Von Teilchen und Wellen

Das Periodensystem der Elemente steckt voller Überraschungen. Ab einer bestimmten Ordnungszahl, das heißt mit zunehmender Anzahl von Protonen, zeigen die Elemente eine merkwürdige Eigenschaft: Sie zerfallen und wandeln sich allmählich in andere Formen des gleichen Elementes, sogenannte Isotope, oder in ganz andere Elemente um. Diese Substanzen werden als radioaktiv bezeichnet.

Neben dem mehr oder weniger spontanen Zerfall zeichnen sie sich noch durch eine andere Besonderheit aus: Sie senden Strahlung aus. Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft gewisser Atome, sich ohne äußere Einwirkung in andere Atomkerne umzuwandeln, wobei sie Energie in Form von Teilchen- und/oder elektromagnetischer Strahlung abgeben.

Die Ursache für die Radioaktivität schwerer Elemente liegt in der zunehmenden Instabilität der Atomkerne begründet. Atomkerne, die aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen bestehen, werden durch die sogenannte starke Kernkraft zusammengehalten, eine der fundamentalen Kräfte in der Natur.

Die Protonen jedoch, die die gleiche Ladung tragen, stoßen sich gegenseitig ab. Mit zunehmender Anzahl von Protonen muss ein Atomkern immer mehr Neutronen enthalten, um die Abstoßung zwischen den Protonen zu kompensieren. Ab einem gewissen Punkt gelingt dies jedoch nicht mehr, die abstoßenden Kräfte überwiegen und der Atomkern wird instabil. Daher sind alle Elemente im Periodensystem ab einer Protonenzahl von 84 radioaktiv. Diese Grenze wird durch das Element Polonium markiert. Ernest Rutherford war es, der maßgeblichen Beitrag zur Aufklärung der radioaktiven Strahlung leistete.

Abstoßung von Protonen im Atomkern © MMCD

Durch verschiedene Experimente konnte gezeigt werden, dass es drei Hauptarten radioaktiver Strahlung gibt. Physiker unterscheiden zwischen Alpha, Beta- und Gammastrahlung. Alphastrahlung besteht aus positiv geladenen Helium-Kernen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen aufgebaut sind. Betastrahlen bestehen aus Elektronen, die vom Atomkern emittiert werden, wenn sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt. Letzteres wird dabei abgestrahlt. Die Gammastrahlung zeichnet sich im Gegensatz zu den ersten beiden Strahlungsarten dadurch aus, dass sie keinen Teilchencharakter hat.

Während Alpha- und Betastrahlung aus Partikeln besteht, handelt es sich bei Gammastrahlung um elektromagnetische Wellen, ähnlich der Röntgenstrahlung. Allerdings ist ihre Wellenlänge viel kleiner und die Strahlen sind somit extrem energiereich. Sie tritt gewöhnlich in Verbindung mit den anderen Strahlungsarten auf und entsteht, wenn der Atomkern durch einen Zerfallsvorgang in einen energetisch angeregten Zustand versetzt wird. Fällt er dann wieder auf seinen Grundzustand zurück, wird die frei werdende Energie in Form elektromagnetischer Wellen, eben jener Gammastrahlen, abgegeben.

Auf die Spur kamen die Wissenschaftler dieser Eigenschaft der Strahlung, indem sie radioaktive Strahlen durch elektrische und magnetische Felder leiteten. Ein Betateilchen wird in einem elektrischen Feld stark in Richtung des positiven Pols abgelenkt. Folglich muss es negativ geladen sein und eine geringe Masse haben. Ein Alphapartikel wird weniger stark abgelenkt, aber zum negativ geladenen Pol hin. Es muss daher eine deutlich größere Masse sowie eine positive Ladung besitzen. Gammastrahlen werden überhaupt nicht abgelenkt, sind also nahezu masselos und ungeladen.

Die Energie, die durch radioaktive Strahlung frei wird, ist ungeheuer groß. So setzt beispielsweise der Zerfall von einem Gramm des Elementes Radium in einer Stunde eine Energiemenge von etwa 400 Joule frei. Diese Energieabgabe hält über Jahre hinweg fast unvermindert an. Im Vergleich dazu wirken die runden 34.000 Joule, die bei der Verbrennung von einem Gramm Kohle frei werden, geradezu verschwindend klein.

Stand: 27.02.2003