Nuledo Compacta

Radioaktivität ist der Prozess des Zerfalls des Atomkerns, bei dem sich das Atom eines Elements zu einem oder mehreren Atomen eines anderen Element verwandelt. Das Nebenprodukt des Zerfalls ist dann die ionisierende Strahlung, was Teilchen sind, welche die beim Zerfall freiwerdene überschüssige Energie tragen. Manche radioaktiven Elemente treten ganz normal in der Natur auf, wie z.B. Uran oder Radon. Diese sorgen für die natürliche Radioaktivität, der wir das ganze Leben lang ausgesetzt sind. Wenn der Mensch jedoch künstlich radioaktives Material hervorbringt, nennen wie eine solche Strahlung künstlich.

Radioaktive Strahlung ist ein Teilchenstrom, der aus einem Material fliegt, das radioaktivem Zerfall unterliegt. Nicht alle Materialien senden jedoch gleiche Teilchen aus. Es existieren drei Grundarten von Strahlung:
Alpha, wo die Teilchen aus dem Kern des Heliumatoms stammen und die so wenig durchdringend sind, dass auch Papier sie aufhält.
Beta, wo die Teilchen Elektronen oder Positronen sind, und die eine dünne Schicht aus Metall aufhält.
Gama, wo die Teilchen Photonen sind und die nur durch eine starke Bleischicht oder ähnlichem Material aufgehalten werden können.

Atomkerne bestehen aus zwei Arten von Teilchen: Protonen und Neutronen, wobei die Anzahl der Protonen bestimmt, um den Kern welches Elements es sich handelt. Das Verhältnis der Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern bestimmt dann, ob es zu einer radioaktiven Verwandlung kommt. Vereinfacht kann man sagen, dass wenn das Element mit der Anzahl seiner Neutronen nicht zufrieden ist, dann ist es radioaktiv.

Im normalen Leben und in der Wissenschaft schien es Anfang des 20. Jahrhunderts, dass die Welt der Newtonschen Mechanik folgt. Das bedeutet, dass Körper ihre Lage und Geschwindigkeit je nachdem welche Kräfte auf sie einwirken verändern. Viele sehr genaue Experimente führten die Wissenschaftler aber zur Bildung einer anderen Beschreibung der Welt – der Quantenmechanik. In der Quantenwelt hat es keinen Sinn über Geschwindigkeit oder Trajektoren zu sprechen, so wie wir daran gewöhnt sind. Stattdessen führen wir die Wahrscheinlichkeit des Vorkommens von Körpern an verschiedenen Stellen ein. Wenn man z.B. den positiv geladenen Atomkern nimmt, und diesen mit negativ geladenen Elektronen umgibt, benimmt sich das System nicht wie die Analogie eines Miniatursonnensystems. Die Elektronen werden nicht auf verschiedenen Orbits um den Kern kreisen. Eine bessere Art sich das vorzustellen ist als Wolke von Elektronen um den Kern. Die Dichte der Wolke bestimmt die Wahrscheinlichkeit des Auffindens eines Elektrons an einer bestimmten Stelle.

Der Kern radioaktiver Atome, ob natürlicher oder künstlicher, zerfällt zu einem Kern eines anderen Nuklids (Atom mit einer anderen Anzahl von Teilchen im Kern). Oft führt jedoch ein solcher Zerfall zu einem Kern, der auch wieder radioaktiv ist. Dann wird der Kern zerfallen und zerfallen, bis er ein Kern wird, der stabil ist. Diesen Prozess nennt man Zerfallsreihe. In der Nebel-Kammer können wir z.B. den Zerfall von Radon-220 zu Polonium-216 beobachten, das so instabil ist, dass es fast sofort zu Blei-212 zerfällt. Danach sehen wir zwei Alphateilchen, eines von jedem Zerfall, wie sie fast von der gleichen Stelle abfliegen. Die Zerfallsreihe des Radon geht dann weiter über drei weitere Zerfallsprozesse bis zum finalen stabilen Produkt, dem Blei-208.

Radioaktive Strahlung ist zwar allgegenwärtig, aber wenn Organismen ihr in übergroßer Menge ausgesetzt sind, hat sie unerwünschte Wirkungen auf deren Gesundheit. Radioaktive Strahlung ist so ein guter Diener aber ein böser Herr. Wenn man diese Strahlung zu seinem Vorteil nutzen will, muss man gleichzeitig die Sicherheit aller Personen und der Umwelt sicherstellen. Die Tschernobylkatastrophe war nicht nur eine Ansammlung von Zufällen, sondern v.a. eine bedeutende Nichteinhaltung der Sicherheitsverfahren, die sich auf den Betrieb von Kernkraftwerken beziehen. Beim Einhalten aller Verfahren sind Kernkraftwerke eine sehr sichere Quelle elektrischer Energie, wie funktionierende Kernkraftwerke auf der ganzen Welt zeigen.

PET = Positronenemissionstomografie ist eine diagnostische Methode, die auf radioaktivem Material mit kurzer Zerfallshalbwertzeit basiert. Dieses wird in den Körper eingebracht und konzentriert sich im metabolistisch aktiven Gewebe wie z.B. in Krebstumore. Wenn man dann detektiert, von wo die Strahlungsteilchen fliegen, kann man die Lage des Tumors bestimmen. Die Protonenheilbehandlung ist dagegen eine Heilmethode, bei welcher der Tumor mit einem Strom von Protonen erhitzt wird. Protonen werden deswegen benutzt, weil sie weniger unterwünschte Wirkungen als andere Strahlungsformen haben.

Elementarteilchen sind Teilchen, die keine innere Struktur haben, d.h. sie können nicht in weitere Unterteilchen aufgeteilt werden. Früher dachten die Wissenschaftler, dass das Proton, das Neutron, das Photon und das Elektron die Grundteilchen sind. Heute wissen wir, dass nur das Elektron und das Photon Elementarteilchen sind, und das das Proton und das Neutron aus Quark und Gluon zusammengesetzt sind. Auch wurden weitere Elementarteilchen entdeckt: Myion, Tauon, Boson W+, W- und Z0, Higgs-Boson und Neutrino. Alle anderen Teilchen setzten sich auch diesen Elementarteilchen zusammen.

Zusammengesetzte Teilchen sind aus Elementarteilchen zusammengesetzt. Das Alphateilchen besteht z.B. aus zwei Protonen und zwei Neutronen, wobei jedes Proton und Neutron wieder aus drei Quarks und einem Gluon besteht.

Bananen sind ein Lebensmittel, das reich an Kalium ist. Kalium ist zufällig eines der Elemente, die eine relativ hohe Radioaktivität wegen des natürlich Auftretens von Isotopen aufweisen. Kalium-40 ist darin besonders, dass es einem Gamma, Beta+ und Beta- -Zerfall unterliegen kann. Und gerade die beta+ -Strahlung besteht aus Antimaterie, konkret Positronen, was die Antiteilchen der Elektronen sind. Geraten Sie aber nicht in Panik, man kann nicht soviele Bananen konsumieren, dass sich irgendwelche Wirkungen der Radioaktivität zeigen.

Radioaktive Strahlung kommt nicht nur von unserem Planeten, sondern auch aus dem Universum. Zum Glück wird der Großteil davon von der Atmosphäre oder dem Magnetfeld der Erde eingefangen, was uns vor deren unerwünschten Wirkungen schützt. Die sekundäre Strahlung entsteht bei der Interaktion kosmischer Strahlung mit den Molekülen der Luft in der Atmosphäre. Das Teilchen, das Physiker Oh-My-God-Teilchen nannten, wurde im Jahre von einem Detektor für kosmische Strahlung eingefangen. Seine Bezeichnung erhielt es, da seine Energie um das Vielfache größer als die Energie aller anderen beobachteten Teilchen war.

Das Standardmodell ist das aktuell anerkannte Modell der Teilchen und ihrer Interaktionen.
Man kann es sich relativ einfach vorstellen. Man unterteilt die Teilchen des Standardmodells in zwei imaginäre Gruppen – in Ziegel und Mörtel. Unter Ziegeln versteht man die erste Gruppe der Teilchen, welche die Materie bildet und aus denen das Universum aufgebaut ist. Zu den Materieteilchen gehören Quarks und Leptonen. Unter Mörtel kann man dann die zweite Gruppe der Teilchen verstehen – die Träger von Kraft. Es handelt sich um so etwas wie Bindemittel, das die Objekte im Universum zusammenhält und für deren gegenseitige Interaktion verantwortlich ist.
Das Standardmodell enthält auch die Higgs-Boson-Teilchen, welche die Wissenschaftler über ein halbes Jahrhundert lang suchten und erst im Jahre 2013 im CERN entdeckten.
Das Standardmodell der Teilchenphysik schien anfangs die endgültige Theorie für alles zu sein, und die gesamte Physik zu erklären. Ebenso wie es in anderen Zweigen der Physik war, gelangte auch diese Theorie in eine Situation, welche sie nicht erklären konnte. Das bedeutet zwar, dass sie nicht komplett richtig ist, aber auch so ist das Standardmodell sehr nützlich und bildet Raum für weiteres Forschen.

Die schnellsten Teilchen, die wir antreffen können, sind die aus der kosmischen Strahlung oder diejenigen, die man im Teilchenbeschleuniger künstlich beschleunigt. Wie die Spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein vorhersagte, erscheint es den Beobachtern solcher Teilchen, dass die Zeit für die Teilchen langsamer verläuft. Teilchen haben keine Uhren, aber wenn sie instabil sind, können wir beobachten, nach welcher Zeit diese Teilchen zerfallen und das mit Teilchen vergleichen, die sich nicht bewegen. So stellen wir fest, dass sich bewegende Teilchen langsamer zerfallen, also für sie die Zeit langsamer vergeht.

Ein Element ist radioaktiv, wenn es mit der Anzahl der Neutronen, die in seinem Kern sind, nicht zufrieden ist. Wenn man also ein radioaktives Element bilden will, muss man ihm Neutronen oder Protonen „aufdrängen“. Eine solche Verwandlung wird Transmutation genannt und wird durch Bestrahlung des Materials mit radioaktiver Strahlung, z.B. Alphateilchen, Protonen oder Neutronen, durchgeführt.

Bei radioaktivem Zerfall wird viel Energie frei, welche die Strahlung wegträgt. Wir können jedoch die Energie der Strahlenteilchen nicht direkt nutzen, also lassen wir sie durch ein Material fliegen, das durch diese erhitzt wird. Danach führen wie die Wärme ab, verdampfen damit Wasser und anschließend produzieren wir in einer Dampfturbine elektrische Energie. Man kann sagen, dass es sich um ein Kohlekraftwerk mit einer anderen Art der Wassererhitzung handelt.

Radioaktive Strahlung wird auch manchmal ionisierende Strahlung genannt. Diese Bezeichnung verweist auf Fähigkeit des Herausziehens von Elektronen aus dem Molekül. Wenn es dazu kommt, entsteht ein sogenanntes freies Radikal, was eine sehr reaktive Sorte von Molekül ist. Freie Radikale innerhalb von Zellen unseres Körpers können dann mit Molekülen unserer DNA reagieren, welche die genetische Information tragen. Zellen haben viele Mechanismen, wie sie damit umgehen, aber wenn es zuviele von diesen Eingriffen gibt, kann es zur Entstehung von Krebs oder einer Strahlenerkrankung kommen.