Radioaktive Elemente: instabile Kerne und ihre Strahlung

Viele Elemente im Periodensystem sind instabil. Ihre Atomkerne enthalten eine ungünstige Kombination aus Protonen und Neutronen und zerfallen spontan unter Aussendung von Strahlung. Diesen Vorgang nennt man Radioaktivität. Er ist kein Phänomen exotischer Laborelemente, sondern ein natürlicher Teil der Physik, der überall um uns vorkommt.

Was macht einen Kern instabil?

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Protonen stoßen sich aufgrund ihrer gleichnamigen positiven Ladung ab. Die Kernkraft, die auf sehr kurze Reichweiten wirkt, hält den Kern zusammen. Bei leichten Elementen ist das günstigste Verhältnis von Neutronen zu Protonen etwa 1:1. Bei schwereren Elementen braucht man immer mehr Neutronen, um die zunehmende Protonenabstoßung zu kompensieren.

Ab Ordnungszahl 84 (Polonium) gibt es kein stabiles Nuklid mehr. Alle Kerne mit 84 oder mehr Protonen sind zu groß, um dauerhaft stabil zu bleiben. Sie zerfallen über verschiedene Wege.

Zerfallsarten

Alphazerfall: Der Kern emittiert ein Alphateilchen, bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Das entspricht einem Heliumkern (He-4). Der Tochterkern hat damit die Ordnungszahl um 2 und die Massenzahl um 4 verringert. Alphateilchen haben nur geringe Reichweite und werden schon von einem Blatt Papier oder der äußeren Hautschicht gestoppt. Innerlich aufgenommene Alphastrahler sind jedoch sehr gefährlich.

Betazerfall: Beim Beta-Minuszerfall wandelt sich ein Neutron im Kern in ein Proton um und emittiert ein Elektron (Betateilchen) sowie ein Antineutrino. Beim Beta-Pluszerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron um, es wird ein Positron ausgesendet. Betastrahlung hat eine mittlere Reichweite und wird von wenigen Millimetern Aluminium abgeschirmt.

Gammazerfall: Nach Alpha- oder Betazerfall befindet sich der Tochterkern oft in einem angeregten Zustand. Er gibt die überschüssige Energie als kurzwellige elektromagnetische Strahlung (Gammastrahlung) ab. Gammastrahlung ist hochenergetisch und durchdringend. Zum Schutz sind dicke Bleischichten oder Betonwände notwendig.

Natürlich vorkommende radioaktive Elemente

Mehrere radioaktive Elemente kommen natürlich in der Erdkruste vor:

Uran (U, Ordnungszahl 92): Das schwerste natürlich vorkommende Element in nennenswerten Mengen. Uran-238 hat eine Halbwertszeit von 4,47 Milliarden Jahren und zerfällt über eine lange Zerfallsreihe schließlich zu stabilem Blei-206. Uran wird in Kernkraftwerken als Brennstoff eingesetzt.

Thorium (Th, Ordnungszahl 90): Thorium-232 ist mit einer Halbwertszeit von 14 Milliarden Jahren noch langlebiger als Uran-238. Es kommt in der Erdkruste häufiger vor als Uran und gilt als potenzieller Kernbrennstoff in zukünftigen Reaktoren.

Radium (Ra, Ordnungszahl 88): Ein Zerfallsprodukt von Uran. Marie Curie entdeckte Radium 1898 zusammen mit ihrem Mann Pierre. Radium-226 hat eine Halbwertszeit von 1600 Jahren. Historisch wurde Radium in Leuchtfarben verwendet, was zu schweren Erkrankungen bei Arbeiterinnen führte.

Radon (Rn, Ordnungszahl 86): Ein radioaktives Edelgas, das aus dem Zerfall von Radium entsteht. Radon tritt aus dem Boden aus und kann sich in schlecht belüfteten Kellern ansammeln. Es ist nach dem Rauchen die zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs in Deutschland.

Kalium-40: Auch leichtere Elemente haben radioaktive Isotope. Kalium kommt in der Natur zu 0,012 Prozent als radioaktives Kalium-40 vor. Da Kalium in jedem menschlichen Körper enthalten ist, sind alle Menschen schwach radioaktiv.

Künstlich erzeugte Elemente

Alle Elemente ab Ordnungszahl 93 (Neptunium) kommen in der Natur nicht oder nur in Spuren vor. Sie werden in Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigern synthetisiert. Diese Transurane zerfallen meist schnell. Oganesson (Og, Ordnungszahl 118), das schwerste bekannte Element, hat eine Halbwertszeit von nur wenigen Millisekunden.

Technetium (Tc, Ordnungszahl 43) und Promethium (Pm, Ordnungszahl 61) sind die einzigen Elemente unterhalb von Blei, die keine stabilen Nuklide besitzen.

Radioaktivität in Medizin und Technik

Trotz ihrer Gefährlichkeit sind radioaktive Elemente unverzichtbar:

Nuklearmedizin: Technetium-99m ist das am häufigsten verwendete Radionuklid in der Diagnostik. Es emittiert Gammastrahlung mit einer kurzen Halbwertszeit von nur 6 Stunden und ermöglicht bildgebende Verfahren wie Szintigrafie und SPECT, ohne den Patienten dauerhaft zu belasten.

Krebstherapie: Kobalt-60 und Iod-131 werden in der Strahlentherapie eingesetzt. Iod-131 reichert sich bevorzugt in der Schilddrüse an und zerstört dort gezielt Tumorgewebe.

Altersbestimmung: Die Kohlenstoffdatierung (Radiokarbonmethode) nutzt das radioaktive Isotop Kohlenstoff-14 mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren, um das Alter organischer Materialien zu bestimmen.

Kernenergie: Uran-235 und Plutonium-239 werden in Kernkraftwerken als Brennstoff genutzt. Kontrollierte Kettenreaktionen erzeugen Wärme, die zu Strom umgewandelt wird.

Das Periodensystem zeigt im Bereich der schweren Elemente eine Welt jenseits der stabilen Materie, in der Kerne zerfallen und Energie freisetzen. Radioaktivität ist keine Ausnahme, sondern eine fundamentale Eigenschaft der Materie.