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Radionuklid

Radionuklide sind Nuklide, die instabil sind, d. h. die spontan radioaktiv zerfallen. Es gibt den gleichbedeutenden Begriff der Radioisotope, der aber meist etwas ungenau ist, da Isotope Nuklide gleicher Ordnungszahl sind und es auf diese Gleichheit bzw. die Zugehörigkeit zu einem bestimmten chemischen Element in vielen Zusammenhängen nicht ankommt.

Wie stabile Nuklide auch werden Radionuklide in der Regel durch Benennung des Elements und die Massenzahl spezifiziert. Beispielsweise ist Uran 238 (kurz: ²³⁸U) dasjenige Nuklid von Uran, welches die Massenzahl 238 hat.

Wie im Artikel über Radioaktivität erklärt wird, gibt es verschiedene Arten des radioaktiven Zerfalls. Die wichtigsten Zerfallsarten von Radionukliden sind der Alpha- und Betazerfall, was mit dem Ausstoß von Alphateilchen (Heliumkernen) bzw. Betateilchen (Elektronen oder Positronen) verbunden ist, und teils mit zusätzlicher Gammastrahlung. Bei solchen Prozessen werden Radionuklide in andere Nuklide umgewandelt, die teils selbst wieder instabil (radioaktiv) sind; so entstehen ganze Zerfallsketten, die schließlich mit einem stabilen Nuklid enden.

Außer der Zerfallsart (und damit der Art der entstehenden radioaktiven Strahlung) sind häufig diverse Parameter der Radioaktivität von Interesse, beispielsweise die Energie bzw. Energieverteilung der erzeugten Strahlung und die Halbwertszeit. Die Energie pro Strahlungsteilchen bzw. Strahlungsquant (meist gemessen in Kiloelektronenvolt = keV) ist immer bei weitem hoch genug, um Atome oder Moleküle zu ionisieren (→ ionisierende Strahlung), und hat neben der Art der Strahlung einen Einfluss auf das Durchdringungsvermögen. Die Halbwertszeiten von Radioaktivität bewegen sich in einem extrem großen Bereich zwischen winzigen Sekundenbruchteilen und Milliarden von Jahren.

Auch Atomkerne in angeregten Zuständen (Kernisomere) können als Radionuklide betrachtet werden – schließlich sind es (Gamma-)Strahlung abgebende Nuklide. Wenn allerdings der Grundzustand, der nach Abgabe der Strahlung entsteht, selbst stabil ist, findet anders als bei "gewöhnlichen" Radionukliden keine Umwandlung in ein anderes Nuklid statt. Die Halbwertszeit ist meist extrem kurz, aber es gibt auch metastabile angeregte Zustände mit Lebensdauern von Minuten oder sogar vielen Stunden (in Kombination mit relativ geringen Anregung Energien). Kernisomere entstehen durch radioaktiven Zerfall gewisser Nuklide.

Nicht alle ionisierende Strahlung stammt von Radioisotopen; beispielsweise gibt es auch Röntgenstrahlung und Synchrotronstrahlung.

Natürliche und technisch erzeugte Radionuklide

Diverse Radionuklide kommen in der Natur vor:

• Vor allem sind dies relativ langlebige, d. h. solche mit langer Halbwertszeit (teils mehrere Milliarden Jahre), die schon seit der Entstehung der Erde hier existieren und seitdem nur zum Teil zerfallen sind. Sie werden als primordial bezeichnet. Beispiele sind Uran 235 und 238, Thorium 232 und Kalium 40.
• In anderen Fällen entstehen natürliche Radionuklide als Zerfallsprodukte anderer (vorwiegend langlebiger) Radionuklide; man nennt sie radiogen (im Zusammenhang mit radioaktiven Zerfall entstehend).
• Wieder andere Radionuklide entstehen durch kosmische Strahlung in den oberen Schichten der Atmosphäre. Man nennt sie kosmogen. Beispiele sind Kohlenstoff 14 und Tritium.

Viele andere Radionuklide werden technisch (künstlich) hergestellt, und zwar teils absichtlich und teils als unerwünschte Produkte. Absichtliche hergestellt werden beispielsweise Radionuklide für medizinische Bestrahlungen und Diagnostik, für wissenschaftliche Zwecke, für die Verwendung in Kernreaktoren und Kernwaffen, für Radionuklidbatterien und manche anderen Anwendungen. Dies geschieht meistens durch Neutronenbestrahlung (z. B. in oder bei Kernreaktoren) anderer (meist stabiler) Nuklide. Es gibt zudem eine breite Palette von Radionukliden in Atommüll von Kernkraftwerken, deren Radioaktivität unerwünscht (größtenteils nicht nutzbar) ist und größtenteils durch die Kernspaltung erfolgt (d. h. als Spaltprodukte), teils auch durch die Aktivierung von Materialien durch Neutronenbestrahlung.

Manche Radionuklide können durch geeignete Neutronenbestrahlung in andere (meist wieder radioaktive) Nuklide umgewandelt werden; man nennt dies Transmutation. Wenn dies zur Erzeugung von Radionukliden mit wesentlich kürzeren Halbwertszeiten führt, kann darin eine Entschärfung der Problematik von Radioaktivität gesehen werden. Praktisch geschieht dies bislang allerdings nicht in nennenswertem Umfang, weil beispielsweise die Vielfalt der Transurane von Radionukliden in Atommüll sowie die begrenzte Verfügbarkeit von Neutronen eine effektive Behandlung durch Transmutation schwierig macht.

Wichtige Radionuklide

Im Folgenden werden einige wichtige Radionuklide kurz besprochen:

• Radon 222 (ein Alphastrahler) entsteht in den Zerfallsreihen von Uran und Thorium im Boden und kann sich in Gebäuden anreichern, in die es von unten her eindringt, wenn die Belüftung unzureichend ist. Die radioaktive Belastung durch dieses Radon (und das aus ihm entstehende Polonium 218) verursacht einen wesentlichen Teil der Lungenkrebsfälle, die nicht vom Rauchen stammen.
• Kalium 40 (ein Betastrahler) ist zwar nur zu 0,0117 % im natürlichen Kalium enthalten, trägt aber gleichwohl zu rund 10 % zur natürlichen Strahlenbelastung bei. Es wird mit der Nahrung aufgenommen.
• Für die Kernspaltung in Kernreaktoren geeignete Nuklide sind vor allem Uran 235 und Plutonium 239. Sie sind Alphastrahler, zeigen aber auch spontane Kernspaltung.
• Radioaktive Abfälle von Kernkraftwerken enthält einerseits Uran 235 und diverse Transurane wie Plutonium 239, die Alphastrahler sind und eine relativ langlebige Radioaktivität haben, und andererseits diverse Spaltprodukte (Betastrahler) – relativ kurzlebige wie Caesium 137, Krypton 85, Strontium 90 und Iod 131, aber auch langlebigere wie Iod 129, Cäsium 135 und Technetium 99.
• Strahlentherapie z. B. im Rahmen von Krebsbehandlungen wird häufig mit künstlichen Radionukliden wie Kobalt 60, Cäsium 137, Iridium 192 durchgeführt, soweit nicht Röntgenstrahlung verwendet wird.

Mengenangaben bei Radionukliden

In manchen Fällen werden die Mengen von Radionukliden genauso wie die anderer Substanzen angegeben – etwa durch ihre Masse in Gramm. Für eine gegebene Masse ist die Strahlung eines Radionuklids umso intensiver, je kürzer die Halbwertszeit ist.

Da häufig die Stärke der abgegebenen Strahlung eher von Interesse ist als die Masse der Substanz, gibt man statt der Masse häufig die Zerfallsrate an, also die Anzahl der pro Sekunde zerfallenden Atomkerne. Die übliche Einheit ist 1 Becquerel (Bq), entsprechend einem Zerfall pro Sekunde. Natürlich hängt die Intensität und Gefährlichkeit der Strahlung zusätzlich von Details der erzeugten Strahlung ab, etwa von der Energie von Gammaquanten.

Die genannte Zerfallsrate ergibt sich aus der Anzahl der Atome des Radionuklids dividiert durch die Halbwertszeit (in Sekunden). Beispiele:

• 1 g ²³⁸U enthält ca. 2,53 · 10²¹ Uranatome, und mit der Halbwertszeit von 4,47 Milliarden Jahren = 1,41 · 10¹⁷ s ergibt sich eine Zerfallsrate von ca. 18 kBq.
• 1 g ²³⁹Pu enthält geringfügig weniger (weil schwerere) Atome, hat wegen seiner viel kürzeren Halbwertszeit von 24110 Jahren aber eine viel höhere Zerfallsrate von 3,3 GBq – über 184000 mal mehr als Uran 238.

Die radioaktive Belastung von Böden wird häufig in Bq/m² angegeben, also Bequerel pro Quadratmeter Bodenfläche bezogen auf ein bestimmtes Radionuklid.

Entsprechend der Abnahme der Zahl der Atome des Radionuklids nimmt natürlich auch die Zerfallsrate mit der Zeit ab.

Gesundheitliche Gefährdung durch Radionuklide

Alle Radionuklide geben radioaktive Strahlung ab und sind deswegen potenziell gesundheitsschädlich. Jedoch hängt der Grad der Gefährdung stark von etlichen Details ab. Einige Beispiele:

• Da Alpha-Strahlung eine extrem kurze Reichweite hat, werden Alphastrahler nur gefährlich, wenn sie in den Körper gelangen – soweit sie nicht zusätzlich noch z. B. Neutronen- oder Gammastrahlung abgeben. Fein in der Umwelt verteilt (z. B. als feiner Staub in der Luft) sind sie damit gefährlicher, als wenn sie in solider Form vorliegen.
• Diverse physikalische und biologische Eigenschaften von Materialien haben starken Einfluss darauf, inwieweit Radionuklide in den Körper aufgenommen und wie schnell sie wieder ausgeschieden werden können. Besonders problematisch sind beispielsweise Radionuklide von Elementen wie Radium und Plutonium, die vom Körper in die Knochen eingebaut werden und dort sehr lange bleiben.
• Die Energie z. B. von Gammastrahlung hat großen Einfluss auf das Durchdringungsvermögen und damit auf die Möglichkeiten, die Strahlung abzuschirmen.
• Bei Radionukliden mit langer Halbwertszeit (z. B. Uran 238) kann zusätzlich die chemische Giftigkeit als Schwermetall eine Rolle spielen.

Siehe auch: Nuklid, Radioaktivität, Strahlung, Wiederaufarbeitung