Alphazerfall

Alphastrahlung oder α-Strahlung ist eine Art von ionisierender Strahlung, die bei einem radioaktiven Zerfall, dem Alphazerfall, auftritt. Ein radioaktives Nuklid, das diese Strahlung aussendet, wird als Alphastrahler bezeichnet. Es handelt sich um eine Teilchenstrahlung bestehend aus Helium-4-Atomkernen, Alphateilchen genannt, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.

Das Symbol für ein Alphateilchen ist der kleine griechische Buchstabe Alpha: α. Das chemische Symbol ist $\textstyle{{}^4_2\mathrm{He}^{2+}}$. Damit wird das Teilchen als zweifach ionisiertes Heliumatom beschrieben, also als zweiwertiges Kation. Deswegen zählt die Alphastrahlung auch zur Ionenstrahlung. Die Austrittsgeschwindigkeit aus dem Kern liegt zwischen 15.000 km/s und 20.000 km/s.

Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in Alphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen.

Die von einem gegebenen Nuklid emittierten Alphateilchen haben, anders als beispielsweise beim Betazerfall, nur ganz bestimmte Werte der kinetischen Energie, d. h., ihr Energiespektrum ist ein Linienspektrum. Dieses Spektrum ist charakteristisch für das jeweilige Radionuklid. Seine Messung kann also zur Bestimmung dieses Nuklids dienen.

Alphaspektrum der Plutoniumisotope Pu-242, Pu-239/240 und Pu-238

Alphastrahlung

Entstehung

Coulombwall. Modellpotential für ein Alphateilchen, das sich aus dem durch einen Potentialtopf angenäherten, kurzreichweitigen Kernpotential und dem langreichweitigen Coulombpotential zusammensetzt.

Beim Alphazerfall verlässt ein Alphateilchen, also ein Helium-4-Atomkern, den Atomkern. Das Alphateilchen hat eine kinetische Energie, die nach E = mc² der Masse entspricht, die als Massendefekt durch den Kernzerfall verloren geht. Es wird durch die starke Wechselwirkung vom Kern angezogen und aufgrund gleichnamiger Ladungen elektrisch abgestoßen. Die Kernkraft hat jedoch nur eine kurze Reichweite, während die elektrostatische Abstoßung langreichweitig ist. Das führt dazu, dass das Potential eine Art Barriere, den sogenannten Coulombwall, darstellt. Da die Höhe des Coulombwalls die Energie des Alphateilchens übertrifft, ist es klassisch nicht möglich, dass das Alphateilchen den Coulombwall überwindet. Klassisch wäre das Alphateilchen also stabil an den Kern gebunden, daher bezeichnet man diesen Zustand als metastabil. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, die im wesentlichen die Halbwertszeit des Zerfalls bestimmt, verlässt es den Mutterkern jedoch trotzdem, mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts. Dieser erlaubt es einem Teilchen, eine endlich lange und endlich hohe Energiebarriere mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu durchdringen, auch wenn seine Energie dafür klassisch nicht ausreicht.
Dadurch nimmt die Massenzahl des Kerns um 4 Einheiten ab, und die Kernladungszahl verringert sich um 2 Einheiten.

Bezeichnet X das Mutter- und Y das Tochternuklid, ΔE die freiwerdende Energie, und werden wie üblich Massenzahlen A oben und Ordnungszahlen Z unten angeschrieben, gilt demnach für den Alphazerfall allgemein:

${}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A-4}_{Z-2} \mathrm {Y} + {}^{4}_{2} \mathrm {He} + \Delta E$.

Ein konkretes Beispiel ist:

${}^{146}_{62} \mathrm {Sm} \to {}^{142}_{60} \mathrm {Nd} + {}^{4}_{2} \mathrm {He} + 2{,}45\, \mathrm{MeV}$.

Nach dem Ausstoß verbleibt der Atomkern unter Umständen in einem angeregten Zustand. Die dafür benötigte Energie ist Teil von ΔE und steht daher nicht als kinetische Energie zur Verfügung. Der Übergang vom angeregten in den Grundzustand ist mit dem Aussenden von Gammastrahlung verbunden.

Da beim Alphazerfall die Kernladungszahl um zwei Einheiten abnimmt, enthält die Elektronenhülle des entstehenden Tochteratoms nach Erreichen des Gleichgewichtszustands zwei Elektronen weniger als das Mutteratom.

Typische in der Natur vorkommende Alphastrahler sind Uran und Thorium sowie deren Zerfallsprodukte Radium und Radon. Die Energie eines Alphateilchens liegt typischerweise in der Größenordnung von 2 bis 5 MeV. Alphateilchen aus künstlich erzeugten Nukliden können aber durchaus Energien von über 10 MeV besitzen. Die Alpha-Energien und Halbwertszeiten der einzelnen Nuklide können in der Liste der Isotope nachgeschlagen werden.

Der Alpha-Zerfall ergibt rechnerisch nach der empirischen Weizsäcker-Massenformel des Tröpfchenmodells für alle Kerne ab Massenzahl 165 eine positive Energiefreisetzung, denn die so berechnete Summe der Massen des Alphateilchens und des Tochterkerns ist kleiner als die Masse des Mutterkerns. Dennoch wurde ein Alpha-Zerfall bei vielen schweren Kernen bisher nie beobachtet. Allerdings sind in den letzten Jahrzehnten einige früher als stabil geltende Nuklide als extrem langlebige Alpha-Strahler „entlarvt“ worden, zum Beispiel Sm-149, Gd-152, und Hf-174. Erst in den 2000er Jahren konnte dann auch bei W-180^[1] und Bi-209^[2] Alphazerfall mit Halbwertszeiten von einigen Trillionen Jahren nachgewiesen werden.

Der beobachtete Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und der Energie der emittierten Alphateilchen wird durch die Geiger-Nuttall-Regel beschrieben.

Wechselwirkung mit Materie

Alphastrahlung ist die am leichtesten abzuschirmende ionisierende Strahlung.

Aufgrund ihrer elektrischen Ladung und relativ großen Masse von 4 u haben Alphateilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie.

Die Reichweite der Alphateilchen ist abhängig von deren Energie und beträgt in Luft bei Normaldruck ungefähr 10 cm (bei 10 MeV). Bei niedrigem Luftdruck ist die Reichweite der Alphateilchen größer, da die Anzahl der Stoßpartner (Moleküle), an die Alphateilchen ihre kinetische Energie abgeben, mit dem Luftdruck abnimmt.

In Wasser oder organischem Material beträgt die Eindringtiefe eines 5-MeV-Alphateilchens 40 μm. Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen somit im allgemeinen schon aus, um Alphateilchen vollständig abzuschirmen. Das kommt dadurch zustande, dass die Ionisationsdichte von Alphateilchen – d. h. die Anzahl Ionen, die das Teilchen pro Längeneinheit seiner Wegstrecke erzeugt – viel höher ist als etwa für Beta- oder Gammastrahlung. In einer Nebelkammer sehen deshalb die durch Alphastrahlung erzeugten Bahnspuren, verglichen mit denen von Betastrahlen ähnlicher Energie, kürzer und dicker aus.

Geöffnetes Alphaspektrometer mit Präparat und Detektor (oben)

Biologische Wirkung

Alphastrahlung, die von außen auf den menschlichen Körper wirkt, ist relativ ungefährlich, da die Alphateilchen auf Grund ihrer geringen Eindringtiefe überwiegend nur in die oberen, toten Hautschichten eindringen. Ein im Organismus durch Einatmen oder Aufnahme mit der Nahrung eingelagerter Alphastrahler ist dagegen sehr schädlich, da in diesem Fall nicht die toten Hautschichten, sondern lebende Zellen geschädigt werden. Insbesondere die Anreicherung eines mit Alphastrahlung zerfallenden Nuklids in einem Organ führt zu einer hohen Belastung dieses Organs, da dabei eine hohe Strahlendosis ihre schädigende Wirkung auf kleinem Raum und auf wichtige Körperzellen ausübt (Strahlenkrankheit).

Der Strahlungswichtungsfaktor für Alphastrahlung ist auf 20 festgelegt, während er für Beta- und Gammastrahlung 1 beträgt. Für gleichen Energieeintrag wird also bei Alphastrahlung die 20-fache Schadwirkung angenommen. Dieser Faktor ist keine physikalische Messgröße, sondern eine gesetzte Norm zwecks vereinfachter Handhabung im Strahlenschutz. Er dient zur Umrechnung der Energiedosis in Gray in die Äquivalentdosis in Sievert (veraltete Einheiten: Rad bzw. Rem).

In der Radonbalneologie wird eine heilende Wirkung gering dosierter Alphastrahlung durch den Radongehalt mancher Heilbäder (z. B. Badgastein) angenommen.

Anwendungen

Isotopenbatterie

Ein Plutonium-Pellet (²³⁸Pu) glüht durch seinen eigenen Zerfall

Alphastrahler schwerer Elemente (hauptsächlich Transurane) mit hoher Dichte und relativ kurzer Halbwertszeit können sich durch ihren eigenen Alphazerfall bis zur Rotglut erhitzen. Dieses ist möglich, weil nahezu alle bei ihrem Zerfall erzeugten energiereichen Alphateilchen von ihren schweren Atomen noch in ihrem Innern aufgehalten werden, und ihre Bewegungsenergie als Wärme an sie abgeben. Wenn sie außerdem nur wenig Gammastrahlung erzeugen, und ihre Halbwertszeit (meistens einige Jahre bis Jahrzehnte) lang genug ist, kann die abgegebene Wärme zur Energiegewinnung in Radionuklidbatterien genutzt werden.

Rauchmelder

Außerdem werden Alphastrahler in Ionisationsrauchmeldern verwendet, die die Leitfähigkeit der durch Alphastrahlen ionisierten Luft messen, die durch Rauchpartikel vermindert wird. Seitens der Brandschutzbehörde wird empfohlen derartige Rauchmelder zu verwenden, da diese im Gegensatz zu anderen sicherer sind.

Forschungsgeschichte

Alphastrahlung war die erste nachgewiesene Form von Radioaktivität. Antoine Henri Becquerel entdeckte sie 1896 durch die Schwärzung von lichtdicht verpackten Fotoplatten durch Uransalze. Weitere Forschungen von Marie Curie und Pierre Curie führten unter anderem zur Isolation der Uran-Zerfallsprodukte Radium und Polonium und dem Nachweis, dass diese ebenfalls Alphastrahler sind. Die drei Forscher erhielten für diese Leistungen 1903 den Nobelpreis für Physik.

Ernest Rutherford zeigte 1899 die Unterscheidbarkeit verschiedener Arten radioaktiver Strahlung durch ihr verschiedenes Durchdringungsvermögen und prägte dabei die Bezeichnungen α-, β und γ-Strahlung. Ebenfalls 1899 demonstrierten Stefan Meyer, Egon Schweidler und Friedrich Giesel die Unterscheidbarkeit durch verschiedene Ablenkung im magnetischen Feld.

Durch Beobachtung der Spektrallinien bei Gasentladung konnte Rutherford 1908 die Identität der Alphateilchen mit Heliumkernen nachweisen.

1911 benutzte Rutherford Alphastrahlen für seine Streuexperimente, die zur Aufstellung des Rutherfordschen Atommodells führten.

1913 stellten Kasimir Fajans und Frederick Soddy die radioaktiven Verschiebungssätze auf, die das beim Alphazerfall entstehende Nuklid bestimmen.

Mit Alphastrahlen, die auf Stickstoff trafen, konnte Rutherford 1919 erstmals eine künstliche Elementumwandlung beobachten: es entstand Sauerstoff in der Kernreaktion ¹⁴N(α,p)¹⁷O oder, ausführlicher geschrieben,

$^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\alpha \to{}^{17}_{8}\mathrm{O} + {}^{1}_{1}\mathrm{p}$.

1928 fand George Gamow die quantenmechanische Erklärung des Alphazerfalls durch den Tunneleffekt.

„Alphastrahlen“ aus anderen als radioaktiven Quellen

Mit dem Ausdruck Alphateilchen bezeichnet man in der Physik üblicherweise jeden vollständig ionisierten Helium-4-Kern, auch wenn er nicht aus einem radioaktiven Zerfall stammt. Die galaktische kosmische Strahlung und der Sonnenwind bestehen zu fünf bis zehn Prozent aus solchen Alphateilchen. Dies ist nicht überraschend, da Helium eines der häufigsten Elemente ist. Allerdings erreicht dieser Teil der kosmischen Strahlung nie den Erdboden.

Alphateilchen können auch künstlich aus Heliumgas in einer Ionenquelle erzeugt werden. Werden sie in einem Teilchenbeschleuniger beschleunigt, wird dessen Strahlenbündel dementsprechend manchmal auch Alphastrahl genannt.

Anmerkungen

1. ↑ Cristina Cozzini et al., Detection of the natural α decay of tungsten, Physical Review C (2004), preprint
2. ↑ Pierre de Marcillac et al., Experimental detection of alpha-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature 422, 876–878 (24. April 2003), Ergebnistabelle

Literatur

• Werner Stolz, Radioaktivität. Grundlagen – Messung – Anwendungen, Teubner, 5. Aufl 2005, ISBN 3-519-53022-8

Kernphysik

• Theo Mayer-Kuckuk, Kernphysik, Teubner, 6. Aufl. 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge, Kernphysik, Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, Fundamentals in Nuclear Physics: From Nuclear Structure to Cosmology, Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Forschungsgeschichte

• Milorad Mlađenović, The History of Early Nuclear Physics (1896–1931), World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Strahlenschutz

• Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. Vieweg+Teubner 2007, ISBN 978-3835101999
• Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz. Praxiswissen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen, Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin, Physics for Radiation Protection, Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

Medizin

• Günter Goretzki, Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen, Urban&Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig, Urban&Fischer Februar 2006, ISBN 3-437-23960-0

Weblinks

• Geschwindigkeitsbestimmung von Alphateilchen – dargestellt in einer interaktiven Animation
• Das „Glossar Strahlenschutz“ des Forschungszentrums Jülich erläutert viele Begriffe rund um ionisierende Strahlen (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung, Regelwerke, Strahlenschutz etc.).

Video

• Einfache Erklärung von „Anderthalb“ (langsame Verbindung)
• Einfache Erklärung von „Anderthalb“ (schnelle Verbindung)