Radioaktivität und Halbwertszeit
Du lernst Alpha-, Beta- und Gammastrahlung kennen, berechnest radioaktiven Zerfall mit der Halbwertszeit und erfährst, wie die Radiokarbonmethode funktioniert.
Das Wichtigste verständlich erklärt
Manche Atomkerne sind instabil. Sie zerfallen von selbst und senden dabei Strahlung aus. Diese Eigenschaft heißt Radioaktivität. Entdeckt wurde sie 1896 von Henri Becquerel, Marie und Pierre Curie erforschten sie weiter.
Aufbau des Atomkerns
Ein Atomkern besteht aus Protonen (positiv) und Neutronen (ungeladen). Die Zahl der Protonen bestimmt das Element. Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl heißen Isotope, zum Beispiel Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14.
Strahlungsarten
| Art | Was wird ausgesandt? | Abschirmung |
|---|---|---|
| Alpha (α) | Heliumkern (2 Protonen, 2 Neutronen) | ein Blatt Papier, wenige cm Luft |
| Beta (β⁻) | Elektron aus dem Kern (ein Neutron wird zum Proton) | wenige Millimeter Aluminium |
| Gamma (γ) | energiereiche elektromagnetische Strahlung | dicke Blei- oder Betonschicht, nie ganz |
Beim Alphazerfall sinkt die Kernladungszahl um 2 und die Massenzahl um 4. Beim Betazerfall steigt die Kernladungszahl um 1, die Massenzahl bleibt.
Halbwertszeit
Wann ein einzelner Kern zerfällt, lässt sich nicht vorhersagen. Für viele Kerne gilt aber ein festes Gesetz: Nach der Halbwertszeit T½ ist die Hälfte der Kerne zerfallen.
N(t) = N₀ · (½)^(t : T½)
| Isotop | Halbwertszeit |
|---|---|
| Iod-131 | etwa 8 Tage |
| Cäsium-137 | etwa 30 Jahre |
| Kohlenstoff-14 | etwa 5 730 Jahre |
| Uran-238 | etwa 4,5 Milliarden Jahre |
Radiokarbonmethode
Lebewesen nehmen ständig Kohlenstoff auf, darunter einen festen Anteil C-14. Nach dem Tod zerfällt C-14, ohne nachgeliefert zu werden. Aus dem verbliebenen Anteil kann man das Alter von Holz, Knochen oder Stoffen bis etwa 50 000 Jahre bestimmen.
Wirkung und Schutz
Ionisierende Strahlung kann Zellen und Erbgut schädigen. Schutzregeln: Abstand halten, Aufenthaltsdauer kurz halten, abschirmen. In der Medizin wird Strahlung gezielt eingesetzt, etwa in der Krebstherapie und der Diagnostik.
Merke
Alpha: Heliumkern, Beta: Elektron aus dem Kern, Gamma: energiereiche Strahlung. Nach jeder Halbwertszeit ist die Hälfte der Kerne zerfallen: N = N₀ · (½)^(t/T½).
Beispiele mit Lösungsweg
Beispiel 1
- 24 Tage sind 3 Halbwertszeiten.
- 80 mg → 40 mg → 20 mg → 10 mg
Ergebnis Es sind noch 10 mg vorhanden.
Beispiel 2
- 25 % = ¼ = (½)², also 2 Halbwertszeiten
- 2 · 5 730 Jahre
Ergebnis etwa 11 460 Jahre
Aufgaben zum Üben
Welcher Anteil ist nach 5 Halbwertszeiten noch übrig?
Lösung anzeigen
(½)⁵ = 132 ≈ 3,1 %
Welche Strahlung lässt sich schon mit Papier abschirmen?
Lösung anzeigen
Alphastrahlung.
Wie viel von 1 000 Kernen Cäsium-137 ist nach 90 Jahren noch vorhanden?
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90 Jahre sind 3 Halbwertszeiten: 1 000 · 18 = 125.
Wie verändert sich ein Kern beim Betazerfall?
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Ein Neutron wandelt sich in ein Proton um, die Kernladungszahl steigt um 1.
Fehler, die Punkte kosten
Es wird angenommen, dass nach zwei Halbwertszeiten alles zerfallen ist.
Nach zwei Halbwertszeiten ist noch ein Viertel übrig, nach drei ein Achtel.
Gammastrahlung wird für vollständig abschirmbar gehalten.
Sie wird durch Blei stark geschwächt, aber nie vollständig aufgehalten.
Hinweis zur Klassenstufe
Wir ordnen das Thema Klasse 10 zu, weil es dort in den meisten Lehrplänen vorkommt. Bei dir kann die Reihenfolge abweichen.