Arten und Eigenschaften radioaktiver Strahlung einfach erklärt

In vielen Filmen bekommen Superhelden ihre Kräfte durch radioaktive Strahlung. In der Realität verleiht uns Strahlung zwar keine Superkräfte, aber sie ist dennoch eine faszinierende und mächtige Naturerscheinung.

Überall um uns herum gibt es Atome, deren Kerne instabil sind. Um stabil zu werden, senden sie unsichtbare Energie und winzige Teilchen aus. Diese Strahlung ist so energiereich, dass sie andere Atome verändern kann (man nennt das „ionisieren“). In dieser Lektion schauen wir uns an, welche drei Arten von Strahlung es gibt, woraus sie bestehen und wie wir uns ganz einfach davor schützen können.

Vorwissen

• Aufbau des Atoms: Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle.

  Beispiel: Der Atomkern enthält positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen. In der Hülle kreisen die negativ geladenen Elektronen.

Aufgabentyp 1: Arten des radioaktiven Zerfalls

Wenn ein Atomkern instabil ist, möchte er einen stabileren Zustand erreichen. Dafür spuckt er Teile von sich selbst oder überschüssige Energie aus. Diesen Vorgang nennen wir radioaktiven Zerfall. Es gibt drei Hauptarten:

• Alpha-Zerfall ($\alpha$): Der Kern stößt ein Alphateilchen aus. Dieses Teilchen ist relativ groß und schwer. Es besteht genau aus 2 Protonen und 2 Neutronen (das entspricht dem Kern eines Heliumatoms).

• Beta-Zerfall ($\beta$): Hier passiert etwas Verrücktes im Kern: Ein Neutron wandelt sich plötzlich in ein Proton um! Dabei entsteht ein schnelles Elektron, das als Betateilchen aus dem Kern herausgeschossen wird.

• Gamma-Zerfall ($\gamma$): Nach einem Alpha- oder Beta-Zerfall hat der neue Kern oft noch zu viel Energie übrig. Diese überschüssige Energie wird als Gammastrahlung freigesetzt. Das ist kein Teilchen mit Masse, sondern reine, unsichtbare Energie (ähnlich wie Licht oder Röntgenstrahlung, nur viel stärker).

Aufgabentyp 2: Absorption radioaktiver Strahlung

Da die drei Strahlungsarten unterschiedlich groß sind und aus verschiedenen Dingen bestehen, werden sie von Materialien unterschiedlich stark abgebremst (absorbiert).

• Alphastrahlung: Weil Alphateilchen so groß und schwer sind, stoßen sie sofort mit den Atomen in der Luft oder in Materialien zusammen. Sie haben ein sehr geringes Durchdringungsvermögen und werden schon von einem einfachen Blatt Papier komplett gestoppt.

• Betastrahlung: Betateilchen (Elektronen) sind viel kleiner und schneller. Sie fliegen problemlos durch Papier hindurch. Um sie zu stoppen, benötigt man eine etwa $5 \text{ mm}$ dicke Aluminiumplatte.

• Gammastrahlung: Da diese Strahlung keine Masse hat, ist sie extrem durchdringend. Man kann sie fast nicht komplett stoppen. Man kann sie nur abschwächen. Dafür nutzt man dicke, schwere Materialien wie Blei. Eine bestimmte Schichtdicke aus Blei halbiert die Intensität der Strahlung (sie sinkt auf $50\ \%$).

Aufgabentyp 3: Abschirmung von Strahlung

Zweck: Wir untersuchen, welche Materialien die verschiedenen Strahlungsarten blockieren.

Materialien: Ein radioaktives Präparat (das alle drei Strahlungsarten aussendet), ein Geiger-Müller-Zählrohr, ein Blatt Papier, eine $5 \text{ mm}$ dicke Aluminiumplatte, dicke Bleiplatten.

⚠️ Sicherheitshinweis: Radioaktive Präparate dürfen nur mit einer langen Pinzette angefasst werden. Halte immer ausreichend Abstand und richte das Präparat niemals auf dich oder andere Personen.

Durchführung:

1. Stelle das Präparat in einem festen Abstand vor das Zählrohr und miss die Zählrate (Klicks pro Minute).

2. Stelle das Blatt Papier genau zwischen das Präparat und das Zählrohr.

3. Ersetze das Papier durch die Aluminiumplatte.

4. Ersetze die Aluminiumplatte durch die dicken Bleiplatten.

Beobachtung: Ohne Hindernis ist die Zählrate sehr hoch. Sobald das Papier dazwischen steht, sinkt die Zählrate spürbar. Mit der Aluminiumplatte sinkt sie noch weiter. Wenn die Bleiplatten aufgestellt werden, ist die Zählrate am niedrigsten, aber sie verschwindet nicht komplett.

Erklärung: Das Papier blockiert die Alphastrahlung erfolgreich. Das Aluminium blockiert zusätzlich die Betastrahlung. Das Blei schwächt die Gammastrahlung stark ab, lässt aber immer noch einen kleinen Teil hindurch.

Wichtige Erkenntnisse

• Alphastrahlung: Besteht aus Heliumkernen (2 Protonen, 2 Neutronen). Wird schon durch ein Blatt Papier gestoppt.

• Betastrahlung: Besteht aus schnellen Elektronen. Wird durch $5 \text{ mm}$ dickes Aluminium gestoppt.

• Gammastrahlung: Ist reine, masselose Energie. Wird durch dicke Bleiplatten abgeschwächt, aber nie ganz gestoppt.