Radioaktiver Zerfall (1)

Wissenswertes in der Kernphysik

Das für die Darstellung von Atomen verwendete Symbolsystem kann auch für Atomkerne und andere Teilchen verwendet werden.

Atomkern Beispiel Helium	Alpha Teilchen Helium-Kern	Beta Teilchen Elektron
$ \begin{array}{lll} \mathsf{\scriptsize Massenzahl:}\newline \mathsf{\scriptsize Anzahl \ Nukleonen} \\ \mathsf{\scriptsize (Protonen+Neutronen) \ im \ Kern}\\ \;\;\; \diagdown \\ \;\; \mathrm {\ \ \ \ \ ^4_2 He} \ \ \\ \;\;\; \diagup \\ \mathsf {\scriptsize Ordnungszahl:}\\ \mathsf {\scriptsize auch \ die \ relative \ Ladung \ im \ Kern}\\ \mathsf {\scriptsize verglichen \ mit \ +1 \ für \ ein \ Proton} \end{array} $	$ \mathrm { \begin{array}{lll} \mathsf {\scriptsize 4 \ Nukleonen} \\ \;\;\; \diagdown \\ \;\; \mathrm {\ \ \ \ \ ^4_2 \alpha \ \ oder \ \ ^4_2 He} \\ \;\;\; \diagup \\ \mathsf {\scriptsize relative \ Ladung \ +2} \end{array} }$	$ \mathrm { \begin{array}{lll} \mathsf {\scriptsize Masse \ unwesentlich, \ verglichen}\\ \mathsf {\scriptsize mit \ einem \ Proton \ oder \ Neutron} \\ \;\;\; \diagdown \\ \mathrm {\ \ \ \ \ ^{\ \ \ 0}_{-1} \beta \ \ oder \ \ ^{\ \ \ 0}_{-1}e} \ \ \\ \;\;\; \; \diagup \\ \mathsf {\scriptsize relative \ Ladung \ gleich,}\\ \mathsf {\scriptsize aber \ entgegengesetzt \ zu}\\ \mathsf {\scriptsize der \ eines \ Protons} \end{array} }$

Wenn ein Isotop radioaktiv ist, hat es in seinem Atomkern eine instabile Anordnung von Neutronen und Protonen. Die Emission eines Alpha- oder Beta-Teilchens macht den Atomkern zwar stabiler, verändert aber die Anzahl der darin enthaltenen Protonen und Neutronen. So wird er zum Atomkern eines anderen Elements, den man Tochterkern nennt. Der Tochterkern und alle emittierten Teilchen sind die Zerfallsprodukte.

Alpha-Zerfall

Radium-226 (Ordnungszahl 88) zerfällt durch Alpha-Emission. Durch den Verlust des Alpha-Teilchens hat der Atomkern nun 2 Protonen und 2 Neutronen weniger als zuvor. Also sinkt die Massenzahl auf 222 und die Ordnungszahl auf 86. Laut Periodensystem hat das Element Radon eine Ordnungszahl von 86, also ist Radon das neue entstandene Element:

Der Zerfallsprozess kann als Gleichung dargestellt werden:

$\mathrm {^{226}_{\ 88} Ra \ \longrightarrow \ ^{226}_{\ 86} Rn \ + \ ^4_2 \alpha}$

Beim Alpha-Zerfall ... :

• ist die Massenzahl (oben) auf beiden Seiten der Gleichung ausgeglichen
  (226 = 222 + 4), so dass die Zahl der Nukleonen unverändert (erhalten) bleibt
• ist die Ordnungszahl (unten) auf beiden Seiten der Gleichung ausgeglichen
  (88 = 86 + 2), so dass die Ladung erhalten bleibt
• ist ein neues Element entstanden: Ordnungszahl 2 weniger als vorher, Massenzahl 4 weniger als vorher.

Beta-Zerfall

Iod-131 (Ordnungszahl 53) zerfällt durch Beta-Emission. Wenn dies geschieht, wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und einen ungeladenen, fast masselosen Verwandten des Elektrons, ein Antineutrino um. Das Elektron und das Antineutrino verlassen den Atomkern mit hoher Geschwindigkeit. Da im Atomkern ein Neutron durch ein Proton ersetzt wurde, steigt die Ordnungszahl auf 54. Dies bedeutet, dass ein Atomkern von Xenon-131 entstanden ist:

Der Zerfallsprozess kann als Gleichung dargestellt werden:

$\mathrm {^{131}_{\ \ 53} I \ \longrightarrow \ ^{131}_{\ \ 54} Xe \ + \ ^{\ \ \ 0}_{-1} \beta \ + \ \overline v} \;\;\; \mathsf {\scriptsize (\overline v \ = \ Antineutrino)}$

Bei dieser Art des Beta-Zerfalls ... :

• ist die Massenzahl (oben) auf beiden Seiten der Gleichung ausgeglichen
  (131 = 131 + 0 + 0), so dass die Zahl der Nukleonen unverändert (erhalten) bleibt
• ist die Ordnungszahl (unten) auf beiden Seiten der Gleichung ausgeglichen
  (53 = 54-1 + 0), so dass die Ladung erhalten bleibt
• entsteht ein neues Element: Ordnungszahl 1 mehr als vorher, Massenzahl unverändert.

Gammaemission

Bei einigen Isotopen hinterlässt die Emission eines Alpha- oder Betateilchens die Protonen und Neutronen in einer "angeregten" Anordnung. Wenn sich die Protonen und Neutronen neu ordnen, um stabiler zu werden, geben sie Energie ab. Diese wird als Gammastrahlung emittiert.

• Die Emission von Gammastrahlen selbst bewirkt keine Änderung der Massenzahl oder der Ordnungszahl.

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