Alphazerfall

Alphazerfall ist eine Kernumwandlung, bei der ein schwerer instabiler Kern ein Alphateilchen, also einen Helium-4-Kern, emittiert. Die Bilanz von A und Z ist einfach, doch hinter dem Zerfall stehen Energieerhaltung, Rückstoß und quantenmechanisches Tunneln.

Die Kernbilanz

Ein Alphateilchen enthält zwei Protonen und zwei Neutronen. Hat der Mutterkern die Massenzahl A und die Ordnungszahl Z, besitzt der Tochterkern A − 4 und Z − 2.

Mutterkern → Tochterkern + Alpha.

(A, Z) → (A − 4, Z − 2) + Helium-4-Kern.

Damit lässt sich das Tochterelement sofort bestimmen: Eine Verringerung von Z um zwei verschiebt zwei Plätze nach links im Periodensystem. Nukleonenzahl und elektrische Ladung sind in der Gleichung ausgeglichen.

Eine Alphaemission entfernt vier Nukleonen und zwei Einheiten Kernladung. Der Tochterkern gehört zu einem anderen Element.

Wohin die frei werdende Energie geht

Ist die gesamte Ruhemasse der Produkte kleiner als die des Mutterkerns, erscheint die Differenz als frei werdende Energie. Im Ruhesystem des Mutterkerns erhalten Tochterkern und Alphateilchen gleich große, entgegengesetzte Impulse. Da der Tochterkern viel schwerer ist, trägt das Alphateilchen den größten Teil der kinetischen Energie.

Bei Übergängen zwischen wohldefinierten Kernzuständen liegen Alphaenergien nahe diskreten Werten. Ihre Messung kann deshalb Radionuklide identifizieren und Informationen über die Kernniveaustruktur liefern.

Das Alphateilchen muss die gesamte Barriere nicht klassisch übersteigen. Quantentunneln verleiht ihm eine endliche Wahrscheinlichkeit, den Kern zu verlassen.

Warum ein positiver Q-Wert trotzdem eine lange Halbwertszeit erlauben kann

Eine Energiefreisetzung zeigt, dass der Zerfall energetisch möglich ist; sie sagt nichts darüber aus, wie schnell er abläuft. Der alphaähnliche Cluster muss die elektrostatische Barriere um den Tochterkern durch Tunneln passieren. Die Tunnelwahrscheinlichkeit reagiert äußerst empfindlich auf die Alphaenergie, sodass kleine Energieänderungen gewaltige Unterschiede in der Halbwertszeit verursachen können.

Wechselwirkung mit Materie

Alphateilchen sind relativ schwer und tragen die Ladung +2e. Durch Ionisation verlieren sie in Materie rasch Energie und haben deshalb eine kurze Reichweite im Vergleich zu Betateilchen oder Gammaphotonen. Die geringe Reichweite macht nicht jede Alphaquelle harmlos: Entscheidend sind der Ort des radioaktiven Stoffes und die räumliche Energiedeposition. Eindringvermögen und biologische Wirkung sind unterschiedliche Fragen.

Durchgerechnete Beispiele

1. Eine Alphazerfallsgleichung ergänzen

Uran-238 besitzt A = 238 und Z = 92. Nach Alphaemission gelten A = 234 und Z = 90; der Tochterkern ist Thorium-234.

2. Erhaltung prüfen

Für einen Mutterkern mit A = 226 und Z = 88 muss der Tochterkern A = 222 und Z = 86 besitzen. Das emittierte Alphateilchen liefert A = 4 und Z = 2, sodass die ursprünglichen Summen wieder erreicht werden.

3. Rückstoßenergien vergleichen

Alphateilchen und Tochterkern haben gleich große Impulse. Bei gleichem Impuls ist die kinetische Energie für die kleinere Masse größer; daher erhält das viel leichtere Alphateilchen den größten Anteil der kinetischen Energie.