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Radioaktivität bezeichnet den spontanen Zerfall instabiler Atomkerne unter Aussendung ionisierender Strahlung (Alpha, Beta, Gamma), um einen energetisch stabileren Zustand zu erreichen.
Unter Radioaktivität versteht man die Eigenschaft instabiler Isotope, sich ohne äußere Einwirkung umzuwandeln und dabei energiereiche, ionisierende Strahlung auszusenden. Ein Kern ist dann instabil, wenn das Verhältnis zwischen Protonen und Neutronen unausgeglichen ist oder der Kern schlicht zu groß für die stabilisierende starke Wechselwirkung wird.
Die Alpha-Strahlung (α) besteht aus schweren, positiv geladenen Teilchen, genauer gesagt aus Helium-Kernen (zwei Protonen und zwei Neutronen). Beim Alpha-Zerfall verringert sich die Massenzahl des Mutterkerns um 4 und die Kernladungszahl um 2. Aufgrund ihrer Größe und Ladung hat Alpha-Strahlung eine sehr hohe Ionisierungskraft, aber eine geringe Reichweite; ein Blatt Papier reicht zur Abschirmung aus.
Die Beta-Strahlung (β) tritt in zwei Formen auf. Beim Beta-minus-Zerfall (β⁻) wandelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino um; das Elektron verlässt den Kern als Strahlung. Beim Beta-plus-Zerfall (β⁺) wandelt sich ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino um. In beiden Fällen bleibt die Massenzahl gleich, während sich die Kernladungszahl um 1 ändert. Beta-Strahlung wird durch einige Millimeter Aluminium abgeschirmt.
Die Gamma-Strahlung (γ) ist im Gegensatz zu Alpha und Beta keine Teilchenstrahlung, sondern hochenergetische elektromagnetische Strahlung (Photonen). Sie tritt meist nach einem vorherigen Alpha- oder Beta-Zerfall auf, wenn der Kern noch in einem angeregten Zustand ist und überschüssige Energie abgeben muss. Da Photonen masselos und ungeladen sind, ändern sich weder Massen- noch Kernladungszahl. Gamma-Strahlung hat eine enorme Durchdringungskraft und erfordert dicke Schichten aus Blei oder Beton zur Abschirmung.
Die Stärke einer radioaktiven Quelle wird als Aktivität bezeichnet. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq), wobei 1 Bq genau einem Kernzerfall pro Sekunde entspricht. Die Aktivität gibt also an, wie viele Umwandlungen in einer Stoffmenge pro Zeiteinheit stattfinden, sagt aber isoliert noch nichts über die biologische Gefährlichkeit aus.
Ein wichtiges Prinzip ist der Zusammenhang zwischen Ionisierungsvermögen und Durchdringungstiefe: Je stärker eine Strahlungsart Materie ionisiert (Teilchen aus Atomen herausschlägt), desto mehr Energie verliert sie pro Wegstrecke und desto geringer ist ihre Reichweite. Alpha-Teilchen sind hierbei die 'Panzer' (stark, aber unbeweglich), während Gamma-Quanten wie 'Geister' fast ungehindert durch Materie gleiten.
In der Medizin nutzen wir diese Eigenschaften gezielt aus: Gamma-Strahler dienen in der Diagnostik (z.B. Szintigraphie) als Tracer, da sie den Körper verlassen können, während Alpha- oder Beta-Strahler in der Strahlentherapie eingesetzt werden, um Tumorgewebe lokal durch ihre hohe Ionisierungskraft zu zerstören.
