Radioaktivität
Radioaktivität ist die spontane Umwandlung eines instabilen Atomkerns. Der Vorgang ist grundsätzlich probabilistisch: Für einen einzelnen Kern gibt es keine Uhr, die seinen Zerfallszeitpunkt vorhersagt. Eine große Population zeigt jedoch ein gut vorhersagbares mittleres Verhalten, das durch Zerfallskonstante und Halbwertszeit beschrieben wird.
Drei häufige Emissionen verändern Kerne auf unterschiedliche Weise
Beim Alphazerfall wird ein Helium-4-Kern emittiert; A nimmt um 4 und Z um 2 ab. Beim Beta-minus-Zerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt, wobei ein Elektron und ein Antineutrino entstehen: A bleibt gleich, Z steigt um 1. Bei der Gammaemission wird überschüssige Kernanregung als Photon abgegeben, ohne A oder Z zu ändern.
Die Aktivität zählt Zerfälle pro Zeiteinheit
A = λN
1 Becquerel (Bq) = 1 Zerfall pro Sekunde.
Die Aktivität hängt sowohl von der Zahl der vorhandenen instabilen Kerne als auch davon ab, wie groß ihre Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeit ist. Sie ist nicht identisch mit der Zählrate eines Detektors, der absorbierten Dosis oder der biologischen Wirkung.
Erhaltungssätze begrenzen jeden Zerfallsprozess
Elektrische Ladung, Gesamtenergie, Impuls und Drehimpuls müssen erhalten bleiben. Beim Betazerfall ist außerdem ein Neutrino oder Antineutrino beteiligt; ohne dieses Teilchen ließen sich die gemessenen Elektronenenergien und Impulsbilanzen nicht mit den Erhaltungssätzen vereinbaren.
Strahlungsart und Gefährdung sind verschiedene Fragen
Eindringtiefe, Ionisationsdichte, Energie, Expositionsweg und biologische Verteilung spielen gemeinsam eine Rolle. Alphateilchen werden außerhalb des Körpers leicht gestoppt, können aber Energie sehr dicht deponieren, wenn sich ein Alphastrahler im Körper befindet. Gammaphotonen dringen stärker ein; eine Gefährdung lässt sich dennoch nicht allein nach dem Namen der Strahlungsart ordnen.
Trenne Quelle, Strahlung und Detektor gedanklich voneinander. Die Aktivität einer radioaktiven Quelle wird durch ihre Kerne bestimmt. Die austretende Strahlung kann absorbiert oder gestreut werden, bevor sie einen Detektor erreicht, und der Detektor registriert nur einen Teil aller Ereignisse. Eine sinkende Zählrate kann daher durch radioaktiven Zerfall, geänderte Geometrie, zusätzliche Abschirmung oder Detektoreffekte verursacht sein; vor der Deutung muss die physikalische Ursache geklärt werden.
Durchgerechnete Beispiele
1. Tochterkern beim Alphazerfall
Beim Alphazerfall von Uran-238 (²³⁸₉₂U) werden A = 234 und Z = 90: Der Tochterkern ist Thorium-234.
2. Tochterkern beim Beta-minus-Zerfall
Beim Beta-minus-Zerfall von Kohlenstoff-14 bleibt A = 14, während Z von 6 auf 7 steigt. Es entsteht Stickstoff-14.
3. Aktivität
Für λ = 2,0×10⁻⁵ s⁻¹ und N = 3,0×10⁸ gilt A = λN = 6,0×10³ Bq.