Radioaktivität

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir machen heute weiter mit der Atomphysik und wollen uns mal die Radioaktivität ein bisschen genauer ansehen. Wir lernen heute, was Radioaktivität ist, wie sie entdeckt wurde, wie Radioaktivität entsteht, wie so ein radioaktiver Zerfall eigentlich abläuft, welche Arten von Zerfall es gibt und was eine Isotopentafel ist und was ich mit ihr anfangen kann. Es ist sinnvoll, wenn ihr für diesen Film bereits die Filme über das Periodensystem, in dem erklärt wird, was Isotope sind und wie man sie schreibt, sowie den Film über den Atomkern gesehen habt, in dem erklärt wird, wie der zusammenhält. Es ist aber kein Drama, falls ihr es nicht gesehen habt. Ich wiederhole es gleich noch mal kurz. So, dann wollen wir noch mal kurz die Grundlagen aus den letzten Filmen wiederholen, die wir für diesen Film brauchen. Wir wissen, dass Atome aus Kern und Hülle bestehen, wobei der Kern aus den neutralen Neutronen und den positiv geladenen Protonen aufgebaut ist. Die Hülle des Atoms besteht nur aus Elektronen und ist sehr viel größer. Im letzten Video haben wir gelernt, dass der Atomkern von der starken Wechselwirkung zusammengehalten wird, obwohl zwischen den positiv geladenen Protonen coulombsche Abstoßung besteht. Eine schlechte Balance zwischen Protonen und Neutronen führt zu einem instabilen Kern, also zu Radioaktivität. Und die wollen wir uns heute genauer ansehen. Außerdem haben wir schon gehört, dass es verschiedene Versionen desselben Elements gibt mit verschiedenen Massenzahlen, also verschiedenen Neutronenanzahlen. Diese Variationen nennt man Isotope. So, dann wollen wir doch endlich mal anfangen. Und zwar am besten mit der einfachsten Frage: Was ist eigentlich Radioaktivität? Radioaktivität nennt man den Vorgang, bei dem instabile Atomkerne von alleine zerfallen, - unter Aussendung einer Strahlung - um sich in etwas Stabileres zu verwandeln. Über diese Strahlung wurde die Radioaktivität auch entdeckt. Daher kommt auch ihr Name. "Radius" ist lateinische für den "Strahl". Jetzt fragt ihr euch sicher, wer hat sie denn eigentlich entdeckt, die Radioaktivität. Falls nicht, erzähle ich euch es natürlich trotzdem. Es war Henrie Bequerel. Und wie bei so vielen physikalischen Entdeckungen war auch hier ca. 87% Dusel im Spiel. Bequerel untersuchte Uransalzproben, die ein seltsames Leuchten von sich gaben. Eines Abends ging er nach Hause und über Nacht ließ er aus Versehen eingepackte fotografische Platten auf seinen Uransalzproben liegen. Als er am Morgen wiederkam, stellte er fest, dass seine fotografischen Platten belichtet waren, obwohl sie über Nacht eingepackt gewesen waren. Nach kürzerer Überlegung und wahrscheinlich, nachdem er all seine Laborassistenten gründlich verhört hatte, kam Bequerel zu dem Entschluss, dass es hier anscheinend eine Strahlung geben muss, die man nicht sehen kann, die aber in der Lage ist, durch lichtundurchlässiges Material hindurchzuscheinen. Im selben Institut in Paris arbeitete auch das berühmte Wissenschaftlerehepaar Pierre und Marie Curie. Die beiden untersuchten die neu gefundene Strahlung und fanden nicht nur in den nächsten zwei Jahren drei weitere radioaktive Elemente, nämlich Thorium, Radium und Polonium, sie erklärten auch als Erste richtig, dass die Radioaktivität eine Eigenschaft des Atomkerns sein müsste. In ihrer Arbeit über ihre Forschungsergebnisse verwendete Marie Curie auch als Erste den Begriff Radioaktivität. Sie ist übrigens die einzige Frau, die zweimal den Nobelpreis gewonnen hat - einmal für Physik und einmal für Chemie. So, genug Geschichte für heute und zurück zu den praktischen Dingen. Wie entsteht eigentlich Radioaktivität? Wie wir wissen, sind Protonen positiv geladen. Sie stoßen sich also ab wegen der Coulombkraft. Im Kern wirkt allerdings noch eine zweite Kraft, die sogenannte starke Wechselwirkung oder Kernkraft. Diese zeiht Kernbauteile - also Protonen oder Neutronen - zueinander hin, solange sie nur nah genug beieinander sind. Zeichnen wir die beiden Kräfte doch einmal in unser Beispiel ein, dem Heliumkern. In Rot seht ihr die Coulomb-Wechselwirkung, die die beiden Protonen voneinander wegtreibt, und in Grün die starke Wechselwirkung, die alle Kernbauteile miteinander verbindet. Es ist die Balance zwischen diesen beiden Kräften, die den Atomkern stabil hält. So, dieser Heliumkern ist ja einigermaßen übersichtlich. Was passiert aber, wenn ich etwas deutlich Größeres nehme, wie zum Beispiel diesen hier? Wie ihr euch vorstellen könnt, sind in einem solchen Kern deutlich größere Kräfte am Werk. Je schwerer ein Kern ist, kann man generell sagen, desto leichter wird er instabil. Zusammenfassend kann man also sagen: Wenn ein Atomkern zu viele Protonen hat, zu viele Neutronen hat oder einfach nur zu schwer ist, dann wird er wahrscheinlich radioaktiv sein. Da dieses Kräfteungleichgewicht dem Atomkern - nennen wir es mal - unangenehm ist, versucht er es durch einen Zerfall zu beseitigen. Wann genau dieser Zerfall stattfindet, lässt sich jedoch nicht vorhersagen. Je unangenehmer die Situation, also je größer das Ungleichgewicht ist, desto schneller wird zwar der Zerfall stattfinden, eine genaue Zeit kann man jedoch nicht voraussagen. In langwierigen Testzyklen hat man jedoch für die meisten radioaktiven Materialien relativ genau die sogenannte Halbwertszeit bestimmt. Sie gibt an, wie viel Zeit vergeht, bevor die Hälfte eines bestimmten Materials zerfallen ist. Ich möchte euch das ganze einmal auf einer Isotopentafel zeigen. So wie das Periodensystem der Elemente eine Landkarte aller bekannten Elemente ist, ist die Isotopentafel eine Landkarte aller bekannten Kerne. Das heißt natürlich erst mal, dass sie noch viel unübersichtlicher ist. Sie hängt meistens im Physiksaal an der Wand - zumindest bei uns - und sieht aus wie eine Art schlecht gezeichneter Fisch. Ich habe euch eine mitgebracht, auf der die Halbwertszeiten aller Elemente eingetragen sind. Jeder Punkt auf der Karte steht für ein Isotop. Auf der x-Achse seht ihr die Protonenzahl, auf der y-Achse die Neutronenzahl und je nach Halbwertszeit hat der Punkt eine bestimmte Farbe. Rechts sehr ihr eine Farbskala, in der die Halbwertszeit eingetragen ist. Stabile Kerne sind schwarz eingezeichnet, langlebige Kerne rot und die blauen Kerne zum Beispiel sind sehr, sehr kurzlebig. Wenn ihr euch die Isotopentafel mal mit zusammengekniffenen Augen anseht, sieht das Ganze vielleicht so aus wie eine lang gestreckte Insel im Meer. Dieses Bild ist gar nicht so schlecht. Stellt euch vor, auf jedem Feld steht ein Mensch und es kommt die Flut. Diejenigen, die weiter draußen sind, versuchen natürlich deutlich schneller zum stabilen Gebirgszug in der Mitte - in unserer Karte die schwarzen Atome - zu kommen als die, die eh schon nah dran sind. Je weiter die Kerne also von der stabilen Gleichgewichtssituation entfernt sind, desto eiliger haben sie es mit ihren Zerfällen. So, nun wollen wir doch mal unter die Lupe nehmen, was eigentlich passiert bei so einem radioaktive Zerfall. Viele Leute denken bei Radioaktivität zuerst an Kernspaltung. Das ist jedoch nicht das Gleiche. Es gibt zwar auch einige sehr schwere Atomkerne, die sich wirklich in zwei Teile spalten, meistens braucht es dazu aber wie im Bild links ein Anstoß von außen. Normalerweise zerfällt ein radioaktives Material in vielen kleinen Schritten, bis es irgendwann einen stabilen Kern erreicht hat, bei dem es dann bleibt. Links seht ihr einen Ausschnitt einer Isotopenkarte ohne Beschriftung, in die wir jetzt einmal einzeichnen wollen, welche Zerfallsarten es eigentlich gibt. Nach links wird die Protonenzahl kleiner und nach unten die Neutronenzahl. In welche Richtung unser Kern genau wandern muss, hängt davon ab, wo er in der Isotopenkarte sitzt. Wir wollen jetzt erst mal alle möglichen Schritte nacheinander ansehen. Die ersten drei Strahlungsarten, die man gefunden hat, nannte man einfach Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Das ist griechisch für A, B und C. Beim Alphazerfall wird ein sogenanntes Alpha-Teilchen - 2 Protonen und 2 Neutronen, was einem Heliumkern entspricht - aus dem Atomkern abgestrahlt. Beim Betazerfall gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten. Entweder wird ein Positron - das ist quasi ein Elektron nur mit positiver Ladung, das sogenannte Antiteilchen des Elektrons - aus dem Kern herausgeworfen, wobei ein Proton zum Neutron wird. Diesen Zerfall nennt man Beta-Plus-Zerfall. Genauso kann aber auch ein Elektron aus dem Kern geworfen werden, wobei ein Neutron zum Proton wird. Diesen Zerfall nennt man Beta-Minus-Zerfall. Nach der Alpha- und Betastrahlung kommen wir damit zur Gammastrahlung. Die Gammastrahlung besteht aus energiereichen Photonen, also Lichtteilchen.Man fand relativ schnell heraus, dass sich bei der Gammastrahlung im Kern eigentlich überhaupt nichts tut. Obwohl sie, wegen ihrer hohen Reichweite, für die meisten Anwendungen die wichtigste radioaktive Strahlung ist, - und übrigens auch die gefährlichste - ist sie nur eine Begleiterscheinung der anderen Zerfälle. Damit haben wir die drei wichtigsten Zerfallprodukte abgehakt. Man fand zwar später heraus, dass es auch noch andere Zerfallsarten gibt, zum Beispiel können Protonen oder Neutronen direkt aus dem Kern geschossen werden, mit der Alpha-, Beta- und Gammastrahlung haben wir aber schon die häufigsten Zerfallprodukte aufgeführt. So, zum Schluss wollen wir uns jetzt noch einmal ansehen, wie wir auf einer Isotopentafel eine Zerfallsreihe rausbekommen. Hier seht ihr eine Isotopentafel. Da es eh schon eine ganze Menge Elemente gibt und noch mal deutlich mehr Isotope, ist das Ding natürlich ganz schön unübersichtlich. Deswegen zeig ich euch hier erst einmal einen Ausschnitt. Wie auch auf der anderen Isotopentafel steht das schwarz hier für stabile Kerne. Die anderen Farben bedeuten allerdings hier nicht die Halbwertszeit, sondern welche Zerfallsart für das jeweilige Isotop typisch ist. In unserer Tafel hier steht gelb für einen Alphazerfall, blau für den Beta-Plus-Zerfall und rosa für den Beta-Minus-Zerfall. Wir nehmen mal als Beispiel Polonium 215 und versuchen unsere gerade gelernten Zerfallsschritte anzuwenden. Polonium 215 ist gelb eingezeichnet. Es handelt sich also um einen Alphazerfall. Wir gehen zwei Felder nach unten und zwei nach links und finden uns wieder bei Blei 211. Blei 211 ist ebenfalls radioaktiv, es wird also weiterzerfallen. Es handelt sich diesmal aber nicht um einen Alphazerfall, sondern - da Blei 211 rosa ist - um einen Beta-Minus-Zerfall. Beim Beta-Minus-Zerfall verwandelt sich ein Neutron in ein Proton. Wir müssen also eins nach links und eins nach oben. Vorsicht: Auf unserer alten Isotopentafel von gerade eben mussten für den Beta-Minus-Zerfall eins nach rechts und eins nach unten, da die Protonen- und Neutronenachsen vertauscht waren. Achtet darauf, welche Karte ihr habt. Die Beschriftung der Achsen ist nicht einheitlich. Wir gehen also eins nach links und eins nach oben und landen bei Bismut 211. Bismut 211 ist wieder radioaktiv und diesmal wieder ein Alphastrahler. Wir können also gleich weiterspringen - zwei nach links, zwei nach unten - und landen beim nächsten Element. Unsere nächste Station ist also Thallium 207. Thallium 207 ist wieder radioaktiv und auch ein Beta-Minus-Strahler. Wir springen also erneut weiter mit einem erneuten Beta-Minus-Zerfall - eins nach links und eins nach oben - und kommen bei Blei 207 an, das stabil ist. Polonium 215 zerfällt also über drei Zwischenstationen zu Blei 207. Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Die Radioaktivität ist eine Eigenschaft des Atomkerns. Sie wurde entdeckt von Henrie Bequerel und richtig erklärt von Marie Curie. Radioaktivität entsteht durch ein Kräfte-Ungleichgewicht im Kern. Ist ein Kern sehr schwer oder hat ein ungünstiges Verhältnis von Protonen zu Neutronen, dann folgt Radioaktivität. Radioaktive Kerne zerfallen in kleinen Schritten, bis sie bei einem stabilen Endkern angekommen sind. Es gibt mehrere verschiedene Zerfallsarten, die wichtigsten nennt man Alpha-, Beta- und Gammazerfall oder -strahlung. Sie werden wir uns im nächsten Video noch einmal genauer ansehen. Die Isotopentafel ist eine Landkarte aller bekannten Isotope. Mit ihrer Hilfe kann man die Zerfallsreihen radioaktiver Kerne herausfinden. So, das war's für heute. Vielen Dank fürs Zuschauen. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielleicht bis zum nächsten Mal. Einen schönen Tag euch. Tschüss.