Was ist Radioaktivität?

Atom

Aufbau eines Atoms: Um den Atomkern aus Protonen und Neutronen kreisen Elektronen. (Bild: Fastfission)

Die uns bekannte Materie besteht aus verschiedenen Molekülen, die sich wiederum aus Atomen zusammensetzen. Der Begriff atomos stammt aus der antiken griechischen Naturphilosophie und bedeutet „unteilbar“. Wir wissen heute, dass Atome sich doch teilen lassen und aus verschiedenen Komponenten bestehen. (Diese Komponenten, die Elementarteilchen, sind jedoch nicht ihrerseits teilbar, sondern lassen sich nur in andere Teilchen umwandeln – aber diese Diskussion führt weg von der Atommüll-Debatte und hin zur Teilchenphysik und Quantenphilosophie.)

Atome bestehen aus einer Hülle von leichten Elektronen und einem Kern, in dempraktisch die gesamte Masse des Atoms konzentriert ist. Sämtliche chemischen Prozesse spielen sich an der Elektronenhülle ab, auch die Lebensprozesse in organischen Zellen. Der Atomkern ist selbst in den Dimensionen von Atomen winzig und über einen Faktor zehntausend kleiner. Er setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen.

Radioaktive Prozesse geschehen durch Umwandlungen von Atomkernen und besitzen Energien, die weit über den chemischen Energien liegen. Durch chemische Prozesse können also keine kernphysikalischen Vorgänge angeregt werden; dies ist nur durch andere kernphysikalische Prozesse oder durch Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen möglich.

Man kann kernphysikalische Prozesse, bei denen radioaktive Strahlung frei wird, auf verschiedene Weise anregen. Entweder bestrahlt man Materie mit extrem hochenergetischer Strahlung. Dies geschieht ständig in den oberen Atmosphärenschichten durch die kosmische Strahlung oder in präzise einstellbarer Weise in Teilchenbeschleunigern.

Man kann aber auch bestimmte Atomkerne mit langsamen Neutronen beschießen, wodurch diese zur Spaltung gebracht werden. Dies geschieht in kontrollierter Weise in Kernkraftwerken und in unkontrollierter Weise bei Atombomben.

Nach jeweils einer Halbwertszeit ist nur noch die Hälfte des ursprünglichen Stoffes vorhanden. (Bild: Kieran Maher)

Einige Atomarten sind auch von selbst radioaktiv, weil ihr Atomkern instabil ist. Sie zerfallen nach und nach unter Aussendung radioaktiver Strahlung in stabile Atome. Hierzu benötigen sie unterschiedlich lange. Die Halbwertszeit gibt an, in welchem Zeitraum genau die Hälfte einer radioaktiven Atomart zerfallen ist. Nach zwei Halbwertszeiten ist nur noch ein Viertel des ursprünglichen Materials vorhanden, nach zehn Halbwertszeiten nur noch ein Tausendstel. Weitere zehn Halbwertszeiten später ist es nur noch ein Millionstel. Diese Zeitspanne von zehn bis zwanzig Halbwertszeiten ist ein gutes Maß um abzuschätzen, wann ein radioaktiver Stoff praktisch vollständig ausgestrahlt hat. Ein bestimmter Typ von Atomkernen hat immer eine feste Halbwertszeit. Halbwertszeiten reichen je nach Atomkern von Sekundenbruchteilen bis hin zu Jahrmilliarden.

Häufig zerfällt ein instabiler Atomkern aber nicht direkt in ein stabiles Atom, sondern es sind mehrere Zwischenschritte vonnöten, bis schließlich ein stabiler Endzustand erreicht wird. Man spricht hier von einer Zerfallsreihe, wobei jede Atomart ihre eigene charakteristische Halbwertszeit besitzt. Das überall in geringer Konzentration natürlich im Erdreich vorkommende Uran etwa zerfällt extrem langsam über Jahrmilliarden. Eines der Zwischenprodukte hin zu stabilem Blei ist das ebenfalls radioaktive Edelgas Radon, das sich in schlecht gelüfteten Räumen und vor allem in Bergwerken anreichern kann. Bereits im Mittelalter, aber auch zu Anfang des nuklearen Zeitalters ist es für zahlreiche Todesfälle durch strahleninduzierten Lungenkrebs verantwortlich.

Die ultra-kurzlebigen Radionuklide stellen kein Problem für den Atommüll dar, denn sie zerfallen an Ort und Stelle ihrer Entstehung. Ultra-langlebige wie etwa Uran mit mehreren Milliarden Jahren bleiben zwar über geologische Zeiträume radioaktiv. Dadurch, dass sich die in ihnen gespeicherte Radioaktivität aber über einen so langen Zeitraum freisetzt, strahlen sie weniger stark als kurzlebige Radionuklide. Für den Atommüll sind deshalb vor allem Stoffe mit kurzen und mittellangen Halbwertszeiten von einigen Dutzend bis hin zu Millionen Jahren brisant. Denn sie sind langlebig genug, um nicht kontrolliert gelagert werden zu können, und radioaktiv genug, um Gesundheitsschäden hervorzurufen.

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