträgern.

  • Die Tatsache, dass die Spuren dick sind, deutet auf ein hohes Ionisierungsvermögen von Alphastrahlung hin. Der \(q\)-Faktor von Alphastrahlung ist \(20\).

  • Die Tatsache, dass die Spuren gleich oder fast gleich lang sind, deutet darauf hin, dass die bei einem speziellen Zerfallsprozess entstehenden Alphateilchen gleich oder fast gleich große Energien haben.

  • Die Tatsache, dass die Spuren durch Magnetfelder wie positiv geladene Teilchen schwach ablenkbar sind, deuten darauf hin, dass die Alphateilchen positiv geladen sind und eine relativ große Masse besitzen.

Radionuklid Energie der Alphateilchen
in \(\rm{MeV}\)
Rn-222 \(5,5\) ; ...
Ra-226 \(4,8\) ; \(4,6\) ; ...
U-238 \(4,2\) ; ...
Pu-239 \(5,2\) ; \(5,1\) ; ...

Die beim Alphazerfall entstehenden Alphateilchen können je nach Zerfallsprozess aber unterschiedliche Energie haben. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die Energie der Alphateilchen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen.

Teilchenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Reichweite in
Luft Muskelgewebe Aluminium
\(1\) \(0,3\rm{cm}\) \(4{\rm{\mu m}}\) \(2{\rm{\mu m}}\)
\(3\) \(1,6\rm{cm}\) \(16{\rm{\mu m}}\) \(11{\rm{\mu m}}\)
\(4\) \(2,5\rm{cm}\) \(31{\rm{\mu m}}\) \(16{\rm{\mu m}}\)
\(6\) \(4,6\rm{cm}\) \(56{\rm{\mu m}}\) \(30{\rm{\mu m}}\)
\(8\) \(7,4\rm{cm}\) \(91{\rm{\mu m}}\) \(48{\rm{\mu m}}\)
\(10\) \(10,6\rm{cm}\) \(130{\rm{\mu m}}\) \(67{\rm{\mu m}}\)

Die Reichweite von Alphastrahlung hängt sowohl von der Energie der Alphateilchen als auch von dem Material ab, in dem sie sich bewegen. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die mittlere Reichweite von Alphateilchen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von der Energie der Alphateilchen.

Alphastrahlung kann bereits von einem Blatt Papier fast völlig abgeschirmt werden.