α-Teilchen | |
|---|---|
| Eigenschaften[1] | |
| elektrische Ladung | +2 e |
| Masse | 4.001506179129(62) u 6.6446573450(21)e-27 kg 7294.29954171(17) me |
| Ruheenergie | 3727.3794118(12) MeV |
| Ladungsradius | 1.67824(83) fm |
| SpinParität | 0+ |
| Isospin | 0 (Iz = 0) |
| mittlere Lebensdauer | stabil |
Alphastrahlung oderα-Strahlung ist eineionisierende Strahlung, die beimAlphazerfall, einer Art desradioaktiven Zerfalls vonAtomkernen, auftritt. Ein radioaktivesNuklid, das diese Strahlung aussendet, wird alsAlphastrahler bezeichnet. Der Name stammt von der aufRutherford zurückgehenden Einteilung der Strahlen aus radioaktiven Stoffen in Alpha-,Beta- undGammastrahlen (in der Reihenfolge zunehmenden Durchdringungsvermögens). Alphastrahlung ist eineTeilchenstrahlung, denn der zerfallende Atomkern(Mutterkern) sendet einenHelium-4-Atomkern aus, der in diesem FallAlphateilchen genannt wird, und wird dadurch zumTochterkern.
Der α-Zerfall tritt vor allem inNukliden mit hoher Massenzahl auf.Das Formelzeichen für das Alphateilchen ist der kleine griechische Buchstabe (alpha).
Das Alphateilchen besteht aus zweiProtonen und zweiNeutronen. Es ist der Atomkern eines Helium-4-Atoms, ein zweiwertigesKation von Helium. DieMassenzahl des Kerns nimmt beim Alphazerfall um vier Einheiten ab, dieKernladungszahl um zwei Einheiten. Bezeichnet X das Mutter- und Y das Tochternuklid, die beim Zerfall freiwerdende Energie, und werden wie üblich Massenzahlen oben undOrdnungszahlen unten angeschrieben, gilt für den Alphazerfall allgemein:
Ein konkretes Beispiel ist:
Das Alphateilchen verlässt den Kern mit einer Austrittsgeschwindigkeit zwischen etwa 10.000 km/s und 20.000 km/s, entsprechend einer kinetischen Energie von einigenMeV. Der anfängliche Elektronenüberschuss des entstehenden Tochteratoms baut sich durch den Rückstoß des Zerfalls und Wechselwirkung (Ladungsausgleich) mit der umgebenden Materie ab.
Wie bei jedem radioaktiven Zerfall wird durch den Alphazerfall eine wohldefinierte Energiemenge frei. Sie entspricht nach der Masse, die alsMassendefekt durch den Vorgang verloren geht. Diese Energie zeigt sich als kinetische Energie des Alphateilchens und des Tochterkerns; in manchen Fällen kann auch ein Teil der Energie zunächst alsangeregter Zustand des Tochterkerns verbleiben und dann anschließend alsGammastrahlung abgebaut werden. Die kinetische Energie verteilt sich auf die beiden Teilchen im umgekehrten Verhältnis ihrer Massen (sieheKinematik (Teilchenprozesse)). Die von einem gegebenen Nuklid emittierten Alphateilchen haben deshalb, anders als beispielsweise beim Betazerfall, nur ganz bestimmte Werte derkinetischen Energie, d. h., ihr Energiespektrum ist einLinienspektrum. Dieses Spektrum ist charakteristisch für das jeweilige Radionuklid. Seine Messung kann also zur Bestimmung dieses Nuklids dienen.
Das Alphateilchen wird einerseits durch diestarke Wechselwirkung vom Kern angezogen, aber zugleich aufgrund gleichnamiger Ladungen elektrisch abgestoßen. Die stärkere Kernkraft hat eine kurze, die schwächere elektrostatische Abstoßung eine lange Reichweite. Daher bildet das Potential eine Art Barriere, denCoulombwall. Der Wall ist höher als die für das Alphateilchen verfügbare kinetische Energie. Das Alphateilchen wäre daher nach der klassischen Physik stabil im Kern gebunden; mittels des quantenmechanischenTunneleffekts kann es ihn jedoch verlassen. DieWahrscheinlichkeit pro Zeitspanne hierfür kann sehr klein sein. Sie bestimmt dieHalbwertszeit des Zerfalls. Der beobachtete Zusammenhang zwischen der Halbwertszeit und der Energie der emittierten Alphateilchen wird durch dieGeiger-Nuttall-Regel beschrieben, siehe dazu auchGamow-Faktor.
Alphazerfall kann nur bei mittelschweren und schweren Nukliden auftreten. Der leichteste Kern mit Alphazerfall ist der neutronenarme Kern vonAntimon-104 (53 Neutronen und 51 Protonen) sowie einige extrem neutronenarme Kerne.Häufiger tritt Alphazerfall bei Nukliden mit Neutronenzahlen ab 84 (und insbesondere von 84) auf, da die Zerfallsprodukte 82 Neutronen haben. Dies ist eine dermagischen Zahlen, die Kerne besonders stabil machen.Noch häufiger wird der Alphazerfall bei Protonenzahlen oberhalb von 84.Dominierend wird der Alphazerfall oberhalb der „magischen“ Neutronenzahl 126. Typische in der Natur vorkommende Alphastrahler sindUran undThorium sowie deren ZerfallsprodukteRadium undRadon.
Die kinetische Energie eines Alphateilchens liegt typischerweise in der Größenordnung von 2 bis 5 MeV. Alphateilchen aus künstlich erzeugtenNukliden können aber Energien von über 10 MeV (bis etwa 60 MeV) besitzen. Die Alpha-Energien und Halbwertszeiten der einzelnen Nuklide können in derListe der Isotope nachgeschlagen werden und sind inNuklidkarten angegeben.
Der Alphazerfall ergibt rechnerisch nach derBethe-Weizsäcker-Massenformel für alle Nuklide ab Massenzahl 165 eine positive Energiefreisetzung, denn die so berechnete Summe der Massen des Alphateilchens und des Tochterkerns ist kleiner als die Masse des Mutterkerns. Für etliche Nuklide liegt die vermutete Halbwertszeit jedoch viele Zehnerpotenzen höher als das Alter des Universums, und ein Alphazerfall ist nie beobachtet worden. In einigen Fällen wurden als stabil geltende Nuklide später als extrem langlebige Alphastrahler „entlarvt“, zum Beispiel149Sm,152Gd und174Hf. Erst in den 2000er Jahren konnte dann auch bei180W[2] und209Bi[3] Alphazerfall mit Halbwertszeiten von einigenTrillionen Jahren nachgewiesen werden.
Zum Nachweis von Alphastrahlung, beispielsweise zuStrahlenschutzzwecken, eignen sich im Prinzip alleTeilchendetektoren. Allerdings muss die Strahlung das Innere des Detektors, dasempfindliche Volumen, erreichen können; einZählrohr muss dazu ein genügend dünnes Folienfenster haben. Geeignet sind z. B. die üblichenKontaminationsnachweisgeräte.Für genaue Messungen, etwa zur Bestimmung des Energiespektrums der Strahlung, müssen sich Strahlenquelle und Detektor in einem gemeinsamenVakuum befinden. Dabei wird meist einHalbleiterdetektor verwendet.
Aufgrund ihrerelektrischen Ladung und relativ großenMasse von 4 u haben Alphateilchen nur eine sehr geringeEindringtiefe inMaterie.
Die Reichweite ist neben der jeweiligen Energie wesentlich abhängig von der Dichte des jeweils umgebenden Mediums. Sie beträgt in Luft bei Normaldruck ungefähr 10 cm (bei 10 MeV) und ist umgekehrt proportional zum Luftdruck. In der Hochatmosphäre der Erde beträgt sie hunderte Kilometer. Ursache ist die Druckabhängigkeit der freien Weglänge der Alphateilchen, d. h. des Abstandes zwischen den Stoßpartnern (Moleküle), an die die Alphateilchen ihre kinetische Energie sukzessive abgeben.
DieIonisation von Alphateilchen ist dichter – d. h. die Anzahl Ionen, die das Teilchen pro Längeneinheit seiner Wegstrecke erzeugt, ist viel höher – als etwa beiBeta- oderGammastrahlung. In einerNebelkammer sehen deshalb die durch Alphastrahlung erzeugten Bahnspuren, verglichen mit denen von Betastrahlen ähnlicher Energie, kürzer und dicker aus. Die Eindringtiefe eines 5,5-MeV-Alphateilchens in Wasser oder organischem Material beträgt dementsprechend nur etwa 45 μm. Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen somit im Allgemeinen schon aus, um Alphastrahlung vollständig abzuschirmen.[4]
Alphastrahlung, die von außen den menschlichen Körper trifft, ist relativ ungefährlich, da die Alphateilchen aufgrund ihrer geringen Eindringtiefe überwiegend nur in die oberen toten Hautschichten eindringen und dort verbleiben. Ein im Organismus durch Einatmen oder sonst wie eingelagerter (inkorporierter) Alphastrahler ist dagegen sehr schädlich, da seine Strahlung lebende Zellen schädigt. Insbesondere bei Anreicherung eines Alphastrahlers in einem Organ wirkt dieStrahlendosis sich auf kleinem Raum, also konzentriert, und u. U. auf wichtige Körperzellen aus. DerStrahlungswichtungsfaktor für Alphastrahlung wurde auf 20 festgelegt, während er für Beta- und Gammastrahlung lediglich 1 beträgt. Für gleichen Energieeintrag wird also bei Alphastrahlung die 20-fache Schadwirkung angenommen.
In derRadonbalneologie wird eine heilende Wirkung gering dosierter Alphastrahlung durch den Radongehalt mancherHeilbäder (z. B.Badgastein) angenommen.
Aufgrund der großen Masse des Alphateilchens erhält beim Alphazerfall auch der Tochterkern einen merklichen Teil der freiwerdenden Energie. Dies wurde 1909 vonLise Meitner undOtto Hahn entdeckt und entspricht derKinematik des Zwei-Teilchen-Zerfalls. Die Tochterkern-Energien betragen bis zu etwa 200 keV. Damit tragen bei inkorporierten Alphastrahlern auch die Rückstoßkerne zur Schädigung des Gewebes bei.
Alphastrahler (hauptsächlichTransurane) mit relativ kurzer Halbwertszeit können sich durch ihren eigenen Alphazerfall bis zur Rotglut erhitzen. Dies ist möglich, weil nahezu alle bei ihrem Zerfall erzeugten energiereichen Alphateilchen von ihren schweren Atomen noch in ihrem Innern aufgehalten werden und ihre Bewegungsenergie als Wärme an sie abgeben. Wenn sie außerdem nur wenig Gammastrahlung erzeugen und ihre Halbwertszeit (meistens einige Jahre bis Jahrzehnte) lang genug ist, kann die abgegebene Wärme inRadionuklidbatterien zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden.
Außerdem werden Alphastrahler inIonisationsrauchmeldern verwendet. Diese erkennen den Rauch durch die Messung der Leitfähigkeit der durch Alphastrahlen ionisierten Luft, da Rauchpartikel die Leitfähigkeit verändern. Üblicherweise wird dabeiAmericium-241 verwendet, welches eine geeignete Halbwertszeit (432 Jahre) hat und ein unmittelbares Zerfallsprodukt (Neptunium-237) hinterlässt, welches weder kurzlebig noch gasförmig ist.
Einige Nuklide – zum BeispielBeryllium-9 oder Kohlenstoff-13 – neigen bei Auftreffen eines Alphateilchens der richtigen Energie dazu, einen neuen Kern und einfreies Neutron zu bilden. Historisch waren diese Quellen bedeutend, da Alphastrahler hinreichender Aktivität – wieRadium – etwa drei Jahrzehnte vorEntdeckung der Kernspaltung verfügbar waren.James Chadwick gelang 1932 der Beweis der Existenz von Neutronen durch Ergründen der Reaktion9Be(α,n)12C.
In heutiger Zeit ist mit der Kernspaltung zwar eine deutlich stärkereNeutronenquelle verfügbar, jedoch sind im Labormaßstab und in der Lehre (α,n) Quellen nach wie vor im Einsatz und bei entsprechenden Händlern käuflich zu erwerben. Als Quelle der Alphateilchen kommen zumeist künstlich hergestellte Radionuklide wiePolonium-210 zum Einsatz, da natürliche Alphastrahler zu geringe Aktivität aufweisen oder nicht in ausreichender Menge verfügbar sind.
Haben Alphateilchen nach vielen Stößen in Materie den Großteil ihrer kinetischen Energie abgebaut, sind sie so langsam, dass sieElektronen einfangen können. Dadurch entsteht dasEdelgasHelium, und zwar das bei weitem häufigste Heliumisotop Helium-4.
Das aus im Erdinneren emittierter Alphastrahlung entstandene Heliumdiffundiert relativ leicht durch Mineralien. In Erdgasblasen erreicht es Konzentrationen von einigen Prozent, so dass einzelne Erdgasquellen auch ökonomisch rentabel zur Heliumgewinnung genutzt werden.
In der Atmosphäre befindliches Helium steigt aufgrund seiner geringen Dichte weiter auf; in Höhen zwischen 700 und 1700 km ist Helium das häufigste Gas. Ein zwar winziger, aber eben nicht mehrzu vernachlässigender Teil seiner Atome erreicht dieFluchtgeschwindigkeit der Erde und entkommt für immer dem Gravitationsfeld der Erde.
Mit dem Ausdruck Alphateilchen bezeichnet man in der Physik üblicherweise jeden vollständigionisierten Helium-4-Kern, auch wenn er nicht aus einem radioaktiven Zerfall stammt. Zum Beispiel sind etwa 12 % aller Teilchen der galaktischenkosmischen Strahlung solche Alphateilchen.[5] Dies ist nicht überraschend, da Helium eines der häufigsten Elemente im Universum ist. Allerdings erreicht dieser Teil der kosmischen Strahlung nie den Erdboden.
Alphateilchen können auch künstlich aus Heliumgas in einerIonenquelle erzeugt werden. Werden sie in einemTeilchenbeschleuniger beschleunigt, wird dessen Strahlenbündel dementsprechend manchmal auch Alphastrahl genannt.
Henri Becquerel entdeckte 1896, dassUran Strahlung aussendet, die lichtdicht verpackte Fotoplatten schwärzt.Marie Curie undPierre Curie isolierten die Uran-ZerfallsprodukteRadium undPolonium, die ebenfalls strahlen, und prägten den Begriff „Radioaktivität“. Die drei Forscher erhielten für diese Leistungen 1903 denNobelpreis für Physik.Ernest Rutherford zeigte 1898 die Unterscheidbarkeit verschiedener Arten ionisierender Strahlung durch ihr unterschiedliches Durchdringungsvermögen und prägte dabei die Bezeichnungen α- und β-Strahlung.[6] 1899 demonstriertenStefan Meyer,Egon Schweidler undFriedrich Giesel die Unterscheidbarkeit durch verschiedene Ablenkung im magnetischen Feld.
Durch Beobachtung derSpektrallinien beiGasentladung konnte Rutherford 1908 die Identität der Alphateilchen als Heliumkerne nachweisen.[7]
1911 benutzte Rutherford Alphastrahlen für seine Streuexperimente, die zur Aufstellung desRutherfordschen Atommodells führten.
1913 stelltenKasimir Fajans undFrederick Soddy dieradioaktiven Verschiebungssätze auf, die das beim Alphazerfall entstehendeNuklid bestimmen.
Mit Alphastrahlen, die auf Stickstoffatomkerne trafen, konnte Rutherford 1919 erstmals eine künstliche Elementumwandlung beobachten: es entstand Sauerstoff in derKernreaktion14N(α,p)17O oder, ausführlicher geschrieben,
1928 fandGeorge Gamow die quantenmechanische Erklärung des Alphazerfalls durch denTunneleffekt.[8]
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