Radioaktiver Zerfall - Radioactive decay

Alpha-Zerfall ist eine Art des radioaktiven Zerfalls, bei dem ein Atomkern ein Alpha-Teilchen aussendet und sich dadurch in ein Atom mit einer um 4 verringerten Massenzahl und einer um 2 verringerten Ordnungszahl umwandelt (oder "zerfällt") .

Radioaktiver Zerfall (auch bekannt als Kernzerfall , Radioaktivität , radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall ) ist der Prozess, bei dem ein instabiler Atomkern Energie durch Strahlung verliert . Ein Material, das instabile Kerne enthält, gilt als radioaktiv . Drei der häufigsten Zerfallsarten sind Alpha-Zerfall ( 𝛼-Zerfall ), Beta-Zerfall ( 𝛽-Zerfall ) und Gamma-Zerfall ( 𝛾-Zerfall ), bei denen alle ein oder mehrere Teilchen emittieren . Die schwache Kraft ist der Mechanismus , der für den Betazerfall verantwortlich ist, während die anderen beiden von den üblichen elektromagnetischen und starken Kräften beherrscht werden.

Radioaktiver Zerfall ist ein stochastischer (dh zufälliger) Prozess auf der Ebene einzelner Atome. Nach der Quantentheorie ist es unmöglich vorherzusagen, wann ein bestimmtes Atom zerfällt, unabhängig davon, wie lange das Atom existiert. Für eine signifikante Anzahl identischer Atome kann die Gesamtzerfallsrate jedoch als Zerfallskonstante oder als Halbwertszeit ausgedrückt werden . Die Halbwertszeiten radioaktiver Atome haben eine große Bandbreite; von fast augenblicklich bis weit länger als das Alter des Universums .

Der zerfallende Kern wird Eltern- Radionuklid (oder Eltern-Radioisotop ) genannt, und der Prozess erzeugt mindestens ein Tochternuklid . Mit Ausnahme des Gammazerfalls oder der internen Umwandlung von einem angeregten Kernzustand ist der Zerfall eine Kerntransmutation, die zu einer Tochter führt, die eine unterschiedliche Anzahl von Protonen oder Neutronen (oder beides) enthält. Wenn sich die Anzahl der Protonen ändert, entsteht ein Atom eines anderen chemischen Elements .

  • Alpha - Zerfall auftritt , wenn der Kern ein ausstößt Alphateilchen (Heliumkern).
  • Betazerfall tritt auf zwei Arten auf;
    • (i) Beta-Minus-Zerfall, wenn der Kern ein Elektron und ein Antineutrino in einem Prozess emittiert , der ein Neutron in ein Proton umwandelt.
    • (ii) Beta-Plus-Zerfall, wenn der Kern ein Positron und ein Neutrino in einem Prozess emittiert , der ein Proton in ein Neutron verwandelt, auch bekannt als Positronenemission .
  • Beim Gammazerfall zerfällt ein radioaktiver Kern zunächst durch die Emission eines Alpha- oder Betateilchens. Der resultierende Tochterkern wird normalerweise in einem angeregten Zustand belassen und kann durch Emission eines Gammastrahlenphotons in einen niedrigeren Energiezustand zerfallen.
  • Bei der Neutronenemission verlieren extrem neutronenreiche Kerne, die durch andere Zerfallsarten oder nach vielen aufeinanderfolgenden Neutroneneinfängen gebildet werden , gelegentlich Energie durch Neutronenemission, was zu einem Wechsel von einem Isotop zum anderen desselben Elements führt.
  • Beim Elektroneneinfang kann der Kern ein umlaufendes Elektron einfangen, wodurch ein Proton in einem als Elektroneneinfang bezeichneten Prozess in ein Neutron umgewandelt wird. Anschließend werden ein Neutrino und ein Gammastrahl emittiert.
  • Bei Clusterzerfall und Kernspaltung wird ein Kern emittiert, der schwerer als ein Alphateilchen ist.

Im Gegensatz dazu gibt es radioaktive Zerfallsprozesse, die nicht zu einer Kerntransmutation führen. Die Energie eines angeregten Kerns kann als Gammastrahlung in einem als Gammazerfall bezeichneten Prozess emittiert werden , oder diese Energie kann verloren gehen, wenn der Kern mit einem Orbitalelektron wechselwirkt, das seinen Ausstoß aus dem Atom verursacht, in einem Prozess, der als interne Umwandlung bezeichnet wird . Eine andere Art des radioaktiven Zerfalls führt zu unterschiedlichen Produkten, die als zwei oder mehr "Fragmente" des ursprünglichen Kerns mit einer Reihe möglicher Massen erscheinen. Dieser Zerfall, der als spontane Spaltung bezeichnet wird , tritt auf, wenn ein großer instabiler Kern sich spontan in zwei (oder gelegentlich drei) kleinere Tochterkerne aufspaltet und im Allgemeinen zur Emission von Gammastrahlen, Neutronen oder anderen Teilchen aus diesen Produkten führt. Im Gegensatz dazu können Zerfallsprodukte eines Kerns mit Spin bezüglich dieser Spinrichtung nicht isotrop verteilt sein . Entweder aufgrund eines äußeren Einflusses wie einem elektromagnetischen Feld oder weil der Kern in einem dynamischen Prozess erzeugt wurde, der die Richtung seines Spins einschränkte, kann die Anisotropie nachweisbar sein. Ein solcher Elternprozess könnte ein früherer Zerfall oder eine Kernreaktion sein .

Eine zusammenfassende Tabelle mit der Anzahl der stabilen und radioaktiven Nuklide in jeder Kategorie finden Sie unter Radionuklid . Es gibt 28 natürlich vorkommende chemische Elemente auf der Erde, die radioaktiv sind, bestehend aus 34 Radionukliden (6 Elemente haben 2 verschiedene Radionuklide), die vor der Entstehung des Sonnensystems datieren . Diese 34 werden als Urnuklide bezeichnet . Bekannte Beispiele sind Uran und Thorium , aber auch natürlich vorkommende langlebige Radioisotope wie Kalium-40 .

Weitere etwa 50 kurzlebige Radionuklide wie Radium-226 und Radon-222 , die auf der Erde gefunden werden, sind die Produkte von Zerfallsketten , die mit den Urnukliden begannen, oder sind das Produkt laufender kosmogener Prozesse, wie der Produktion von Kohlenstoff-14 aus Stickstoff-14 in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung . Radionuklide können auch künstlich in Teilchenbeschleunigern oder Kernreaktoren hergestellt werden , 650 davon mit Halbwertszeiten von über einer Stunde und mehrere Tausend weitere mit noch kürzeren Halbwertszeiten. (Siehe Liste der Nuklide für eine Liste dieser nach Halbwertszeit sortiert.)

Geschichte der Entdeckung

Pierre und Marie Curie in ihrem Pariser Labor, vor 1907

Radioaktivität wurde 1896 von den Wissenschaftlern Henri Becquerel und Marie Curie entdeckt , als sie mit phosphoreszierenden Materialien arbeiteten. Diese Materialien leuchten im Dunkeln, nachdem sie Licht ausgesetzt wurden, und er vermutete, dass das durch Röntgenstrahlen in Kathodenstrahlröhren erzeugte Leuchten mit Phosphoreszenz verbunden sein könnte. Er wickelte eine Fotoplatte in schwarzes Papier und legte verschiedene phosphoreszierende Salze darauf. Alle Ergebnisse waren negativ , bis er verwendet Uransalze. Die Uransalze verursachten eine Schwärzung der Platte, obwohl die Platte in schwarzes Papier eingewickelt war. Diese Strahlungen erhielten den Namen "Becquerel Rays".

Es stellte sich bald heraus, dass die Schwärzung der Platte nichts mit Phosphoreszenz zu tun hatte, da die Schwärzung auch von nicht phosphoreszierenden Salzen des Urans und von metallischem Uran erzeugt wurde. Aus diesen Experimenten wurde klar, dass es eine Form von unsichtbarer Strahlung gab, die Papier durchdringen konnte und die Platte wie auf Licht ausgesetzt reagieren ließ.

Zunächst schien es, als ob die neue Strahlung den damals erst kürzlich entdeckten Röntgenstrahlen ähnelte. Weitere Forschungen von Becquerel, Ernest Rutherford , Paul Villard , Pierre Curie , Marie Curie und anderen zeigten, dass diese Form der Radioaktivität deutlich komplizierter war. Rutherford erkannte als erster, dass alle diese Elemente nach derselben mathematischen Exponentialformel zerfallen. Rutherford und sein Schüler Frederick Soddy waren die ersten, die erkannten, dass viele Zerfallsprozesse zur Umwandlung eines Elements in ein anderes führten. Anschließend wurde das radioaktive Verschiebungsgesetz von Fajans und Soddy formuliert, um die Produkte des Alpha- und Beta-Zerfalls zu beschreiben .

Die frühen Forscher entdeckten auch, dass neben Uran viele andere chemische Elemente radioaktive Isotope aufweisen . Eine systematische Suche nach der Gesamtradioaktivität in Uranerzen führte Pierre und Marie Curie auch dazu, zwei neue Elemente zu isolieren: Polonium und Radium . Abgesehen von der Radioaktivität von Radium erschwerte die chemische Ähnlichkeit von Radium mit Barium die Unterscheidung dieser beiden Elemente.

Die Untersuchung der Radioaktivität von Marie und Pierre Curie ist ein wichtiger Faktor in Wissenschaft und Medizin. Nachdem sie bei ihrer Erforschung der Becquerel-Strahlen sowohl Radium als auch Polonium entdeckten, prägten sie den Begriff "Radioaktivität", um die Emission ionisierender Strahlung durch einige schwere Elemente zu definieren . (Später wurde der Begriff auf alle Elemente verallgemeinert.) Ihre Erforschung der durchdringenden Strahlen in Uran und die Entdeckung von Radium leiteten eine Ära der Verwendung von Radium zur Behandlung von Krebs ein. Ihre Erforschung von Radium könnte als die erste friedliche Nutzung der Kernenergie und als Beginn der modernen Nuklearmedizin angesehen werden .

Frühe Gesundheitsgefahren

Aufnahme einer Röntgenaufnahme mit einem frühen Crookes-Röhrenapparat im Jahr 1896. In der Mitte ist die Crookes-Röhre zu sehen. Der stehende Mann betrachtet seine Hand mit einem Durchleuchtungsschirm ; Dies war eine übliche Art, die Röhre einzurichten. Es werden keine Vorkehrungen gegen Strahlenbelastung getroffen; seine Gefahren waren zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt.

Die Gefahren ionisierender Strahlung durch Radioaktivität und Röntgenstrahlen wurden nicht sofort erkannt.

Röntgenstrahlen

Die Entdeckung der Röntgenstrahlung durch Wilhelm Röntgen im Jahr 1895 führte zu weit verbreiteten Experimenten von Wissenschaftlern, Ärzten und Erfindern. Viele Menschen begannen bereits 1896 in Fachzeitschriften über Verbrennungen, Haarausfall und Schlimmeres zu berichten. Im Februar desselben Jahres führten Professor Daniel und Dr. Dudley von der Vanderbilt University ein Experiment durch, bei dem Dudleys Kopf röntgen, was zu seinem Haarausfall führte . Ein Bericht von Dr. HD Hawks über seine schweren Verbrennungen an Hand und Brust bei einer Röntgenvorführung war der erste von vielen anderen Berichten in Electrical Review .

Andere Experimentatoren, darunter Elihu Thomson und Nikola Tesla , berichteten ebenfalls von Verbrennungen. Thomson setzte einen Finger über einen bestimmten Zeitraum absichtlich einer Röntgenröhre aus und litt unter Schmerzen, Schwellungen und Blasenbildung. Andere Effekte, einschließlich ultravioletter Strahlen und Ozon, wurden manchmal für die Schäden verantwortlich gemacht, und viele Ärzte behaupteten immer noch, dass es überhaupt keine Auswirkungen durch die Röntgenstrahlung gab.

Trotzdem gab es einige frühe systematische Gefahrenuntersuchungen, und schon 1902 schrieb William Herbert Rollins fast verzweifelt, dass seine Warnungen vor den Gefahren des achtlosen Umgangs mit Röntgenstrahlen weder von der Industrie noch von seinen Kollegen beachtet würden. Zu diesem Zeitpunkt hatte Rollins bewiesen, dass Röntgenstrahlen Versuchstiere töten, ein schwangeres Meerschweinchen zum Abort bringen und einen Fötus töten können. Er betonte auch, dass "Tiere unterschiedlich anfällig für die äußere Einwirkung von X-Licht sind" und warnte davor, diese Unterschiede zu berücksichtigen, wenn Patienten mit Röntgenstrahlen behandelt würden.

Radioaktive Substanzen

Radioaktivität ist charakteristisch für Elemente mit großen Ordnungszahlen. Elemente mit mindestens einem stabilen Isotop sind hellblau dargestellt. Grün zeigt Elemente, von denen das stabilste Isotop eine Halbwertszeit von Millionen Jahren hat. Gelb und Orange sind zunehmend weniger stabil, mit Halbwertszeiten von Tausenden oder Hunderten von Jahren bis hin zu einem Tag. Rot und Violett zeigen hoch- und extrem radioaktive Elemente, wobei die stabilsten Isotope Halbwertszeiten in der Größenordnung von einem Tag und viel weniger aufweisen.

Allerdings waren die biologischen Wirkungen der Strahlung durch radioaktive Stoffe weniger gut abzuschätzen. Dies gab vielen Ärzten und Unternehmen die Möglichkeit, radioaktive Stoffe als Patentmedikamente zu vermarkten . Beispiele waren Radium- Einlaufbehandlungen und radiumhaltige Wässer, die als Stärkungsmittel getrunken werden sollten. Marie Curie protestierte gegen diese Art der Behandlung und warnte, dass die Auswirkungen der Strahlung auf den menschlichen Körper nicht gut verstanden seien. Curie starb später an aplastischer Anämie , die wahrscheinlich durch ionisierende Strahlung verursacht wurde. In den 1930er Jahren wurden nach mehreren Fällen von Knochennekrosen und dem Tod von Radiumbehandlungsenthusiasten radiumhaltige Arzneimittel weitgehend vom Markt genommen ( radioaktive Quacksalberei ).

Schutz vor Radioaktivität

Bereits ein Jahr nach Röntgens Entdeckung der Röntgenstrahlen gab der amerikanische Ingenieur Wolfram Fuchs (1896) den wohl ersten Schutzratschlag, doch erst 1925 wurde der erste Internationale Radiologiekongress (ICR) abgehalten und über die Gründung nachgedacht internationale Schutzstandards. Die Auswirkungen der Strahlung auf Gene, einschließlich der Auswirkungen des Krebsrisikos, wurden viel später erkannt. 1927 veröffentlichte Hermann Joseph Müller Forschungen über genetische Effekte und erhielt 1946 für seine Erkenntnisse den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin .

Die zweite ICR fand 1928 in Stockholm statt und schlug die Einführung der Röntgeneinheit vor , und das Internationale Röntgen- und Radiumschutzkomitee (IXRPC) wurde gebildet. Rolf Sievert wurde zum Vorsitzenden ernannt, aber eine treibende Kraft war George Kaye vom British National Physical Laboratory . Der Ausschuss tagte 1931, 1934 und 1937.

Nach dem Zweiten Weltkrieg führte die erhöhte Reichweite und Menge radioaktiver Stoffe, die durch militärische und zivile Nuklearprogramme gehandhabt wurden, dazu, dass große Gruppen von Berufstätigen und die Bevölkerung potenziell schädlichen Mengen ionisierender Strahlung ausgesetzt waren. Dies wurde beim ersten ICR der Nachkriegszeit in London im Jahr 1950 berücksichtigt, als die heutige Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) ins Leben gerufen wurde. Seitdem hat die ICRP das gegenwärtige internationale Strahlenschutzsystem entwickelt, das alle Aspekte der Strahlengefahr abdeckt.

Im Jahr 2020 werden Hauptmann und weitere 15 internationale Forscher aus acht Nationen, darunter: Institute of Biostatistics, Registry Research, Centers of Cancer Epidemiology, Radiation Epidemiology, und dann auch US National Cancer Institute (NCI), International Agency for Research on Cancer (IARC .) ) und die Radiation Effects Research Foundation von Hiroshima haben durch Metaanalysen endgültig die Schäden untersucht, die aus den "niedrigen Dosen" resultieren, die die Bevölkerung der Überlebenden der Explosionen der Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki sowie bei zahlreichen Unfällen von Kernkraftwerken getroffen haben, die in der Welt aufgetreten sind. Diese Wissenschaftler berichteten in JNCI Monographies: Epidemiological Studies of Low Dose Ionizing Radiation and Cancer Risk, dass die neuen epidemiologischen Studien ein erhöhtes Krebsrisiko durch niedrig dosierte ionisierende Strahlung direkt unterstützen. Im Jahr 2021 berichtete der italienische Forscher Venturi über die ersten Korrelationen zwischen Radio-Cäsium und Bauchspeicheldrüsenkrebs mit der Rolle von Cäsium in der Biologie und bei Pankreatitis und bei Diabetes pankreatischen Ursprungs.

Einheiten

Grafik, die den Zusammenhang zwischen Radioaktivität und nachgewiesener ionisierender Strahlung zeigt

Das Internationale Einheitensystem (SI) der radioaktiven Aktivität ist das Becquerel (Bq), benannt nach dem Wissenschaftler Henri Becquerel . Ein Bq ist definiert als eine Transformation (oder Zerfall oder Zerfall) pro Sekunde.

Eine ältere Einheit der Radioaktivität ist das Curie , Ci, das ursprünglich als "die Menge oder Masse der Radiumemanation im Gleichgewicht mit einem Gramm Radium (Element)" definiert wurde. Heute wird der Curie definiert als3,7 × 10 10 Zerfälle pro Sekunde, so dass 1  Curie (Ci) =3,7 × 10 10  Bq . Obwohl die Nuklearaufsichtskommission der Vereinigten Staaten die Verwendung der Einheit Curie neben SI-Einheiten erlaubt, wurde aus Gründen des Strahlenschutzes gemäß den Richtlinien der Europäischen Union für Maßeinheiten der Europäischen Union die Verwendung für "öffentliche Gesundheitszwecke ..." bis zum 31. Dezember eingestellt 1985.

Die Wirkung ionisierender Strahlung wird oft in Graueinheiten für mechanische oder Sievert für Gewebeschädigungen gemessen .

Typen

Alpha-Partikel können durch ein Blatt Papier vollständig gestoppt werden, Beta-Partikel durch eine Aluminiumabschirmung. Gammastrahlen kann nur durch viel wesentlichere Masse, wie eine sehr dicke Schicht reduziert werden führen .
137 Cs-Zerfallsschema mit Halbwertszeiten, Tochternukliden sowie Arten und Anteil der emittierten Strahlung

Frühe Forscher fanden heraus, dass ein elektrisches oder magnetisches Feld radioaktive Emissionen in drei Arten von Strahlen aufteilen kann. Die Strahlen erhielten die Namen Alpha , Beta und Gamma , in aufsteigender Reihenfolge ihrer Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Alpha-Zerfall wird nur bei schwereren Elementen der Ordnungszahl 52 ( Tellur ) und höher beobachtet, mit Ausnahme von Beryllium-8 (das in zwei Alpha-Teilchen zerfällt). Die anderen beiden Zerfallsarten werden bei allen Elementen beobachtet. Blei, Ordnungszahl 82, ist das schwerste Element, dessen Isotope stabil (bis zur Messgrenze) gegen radioaktiven Zerfall sind. Radioaktiver Zerfall wird in allen Isotopen aller Elemente der Ordnungszahl 83 ( Wismut ) oder höher beobachtet. Wismut-209 ist jedoch nur sehr schwach radioaktiv, mit einer Halbwertszeit, die größer ist als das Alter des Universums; Radioisotope mit extrem langen Halbwertszeiten gelten für praktische Zwecke als effektiv stabil.

Übergangsdiagramm für Zerfallsmoden eines Radionuklids mit Neutronenzahl N und Ordnungszahl Z (gezeigt sind α- , β ±- , p + und n 0 -Emissionen, EC bezeichnet den Elektroneneinfang ).
Arten des radioaktiven Zerfalls im Zusammenhang mit Neutronen- und Protonenzahlen

Bei der Analyse der Natur der Zerfallsprodukte war aus der Richtung der elektromagnetischen Kräfte , die durch äußere magnetische und elektrische Felder auf die Strahlung ausgeübt wurden, offensichtlich, dass Alpha-Teilchen eine positive Ladung trugen , Beta-Teilchen eine negative Ladung und Gammastrahlen neutral waren. Aus der Größe der Ablenkung war klar, dass Alpha-Teilchen viel massiver waren als Beta-Teilchen . Das Hindurchleiten von Alphateilchen durch ein sehr dünnes Glasfenster und das Einfangen in einer Entladungsröhre ermöglichte es den Forschern, das Emissionsspektrum der eingefangenen Teilchen zu untersuchen und bewies schließlich, dass Alphateilchen Heliumkerne sind . Andere Experimente zeigten , Betastrahlung, die aus Zerfall und Kathodenstrahlen , waren High-Speed - Elektronen . Ebenso stellte sich heraus, dass es sich bei Gammastrahlung und Röntgenstrahlung um hochenergetische elektromagnetische Strahlung handelt .

Auch der Zusammenhang zwischen den Zerfallsarten wurde untersucht: So wurde beispielsweise festgestellt, dass der Gammazerfall fast immer mit anderen Zerfallsarten verbunden war und etwa gleichzeitig oder später auftrat. Gamma-Zerfall als separates Phänomen mit eigener Halbwertszeit (jetzt als isomerer Übergang bezeichnet ) wurde in der natürlichen Radioaktivität als Ergebnis des Gamma-Zerfalls angeregter metastabiler Kernisomere festgestellt , die wiederum aus anderen Zerfallsarten entstanden sind.

Obwohl Alpha-, Beta- und Gammastrahlung am häufigsten gefunden wurden, wurden schließlich andere Arten von Emissionen entdeckt. Kurz nach der Entdeckung des Positrons in Produkten der kosmischen Strahlung wurde erkannt, dass der gleiche Prozess, der beim klassischen Betazerfall abläuft , neben Neutrinos auch Positronen ( Positronenemission ) erzeugen kann (klassischer Betazerfall erzeugt Antineutrinos). In einem häufigeren analogen Prozess, der als Elektroneneinfang bezeichnet wird , wurde festgestellt, dass einige protonenreiche Nuklide ihre eigenen Atomelektronen einfangen, anstatt Positronen zu emittieren Auger-Elektronen und charakteristische Röntgenstrahlen als Ergebnis der Neuordnung von Elektronen, um den Platz des fehlenden eingefangenen Elektrons zu füllen). Diese Zerfallsarten beinhalten den Kerneinfang von Elektronen oder die Emission von Elektronen oder Positronen und bewirken somit, dass ein Kern in Richtung des Verhältnisses von Neutronen zu Protonen bewegt wird, das für eine gegebene Gesamtzahl von Nukleonen die geringste Energie hat . Dies erzeugt folglich einen stabileren (niedrigeren Energie-)Kern.

(Ein theoretischer Prozess des Positroneneinfangs , analog zum Elektroneneinfang, ist in Antimaterie-Atomen möglich, wurde aber nicht beobachtet, da komplexe Antimaterie-Atome jenseits von Anthelium experimentell nicht verfügbar sind. Ein solcher Zerfall würde Antimaterie-Atome erfordern, die mindestens so komplex sind wie Beryllium- 7 , welches das leichteste bekannte Isotop normaler Materie ist, das durch Elektroneneinfang zerfällt.)

Kurz nach der Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 erkannte Enrico Fermi , dass bestimmte seltene Beta-Zerfallsreaktionen sofort Neutronen als Zerfallsteilchen ( Neutronenemission ) liefern . Bei einigen Elementen wurde schließlich eine isolierte Protonenemission beobachtet. Es wurde auch festgestellt, dass einige schwere Elemente spontan in Produkte mit unterschiedlicher Zusammensetzung gespalten werden können. Bei einem Phänomen namens Clusterzerfall wurde festgestellt, dass bestimmte Kombinationen von Neutronen und Protonen außer Alphateilchen (Heliumkerne) spontan von Atomen emittiert werden.

Es wurde festgestellt, dass andere Arten von radioaktivem Zerfall zuvor gesehene Partikel emittieren, jedoch über andere Mechanismen. Ein Beispiel ist die interne Umwandlung , die zu einer anfänglichen Elektronenemission und dann oft zu weiteren charakteristischen Röntgenstrahlen und Auger-Elektronenemissionen führt, obwohl der interne Umwandlungsprozess weder Beta- noch Gammazerfall beinhaltet. Es wird kein Neutrino emittiert, und keines der emittierten Elektron(en) und Photonen stammt aus dem Kern, obwohl die Energie, um alle zu emittieren, dort entsteht. Der interne Umwandlungszerfall beinhaltet wie der isomere Übergangs- Gammazerfall und die Neutronenemission die Freisetzung von Energie durch ein angeregtes Nuklid, ohne dass ein Element in ein anderes umgewandelt wird.

Seltene Ereignisse, die eine Kombination von zwei gleichzeitig stattfindenden Beta-Zerfall-Ereignissen beinhalten, sind bekannt (siehe unten). Jeder Zerfallsprozess, der die Energieerhaltungs- oder Impulserhaltungsgesetze (und vielleicht andere Teilchenerhaltungsgesetze) nicht verletzt, ist erlaubt, obwohl nicht alle entdeckt wurden. Ein interessantes Beispiel, das in einem letzten Abschnitt diskutiert wird, ist der Betazerfall von Rhenium-187 im gebundenen Zustand . Bei diesem Prozess wird der Betaelektronenzerfall des Mutternuklids nicht von einer Betaelektronenemission begleitet, da das Betateilchen in der K-Schale des emittierenden Atoms eingefangen wurde. Wie bei allen negativen Betazerfällen wird ein Antineutrino emittiert.

Radionuklide können verschiedene Reaktionen eingehen. Diese sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Ein Kern mit der Massenzahl A und der Ordnungszahl Z wird als ( A , Z ) dargestellt. Die Spalte "Tochterkern" gibt den Unterschied zwischen dem neuen Kern und dem ursprünglichen Kern an. ( A  − 1, Z ) bedeutet also, dass die Massenzahl um eins kleiner ist als zuvor, die Ordnungszahl jedoch dieselbe wie zuvor.

Wenn die energetischen Umstände günstig sind, kann ein gegebenes Radionuklid vielen konkurrierenden Zerfallsarten unterliegen, wobei einige Atome auf einem Weg zerfallen und andere auf einem anderen zerfallen. Ein Beispiel ist Kupfer-64 mit 29 Protonen und 35 Neutronen, das mit einer Halbwertszeit von etwa 12,7 Stunden zerfällt. Dieses Isotop hat ein ungepaartes Proton und ein ungepaartes Neutron, sodass entweder das Proton oder das Neutron in das andere Teilchen mit entgegengesetztem Isospin zerfallen kann . Dieses spezielle Nuklid (obwohl nicht alle Nuklide in dieser Situation) zerfallen fast genauso wahrscheinlich durch Positronenemission (18%) oder durch Elektroneneinfang (43%), wie durch Elektronenemission (39%). Die angeregten Energiezustände, die aus diesen Zerfällen resultieren, die nicht in einem Grundenergiezustand enden, erzeugen in fast 0,5% der Zeit auch eine spätere interne Umwandlung und einen Gammazerfall .

Häufiger bei schweren Nukliden ist die Konkurrenz zwischen Alpha- und Beta-Zerfall. Die Tochternuklide zerfallen dann normalerweise durch Beta bzw. Alpha, um an derselben Stelle zu landen.

Der radioaktive Zerfall führt zu einer Verringerung der summierten Rest Masse , sobald die freigesetzte Energie (die Zerfallsenergie ) hat in irgendeiner Weise entkommen. Obwohl die Zerfallsenergie manchmal als mit der Differenz zwischen der Masse der Mutternuklidprodukte und der Masse der Zerfallsprodukte verbunden definiert wird, gilt dies nur für Ruhemassenmessungen, bei denen dem Produktsystem etwas Energie entzogen wurde. Dies ist wahr, weil die Zerfallsenergie immer Masse mit sich führen muss, wo immer sie auftritt (siehe Masse in der speziellen Relativitätstheorie ) nach der Formel E  =  mc 2 . Die Zerfallsenergie wird zunächst als Energie der emittierten Photonen plus der kinetischen Energie massiver emittierter Teilchen (dh Teilchen mit Ruhemasse) freigesetzt. Kommen diese Teilchen mit ihrer Umgebung ins thermische Gleichgewicht und werden Photonen absorbiert, dann wird die Zerfallsenergie in thermische Energie umgewandelt, die ihre Masse behält.

Die Zerfallsenergie bleibt daher mit einem bestimmten Maß für die Masse des Zerfallssystems verbunden, das als invariante Masse bezeichnet wird und sich während des Zerfalls nicht ändert, obwohl die Zerfallsenergie auf die Zerfallsteilchen verteilt ist. Die Energie der Photonen, die kinetische Energie der emittierten Teilchen und später die thermische Energie der umgebenden Materie tragen alle zur unveränderlichen Masse des Systems bei. Während also die Summe der Ruhemassen der Teilchen beim radioaktiven Zerfall nicht erhalten bleibt, bleiben die Systemmasse und die systeminvariante Masse (und auch die Gesamtenergie des Systems) während jedes Zerfallsprozesses erhalten. Dies ist eine Neuformulierung der äquivalenten Gesetze der Energieerhaltung und der Massenerhaltung .

Modi

Zerfallsmodus Teilnehmende Partikel Tochterkern
Zerfälle unter Emission von Nukleonen
α Alphazerfall Ein  vom Kern emittiertes Alphateilchen ( A  = 4, Z = 2) ( A  – 4, Z  – 2)
P Protonenemission Ein aus dem Kern ausgestoßenes Proton ( A  − 1, Z  − 1)
2p Doppelte Protonenemission Zwei Protonen gleichzeitig aus dem Kern ausgestoßen ( A  − 2, Z  − 2)
n Neutronenemission Ein aus einem Kern ausgestoßenes Neutron ( A  − 1, Z )
2n Doppelte Neutronenemission Zwei Neutronen gleichzeitig aus dem Kern ausgestoßen ( A  − 2, Z )
SF Spontane Spaltung Kern zerfällt in zwei oder mehr kleinere Kerne und andere Partikel
CD Clusterzerfall Kern emittiert eine bestimmte Art von kleineren Kernen ( A 1 , Z 1 ), die größer als ein Alpha-Teilchen sind ( A  -  A 1 , Z  -  Z 1 ) + ( A 1 , Z 1 )
Verschiedene Arten des Betazerfalls
β Beta minus Zerfall Ein Kern emittiert ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino ( A , Z  +1)
β + Beta plus Zerfall Ein Kern emittiert ein Positron und ein Elektron-Neutrino ( A , Z  − 1)
ε (EG) Elektroneneinfang Ein Kern fängt ein umlaufendes Elektron ein und emittiert ein Neutrino; der Tochterkern verbleibt in einem angeregten instabilen Zustand ( A , Z  − 1)
Betazerfall im gebundenen Zustand Ein freies Neutron oder Beta-Kern zerfällt in Elektron und Antineutrino, aber das Elektron wird nicht emittiert, da es in einer leeren K-Schale eingefangen wird; der Tochterkern bleibt in einem angeregten und instabilen Zustand. Dieser Prozess ist eine Minderheit der Zerfälle freier Neutronen (0,0004%) aufgrund der niedrigen Energie der Wasserstoffionisation und wird unterdrückt, außer bei ionisierten Atomen, die K-Schalen-Leerstellen aufweisen. ( A , Z  +1)
β β Doppelter Betazerfall Ein Kern emittiert zwei Elektronen und zwei Antineutrinos ( A , Z  +2)
εε Doppelter Elektroneneinfang Ein Kern absorbiert zwei Orbitalelektronen und emittiert zwei Neutrinos – der Tochterkern verbleibt in einem angeregten und instabilen Zustand ( A , Z  − 2)
Elektroneneinfang mit Positronenemission Ein Kern absorbiert ein Orbitalelektron, emittiert ein Positron und zwei Neutrinos ( A , Z  − 2)
β + β + Doppelter Positronenzerfall Ein Kern emittiert zwei Positronen und zwei Neutrinos ( A , Z  − 2)
Übergänge zwischen Zuständen desselben Kerns
ES Isomerischer Übergang Erregter Kern setzt ein hochenergetisches Photon ( Gammastrahlung ) frei ( A , Z )
Interne Konvertierung Erregter Kern überträgt Energie auf ein Orbitalelektron, das anschließend aus dem Atom ausgestoßen wird ( A , Z )

Preise

Die Zerfallsrate oder Aktivität eines radioaktiven Stoffes ist gekennzeichnet durch:

Konstante Mengen :

  • Die Halbwertszeitt 1/2 , ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Aktivität einer gegebenen Menge einer radioaktiven Substanz auf die Hälfte ihres Anfangswertes zerfällt; siehe Liste der Nuklide .
  • Die Zerfallskonstante - λLambda “ der Kehrwert der mittleren Lebensdauer (in s -1 ), die manchmal einfach als Zerfallsrate .
  • Die mittlere Lebensdauer - τ , „ tau “ die durchschnittliche Lebensdauer (1 / e Leben) ein radioaktiven Teilchen vor Verfall.

Obwohl dies Konstanten sind, sind sie mit dem statistischen Verhalten von Atompopulationen verbunden. Folglich sind Vorhersagen, die diese Konstanten verwenden, für winzige Proben von Atomen weniger genau.

Prinzipiell kann eine Halbwertszeit, eine dritte Lebensdauer oder sogar eine (1/ 2 )-Lebensdauer genauso verwendet werden wie eine Halbwertszeit; aber die mittlere Lebensdauer und Halbwertszeit t 1/2 wurden als Standardzeiten im Zusammenhang mit exponentiellem Zerfall angenommen.

Zeitvariable Mengen :

  • GesamtaktivitätA ist die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit einer radioaktiven Probe.
  • Anzahl der PartikelN ist die Gesamtzahl der Partikel in der Probe.
  • Spezifische AktivitätS A , Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit pro Substanzmenge der Probe zum Zeitpunkt auf Null gesetzt ( t = 0). „Stoffmenge“ kann die Masse, das Volumen oder die Mole der Ausgangsprobe sein.

Diese hängen wie folgt zusammen:

wobei N 0 die Anfangsmenge des Wirkstoffs ist – Stoff, der denselben Prozentsatz an instabilen Partikeln aufweist wie bei seiner Bildung.

Mathematik

Universelles Gesetz

Die Mathematik des radioaktiven Zerfalls hängt von der Schlüsselannahme ab, dass ein Kern eines Radionuklids kein "Gedächtnis" oder keine Möglichkeit hat, seine Geschichte in sein gegenwärtiges Verhalten zu übersetzen. Ein Kern "altert" nicht im Laufe der Zeit. Die Wahrscheinlichkeit seines Zusammenbruchs nimmt also nicht mit der Zeit zu, sondern bleibt konstant, egal wie lange der Kern existiert. Diese konstante Wahrscheinlichkeit kann sich zwischen einer Art von Kernen und einer anderen stark unterscheiden, was zu den vielen verschiedenen beobachteten Zerfallsraten führt. Was auch immer die Wahrscheinlichkeit ist, sie ändert sich im Laufe der Zeit nicht. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu komplexen Objekten, die das Altern zeigen, wie Autos und Menschen. Diese alternden Systeme haben eine Wahrscheinlichkeit des Zusammenbruchs pro Zeiteinheit, die von dem Moment an zunimmt, in dem sie ihre Existenz beginnen.

Aggregatprozesse, wie der radioaktive Zerfall eines Atomklumpens, bei denen die Einzelereigniswahrscheinlichkeit sehr gering ist, bei denen aber die Anzahl der Zeitscheiben so groß ist, dass dennoch eine vernünftige Ereignisrate vorliegt, werden durch die Poisson-Verteilung , die diskret ist. Radioaktiver Zerfall und Kernteilchenreaktionen sind zwei Beispiele für solche Aggregatprozesse. Die Mathematik der Poisson-Prozesse reduziert sich auf das Gesetz des exponentiellen Zerfalls , das das statistische Verhalten einer großen Anzahl von Kernen und nicht eines einzelnen Kerns beschreibt. Im folgenden Formalismus ist die Anzahl der Kerne oder die Kernpopulation N natürlich eine diskrete Variable (eine natürliche Zahl ) – aber für jede physikalische Probe ist N so groß, dass sie als kontinuierliche Variable behandelt werden kann. Die Differentialrechnung wird verwendet, um das Verhalten des Kernzerfalls zu modellieren.

Ein-Zerfalls-Prozess

Betrachten wir den Fall eines Nuklids A , das durch einen Prozess A → B in ein anderes B zerfällt (Emission anderer Teilchen, wie Elektronneutrinos
ν
e
und Elektronen e wie beim Betazerfall , sind im Folgenden irrelevant). Der Zerfall eines instabilen Kerns ist zeitlich völlig zufällig, so dass es unmöglich ist, vorherzusagen, wann ein bestimmtes Atom zerfällt. Es ist jedoch ebenso wahrscheinlich, zu jedem Zeitpunkt zu zerfallen. Daher ist bei einer gegebenen Probe eines bestimmten Radioisotops die Anzahl der Zerfallsereignisse −d N , die in einem kleinen Zeitintervall d t erwartet werden, proportional zur Anzahl der vorhandenen Atome N , d. h

Bestimmte Radionuklide zerfallen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, daher hat jedes seine eigene Zerfallskonstante λ . Der erwartete Abfall −d N / N ist proportional zu einem Zeitinkrement, d t :

Das negative Vorzeichen zeigt an, dass N mit zunehmender Zeit abnimmt, da die Zerfallsereignisse nacheinander folgen. Die Lösung dieser Differentialgleichung erster Ordnung ist die Funktion :

wobei N 0 der Wert von N zum Zeitpunkt t = 0 ist, mit der Zerfallskonstante ausgedrückt als λ

Wir haben für alle Zeiten t :

wobei N total die konstante Teilchenzahl während des Zerfalls ist, die gleich der Anfangszahl der A- Nuklide ist, da dies die Ausgangssubstanz ist.

Wenn die Anzahl der nicht zerfallenen A- Kerne ist:

dann ist die Anzahl der Kerne von B , dh die Anzahl der zerfallenen A- Kerne,

Die Anzahl der während eines bestimmten Intervalls beobachteten Zerfälle gehorcht der Poisson-Statistik . Wenn die durchschnittliche Anzahl der Zerfälle ist N , die Wahrscheinlichkeit einer gegebenen Anzahl von Zerfällen N ist

Kettenzerfallsprozesse

Kette von zwei Zerfällen

Betrachten wir nun den Fall einer Kette von zwei Zerfällen: Ein Nuklid A zerfällt durch einen Prozess in ein anderes B , dann zerfällt B in ein anderes C durch einen zweiten Prozess, dh A → B → C . Die obige Gleichung kann nicht auf die Zerfallskette angewendet werden, sondern kann wie folgt verallgemeinert werden. Da A in B zerfällt und dann B in C zerfällt , trägt die Aktivität von A zur Gesamtzahl der B- Nuklide in der vorliegenden Probe bei, bevor diese B- Nuklide zerfallen und die Anzahl der Nuklide, die zu der späteren Probe führen, reduzieren. Mit anderen Worten, die Anzahl der Kerne B der zweiten Generation nimmt infolge des Zerfalls der Kerne der ersten Generation von A zu und nimmt infolge ihres eigenen Zerfalls in die Kerne C der dritten Generation ab . Die Summe dieser beiden Terme ergibt das Gesetz für eine Zerfallskette für zwei Nuklide:

Die Änderungsrate von N B , das heißt d N B /d t , hängt mit den Änderungen der Mengen von A und B zusammen , N B kann zunehmen, wenn B aus A produziert wird, und abnehmen, wenn B C produziert .

Neuschreiben mit den vorherigen Ergebnissen:

Die Indizes beziehen sich einfach auf die jeweiligen Nuklide, dh N A ist die Anzahl der Nuklide vom Typ A ; N A 0 ist die Anfangszahl der Nuklide vom Typ A ; λ A ist die Zerfallskonstante für A – und ähnlich für Nuklid B . Das Auflösen dieser Gleichung nach N B ergibt:

Für den Fall, dass B ein stabiles Nuklid ist ( λ B = 0), reduziert sich diese Gleichung auf die vorherige Lösung:

wie oben für einen Zerfall gezeigt. Die Lösung kann durch das finden Integrationsfaktor Methode, bei der der integrierende Faktor e λ B t . Dieser Fall ist vielleicht der nützlichste, da er sowohl die Ein-Zerfall-Gleichung (oben) als auch die Gleichung für Mehrfachzerfall-Ketten (unten) direkter herleiten kann.

Kette beliebiger Zerfälle

Für den allgemeinen Fall einer beliebigen Anzahl aufeinanderfolgender Zerfälle in einer Zerfallskette, also A 1 → A 2 ··· → A i ··· → A D , wobei D die Anzahl der Zerfälle und i ein Dummy-Index ist ( i = 1, 2, 3, ... D ), kann jede Nuklidpopulation in Bezug auf die vorherige Population gefunden werden. In diesem Fall N 2 = 0 , N 3 = 0 ,..., N D = 0 . Verwenden Sie das obige Ergebnis in einer rekursiven Form:

Die allgemeine Lösung des rekursiven Problems ist durch die Bateman-Gleichungen gegeben :

Batemans Gleichungen

Alternative Modi

In allen obigen Beispielen zerfällt das Ausgangsnuklid in nur ein Produkt. Betrachten Sie den Fall eines anfänglichen Nuklids, das in eines von zwei Produkten zerfallen kann, d. h. A → B und A → C parallel. Beispielsweise zerfallen in einer Probe von Kalium-40 89,3% der Kerne zu Calcium-40 und 10,7% zu Argon-40 . Wir haben für alle Zeiten t :

die konstant ist, da die Gesamtzahl der Nuklide konstant bleibt. Zeitlich differenzieren:

Definition der Gesamtzerfallskonstante λ als Summe der Teilzerfallskonstanten λ B und λ C :

Lösung dieser Gleichung nach N A :

wobei N A 0 die Anfangszahl des Nuklids A ist. Bei der Messung der Produktion eines Nuklids kann man nur die Gesamtzerfallskonstante λ beobachten . Die Zerfallskonstanten λ B und λ C bestimmen die Wahrscheinlichkeit, dass der Zerfall zu den Produkten B oder C führt:

da der Anteil λ B / λ der Kerne zerfallen in B , während der Anteil λ C / λ der Kerne zerfallen in C .

Folgerungen von Gesetzen

Die obigen Gleichungen können auch unter Verwendung von Größen geschrieben werden, die sich auf die Anzahl der Nuklidteilchen N in einer Probe beziehen ;

wobei L =6.022 140 76 × 10 23  mol −1 ist die Avogadro-Konstante , M ist die Molmasse des Stoffes in kg/mol und die Menge des Stoffes n ist in Mol .

Abklingzeit: Definitionen und Beziehungen

Zeitkonstante und mittlere Lebensdauer

Für die Ein-Zerfall-Lösung A → B :

die Gleichung zeigt an, dass die Zerfallskonstante λ Einheiten von t −1 hat und somit auch als 1/ τ dargestellt werden kann , wobei τ eine charakteristische Zeit des Prozesses ist, die als Zeitkonstante bezeichnet wird .

Bei einem radioaktiven Zerfallsprozess ist diese Zeitkonstante auch die mittlere Lebensdauer zerfallender Atome. Jedes Atom "lebt" für eine endliche Zeit, bevor es zerfällt, und es kann gezeigt werden, dass diese mittlere Lebensdauer das arithmetische Mittel aller Lebensdauern aller Atome ist, und dass es τ ist , was wiederum mit der Zerfallskonstante als zusammenhängt folgt:

Diese Form gilt auch für Zwei-Zerfalls-Prozesse gleichzeitig A → B + C , wobei die äquivalenten Werte der Zerfallskonstanten (wie oben angegeben) eingefügt werden.

in die Zerfallslösung führt zu:

Simulation vieler identischer Atome beim radioaktiven Zerfall, beginnend mit 4 Atomen (links) oder 400 (rechts). Die Zahl oben gibt an, wie viele Halbwertszeiten abgelaufen sind.

Halbes Leben

Ein häufiger verwendeter Parameter ist die Halbwertszeit T 1/2 . Bei einer Probe eines bestimmten Radionuklids ist die Halbwertszeit die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der Atome des Radionuklids zerfällt. Für den Fall von Ein-Zerfall-Kernreaktionen:

die Halbwertszeit hängt wie folgt von der Zerfallskonstante ab: Setze N = N 0 /2 und t = T 1/2 , um zu erhalten

Dieser Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und Zerfallskonstante zeigt, dass hochradioaktive Stoffe schnell verbraucht werden, während schwach strahlende länger aushalten. Die Halbwertszeiten bekannter Radionuklide variieren stark, von mehr als 10 24 Jahren für das fast stabile Nuklid 128 Te bis zu 8,6 x 10 –23 Sekunden für sehr instabile Nuklide wie 5 H .

Der Faktor ln(2) in den obigen Beziehungen ergibt sich aus der Tatsache, dass das Konzept der "Halbwertszeit" lediglich eine Möglichkeit ist, eine andere Basis als die natürliche Basis e für den Lebensdauerausdruck auszuwählen . Die Zeitkonstante τ ist die e -1   -Lebensdauer, die Zeit, bis nur noch 1/ e übrig bleibt, etwa 36,8 %, anstatt die 50 % in der Halbwertszeit eines Radionuklids. Somit ist τ länger als t 1/2 . Es kann gezeigt werden, dass die folgende Gleichung gültig ist:

Da radioaktiver Zerfall mit konstanter Wahrscheinlichkeit exponentiell ist, könnte jeder Prozess genauso gut mit einer anderen konstanten Zeitperiode beschrieben werden, die (zum Beispiel) seine "(1/3)-Lebensdauer" (wie lange bis nur noch 1/3 übrig ist) ergibt. oder "(1/10)-Leben" (ein Zeitraum, bis nur noch 10% übrig sind) und so weiter. Somit ist die Wahl von τ und t 1/2 für Marker-Zeiten nur der Einfachheit halber und aus Konvention. Sie spiegeln ein grundlegendes Prinzip nur insofern wider, als sie zeigen, dass derselbe Anteil einer bestimmten radioaktiven Substanz in jedem beliebigen Zeitraum zerfällt.

Mathematisch würde die n- te Lebensdauer für die obige Situation auf die gleiche Weise wie oben gefunden – indem N = N 0 /n , t = T 1/ n gesetzt und in die Zerfallslösung eingesetzt wird, um

Beispiel für Kohlenstoff-14

Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5.730 Jahren und eine Zerfallsrate von 14 Zerfällen pro Minute (dpm) pro Gramm natürlichem Kohlenstoff.

Wenn festgestellt wird, dass ein Artefakt eine Radioaktivität von 4 dpm pro Gramm seines gegenwärtigen C aufweist, können wir das ungefähre Alter des Objekts mithilfe der obigen Gleichung ermitteln:

wo:

Jahre,
Jahre.

Tarife ändern

Es ist bekannt, dass die radioaktiven Zerfallsmodi des Elektroneneinfangs und der internen Umwandlung leicht empfindlich auf chemische und Umwelteinflüsse reagieren, die die elektronische Struktur des Atoms verändern, was wiederum die Anwesenheit von 1s- und 2s- Elektronen beeinflusst, die am Zerfallsprozess teilnehmen. Betroffen sind nur wenige meist leichte Nuklide. Zum Beispiel können chemische Bindungen die Geschwindigkeit des Elektroneneinfangs in geringem Maße (im Allgemeinen weniger als 1%) beeinflussen, abhängig von der Nähe der Elektronen zum Kern. In 7 Be wurde ein Unterschied von 0,9% zwischen Halbwertszeiten in metallischer und isolierender Umgebung beobachtet. Dieser relativ große Effekt ist darauf zurückzuführen, dass Beryllium ein kleines Atom ist, dessen Valenzelektronen sich in 2s -Atomorbitalen befinden , die einem Elektroneneinfang in 7 Be unterliegen, weil sie (wie alle s -Atomorbitale in allen Atomen) auf natürliche Weise in den Kern eindringen.

1992 haben Jung et al. der Darmstädter Schwerionenforschungsgruppe beobachteten einen beschleunigten β -Zerfall  von 163 Dy 66+ . Obwohl neutral 163 Dy ist ein stabiles Isotop, das vollständig ionisierte 163 Dy 66+ erfährt β -  Zerfall in die K- und L - Schalen bis 163 Ho 66+ mit einer Halbwertszeit von 47 Tagen haben .

Rhenium-187 ist ein weiteres spektakuläres Beispiel. 187 Re zerfällt normalerweise in 187 Os mit einer Halbwertszeit von 41,6 × 10 9  Jahren, aber Studien mit vollständig ionisierten 187 Re- Atomen (nackten Kernen) haben ergeben, dass diese auf nur 32,9 Jahre sinken kann. Dies wird zurückgeführt „ abgebundenen Zustand β - Zerfall “ des vollständig ionisierten Atoms - das Elektron emittiert in die „K-Schale“ ( 1s Atomorbital), die nicht für neutrale Atome in dem alle tief liegenden gebundenen Zustände auftreten können , besetzt.

Beispiel für tages- und jahreszeitliche Schwankungen der Reaktion von Gammastrahlendetektoren.

Eine Reihe von Experimenten hat gezeigt, dass die Zerfallsraten anderer Arten künstlicher und natürlich vorkommender Radioisotope mit hoher Präzision von äußeren Bedingungen wie Temperatur, Druck, chemischer Umgebung und elektrischen, magnetischen oder Gravitationsfeldern unbeeinflusst sind. Vergleich von Laborexperimenten des letzten Jahrhunderts, Studien des natürlichen Kernreaktors Oklo (der die Auswirkungen thermischer Neutronen auf den Kernzerfall veranschaulichte) und astrophysikalische Beobachtungen des Leuchtkraftzerfalls weit entfernter Supernovae (die weit entfernt auftraten, so dass das Licht eine viel Zeit, um uns zu erreichen), weisen beispielsweise stark darauf hin, dass die ungestörten Zerfallsraten auch als Funktion der Zeit konstant waren (zumindest innerhalb der Grenzen kleiner experimenteller Fehler).

Jüngste Ergebnisse legen die Möglichkeit nahe, dass die Zerfallsraten eine schwache Abhängigkeit von Umweltfaktoren haben könnten. Es wurde vorgeschlagen, dass Messungen der Zerfallsraten von Silizium-32 , Mangan-54 und Radium-226 kleine jahreszeitliche Schwankungen aufweisen (in der Größenordnung von 0,1%). Solche Messungen sind jedoch sehr anfällig für systematische Fehler, und eine nachfolgende Veröffentlichung hat bei sieben anderen Isotopen ( 22 Na, 44 Ti, 108 Ag, 121 Sn, 133 Ba, 241 Am, 238 Pu) keine Hinweise auf solche Korrelationen gefunden legt Obergrenzen für die Größe solcher Effekte fest. Es wurde einmal berichtet, dass der Zerfall von Radon-222 große saisonale Schwankungen von 4% von Spitze zu Spitze aufwies (siehe Diagramm), die entweder mit der Sonneneruptionsaktivität oder der Entfernung von der Sonne in Zusammenhang gebracht wurden, aber eine detaillierte Analyse der Konstruktionsfehler sowie Vergleiche mit anderen, viel strengeren und systematisch kontrollierten Experimenten widerlegen diese Behauptung.

GSI-Anomalie

Eine unerwartete Reihe experimenteller Ergebnisse für die Zerfallsgeschwindigkeit schwerer hochgeladener radioaktiver Ionen, die in einem Speicherring zirkulieren , hat theoretische Aktivitäten ausgelöst, um eine überzeugende Erklärung zu finden. Die schwachen Zerfallsraten zweier radioaktiver Spezies mit Halbwertszeiten von etwa 40 s und 200 s zeigen eine signifikante oszillatorische Modulation mit einer Periode von etwa 7 s. Das beobachtete Phänomen ist bekannt als die GSI - Anomalie , da der Speicherring eine Anlage am ist GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt , Deutschland . Da der Zerfallsprozess ein Elektron-Neutrino erzeugt , rufen einige der vorgeschlagenen Erklärungen für die beobachtete Frequenzoszillation Neutrino-Eigenschaften hervor. Erste Ideen zur Flavor Oszillation stießen auf Skepsis. Ein neuerer Vorschlag beinhaltet die Massendifferenzen zwischen Neutrinomasse Eigenzuständen .

Theoretische Basis

Die Neutronen und Protonen , die Kerne bilden, sowie andere Teilchen, die ihnen nahe genug kommen, unterliegen mehreren Wechselwirkungen. Die starke Kernkraft , die im vertrauten makroskopischen Maßstab nicht beobachtet wird , ist die stärkste Kraft über subatomare Entfernungen. Die elektrostatische Kraft ist fast immer von Bedeutung, und beim Betazerfall ist auch die schwache Kernkraft beteiligt.

Die kombinierte Wirkung dieser Kräfte erzeugt eine Reihe verschiedener Phänomene, bei denen Energie durch Umlagerung von Teilchen im Kern oder auch durch die Umwandlung einer Teilchenart in eine andere freigesetzt werden kann. Diese Umlagerungen und Transformationen können energetisch behindert werden, damit sie nicht sofort erfolgen. In bestimmten Fällen werden zufällige Quantenvakuumfluktuationen theoretisiert, um die Relaxation in einen niedrigeren Energiezustand (den "Zerfall") in einem als Quantentunneln bekannten Phänomen zu fördern . Die Halbwertszeit des radioaktiven Zerfalls von Nukliden wurde über Zeitskalen von 54 Größenordnungen gemessen, von 8,6 × 10 –23 Sekunden (für Wasserstoff-5 ) bis 7,1 × 10 31 Sekunden (für Tellur-128 ). Die Grenzen dieser Fristen werden durch die Empfindlichkeit der Instrumentierung nur gesetzt, und es gibt keine bekannten natürlichen Grenzen, wie kurz oder lang eine Zerfallshalbwertszeit für die radioaktiven Zerfall eines Radionuklid sein kann.

Der Zerfallsprozess kann wie alle behinderten Energieumwandlungen durch ein Schneefeld auf einem Berg analogisiert werden. Während die Reibung zwischen den Eiskristallen das Gewicht des Schnees tragen kann, ist das System in Bezug auf einen Zustand niedriger potentieller Energie von Natur aus instabil. Eine Störung würde also den Weg zu einem Zustand größerer Entropie erleichtern ; das System bewegt sich in Richtung des Grundzustands, produziert Wärme, und die Gesamtenergie wird auf eine größere Anzahl von Quantenzuständen verteilt, was zu einer Lawine führt . Die Gesamtenergie nicht in diesem Prozess verändern, aber wegen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik haben Lawinen nur in eine Richtung beobachtet worden , und das ist in Richtung des „ Grundzustandes “ - der Staat mit der größten Anzahl von Möglichkeiten, wie die zur Verfügung Energie verteilt werden könnte.

Ein solcher Zusammenbruch (a Gammastrahlenzerfallsereignis ) erfordert eine bestimmte Aktivierungsenergie . Bei einer Schneelawine kommt diese Energie als Störung von außerhalb des Systems, obwohl diese Störungen beliebig klein sein können. Wenn ein angeregter Atomkern durch Gammastrahlung in eine spontane Emission elektromagnetischer Strahlung zerfällt , kommt die beliebig kleine Störung von Quantenvakuumfluktuationen .

Ein radioaktiver Kern (oder jedes angeregte System in der Quantenmechanik) ist instabil und kann sich daher spontan zu einem weniger angeregten System stabilisieren. Die resultierende Transformation verändert die Struktur des Kerns und führt zur Emission entweder eines Photons oder eines Hochgeschwindigkeitsteilchens mit Masse (z. B. eines Elektrons, Alphateilchens oder eines anderen Typs).

Vorkommen und Anwendungen

Nach der Urknalltheorie wurden sehr kurz nach der Entstehung des Universums stabile Isotope der leichtesten fünf Elemente ( H , He und Spuren von Li , Be und B ) in einem Prozess namens Urknall-Nukleosynthese erzeugt . Diese leichtesten stabilen Nuklide (einschließlich Deuterium ) überleben bis heute, aber alle radioaktiven Isotope der beim Urknall entstandenen leichten Elemente (wie Tritium ) sind längst zerfallen. Isotope von Elementen schwerer als Bor wurden im Urknall überhaupt nicht produziert, und diese ersten fünf Elemente haben keine langlebigen Radioisotope. Alle radioaktiven Kerne sind daher relativ jung im Hinblick auf die Geburt des Universums, die sich später bei verschiedenen anderen Arten der Nukleosynthese in Sternen (insbesondere Supernovae ) gebildet haben, und auch während der laufenden Wechselwirkungen zwischen stabilen Isotopen und energetischen Teilchen. Kohlenstoff-14 zum Beispiel, ein radioaktives Nuklid mit einer Halbwertszeit von nur 5.730 Jahren, wird in der oberen Erdatmosphäre durch Wechselwirkungen zwischen kosmischer Strahlung und Stickstoff ständig produziert.

Nuklide, die durch radioaktiven Zerfall entstehen, werden radiogene Nuklide genannt , unabhängig davon, ob sie selbst stabil sind oder nicht. Es gibt stabile radiogene Nuklide, die im frühen Sonnensystem aus kurzlebigen ausgestorbenen Radionukliden gebildet wurden . Das zusätzliche Vorhandensein dieser stabilen radiogenen Nuklide (wie Xenon-129 aus erloschenem Jod-129 ) vor dem Hintergrund primordialer stabiler Nuklide kann auf verschiedene Weise abgeleitet werden.

Radioaktiver Zerfall wurde in der Technik der Radioisotopenmarkierung verwendet , die verwendet wird, um den Durchgang einer chemischen Substanz durch ein komplexes System (wie einen lebenden Organismus ) zu verfolgen . Eine Probe der Substanz wird mit einer hohen Konzentration an instabilen Atomen synthetisiert. Das Vorhandensein der Substanz in dem einen oder anderen Teil des Systems wird durch die Detektion der Orte von Zerfallsereignissen bestimmt.

Unter der Prämisse, dass radioaktiver Zerfall wirklich zufällig (und nicht nur chaotisch ) ist, wurde er in Hardware-Zufallszahlengeneratoren verwendet . Da nicht davon ausgegangen wird, dass sich der Mechanismus im Laufe der Zeit signifikant ändert, ist er auch ein wertvolles Instrument zur Abschätzung des absoluten Alters bestimmter Materialien. Bei geologischen Materialien werden die Radioisotope und einige ihrer Zerfallsprodukte bei der Erstarrung eines Gesteins eingeschlossen und können dann später (vorbehaltlich vieler bekannter Einschränkungen) verwendet werden, um das Datum der Erstarrung abzuschätzen. Dazu gehört das Vergleichen der Ergebnisse mehrerer simultaner Prozesse und ihrer Produkte innerhalb derselben Stichprobe. In ähnlicher Weise und ebenfalls bedingt kann die Bildungsrate von Kohlenstoff-14 in verschiedenen Epochen, das Datum der Bildung von organischer Substanz innerhalb eines bestimmten Zeitraums in Bezug auf die Halbwertszeit des Isotops geschätzt werden, da der Kohlenstoff-14 wird beim Wachsen der organischen Substanz eingeschlossen und nimmt das neue Kohlenstoff-14 aus der Luft auf. Danach nimmt der Kohlenstoff-14-Gehalt in der organischen Substanz gemäß Zerfallsprozessen ab, die auch unabhängig voneinander auf andere Weise überprüft werden können (z. B. durch Überprüfung des Kohlenstoff-14 in einzelnen Jahrringen).

Szilard-Chalmers-Effekt

Der Szilard-Chalmers-Effekt ist das Aufbrechen einer chemischen Bindung als Ergebnis einer kinetischen Energie, die durch den radioaktiven Zerfall übertragen wird. Es funktioniert durch die Absorption von Neutronen durch ein Atom und die anschließende Emission von Gammastrahlen , oft mit erheblichen Mengen an kinetischer Energie. Diese kinetische Energie drückt nach dem dritten Newtonschen Gesetz auf das zerfallende Atom zurück, wodurch es sich mit ausreichender Geschwindigkeit bewegt, um eine chemische Bindung aufzubrechen. Dieser Effekt kann genutzt werden, um Isotope auf chemischem Wege zu trennen.

Der Szilard-Chalmers-Effekt wurde 1934 von Leó Szilárd und Thomas A. Chalmers entdeckt. Sie beobachteten, dass nach dem Beschuss mit Neutronen das Aufbrechen einer Bindung in flüssigem Ethyljodid die Entfernung von radioaktivem Jod ermöglichte.

Herkunft radioaktiver Nuklide

Auf der Erde gefundene radioaktive Urnuklide sind Rückstände von uralten Supernova- Explosionen, die vor der Entstehung des Sonnensystems stattfanden . Sie sind der Anteil der Radionuklide , die aus dieser Zeit überlebt, durch die Bildung des Ur-Sonnen Nebel , durch Planeten Akkretion und bis in die heutige Zeit. Die natürlich vorkommenden kurzlebigen radiogenen Radionuklide, die in den heutigen Gesteinen vorkommen , sind die Töchter dieser radioaktiven Urnuklide . Eine weitere untergeordnete Quelle natürlich vorkommender radioaktiver Nuklide sind kosmogene Nuklide , die durch kosmischen Strahlenbombardement von Material in der Erdatmosphäre oder -kruste gebildet werden . Der Zerfall der Radionuklide in Gesteinen des Erdmantels und der Erdkruste trägt maßgeblich zum inneren Wärmehaushalt der Erde bei .

Abklingketten und mehrere Modi

Auch das Tochternuklid eines Zerfallsereignisses kann instabil (radioaktiv) sein. In diesem Fall zerfällt es ebenfalls und erzeugt Strahlung. Das resultierende zweite Tochternuklid kann auch radioaktiv sein. Dies kann zu einer Folge von mehreren Zerfallsereignissen führen, die als Zerfallskette bezeichnet wird (in diesem Artikel finden Sie spezifische Details zu wichtigen natürlichen Zerfallsketten). Schließlich entsteht ein stabiles Nuklid. Alle Zerfallstöchter, die das Ergebnis eines Alpha-Zerfalls sind, führen auch zur Bildung von Heliumatomen.

Gammastrahlen-Energiespektrum von Uranerz (Einschub). Gammastrahlen werden von zerfallenden Nukliden emittiert , und die Energie der Gammastrahlen kann verwendet werden, um den Zerfall zu charakterisieren (welches Nuklid zu welchem ​​zerfällt). Hier wurden anhand des Gammastrahlenspektrums mehrere Nuklide identifiziert , die typisch für die Zerfallskette von 238 U sind: 226 Ra, 214 Pb, 214 Bi.

Ein Beispiel ist die natürliche Zerfallskette von 238 U:

  • Uran-238 zerfällt durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren zu Thorium-234
  • welches durch Beta-Emission mit einer Halbwertszeit von 24 Tagen zu Protactinium-234 . zerfällt
  • welches durch Beta-Emission mit einer Halbwertszeit von 1,2 Minuten zu Uran-234 . zerfällt
  • welches durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 240.000 Jahren zu Thorium-230 . zerfällt
  • welches durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 77.000 Jahren zu Radium-226 . zerfällt
  • welches durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 1,6 Tausend Jahren zu Radon-222 zerfällt
  • welches durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 3,8 Tagen zu Polonium-218 . zerfällt
  • welches durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 3,1 Minuten zu Blei-214 . zerfällt
  • welches durch Beta-Emission mit einer Halbwertszeit von 27 Minuten zu Wismut-214 . zerfällt
  • welches durch Beta-Emission mit einer Halbwertszeit von 20 Minuten zu Polonium-214 . zerfällt
  • welches durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 160 Mikrosekunden zu Blei-210 . zerfällt
  • welches durch Beta-Emission mit einer Halbwertszeit von 22 Jahren zu Wismut-210 . zerfällt
  • welches durch Beta-Emission mit einer Halbwertszeit von 5 Tagen zu Polonium-210 . zerfällt
  • welches durch Alpha-Emission mit einer Halbwertszeit von 140 Tagen zu Blei-206 zerfällt, einem stabilen Nuklid.

Einige Radionuklide können verschiedene Zerfallspfade haben. Zum Beispiel zerfallen ungefähr 36% von Wismut-212 durch Alpha-Emission zu Thallium-208, während ungefähr 64% von Bismut-212 durch Beta-Emission zu Polonium-212 zerfallen . Sowohl Thallium-208 als auch Polonium-212 sind radioaktive Tochterprodukte von Bismut-212 , und beide zerfallen direkt zu stabilem Blei-208 .

Gefahrenwarnzeichen

Siehe auch

Radioaktiv.svg Kerntechnikportal PhysikportalStilisiertes Atom mit drei Bohrschen Modellbahnen und stilisiertem Nucleus.svg 

Anmerkungen

Verweise

Im Einklang

Allgemein

Externe Links