Physikalische & Chemische Grundlagen

Um die physikalischen Grundlagen der Radioaktivität zu verstehen, ist es zunächst einmal sinnvoll, sich ein Bild über die Größenordnung der vorkommenden Strukturen sowie des Zeitrahmens, in dem die Reaktionen erfolgen, zu machen. Die Bandbreite der Maßstäbe, die es dabei zu meistern gilt, ist gewaltig: Während der Durchmesser des heute sichtbaren Universums etwa 10⁺²⁶ Meter beträgt, gilt es im Reich der kleinsten Teilchen Fragestellungen zu ergründen, die sich auf Raumbereiche bis hinunter zu 10^-35 Metern beziehen. Strukturen, die sich über mehr als 10 Milliarden Jahre im Universum entwickelt haben, spielen ebenso eine Rolle wie physikalische Prozesse, die innerhalb von 10^-43 Sekunden ablaufen – also auf der Zeitskala, welche die Anfänge des Universums kennzeichnet.
Hier wird daher die Exponentialschreibweise in Verbindung mit den SI-Einheiten verwendet, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll:

Galaxien oder Galaxie-Haufen haben einen Durchmesser von bis zu 10²⁴ Metern, die Physik der Elementarteilchen hingegen erstreckt sich in Bereiche von 10^-20 Meter und kleiner. Ebenso gibt es riesige Zeitspannen, etwa von der Entstehung unsres Universums vor 10¹⁰ Jahren bis hin zu spontanen Realaxationsmechanismen in der Hochenergiephysik, die in zeitlichen Größenordnungen von 10^-24 Sekunden ablaufen.
Die für den Strahlenschutz primär relevante Abstände bewegen sich im Bereich von 10^-8–10^-9 m (Moleküle), 10^-10 m (Atome) bis hin zu 10¹⁵ m (Nukleonen) und 10^-18 m (Elementarteilchen).
Der zeitliche Rahmen erstreckt sich jedoch wieder über viele Größenordnungen, von der Halbwertszeit primordialer Radionuklide (t ½ >10⁹ a) bis hin zu Lebensdauer angeregter Zustände (t = 10^-12 s).

Bohr’sches Atommodell
Nachdem sich einige Phänomene der Physik / Chemie nicht mehr durch die Vorgängermodelle beschreiben ließen, wurde von Niels Bohr folgendes Modell eingeführt:

• Jedes Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle

• Der Atomkern hat einen Durchmesser von ca. 10^-14 m

• Der Kern trägt über 99,9% der Atommasse

• Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen und ist positiv geladen

• Die Anzahl der Protonen im Kern wird durch die Kernladungszahl Z wiedergegeben

• Die Kernladungszahl stimmt mit der Ordnungszahl im Periodensystem überein

• Da die Elektronenmasse zu vernachlässigen ist (m_e = 1/1836 m_p), setzt sich die Massenzahl des Atoms durch die Masse von Proton und Neutron zusammen (m_p ~ m_n)

• Die elektrische Ladung des Kerns erzeugt ein radialsymmetrisches elektromagnetisches Feld

• Die Atomhülle hat einen Durchmesser von 10^-10m und ist quasi masselos

• Der Kern befindet sich inmitten der Hülle

• Da Atome neutral sind, muß die Hülle aus elektrisch negativen Teilchen aufgebaut sein, den Elektronen

• Im neutralen Atom ist daher die Anzahl der Elektronen ebenfalls gleich Z

• Die Elektronen bewegen sich im Grundzustand auf ganz bestimmten Kreis-Bahnen (Schalen) strahlungslos ohne Energieverlust (Zentripedalkraft = Coulomb-Kraft)

• Jedes Elektron hat einen definierten Energiezustand

• Es gibt 7 Schalen, die von innen nach außen mit K, L, M, N, O, P, Q benannt werden

• Die Besetzung der Schalen erfolgt von innen (energiearm) nach außen (energiereich)

• Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen, die Maximalbesetzung wird durch 2·n2 wiedergegeben (n = Schalennummer; K=1...Q=7)

• Die äußerste Schale kann nie mehr als 8 Elektronen aufnehmen

Grundlage hierfür war, dass sich auf stationären Elektronenbahnen die elektromagnetische Anziehung der Coulomb-Kraft (FC) und das tangentiale Abriften der Elektronen hervorgerufen durch die Zentripetalkraft (FZP) gerade aufheben müssen. Eine Bedingung die hierfür erfüllt sein muß, ist, dass der Drehimpuls L der Elektronen ein ganzzahliges Vielfaches des Plank’schen Wirkungsquantums haben muß.

In der nächsten Abbildung rechts ist für ein Chlor-Atom die Projektion der Elektronenbahnen mit den dazugehörigen Elektronen veranschaulicht. Jedes Energieniveau ist andersfarbig gekennzeichnet. Auf der linken Seite sind die Schalen dreidimensional stilisiert. Sämtliche Elektronen bewegen sich auf einer ihrer Energie entsprechenden Kugelschale um den Kern.

Periodensystem der Elemente (PSE)
Von den derzeit etwa 114 bekannten Elementen sind genau 81 stabil und weitere zehn kommen in Form mehrer radioaktiver Isotope aufgrund der natürlichen Zerfallsreihen vor.

Full featuered PSE
Das in oben abgebildete Periodensystem (© GSI) der Elemente (oder kurz PSE) ist ein wichtiges Hilfsmittel in der Physik und Chemie. Es eine systematische Anordnung aller bekannten Elemente. Jedes Element (klassifiziert durch seine Ordnungszahl oder Protonenzahl) hat dort einen festen Platz. Da die „äußerste“ Schale maximal 8 Elektronen aufnehmen kann, wird immer dann, wenn diese voll aufgefüllt ist, eine neue Zeile begonnen. So stehen Alle Elemente, die die gleiche Elektronenkonfiguration besitzen untereinander. Dies ist insofern sinnvoll, weil in erster Näherung die jeweils äußere Schale verantwortlich für die chemischen Eigenschaften des Elements ist. Alle untereinander stehenden Elemente nennt man eine Gruppe, die Elemente einer Gruppe reagieren chemisch sehr ähnlich und bilden für die Gruppe charakteristische Ionen oder bilden in kovalenten Verbindungen eine spezifische Anzahl von Bindungsstellen. Im Folgenden soll ein kurzer überblick über die Hauptgruppen gegeben werden, Besonderheiten bei den Hauptgruppen, Nebengruppen und Lanthaniden/Actiniden werden hier aufgrund ihrer z.T. nicht trivialen Chemie übersprungen, eine umfassendere Abhandlung dieses Themengebiets ist in den Standardlehrbüchern der Chemie zu finden. Chemische Reaktionen beruhen im Allgemeinen darauf, dass alle Elemente versuchen, einen Zustand möglichst geringer Energie zu erreichen. Dies geschieht bei der Ionenbindung durch Aufnahme/Abgebe von genau so vielen Elektronen, bis alle beteiligten Elemente am Ende eine abgeschlossene Elektronenschale (8 Elektronen auf der Außenschale) besitzen; bei einer kovalenten Bindung „teilen“ sich mehrere Atome Elektronenpaare. Beispielsweise besitzt das Wasserstoff-Atom je ein Elektron, nach Ausbildung einer kovalenten Bindung zweier Wasserstoff-Atome entsteht ein Wasserstoff-Molekül H2. Beide Atome haben also partiell 2 oder 0 Elektronen (jeweils abgeschlossene Schale). Ebenso verhalten sich die Halogene sowie die anderen Nichtmetalle wie z.B. Gase (O2, N2) abgesehen von den Edelgasen. Um diese Bindungsart hinreichend genau beschreiben zu können, benötigt man das Orbitalmodell, deshalb sei hier darauf verzichtet. Neben diesen Bindungsarten gibt es noch die Metallbindungen und Koordinationsbindung, die hier der Vollständigkeit halber unkommentiert aufgeführt werden. Die erste Gruppe ist die Alkalimetall-Gruppe, bei den Elementen dieser Gruppe besetzt im Grundzustand jeweils ein Elektron die Außenschale. Um nun eine abgeschlossene Schale zu erreichen, könnte das Atom theoretisch noch 7 Elektronen aufnehmen (ist nicht möglich, da das Prinzip der Energieminimierung nicht gewährleistet wird) oder ein Elektron abgeben. Aus diesem Grunde kommen die Alkalimetalle in Verbindungen fast ausschließlich als einwertiges Kation (einfach positiv geladen) vor. Genau der umgekehrte Fall tritt bei den Halogenen auf. Ihnen fehlt noch ein Elektron zur abgeschlossenen Schale, sie treten im einfachsten Fall als einwertiges Anion (einfach negativ geladen) auf. Alkalis und Halogene bilden eine 1:1-Verbindung. Die zweite Gruppe sind die Erdalkalimetalle, sie haben ihrer Stellung im PSE zufolge zwei Elektronen auf der Außenschale und reagieren erwartungsgemäß unter Bildung zweifach positiv geladner Spezies. Ihr Pendant mit sechs Außenelektronen oder zwei „Elektronenlöchern“ ist die Sauerstoff-Gruppe. Die Erdmetalle bilden die dritte Gruppe. Die Atome der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gruppe kommen weniger in ionischer Form vor, sie bilden vermehrt kovalente Moleküle. Ein Beispiel hierfür ist CO₂. Die Struktur ist O=C=O, Der Kohlenstoff teilt sich mit je einem Sauerstoff zwei Elektronenpaare und formal haben dann alle Bindungspartner eine pseudo-abgeschlossene Außenschale. Die achte Gruppe, die Edelgase haben bereits eine abgeschlossene Elektronenschale und sind somit extrem reaktionsträge. Horizontal sind die Perioden aufgetragen, alle Elemente einer Periode besetzen die gleiche Außenschale. Auch hier sind detaillierte Sachverhalte den Standardwerken der Chemie zu entnehmen.

Strukturen im Atomkern
Wie bereits im vorigen Teil beschrieben ist die Anzahl der Protonen elementbestimmend, d.h. die Anzahl der Protonen ist maßgeblich, dafür, an welcher Stelle im Periodensystem das jeweilige Atom steht und dessen Elementnamen. Da jedoch aufgrund ihrer positiven Ladung die Protonen sich durch die selbe Coulomb-Kraft, die die Elektronen auf ihren „Bahnen“ um den Atomkern hält, abstoßen würden und so kein stabiles Element außer dem Wasserstoff geben würde, muss es noch andere Kräfte und Teilchen geben, die es ermöglichen, dass schwerere Elemente entstehen. Daher wurde das Neutron zunächst postuliert und später auch nachgewiesen. Es besitzt etwa die gleiche Masse wie das Proton, jedoch ist es neutral, also nicht geladen. Zusammengehalten werden diese Kernbausteine oder auch Nukleonen durch die sog. Starke Wechselwirkung. Diese Kraft vermag, die Coulomb-Abstoßung auch mehrerer Protonen zu kompensieren. Durch diese Kraft werden die Nukleonen gebunden und zu Atomen mit einem Durchmesser von 10^-14...10^-15m angeordnet. Die Reichweite der starken Wechselwirkung liegt im Bereich von 10^-15m und ist in den uns vertrauten Größenordnungen nicht zu beobachten. Ebenso verhält es sich mit der schwachen Wechselwirkung. Diese zweite fundamentale Kraft ist um 5 Größenordnungen schwächer als die starke Wechselwirkung, ihre Reichweite beträgt etwa 10^-3 fm und sie ist unter anderem für den β-Zerfall verantwortlich. Die Einzelheiten sollen hier nicht weiter besprochen werden, sie sind jedoch in jedem Standard-Lehrbuch der Kernphysik nachzuvollziehen. Die letzten beiden fundamentalen Wechselwirkungskräfte sind die Gravitation, die aufgrund ihrer relativen Stärke zur Starken Wechselwirkung von 10^-40 für kernphysikalische Phänomene zu vernachlässigen ist und die elektromagnetische Wechselwirkung, die unter Anderem bei der γ- und Röntgenstrahlung eine Rolle spielt, die aber auch dafür sorgt, dass unsere Funkgeräte, Wärmebildkameras oder auch Radaranlagen funktionieren. Im Wesentlichen ist die elektromagnetische Wechselwirkung etwa 100fach schwächer als die starke Wechselwirkung und hat unendlich große Reichweite. Im Wesentlichen bestehen die Atomkerne aus Protonen und Neutronen, die durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden. Bei einem Atomkern kann es jedoch vorkommen, dass es mehrere verschieden schwere Teilchen gibt, die aber ale die gleiche Kernladungszahl und somit Anzahl von Protonen haben. Hieraus folgt, dass sich die Anzahl der Neutronen in bestimmten Bereichen variieren lassen muss. Naiv gesehen kann man das Neutron als eine Art Kleber ansehen, ohne den die Protonen nicht zusammenbleiben würden, jedoch ist es auf der anderen Seite so, dass die starke Wechselwirkung aufgrund ihrer kurzen Reichweite keine mit beliebig viel Kleber (Neutronen) versetzten Atomkerne mehr stabil halten kann, diese Kerne zerfallen in kleinere Bruchstücke.

Karlsruher Nuklidkarte
Bisher wurden insgesamt etwa 2300 Kerne mit verschiedenen Protonen- und Neutronenzahlen nachgewiesen. Da es unmöglich ist, all diese Teilchen in dem Schema des PSE unterzubringen, wurde zur Klassifizierung der Atome ein anderes Schema, das der Karlsruher Nuklidkarte entwickelt. In der Karlsruher Nuklidkarte sind alle Atomkerne mit gleicher Protonenzahl (alles, was sich in einem Feld des PSE befindet) horizontal aufgetragen und alle Atome mit gleicher Neutronenzahl vertikal. Hierdurch entsteht die ??? aufgetragene Figur. Zu Beginn ist zu sehen, dass sich Protonen- und Neutronenzahl annähernd die Waage halten, dieses Verhalten ändert sich jedoch hin zu den schwersten Elementen, die Gerade knickt ab zu N/Z = 3/2. Hierfür verantwortlich ist die zunehmende Stärke der Coulomb-Abstoßung, die immer mehr „Kleber“ erforderlich macht. Wenn man von Atomkernen allgemein spricht, wird häufig der Begriff Nuklid verwendet, wie man z.B. Summe aller radioaktiven Teilchen als Radionuklide bezeichnet (Nuklid = ???). Meint man jedoch alle Atome, die die gleiche Anzahl von Protonen besitzt (also sämtliche Nuklide eines Elements), bezeichnet man diese als IsotoPe (iso gleich, topos Ort), Teilchen mit gleicher Neutronenzahl werden als IsotoNe, Teilchen mit gleicher Massenzahl IsobAre, und Teilchen mit gleicher Nukleonenzahl, die sich jedoch in unterschiedlichen Anregungszuständen befinden als Isomere bezeichnet.

Markiert man jeweils eine Isotopenreihe, Isotonenreihe und Isobarenreihe, so erhält man für die Isotope eine wagerechte Linie, für die Isotone eine senkrechte Linie und für die Isobare eine diagonale Linie von links oben nach rechts unten. Nun gibt es noch eine Diagonale von links unten nach rechts oben, der Vollständigkeit halber wurde diese als IsoDiaphere bezeichnet. Physikalisch liegen auf einer Isodiaphere alle Nuklide mit gleichem Neutronenüberschuss, jedoch ist dieser Schachverhalt hier im Weiteren nicht von Bedeutung. Isomere werden im Schema der Nuklidkarte durch eine Aufteilung des betreffenden Feldes in mehrere Sektionen gekennzeichnet. Merkregel:
IsotoPe P gleiche Protonenzahl (P)
IsotoNe N gleiche Neutronenzahl (N)
IsobAre A gleiche Massenzahl (A = Z + N)
IsoDiaphere D gleicher Neutronenüberschuss (D = N – Z)
Isomere gleiches Nuklid in unterschiedlichem Anregungszustand

Auf den ersten Blick ist auffällig, dass die Nuklidkarte systematisch bunt gestaltet ist. All die Farben haben eine bestimmte Bedeutung, an dieser Stelle sollen lediglich die Majoritätskomponenten besprochen werden. (Details sind in Abbildung 5 nicht zu erkennen und der originalen Nuklidkarte zu entnehmen)
Farbe Bedeutung
Schwarz Stabiles Nuklid
Gelb Alpha-Strahler (α) (=>Alle Zerfälle liegen auf einer Isodiapheren)
Blau Beta – Strahler (β –) (=>Alle Zerfälle liegen auf einer Isobaren)
Rot Beta + Strahler (β +) (=>Alle Zerfälle liegen auf einer Isobaren)
Grün Spontanspalter (sf)
Orange Protonenemitter (p)
grau Cluster-Emitter (¹²C)
weiß Noch nicht charakterisiert (am Kartenrand)Verschiedene Isomere (nahe den schwarzen Nukliden)

Allgemeines über Korpuskular- und Wellenstrahlung
Die Radioaktivität ist eine Eigenschaft von Stoffen, die in der Natur vorkommen, entdeckt wurde sie 1896 von H. Bequerel und mit den Buchstaben des griechischen Alphabets α,β,γ bezeichnet. Die Strahlungsarten unterscheiden sich in ihrem Durchdringungsvermögen sowie in ihrer Ablenkbarkeit im E- bzw. B-Feld.

Korpuskularstrahlung zeichnet sich durch eine maximale Reichweite in Materie aus, da die geladenen Teilchen mit den gebundenen Elektronen der umgebenden Materie intensiv wechselwirken (Ionisation, Anregung). Die Reichweite R von α-Teilchen an Luft ist energieabhängig (E) und näherungsweise gegeben durch:
β-Teilchen haben einen 100fach schwächeren LET (Linearer Energie Transfer), so dass deren Reichweite in Luft im Dezimeter bis Meterbereich anzusiedeln ist, bei Verwendung von Absorbern mit höheren Flächengewichten nimmt die Wechselwirkungsdichte pro Längeneinheit zu.
γ-Strahlung kann als elektromagnetische Wellenstrahlung aufgefasst werden, welche einem exponentiellen Schwächungsgesetz unterliegt:
Zum Nachweis der von radioaktiven Stoffen ausgesandten Strahlung werden sog. Detektoren mit einem Auswertgerät verwendet. Die Detektion von Korpuskularstrahlung ist aufgrund ihrer intensiven Wechselwirkung (α & β) und deren hohen LET durch Festkörper-, Gasioisations- oder Geiger-Müller- sowie Kernspurdetektoren realisierbar. Die Einschränkung bei diesen Detektoren ist, dass nicht energiedispersiv gemessen werden kann. Zu energieaufgelösten Messungen sind Sperrschicht- oder Szintillationsdetektoren mit entsprechender Auswertelektronik zu verwenden.

Absolute- & Relative Atommassen, Massendefekt

Entstehung ionisierender Strahlung
Radioaktive Atomkerne sind instabil, das heißt, diese Kerne wandeln sich spontan unter Teilchenemission in andere Kerne um oder sie liegen in angeregten Zuständen vor, die durch elektromagnetische Wechselwirkungen in den Grundzustand relaxieren können. Sie gehen also unter Strahlungs- und / oder Teilchenemission in eine stabilere Struktur über. Charakterisierend für die Radioaktivität ist, dass sie in (fast) keiner Weise durch äußere Einwirkung beeinflussbar ist, die Halbwertszeit hängt weder von extensiven noch von intensiven Größen (Temperatur, Masse, Volumen etc.) ab.
Atomkerne werden instabil, wenn:

• ihre Ordnungszahl Z größer 83 wird, da die Kernkräfte die abstoßenden Coulomb-Kräfte nicht mehr hinreichend gut kompensieren können.

• ein Missverhältnis zwischen Protonen und Neutronen im Kern vorliegt; stabile Nuklide befinden sich im Bereich der leichten Kerne bei 1:1, bei schwereren Kernen geht das Verhältnis zu 2:3 über.

• die Masse den Wert 150 u überschreitet, von da an ist das Durchtunneln eines α-Teilchens durch den Kern-Potentialwall möglich. Der tatsächlich leichteste a-Strahler ist das ¹⁴⁴Nd mit einer Halbwertszeit von 2·10¹⁵ a.

• sich Nukleonen in einem angeregten Zustand befinden.

Der Ausgangskern, das sog. Mutternuklid, wird in ein anderes Nuklid, die sog. Tochter umgewandelt. Es kann aber auch ein angeregter oder metastabiler Kern (mit einer Lebensdauer von > 1 ms) in einen energetisch günstigeren Zustand übergehen, wobei dies der Grundzustand sein kann, es jedoch nicht sein muss. Eine Abregungskaskade mit mehreren emittierten Photonen ist ebenso möglich. Zu beachten sind bei allen Kernumwandlungen die elementaren Erhaltungssätze wie z.B. Energie-, Impuls-, Drehimpuls-, Ladungs- und Paritätserhaltung sowie die Erhaltungssätze der Quark- und Leptonenflavours.