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Mit dem Wort Strahlung assoziieren die meisten Menschen Gefahr und Schädlichkeit. Wusstest Du, dass es aber auch möglich ist, bestimmte Strahlung mit einem normalen Blatt Papier abzuschirmen? Diese Strahlung kann im Haushalt oder in der Medizin auch nützlich eingesetzt werden. Die Strahlungsart, von der hier die Rede ist, ist die Alphastrahlung.
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Team Alphastrahlung Lehrer
In der Kernphysik reden wir über verschiedene Arten der ionisierenden Strahlung. Die ionisierende Strahlung wird nämlich in Teilchen- und elektromagnetische Strahlung unterteilt.
Ionisierende Strahlungen besitzen die Fähigkeit, Elektronen aus der Hülle von anderen Atomen zu lösen. Das zurückgebliebene Atom ist dadurch positiv geladen und wird als ionisiert bezeichnet.
Die Alphastrahlung ist eine Art der ionisierenden Strahlung, genauer gesagt ist sie eine hochenergetische Teilchenstrahlung. Wenn Du noch mehr über Ionisierende Strahlung erfahren möchtest, schau Dir doch die Erklärung zu diesem Thema an.
Neben der Alphastrahlung gibt es nur die Betastrahlung, mit der Beta-Minus und Beta-Plus Strahlung, als Teilchenstrahlung. Mehr zu den beiden Arten der Betastrahlung erfährst Du in der entsprechenden Erklärung.
Bei der Alphastrahlung oder auch α-Strahlung zerfällt der Atomkern eines Atoms und entsendet ein Alphateilchen. Dieses Alphateilchen ist ein Heliumkern, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen.
Ein Atomkern, der Alphastrahlung aussendet, heißt Alphastrahler. Klassische Alphastrahler sind Radium und Uran.
Es kommt dann zum Alphazerfall, wenn der Atomkern des zerfallenden Nuklids instabil ist. Ein Atomkern gilt dann als instabil, wenn die Bindungskräfte im Atomkern nicht ausreichen, um die Protonen und Neutronen zusammenzuhalten.
Der Atomkern stößt einige Protonen und Neutronen ab, um einen stabileren Zustand zu erreichen. Wenn Du mehr über den Kernzerfall wissen willst, dann schau Dir die Erklärung zu diesem Thema an.
Wenn der Atomkern von Radium-226 zerfällt, bleiben am Ende zwei Produkte übrig. Das Alphateilchen, also der Heliumkern, und ein Radon-Kern mit der Massenzahl 222. Die Summe der Protonen und Neutronen bleibt also bei der Kernreaktion gleich, nur wird die Anzahl nun auf zwei Atome unterteilt. Neben den beiden neuen Atomen wird auch Energie bei diesem Prozess freigegeben.
Diesen gesamten Prozess kannst Du auch als chemische Reaktionsgleichung angeben:
\[ Ra^{226}_{88}\rightarrow Rn^{222}_{86}+He^{4}_{2}+\Delta E\]
Aus dem Radiumatomkern wird ein Radonkern und ein Heliumkern. Der Heliumkern, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, wird vom ursprünglichen Atomkern abgezogen. Das, was übrig bleibt, ist der neue Atomkern. Für den Alphazerfall kannst Du generell folgende Formel verwenden.
Die allgemeine Definitionsgleichung für die chemische Reaktion beim Alphazerfall lautet:
\[ X^{A}_{Z}\rightarrow Y^{A-4}_{Z-2}+He^{4}_{2}+\Delta E\]
Von der Massenzahl A wird vier abgezogen und von der Ordnungszahl Z werden zwei abgezogen.
Durch die Abstrahlung eines Heliumkerns werden auch die Eigenschaften der Strahlung weitestgehend festgelegt.
Die Alphastrahlung ist eine Teilchenstrahlung mit hoher Masse im Vergleich zu anderen Strahlungsarten. Auch ist die Alphastrahlung nicht, wie die Beta oder die Gammastrahlung durch ein Geiger Müller Zählrohr nachweisbar. Wenn Du mehr über dieses Gerät zum Nachweis von ionisierender Strahlung wissen willst, kannst Du mehr zu diesem Thema in der zugehörigen Erklärung erfahren.
Willst Du aber die Alphastrahlung nachweisen, dann solltest Du am besten einen Teilchendetektor verwenden.
Die Ladung der Alphastrahlung ist immer gleich.
Das Alphateilchen, welches vom Atomkern abgestoßen wird, ist ein Heliumkern mit zwei Protonen und zwei Neutronen. Die Neutronen sind elektrisch neutral geladen, die Protonen sind positiv geladen. Daher ergibt sich für die Ladung von Alphateilchen:
Alphateilchen sind zweifach positiv geladen. Besitzen also eine Ladung gleich der zweifachen Elementarladung e.
\[ q_{\alpha} = 2 \cdot e = 3,2 \cdot 10^{-19} C \]
Mithilfe der Teilchenanzahl und deren konstanten Massen kannst Du die Masse des Alphateilchens bestimmen.
Die Masse von atomaren Teilchen, wie Protonen und Neutronen, wird mit der atomaren Masseneinheit u angegeben. Heliumkerne besitzen vier Teilchen, zwei Protonen und zwei Elektronen.
Das Alphateilchen besitzt die Masse \(m_{\alpha}= 4 \cdot u\). Diese Masse kannst Du auch genauer bestimmen, denn \(u= 1,661 \cdot 10^{-27} kg\). Somit gilt:
\[ m_{\alpha} = 4 \cdot u = 6,644 \cdot 10^{-27} kg \]
Trotz der hohen Masse besitzen die Alphateilchen eine geringe Durchschlagskraft. Sie können schon durch dünne Schichten an Material abgeschirmt werden, denn sie geben bei Zusammenstößen mit anderen Molekülen große Teile ihrer Energie ab.
Im Vergleich zu anderen Strahlungsarten sind die Alphateilchen sehr groß. Zusätzlich besitzen die Alphateilchen meist eine kinetische Energie von 2 bis 5 MeV. Bei Zusammenstößen mit anderen Molekülen geben Alphateilchen ihre Energie ab. Das bedeutet, je mehr Zusammenstöße das Alphateilchen mit anderen Molekülen hat, desto mehr Energie verliert es, genauer gesagt gibt es an die Stoßpartner ab.
Bei der Teilchendichte der Luft auf der Erdoberfläche stoßen die Alphateilchen so häufig mit Luftmolekülen zusammen, dass die Alphateilchen nur wenige Zentimeter weit kommen können. In höheren Teilen der Erdatmosphäre, wo die Teilchendichte geringer wird und weniger Luftmoleküle zu finden sind, können die Alphateilchen Kilometer weit reisen.
Die Abschirmung von Alphateilchen ist somit nicht kompliziert. Ein einfaches Blatt Papier reicht schon aus, um die Heliumkerne vom Durchdringen zu stoppen.
Ein normales Blatt Papier mit der Dichte \( 80 \frac{g}{cm^{3}}\), die es auch in Deinem Collegeblock gibt, sind gerade mal \(0,12 mm\) dick.
Beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen wird Energie freigesetzt. Die kinetische Energie der Alphateilchen besitzt immer ganz bestimmte Werte, die abhängig von den zerfallenden Nukliden (ein bestimmtes Atom mit abweichender Massenzahl) ist. Wenn die kinetischen Energien gemessen und in ein Diagramm eingetragen werden, erhältst Du ein Linienspektrum.
Das Diagramm zeigt Dir das Energiespektrum von Alphateilchen, welche durch verschiedene zerfallene Plutonium Nuklide entstanden sind. Jedes Nuklid löst Alphateilchen mit unterschiedlich großen Energien und sind dadurch klar voneinander unterscheidbar.
Ein Teilchendetektor registriert die Anzahl der Impulse, die auf der y-Achse festgehalten werden. Die Energien sind je nach zerfallenem Nuklid unterschiedlich hoch und lassen sich auf der x-Achse voneinander unterscheiden. Jede Linie des Spektrums stellt die Energien von Alphateilchen von unterschiedlichen Plutonium Nukliden dar. Die kleineren Ausschläge des Spektrums vor den großen Maxima sind Messfehler, die auftreten, wenn die Alphateilchen vor der Messung Energie durch Stöße mit anderen Teilchen abgeben.
Die Alphastrahlung ist für den Menschen meist ungefährlich. Die Reichweite der Alphastrahlung ist sehr begrenzt. Selbst wenn sie den Körper erreicht, reicht bereits die erste Hautschicht, um die Alphateilchen abzuwehren. Wenn ein Alphastrahler jedoch ins Körperinnere gelangt, kann die Alphastrahlung dort örtlichen Schaden anrichten und Zellen beschädigen oder töten.
Dennoch kann die Alphastrahlung gezielt in der Medizin bei der Behandlung helfen. Die geringe Reichweite im Körper hilft dabei, gezieltes Gewebe zu bestrahlen. Alphastrahlung wird häufig verwendet, um Ansiedlungen von Tumoren in Knochen zu bekämpfen (Knochenmetastasen).
Aber auch im Alltag finden Alphastrahler ihren Einsatz. In Rauchmeldern wird die Leitfähigkeit der von einem Alphastrahler (Americium-241) ionisierten Luft gemessen. Wenn Rauch entsteht, verringert sich die Leitfähigkeit der ionisierten Luft. Der Rauchmelder registriert diese Veränderung und schlägt Alarm.
\[ X^{A}_{Z}\rightarrow Y^{A-4}_{Z-2}+He^{4}_{2}+\Delta E\]
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Was passiert bei der Alphastrahlung?
Im Atomkern werden zwei Protonen und zwei Neutronen vom Atomkern getrennt und in Form eines Heliumkerns emittiert.
Was sind Alpha und Beta Strahlen?
Alpha und Betastrahlen gelten als Teilchenstrahlungen, die bei Kernumwandlungsprozessen entstehen. Bei der Alphastrahlung ist es ein Heliumkern und bei der Betastrahlung ist es ein Elektron oder ein Positron, welche aus dem Atomkern emittiert werden.
Wie gefährlich ist die Alphastrahlung für den Menschen?
Alphastrahlung ist in der Regel ungefährlich, weil sie schon mit einem einfachen Blatt Papier abschirmbar ist. Die Haut schützt also die Zellen vor der Alphastrahlung.
Wie kommt es zum Alphazerfall?
Ein instabiler Atomkern, welcher zu wenig Bindungskräfte besitzt, wird Protonen und Neutronen abstoßen, um in einen stabileren Zustand zu gelangen.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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