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Radioaktivität

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Definition: das Phänomen, dass sich gewisse Atomkerne unter Aussendung energiereicher Strahlung umwandeln

Englisch: radioactivity

Kategorien: Grundbegriffe, Kernenergie, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 17.05.2011; letzte Änderung: 12.06.2016

Während die uns umgebenden Materie weitgehend aus Atomen mit stabilen Atomkernen besteht, die sich ohne äußere Einwirkung nicht verändern, gibt es auch sogenannte radioaktive Stoffe, deren Atomkerne instabil sind. Solche Atomkerne wandeln sich spontan in andere Atomkerne um, wobei sie hochenergetische Strahlung abgeben. Man spricht auch von ionisierender Strahlung, da diese Strahlung Atome oder Moleküle ionisieren kann, ihnen also Elektronen entreißen und damit auch chemische Umwandlungen auslösen kann.

Verschiedene Isotope eines chemischen Elements können bezüglich der Radioaktivität extrem unterschiedlich sein.

Ein Atomkern wird charakterisiert durch seine Ordnungszahl (die Zahl der Protonen) und seine Massenzahl (die Summe der Zahlen von Protonen und Neutronen). Das chemische Verhalten wird praktisch allein durch die Ordnungszahl bestimmt; jeder Wert der Ordnungszahl entspricht einem bestimmten chemischen Element (z. B. Wasserstoff, Eisen oder Cobalt). Zu vielen chemischen Elementen gibt es aber Versionen mit unterschiedlichen Massenzahlen, die man als Isotope bezeichnet. Für die Stabilität bzw. die Neigung zum radioaktiven Zerfall ist nicht nur die Ordnungszahl wichtig, sondern auch die Massenzahl; unterschiedliche Isotope eines Elements können also bezüglich der Radioaktivität extrem unterschiedlich sein. Beispielsweise ist Cobalt 59 stabil, Cobalt 60 (andere Schreibweise: 60Co) dagegen stark radioaktiv. Hier sind 59 bzw. 60 die Massenzahlen, während die Ordnungszahl von Cobalt immer 27 ist.

Radioaktive Stoffe kommen in der Natur vor – beispielsweise Uran, Thorium und Radium in gewissen Erzlagerstätten. Auch Substanzen wie beispielsweise Kalium bestehen in der Natur zu einem kleinen Teil aus radioaktiven Isotopen (z. B. Kalium 40). Andere werden bei bestimmten technischen Prozessen erzeugt, insbesondere bei der Kernspaltung in Kernreaktoren, die Bestandteil von Kernkraftwerken sind. Insbesondere entstehen hier stark radioaktive Spaltprodukte sowie durch “Erbrüten” teils recht langlebige sogenannte Transurane wie Plutonium.

Die Halbwertszeit

Der Zeitpunkt des Zerfalls eines einzelnen instabilen Atomkerns ist nicht vorhersehbar. Jedoch zerfallen solche Atomkerne nach einem einfachen statistischen Gesetz: Solange der Zerfall nicht stattgefunden hat, ist die Wahrscheinlichkeit, dass dies in der nächsten Sekunde geschieht, immer gleich – unabhängig davon, wie lange der Atomkern schon existierte. Dies führt dazu, dass innerhalb einer gewissen Zeitspanne, die als Halbwertszeit bezeichnet wird, jeweils die Hälfte der vorhandenen Materialmenge zerfällt (solange es sich um viele Atomkerne handelt). Die Halbwertszeiten verschiedener radioaktiver Substanzen sind extrem unterschiedlich: Sie können bei winzigen Sekundenbruchteilen liegen, aber auch bei Milliarden von Jahren oder irgendwo dazwischen.

Man beachte, dass der Atomkern, der bei einem Zerfall entsteht, oft auch selbst instabil ist. Er wird also dann später selbst zerfallen. Diese zerfällt dann erst, wenn ein stabiler Atomkern entsteht. Aufgrund solcher Zerfallsreihen ist es oft schwierig, genau zu berechnen, wie die gesamte radioaktive Strahlung mit der Zeit abnimmt. Dies auch dadurch, dass Zerfallsreihen Verzweigungen aufweisen können, da manche instabile Atomkerne auf unterschiedliche Weisen zerfallen können.

Der Artikel über den Begriff Halbwertszeit enthält etliche weitere Details.

Arten des radioaktiven Zerfalls

Je nach Art des radioaktiven Materials sind eine oder mehrere der folgenden Zerfallsmechanismen möglich, die zu unterschiedlichen Arten von radioaktiver Strahlung führen:

Alphastrahlung ist lokal sehr zerstörend, aber sehr wenig durchdringend.

Zur Alpha-oder Betastrahlung kommt häufig noch eine Gammastrahlung, die sehr durchdringend sein kann.

Diverse andere Arten des radioaktiven Zerfalls existieren zusätzlich, sollen hier aber nicht im Einzelnen diskutiert werden.

Häufig entsteht beim radioaktiven Zerfall Atomkerne, die wiederum instabil sind. Somit ergeben sich ganze Zerfallsketten. Beispielsweise beginnt die Uran-Radium-Reihe mit Uran 238, welches mit vielen Zwischenschritten schließlich in ein stabiles Blei-Isotop umgewandelt wird.

Der Artikel über Strahlung diskutiert diverse Aspekte der Strahlung genauer.

Entstehung von Wärme

Die beim radioaktiven Zerfall freiwerdende Energie steckt zunächst in der abgegebenen Strahlung. Sie wird in Wärme umgewandelt, wenn diese Strahlung in einem Material absorbiert wird. Eine spürbare Erwärmung tritt allerdings nur auf, wenn ein Material zu einem großen Teil aus einer radioaktiven Substanz mit recht kurzer Halbwertszeit besteht, sodass sehr viele Zerfälle pro Sekunde stattfinden.

Manche künstlich erzeugten radioaktiven Materialien sind stark wärmeentwickelnd.

In der Natur findet man solche Materialien nicht, da sie schon längst zerfallen wären. Natürliche radioaktive Strahler wie beispielsweise Uran haben so lange Halbwertszeiten, dass sie sich nicht merklich erwärmen. Jedoch sind die radioaktiven Abfälle, die in Form abgebrannter Brennelemente von Kernkraftwerken anfallen, für einige Zeit stark wärmeentwickelnd, was ihre Handhabung zusätzlich erschwert. Wenn nämlich die entstehende Zerfallswärme nicht genügend effektiv abgeführt wird, können durch die entstehende enorme Hitze beispielsweise Behälter beschädigt werden, sodass gefährliches Material austreten kann. Wenn sich die Brennelemente noch in einem großen Kernreaktor befinden, kann es bei unzureichender Kühlung allein aufgrund der sogenannten Nachzerfallswärme (selbst nach vollständiger Beendigung der nuklearen Kettenreaktion) im Lauf einiger Stunden bis Tage zu einer sogenannten Kernschmelze kommen, wenn der Reaktor nicht ausreichend gekühlt wird. Dies ist in der Geschichte der Kernenergienutzung im Rahmen schwerer nuklearer Unfälle bereits einige Male passiert.

Es gibt auch einige relativ exotische Anwendungen der Wärmeentwicklung radioaktiver Substanzen. Siehe hierzu den Artikel über Radionuklidbatterien, der auch einige damit verwandte technische Ansätze kurz diskutiert.

Auch im Erdinneren spielt die Produktion von Wärme durch radioaktive Zerfälle eine wesentliche Rolle. Zwar ist die Leistungsdichte dieser Wärmequelle äußerst gering, jedoch erfolgt sie in einem sehr großen Volumen. So kann sie trotzdem erheblich dazu beitragen, dass die Temperatur der Erde nach innen hin zunimmt.

Biologische Gefährlichkeit der Radioaktivität

Wenn radioaktive Strahlung in Körperzellen absorbiert wird, wird damit konzentrierte Energie auf einzelne Moleküle der Zelle übertragen, die diese Moleküle zerstören bzw. in andere Moleküle umwandeln kann. Hierdurch wird die Funktion der Zellen gestört. Besonders heikel sind Schädigungen des Erbguts im Zellkern; diese können zum Absterben der betroffenen Zellen führen, aber auch zu einer Entartung, die Ursache einer Krebsgeschwulst werden kann, soweit Reparatur- und Abwehrmechanismen des Körpers dies nicht verhindern können.

Radioaktive Stoffe außerhalb des Körpers können den Körper im Wesentlichen nur durch γ-Strahlung schädigen, da α-Strahlung bereits in den äußersten Schichten der Haut absorbiert wird, die ohnehin aus toten Zellen bestehen, und auch β-Strahlung nicht tief eindringen kann. Wenn dagegen α- oder β-Strahler in den Körper gelangen (inkorporiert werden) – beispielsweise durch Inhalation in die Lunge oder durch Verschlucken – sind diese sogar besonders schädlich, da sie dann Körperzellen direkt bestrahlen können.

Die biologische Gefährlichkeit radioaktiver Stoffe hängt nicht nur von der Art und Stärke der abgegebenen Strahlung ab, sondern auch stark von den chemischen Eigenschaften. Diese bestimmen nämlich darüber, ob der jeweilige Stoff bevorzugt in bestimmte Körperteile gelangt und wie lange er dort bleibt. Einige Beispiele:

Die gesundheitlichen Gefahren hängen sehr stark davon ab, um welche radioaktiven Isotope es sich handelt und ob sich diese im Körper befinden oder etwas außerhalb.

Über die Wirkung geringer Strahlendosen weiß man bis heute wenig.

Die gesundheitlichen Wirkungen hoher Strahlendosen sind relativ gut erforscht. Dagegen ist es bis heute nicht sicher, welche Wirkungen geringe Strahlendosen haben. Dies ist schwer feststellbar, weil solche Wirkungen nach sehr langer Zeit auftreten können, aber nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit. Wenn in einer epidemiologischen Studie eine große Anzahl von Menschen untersucht wird, ist meist nicht genau bekannt, welcher Strahlung und welchen anderen schädigenden Wirkungen sie früher ausgesetzt waren. Etwaige Schäden sind dann schwer einer bestimmten Ursache zuzuordnen.

Denkbar ist, dass Strahlung unterhalb eines gewissen Schwellenwerts keine Wirkung hat, oder womöglich sogar positive Wirkungen. Es ist jedoch mindestens genauso gut denkbar und aufgrund einfacher Modelle plausibel, dass z. B. die Wahrscheinlichkeit der Entstehung einer Krebserkrankung linear von der Strahlendosis abhängt; dann würde also eine Verringerung der Dosis nur die Wahrscheinlichkeit reduzieren, aber nicht auf Null bringen. Weil einiges für diese lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung spricht (von der auch z. B. die Internationale Strahlenschutzkommission ausgeht), gebietet es das Vorsorgeprinzip, dass radioaktive Strahlenbelastungen soweit wie möglich reduziert werden – auch unter das Niveau, das nachweislich Schäden hervorruft.

Einheiten für die Quantifizierung von Radioaktivität

Wie gibt man die “Menge von Radioaktivität” an? Man kann die Anzahl von Fällen pro Sekunde betrachten oder auch die im Körper deponierte Energie der Strahlen.

Die Zahl der radioaktiven Zerfälle einer Stoffmenge pro Sekunde wird in Becquerel (Bq) angegeben. Je kürzer die Halbwertszeit einer radioaktiven Substanz ist, desto mehr Becquerel pro Kilogramm der Substanz erhält man.

Biologisch relevant ist freilich nicht die Anzahl der Zerfälle, sondern eher die durch die Strahlung in den Körperzellen deponierte Energie. Dies wird über die Einheit Sievert bezeichnet; hier geht es um die pro Kilogramm Körpergewebe deponierte Strahlungsenergie, gewichtet je nach Art (biologischer Wirksamkeit) der Strahlung. Wenn eine gewisse in Becquerel bezeichnete Menge einer Substanz in den Körper oder in seine Nähe gelangt, ist die in Sievert (oder Millisievert, Mikrosievert) gemessene Strahlendosis umso höher, je stärker die Strahlung im Körper absorbiert wird.

Die Belastung z. B. in der Nähe eines havarierten Kernkraftwerks wird oft in Millisievert pro Stunde (mSv/h) angegeben; das sagt aus, welche Strahlendosis man durch einen einstündigen Aufenthalt am jeweiligen Ort durch die Bestrahlung von außen erhalten würde. Würde man hierbei radioaktive Substanzen in den Körper aufnehmen, könnte die Strahlendosis noch wesentlich höher ausfallen.

Entstehung von Radioaktivität bei der Kernenergienutzung

Die Kernspaltung wandelt sehr langlebige (schwach strahlende) Substanzen in kurzlebige Substanzen mit sehr starker Radioaktivität um.

Die heutige Nutzung der Kernenergie basiert auf der Kernspaltung schwerer Atomkerne. Die spaltbaren Materialien wie Uran und Plutonium sind von sich aus bereits radioaktiv; jedoch ist vor allem die Radioaktivität des Urans schwach, weil die Halbwertszeit sehr hoch ist, der Zerfall also sehr langsam abläuft. Wenn aber die Kernspaltung erfolgt (ausgelöst durch Neutronenbestrahlung aus der Kernspaltung selbst), entstehen Spaltprodukte, die zum großen Teil vergleichsweise kurzlebig sind. Dies bedeutet, dass ihre Strahlung anfangs sehr stark ist, allerdings je nach Substanz auch innerhalb von Sekunden bis Jahrhunderten abklingt. Während frische Uran-Brennstäbe nur leicht radioaktiv und daher kaum gefährlich sind, entsteht im Reaktorbetrieb eine enorm starke Radioaktivität – so stark, dass die Brennstäbe selbst nach Unterbindung der Kernspaltung noch viel Wärme abgeben (siehe oben). Diese Nachzerfallswärme kann bei unzureichender Kühlung sogar leicht zum Schmelzen der Brennstäbe führen, also zu einer Kernschmelze, die als besonders gefährlich angesehen werden muss (siehe auch den Artikel über Reaktorsicherheit). Man beachte, dass das radioaktive Inventar eines typischen Kernreaktors weitaus größer ist als das, welches z. B. die Hiroshima-Bombe freigesetzt hat. Deswegen muss unbedingt verhindert werden, dass auch nur ein kleiner Teil dieses Materials freigesetzt wird.

Diverse Materialien können besonders durch Neutronenbestrahlung in radioaktive Substanzen umgewandelt werden, auch ohne dass eine Kernspaltung auftritt. Beispielsweise kann Cobalt 59 bei Neutronenbestrahlung in einem Reaktor in das radioaktive Cobalt 60 umgewandelt werden, welches unter anderem für Strahlentherapien gegen Krebserkrankungen, zur Sterilisation von Lebensmitteln und für Materialuntersuchungen genutzt wird. In Kernreaktoren erfolgt auch eine unerwünschte Aktivierung von Materialien, z. B. durch bestimmte Elemente im Stahl, so dass der Stahl nicht nur durch Kontamination (Verunreinigung), sondern auch durch diese Aktivierung radioaktiv wird. Allerdings ist diese Radioaktivität viel schwächer als die der Spaltprodukte.

Beseitigung von Radioaktivität

Mit gewöhnlichen physikalischen und chemischen Verfahren lässt sich die Radioaktivität von Stoffen nicht beeinflussen; man kann lediglich die radioaktiven Substanzen einsammeln und möglichst sicher verwahren, beispielsweise in stabilen Behältern, die in einem Tiefenendlager deponiert werden.

Im Prinzip kann man die Lebensdauer strahlender Abfälle durch gezieltes Bestrahlen stark verringern; ein praktikables Verfahren konnte allerdings noch nicht entwickelt werden.

Es gibt jedoch spezielle physikalische Verfahren, mit denen Atomkerne umgewandelt werden können, so dass Radioaktivität direkt beeinflusst wird. Dies setzt voraus, dass die Atomkerne der jeweiligen Substanz bestrahlt werden. In der Regel wird dabei die Radioaktivität erst einmal erhöht. Wenn so jedoch kurzlebigere Substanzen entstehen, kann die Radioaktivität langfristig damit reduziert werden. Dieses Prinzip steckt hinter der Idee der Transmutation als Methode zum Abbau bestimmter radioaktiver Abfälle, nämlich der Transurane im radioaktiven Abfall von Kernreaktoren. Diese Transurane (z. B. Plutonium) haben relativ lange Lebensdauern (Halbwertszeiten), können aber durch intensive Neutronenbestrahlung gespalten werden. Die dabei entstehenden Spaltprodukte sind momentan viel stärker radioaktiv, zerfallen aber weitgehend innerhalb einiger Jahrhunderte. Auf diese Weise könnte also der verbleibende Abfall innerhalb “nur” einiger Jahrhunderte (anstatt innerhalb von hunderttausenden von Jahren) wieder so wenig radioaktiv werden, dass er nur noch wenig problematisch wäre. Leider ist dieses Verfahren aber wenig praktikabel, wie im Artikel über Transmutation erläutert wird.

Siehe auch: Strahlung, Kernspaltung, Halbwertszeit, Brennstab, Kernbrennstoff, Kernenergie, Reaktorsicherheit, radioaktiver Abfall, Transmutation
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Kernenergie, physikalische Grundlagen

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