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Atomkraft

Radioaktiver Zerfall und Kernumwandlung

Bestimmte Elemente und Isotope sind instabil, ihre Atomkerne weisen kein ideales Verhältnis von Massenzahl und Kernladungszahl auf. Sie neigen dazu, sich unter Abgabe radioaktiver Strahlung in andere Isotope oder sogar andere Elemente umzuwandeln.

Halbwertszeit

Die Halbwertszeit eines radioaktiven Elements oder Isotops gibt an, nach welcher Zeit die Zahl der Kernumwandlungen auf die Hälfte zurückgegangen ist. Dann ist genau die Hälfte einer vorhandenen Menge an Atomen radioaktiv zerfallen und hat sich unter Abgabe radioaktiver Strahlung in andere Elemente oder Isotope verwandelt.

Aktivität

Das Maß für die Radioaktivität ist die Aktivität. Sie beschreibt die Anzahl von Kernumwandlungen pro Zeiteinheit. Ursprünglich wurde sie für 1 g Radium in 1 s festgelegt. 1 Curie (Ci) war die Anzahl von Zerfällen in 1 g Radium und in 1 sek. Heute verwendet man die Einheit Becquerel (Bq).

Es gilt:

=

Zerfallgesetz

Die Halbwertszeit ist typisch für jedes radioaktive Element oder Isotop. Man kann jedes Isotop anhand seiner Halbwertszeit identifizieren. Sie gilt unabhängig vom Anfangszeitpunkt. Dennoch ist der Zerfall eines einzelnen radioaktiven Kerns nicht vorhersehbar, sondern unterliegt dem Zufall. Die Halbwertszeit ist also ein statistischer Mittelwert. Es gibt Halbwertszeiten zwischen Sekundenbruchteilen und mehreren Milliarden Jahren!

Zerfallsreihen

Durch den radioaktiven Zerfall von Atomkernen entstehenden wiederum Tochternuklide, die selbst wieder instabil sind. Sie zerfallen unter Abgabe radioaktiver Strahlung selbst wieder. Dies gilt vor allem für α- oder β—Strahler. So entsteht eine für jedes Ausgangsisotop eine charakteristische Zerfallsreihe, die sich so lange fortsetzt, bis ein stabiler Kern entstanden ist.

Meist sind dies der f-Reihe folgende schwere Hauptgruppenmetalle (verschiedene Blei- oder Bismutisotope (Pb; Bi).

Die Uran-Radium-Zerfallsreihe geht vom:

=

aus und endet nach 14 Stationen beim stabilen Bleiisotop:

=

Die gesamte Halbwertszeit dieser Zerfallsreihe beträgt rund 5 Milliarden Jahre. Die Uran-Aktinium-Zerfallsreihe beginnt beim:

=

und endet nach 12 Zwischenprodukten beim:

=

Die gesamte Halbwertszeit dieser Zerfallsreihe beträgt ca. 1,5 Milliarden Jahre.

Mit dem:

=

beginnt die Thorium Reihe, die nach 10 Isotopen-Typen beim stabilen Bleiisotop

=

endet. Diese Zerfallsreihe hat eine Gesamt-Halbwertszeit von 14 Milliarden Jahren.

Schließlich gibt es noch die wichtige künstliche Plutonium-Neptunium-Zerfallsreihe, die vom

=

ausgeht und über das instabile Bleiisotop:

=

schließlich beim Bismut (Wismut) als Endprodukt endet:

=

Diese Reihe besitzt eine gesamte Halbwertszeit von rund 2 Millionen Jahren.

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