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Grundwissen

Alphazerfall und Alphastrahlung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Bei Alphastrahlung handelt es sich um eine Teilchenstahlung aus Heliumatomkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen).
  • Alphastrahlung hat eine geringe Reichweite und kann leicht abgeschirmt werden.
  • Alphastrahlung besitzt ein hohes Ionisierungsvermögen (ionisiert viele Teilchen in kleinem Raum).

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.

 

Änderung der Kennzahlen des zerfallenden Kerns

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 jeweils dicke und fast gleich lange Spuren beobachten. Diese Spuren sind durch Magnetfelder schwach ablenkbar. Die Ablenkung geschieht in die gleiche Richtung wie bei positiven Ladungsträgern.

  • Aus der Beobachtung der dicken Spuren folgt, dass Alphastrahlung ein hohes Ionisierungsvermögen hat. Ein Alphateilchen kann auf kurzer Strecke sehr viele andere Teilchen ionisieren. Der \(q\)-Faktor von Alphastrahlung ist \(20\).

  • Aus der Beobachtung der fast gleich langen Spuren folgt, 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.

Typische Energien von Alphateilchen

Die beim Alphazerfall entstehenden Alphateilchen können je nach Zerfallsprozess unterschiedliche Energie haben. Tab. 1 zeigt die Energie der Alphateilchen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen.

Tab. 1 Energie der Alphateilchen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen
Radionuklid Energie der Alphateilchen in \(\rm{MeV}\)
Rn-222 \(5{,}59\)
Ra-226 \(4{,}87\)
U-238 \(4{,}27\)
Pu-239 \(5{,}59\)

Reichweite und Abschirmung von Alphastrahlung

Die Reichweite von Alphastrahlung hängt sowohl von der Energie der Alphateilchen als auch von dem Material ab, in dem sie sich bewegen. Grundsätzlich ist die Reichweite von Alphastrahlung jedoch gering, insbesondere im Vergleich mit Beta- und Gammastrahlung. Alphastrahlung kann bereits von einem Blatt Papier fast völlig abgeschirmt werden. Für den Menschen ist Alphastrahlung daher besonders gefährlich, wenn ihre Quelle in den Körper aufgenommen wird, z.B. durch Essen oder Einatmen.

Tab. 2 zeigt die mittlere Reichweite von Alphateilchen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von der Energie der Alphateilchen.

Tab. 2 Mittlere Reichweite von Alphateilchen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von ihrer Energie
Teilchenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Reichweite in
Luft Muskelgewebe Aluminium
\(1\) \({0{,}3\,\rm{cm}}\) \(4\,{\rm{\mu m}}\) \(2\,{\rm{\mu m}}\)
\(3\) \({1{,}6\,\rm{cm}}\) \(16\,{\rm{\mu m}}\) \(11\,{\rm{\mu m}}\)
\(4\) \({2{,}5\,\rm{cm}}\) \(31\,{\rm{\mu m}}\) \(16\,{\rm{\mu m}}\)
\(6\) \({4{,}6\,\rm{cm}}\) \(56\,{\rm{\mu m}}\) \(30\,{\rm{\mu m}}\)
\(8\) \({7{,}4\,\rm{cm}}\) \(91\,{\rm{\mu m}}\) \(48\,{\rm{\mu m}}\)
\(10\) \({10{,}6\,\rm{cm}}\) \(130\,{\rm{\mu m}}\) \(67\,{\rm{\mu m}}\)