mini|DIN EN ISO 7010 W003: Warnung vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen (auch auf abschirmenden Behältern)
Radioaktivität (von französisch radioactivité, zu „strahlen“ und „tätig“, „wirksam“, zusammengesetzt also „Strahlungstätigkeit“) ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Der Atomkern wandelt sich dabei unter Aussendung von Teilchen in einen anderen Kern (Tochterkern) um oder ändert unter Energieabgabe seinen Zustand. Die durch den Prozess ausgestrahlte ionisierende Strahlung wird umgangssprachlich auch „radioaktive Strahlung“ genannt.
Die Bezeichnung Radioaktivität wurde 1898 erstmals vom Ehepaar Marie Curie und Pierre Curie für das zwei Jahre vorher von Antoine Henri Becquerel entdeckte Phänomen geprägt. Man nennt den Umwandlungsprozess auch radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall. Atomsorten mit instabilen Kernen nennt man Radionuklide.
Die beim Umwandlungsprozess frei werdende Energie wird als Bewegungsenergie ausgesandter Teilchen (meist Alpha- oder Beta-Teilchen) oder als Strahlungsenergie von Gammastrahlung abgegeben. Art und Energiespektrum der Strahlung sind für das jeweilige Radionuklid typisch. Diese Strahlungsarten sind für den Menschen – ebenso wie Höhen- und Röntgenstrahlung – nicht direkt wahrnehmbar und können je nach den Umständen schädlich (siehe Strahlenschaden, Strahlenwirkung) oder nützlich (siehe z. B. Strahlensterilisation, Radionuklidtherapie, Brachytherapie) sein.
Nach einer für jedes radioaktive Nuklid charakteristischen Zeit, der Halbwertszeit, hat sich dessen Menge halbiert, somit auch seine Aktivität. Halbwertszeiten können im Bereich von Sekundenbruchteilen bis zu Quadrillionen Jahren liegen.
Radionuklide kommen in der Natur vor. Sie entstehen aber auch z. B. in Kernreaktoren oder durch Kernwaffen-Explosionen. In Teilchenbeschleunigern können sie gezielt hergestellt werden. Radioaktive Substanzen finden Anwendung u. a. in Radionuklidbatterien und -Heizelementen zur Energieversorgung in der Raumfahrt sowie in der Nuklearmedizin und Strahlentherapie. In der Archäologie nutzt man den radioaktiven Zerfall zur Altersbestimmung, beispielsweise mit der Radiokarbonmethode.
Begriffsverwendungen
Radioaktiver Zerfall Der Begriff Radioaktiver Zerfall bezieht sich ursprünglich auf die an einem Radionuklid beobachtete Abnahme seiner Strahlungsintensität mit der Zeit (sofern das Radionuklid nicht durch andere Prozesse ständig neu erzeugt wird). Er wird auch für die Abnahme der Menge des Radionuklids benutzt.
Fachsprachlich wird darüber hinaus auch die spontane Umwandlung des einzelnen Atomkerns – und manchmal überhaupt jede spontane Zustandsänderung eines quantenmechanisch beschriebenen Systems – als Zerfall bezeichnet. Z. B. wird Gammazerfall schon für die Emission eines einzigen Gammaquants verwendet. Im Wortsinn handelt es sich dabei weniger um einen Zerfall als um eine Umwandlung des Atomkerns bzw. des Systems.
Radioaktive Substanzen und Strahlung In der Alltagssprache und in öffentlichen Diskussionen werden radioaktive Substanzen und ihre Strahlung oft nicht unterschieden. So wird von radioaktiver Strahlung gesprochen.Beispiel einer falschen Verwendung: Was ist Radioaktivität und wie wirkt sie? von GreenpeaceRadioaktive Strahlung: Tokio bleibt vorerst verschont. Diese Wortkombination ist genau genommen falsch, denn nicht die Strahlung selbst ist radioaktiv, sondern die Substanzen (Strahler), aus denen sie austritt; gemeint ist die ionisierende Strahlung radioaktiver Substanzen. Früher war hierfür der Begriff Becquerelstrahlen (engl.: Becquerel rays) gebräuchlich.Vgl. beispielsweise:* * * Robert Strutt: The Becquerel rays and the properties of Radium. Edward Arnold, 1904.
In Berichten über kerntechnische Zwischenfälle wird oft von ausgetretener Strahlung gesprochen,Wie gefährlich ist die bisher ausgetretene Strahlung für die Bevölkerung?Fukushima: «Vieles eindeutig übertrieben». obwohl es dann meist um unbeabsichtigt freigesetzte radioaktive Stoffe wie Caesium-137 und Iod-131 geht. Diese können, etwa durch Aufnahme in den menschlichen Körper, erheblich gefährlicher sein als die aus einer Anlage austretende Strahlung selbst.
Geschichte mini|Pierre und Marie Curie
1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel beim Versuch, die gerade gefundene Röntgenstrahlung als Fluoreszenzerscheinung zu erklären, dass Uransalze auch ohne vorherige Belichtung fotografische Platten schwärzen. Dies schloss Fluoreszenz als Ursache aus. Wie er später feststellte, konnte diese neue Strahlung lichtundurchlässige Stoffe durchdringen und Luft ionisieren, ohne dabei von Temperaturänderungen oder chemischen Behandlungen der Probe beeinflusst zu werden. 1898 entdeckten Marie und Pierre Curie die Radioaktivität von Thoriumoxid und isolierten zwei bis dahin unbekannte weitaus stärker strahlende Substanzen, die sie Radium und Polonium tauften.
1898 gelang es Ernest Rutherford durch Untersuchung des Durchdringungsvermögens zwei Strahlungskomponenten zu unterscheiden, die er als α-(Alpha)- und β-(Beta)-Strahlung bezeichnete.Ernest Rutherford: Uranium Radiation and the Electrical Conduction Produced by It. In: Philosophical Magazine. 5. Folge, Band 47, Nummer 284, 1899, S. 116, doi:10.1080/14786449908621245. 1899 konnten Stefan Meyer und Egon Schweidler sowie Friedrich Giesel zeigen, dass diese in magnetischen Feldern in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden. 1900 entdeckte Paul Villard eine dritte Komponente, die sich nicht durch Magnetfelder ablenken ließ und die besonders durchdringend war. Für diese dritte Strahlungsart prägte Rutherford 1903 die Bezeichnung γ-(Gamma)-Strahlung.Ernest Rutherford: The Magnetic and Electric Deviation of the Easily Absorbed Rays from Radium. In: Philosophical Magazine. 6. Folge, Band 5, Nummer 25, 1903, S. 177, doi:10.1080/14786440309462912. Bis 1909 hatte sich erwiesen, dass Alphastrahlung aus Heliumkernen und Betastrahlung aus Elektronen besteht. Die Vermutung, dass es sich bei Gammastrahlung um elektromagnetische Strahlung handelt, konnte erst 1914 von Rutherford und Edward Andrade bestätigt werden.
Bereits 1903 – sechs Jahre vor dem Nachweis von Atomkernen – entwickelten Rutherford und Frederick Soddy eine Hypothese, nach der Radioaktivität mit der Umwandlung von Elementen (Transmutation) verbunden ist. Davon ausgehend formulierten 1913 Kasimir Fajans und Frederick Soddy die radioaktiven Verschiebungssätze. Diese beschreiben die Änderung von Massen- und Ordnungszahl bei Alpha- und Betazerfall, womit die natürlichen Zerfallsreihen als eine schrittweise Abfolge dieser Zerfallsprozesse erklärt werden konnten.
1933 gelang es Irène und Frédéric Joliot-Curie erstmals, neue radioaktive Elemente zu erzeugen. Durch den Beschuss von Proben mit α-Teilchen konnten sie Nuklide herstellen, die aufgrund ihrer kurzen Halbwertszeiten in der Natur nicht vorkommen. 1934 entdeckten sie bei ihren Versuchen eine neue Art des Betazerfalls, bei der Positronen anstelle von Elektronen abgestrahlt wurden. Seither unterscheidet man zwischen β+- und β−-Strahlung.
1980 sagten Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru und Walter Greiner aufgrund theoretischer Überlegungen eine neue Art der Radioaktivität voraus, bei der Kerne emittiert werden, die schwerer als α-Teilchen sind.Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru, Walter Greiner: New type of decay of heavy nuclei intermediate between fission and α decay. In: Soviet Journal of Particles and Nuclei. Band 11, Nummer 6, 1980, S. 528 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra. Band 11, 1980, S. 1334). Der erste experimentelle Nachweis eines solchen Clusterzerfalls gelang H. J. Rose und George Arnold Jones 1983 an der University of Oxford.H. J. Rose, G. A. Jones: A new kind of natural radioactivity. In: Nature. Band 307, Nummer 5948, 19. Januar 1984, S. 245–247, doi:10.1038/307245a0. Sie beobachteten, dass 223Ra, normalerweise ein α-Strahler, sehr selten unter Aussendung eines 14C-Kerns zu 209Pb zerfällt.
Physikalische Grundlagen mini|hochkant=1.3|klasse=skin-invert-image|Nuklidkarte der radioaktiven Zerfallsart. Schwarz gezeichnete Nuklide sind stabil, farbige sind instabil. Die diagonale Linie zeigt Nuklide gleicher Protonen- und Neutronenzahl. Man erkennt, dass Nuklide mit mehr als etwa 20 Protonen nur mit einem Neutronenüberschuss stabil sind. Das schwerste stabile Nuklid ist Blei-208 mit 82 Protonen und 126 Neutronen.
Stabilität In der Natur kommen nach derzeitigem Kenntnisstand 255 stabile Nuklide sowie etwa 100 instabile NuklideHanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. 4. Aufl., Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1815-7, S. 150–160. vor. Insgesamt sind etwa 3000 radioaktive Nuklide (Radionuklide) bekannt.G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A.H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. (PDF; 1,0 MB) In: Nuclear Physics. Bd. A 729, 2003, S. 3–128. Die weitaus meisten aller bekannten Nuklide sind also als radioaktiv nachgewiesen.
Ist Radioaktivität bei einem Nuklid nicht beobachtet worden, gibt es zwei Möglichkeiten: das Nuklid ist im absoluten Sinn stabil, d. h., es gibt nach dem Wissensstand der Physik keinen energieärmeren Zustand, in den es übergehen (zerfallen) könnte; das Nuklid könnte zwar theoretisch zerfallen, aber es wurde bisher kein Zerfallsereignis oder eindeutiges Zerfallsprodukt sicher nachgewiesen (observationally stable nuclide). Ein Beispiel der ersten Art ist Helium-4. Ein Beispiel der zweiten Art ist Blei-208, das schwerste Nuklid ohne nachgewiesenen Zerfall. Sein Alphazerfall 208Pb → 204Hg + α würde etwa 0,5 MeV Energie freisetzen. Abschätzungen der Halbwertszeit nach verschiedenen Varianten der Geiger-Nuttall-Regel ergeben mehr als 10100 Jahre, also mindestens das 1090-fache des Alters des Universums. Daher wird dieser Zerfall voraussichtlich nie beobachtet werden. Es gibt noch weitere Nuklide mit möglichem, aber nicht beobachtetem Zerfall. Die Gesamtzahl stabiler Nuklide steht daher heute (2020) noch nicht fest.
Alle Elemente bis zum Blei, außer Technetium und Promethium, haben ein oder mehrere stabile Isotope; die Anzahl stabiler Isotope geht bis zu zehn (Zinn). Alle Elemente schwerer als Blei sind instabil (radioaktiv).
Einfluss von Kernmasse und Neutronen-Protonen-Verhältnis Nur zwei sehr leichte Nuklide, der normale Wasserstoff 1H und das seltene Helium-Isotop 3He, sind mit weniger Neutronen als Protonen stabil. Alle anderen Nuklide „benötigen“ zur Stabilität mindestens ebenso viele (6Li, 10B, 12C, 14N, 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar und 40Ca), meist aber sogar mehr Neutronen als Protonen. Das durchschnittliche Verhältnis von Neutronenzahl zu Protonenzahl wächst mit zunehmender Ordnungszahl von 1:1 für sehr leichte Nuklide zu 1,54:1 für die schwersten stabilen Nuklide (siehe auch Neutronenüberschuss). Alle Nuklide mit zu vielen oder zu wenigen Neutronen sind instabil und damit radioaktiv. Kerne mit mehr als 208 Teilchen sind immer instabil.
Die stabilsten Nuklide – also die mit der höchsten Bindungsenergie pro Nukleon – sind 62Ni, 58Fe und 56Fe. Unmittelbare Nachbarn wie z. B. 63Ni oder 60Co sind aber schon radioaktiv. Neben einem ausgewogenen Verhältnis von Neutronen zu Protonen ist es entscheidend, ob die Anzahl der Neutronen und Protonen jeweils gerade (tendenziell stabiler) oder ungerade (tendenziell instabiler) ist. Die Bindungsenergie kann mit der Bethe-Weizsäcker-Formel näherungsweise berechnet werden.
Für nicht stabile Nuklide kann man abschätzen, auf welche Art (weiter unten beschriebenen) sie zerfallen: zu viele Neutronen: Beta-Minus-Zerfall; bei großem Überschuss auch direkte Neutronenemission zu viele Protonen: Beta-Plus-Zerfall oder Elektroneneinfang; bei großem Überschuss auch direkte Protonenemission zu schwer: Alphazerfall; selten auch Clusterzerfall oder Spontanspaltung (Fission)
Ein Gamma-Zerfall tritt in der Regel als Folgeprozess nach einem vorangegangenen Zerfall anderer Art auf.