Alphastrahlung

α-Teilchen
Eigenschaften
Ladung	2 e (+3,204 · 10⁻¹⁹ C)
Masse	4,001 506 179 125(62) u 6,644 656 75(29) · 10⁻²⁷ kg 7294,299 5361(29) · m_e 3727,379 240(82) MeV/c²
Spin^Parität	0⁺
Isospin	0 (z-Komponente 0)
mittlere Lebensdauer	stabil

Alphastrahlung oder α-Strahlung ist ionisierende Strahlung, die beim Alphazerfall, einer Art des radioaktiven Zerfalls von Atomkernen, auftritt. Ein radioaktives Nuklid, das diese Strahlung aussendet, wird als Alphastrahler bezeichnet. Es handelt sich um eine Teilchenstrahlung. Der zerfallende Atomkern sendet einen Helium-4-Atomkern aus, der in diesem Fall Alphateilchen genannt wird.

Emission eines Alphateilchens (Protonen rot, Neutronen blau)

Da das Alphateilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, nimmt die Massenzahl des Mutterkerns beim Alphazerfall um vier Einheiten und die Kernladungszahl um zwei Einheiten ab.

Das Symbol für ein Alphateilchen ist der kleine griechische Buchstabe Alpha: α. Das chemische Symbol ist $\textstyle{{}^4_2\mathrm{He}^{2+}}$ . Damit wird das Teilchen als zweifach ionisiertes Heliumatom beschrieben, also als zweiwertiges Kation. Deswegen zählt die Alphastrahlung auch zur Ionenstrahlung. Die Austrittsgeschwindigkeit aus dem Kern liegt zwischen 10.000 km/s und 20.000 km/s.

Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in Alphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen.

Die von einem gegebenen Nuklid emittierten Alphateilchen haben, anders als beispielsweise beim Betazerfall, nur ganz bestimmte Werte der kinetischen Energie, d. h., ihr Energiespektrum ist ein Linienspektrum. Dieses Spektrum ist charakteristisch für das jeweilige Radionuklid. Seine Messung kann also zur Bestimmung dieses Nuklids dienen.

Alphaspektrum der Plutoniumisotope ²⁴²Pu, ²³⁹Pu/²⁴⁰Pu und ²³⁸Pu. Die Verschmierung (Tailing) jedes Peaks auf seiner niederenergetischen (linken) Seite ist durch abbremsende Stöße der α-Teilchen in der Probe verursacht.

Entstehung

Coulombwall. Modellpotential für ein Alphateilchen, das sich aus dem durch einen Potentialtopf angenäherten, kurzreichweitigen Kernpotential und dem langreichweitigen Coulombpotential zusammensetzt.

Beim Zerfall wird kinetische Energie frei, die nach E=mc^2 der Masse entspricht, die als Massendefekt durch den Kernzerfall verloren geht. Die kinetische Energie verteilt sich auf den Tochterkern und das Alphateilchen im umgekehrten Verhältnis der beiden Massen (Kinematik (Teilchenstoß)). Das Alphateilchen wird durch die starke Wechselwirkung vom Kern angezogen und aufgrund gleichnamiger Ladungen elektrisch abgestoßen. Die Kernkraft hat jedoch nur eine kurze Reichweite, während die elektrostatische Abstoßung langreichweitig ist. Das führt dazu, dass das Potential eine Art Barriere, den sogenannten Coulombwall, darstellt.

Da die Höhe des Coulombwalls die Energie des Alphateilchens übertrifft, wäre es nach den Gesetzen der klassischen Mechanik nicht möglich, dass das Alphateilchen den Coulombwall überwindet. Klassisch wäre das Alphateilchen also stabil an den Kern gebunden, daher bezeichnet man diesen Zustand als metastabil. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, die die Halbwertszeit des Zerfalls bestimmt, verlässt es den Mutterkern jedoch trotzdem mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts. Dieser erlaubt es einem Teilchen, eine endlich lange und endlich hohe Energiebarriere mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu durchdringen, auch wenn seine Energie dafür klassisch nicht ausreicht.

Bezeichnet X das Mutter- und Y das Tochternuklid, $\Delta E$ die freiwerdende Energie, und werden wie üblich Massenzahlen oben und Ordnungszahlen unten angeschrieben, gilt demnach für den Alphazerfall allgemein:

${}^{A}_{Z} \mathrm {X} \to {}^{A-4}_{Z-2} \mathrm {Y} + {}^{4}_{2} \mathrm {He} + \Delta E$ .

Ein konkretes Beispiel ist:

${}^{146}_{\ 62} \mathrm {Sm} \to {}^{142}_{\ 60} \mathrm {Nd} + {}^{4}_{2} \mathrm {He} + 2{,}45\, \mathrm{MeV}$ .

Nach dem Ausstoß verbleibt der Atomkern in manchen Fällen in einem angeregten Zustand. Die dafür benötigte Energie ist Teil von $\Delta E$ und steht daher nicht als kinetische Energie zur Verfügung; im Spektrum der Alphastrahlung tritt dann eine zusätzliche Linie bei entsprechend geringerer Energie auf. Der nachfolgende Übergang des Kerns vom angeregten in den Grundzustand ist mit dem Aussenden von Gammastrahlung verbunden.

Da beim Alphazerfall die Kernladungszahl um zwei Einheiten abnimmt, sich aber die Zahl der Elektronen in der Elektronenhülle zunächst nicht ändert, liegt bei dem entstehenden Tochteratom anfangs ein Elektronenüberschuss vor. Durch den Rückstoß des Zerfalls und Wechselwirkung mit der umgebenden Materie wird das Tochteratom zunächst weitere Elektronen verlieren, bis nach der Abbremsung ein Ladungsausgleich mit anderen Atomen/Ionen erfolgt.

Typische in der Natur vorkommende Alphastrahler sind Uran und Thorium sowie deren Zerfallsprodukte Radium und Radon. Die kinetische Energie eines Alphateilchens liegt typischerweise in der Größenordnung von 2 bis 5 MeV. Alphateilchen aus künstlich erzeugten Nukliden können aber Energien von über 10 MeV besitzen.

Der Alphazerfall ergibt rechnerisch nach der empirischen Weizsäcker-Massenformel des Tröpfchenmodells für alle Kerne 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. Dennoch wurde bei vielen schweren Kernen ein Alphazerfall bisher nie beobachtet. Allerdings sind in den letzten Jahrzehnten einige früher als stabil geltende Nuklide als extrem langlebige Alphastrahler „entlarvt“ worden, zum Beispiel ¹⁴⁹Sm, ¹⁵²Gd und ¹⁷⁴Hf. Erst in den 2000er Jahren konnte dann auch bei ¹⁸⁰W und ²⁰⁹Bi Alphazerfall mit Halbwertszeiten von einigen Trillionen Jahren nachgewiesen werden.

Der beobachtete Zusammenhang zwischen der Halbwertszeit und der Energie der emittierten Alphateilchen wird durch die Geiger-Nuttall-Regel beschrieben.

Nachweis

Zum Nachweis von Alphastrahlung, beispielsweise zu Strahlenschutzzwecken, eignen sich im Prinzip alle Teilchendetektoren. Allerdings muss die Strahlung das Innere des Detektors, das empfindliche Volumen, erreichen können; ein Zählrohr muss dazu ein genügend dünnes Folienfenster haben. Geeignet sind z. B. die üblichen Kontaminationsnachweisgeräte. Für genaue Messungen, etwa zur Bestimmung des Energiespektrums der Strahlung, müssen sich Strahlenquelle und Detektor in einem gemeinsamen Vakuum befinden. Dabei wird meist ein Halbleiterdetektor verwendet.

Wechselwirkung mit Materie

Alphastrahlung ist die am leichtesten abzuschirmende ionisierende Strahlung.

Eindringtiefe, Reichweite

Aufgrund ihrer elektrischen Ladung und relativ großen Masse von 4 u haben Alphateilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie.

Die Reichweite der Alphateilchen ist abhängig von deren Energie und beträgt in Luft bei Normaldruck ungefähr 10 cm (bei 10 MeV). Bei niedrigem Luftdruck ist die Reichweite der Alphateilchen größer, da die Anzahl der Stoßpartner (Moleküle), an die Alphateilchen ihre kinetische Energie abgeben, mit dem Luftdruck abnimmt.

In Wasser oder organischem Material beträgt die Eindringtiefe eines 5-MeV-Alphateilchens 40 μm. Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen somit im Allgemeinen schon aus, um Alphateilchen vollständig abzuschirmen. Das kommt dadurch zustande, dass die Ionisationsdichte von Alphateilchen – d.h. die Anzahl Ionen, die das Teilchen pro Längeneinheit seiner Wegstrecke erzeugt – viel höher ist als etwa für Beta- oder Gammastrahlung. In einer Nebelkammer sehen deshalb die durch Alphastrahlung erzeugten Bahnspuren, verglichen mit denen von Betastrahlen ähnlicher Energie, kürzer und dicker aus.

Geöffnetes Alphaspektrometer mit Präparat und Detektor (oben)

Biologische Wirkung

Alphastrahlung, die von außen auf den menschlichen Körper wirkt, ist selbst relativ ungefährlich, da die Alphateilchen aufgrund ihrer geringen Eindringtiefe überwiegend nur in die oberen, toten Hautschichten eindringen. Ein im Organismus durch Einatmen oder Aufnahme mit der Nahrung eingelagerter Alphastrahler ist dagegen sehr schädlich, da in diesem Fall nicht die toten Hautschichten, sondern lebende Zellen geschädigt werden. Insbesondere die Anreicherung eines mit Alphastrahlung zerfallenden Nuklids in einem Organ führt zu einer hohen Belastung dieses Organs, da dabei eine hohe Strahlendosis ihre schädigende Wirkung auf kleinem Raum und auf wichtige Körperzellen ausübt (Strahlenkrankheit).

Der Strahlungswichtungsfaktor für Alphastrahlung ist auf 20 festgelegt, während er für Beta- und Gammastrahlung 1 beträgt. Für gleichen Energieeintrag wird also bei Alphastrahlung die 20-fache Schadwirkung angenommen. Dieser Faktor ist keine physikalische Messgröße, sondern eine gesetzte Norm zwecks vereinfachter Handhabung im Strahlenschutz. Er dient zur Umrechnung der Energiedosis in Gray in die Äquivalentdosis in Sievert (veraltete Einheiten: Rad bzw. Rem).

In der Radonbalneologie wird eine heilende Wirkung gering dosierter Alphastrahlung durch den Radongehalt mancher Heilbäder (z.B. Badgastein) angenommen.

Anwendungen

Isotopenbatterie

Ein Plutonium-Pellet (²³⁸Pu) glüht durch seinen eigenen Zerfall

Alphastrahler schwerer Elemente (hauptsächlich Transurane) mit hoher Dichte und 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 in Radionuklidbatterien zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden.

Rauchmelder

Außerdem werden Alphastrahler in Ionisationsrauchmeldern verwendet. Sie erkennen den Rauch durch die Messung der Leitfähigkeit der durch Alphastrahlen ionisierten Luft, da Rauchpartikel die Leitfähigkeit herabsetzen.

Forschungsgeschichte

Alphastrahlung war die erste nachgewiesene Form von Radioaktivität. Antoine Henri Becquerel entdeckte sie 1896 durch die Schwärzung von lichtdicht verpackten Fotoplatten durch Uransalze. Weitere Forschungen von Marie Curie und Pierre Curie führten unter anderem zur Isolation der Uran-Zerfallsprodukte Radium und Polonium und dem Nachweis, dass diese ebenfalls Alphastrahler sind. Die drei Forscher erhielten für diese Leistungen 1903 den Nobelpreis für Physik.

Ernest Rutherford zeigte 1898 die Unterscheidbarkeit verschiedener Arten radioaktiver Strahlung durch ihr unterschiedliches Durchdringungsvermögen und prägte dabei die Bezeichnungen α- und β-Strahlung. 1899 demonstrierten Stefan Meyer, Egon Schweidler und Friedrich Giesel die Unterscheidbarkeit durch verschiedene Ablenkung im magnetischen Feld.

Durch Beobachtung der Spektrallinien bei Gasentladung konnte Rutherford 1908 die Identität der Alphateilchen als Heliumkerne nachweisen.

1911 benutzte Rutherford Alphastrahlen für seine Streuexperimente, die zur Aufstellung des Rutherfordschen Atommodells führten.

1913 stellten Kasimir Fajans und Frederick Soddy die radioaktiven Verschiebungssätze auf, die das beim Alphazerfall entstehende Nuklid bestimmen.

Mit Alphastrahlen, die auf Stickstoffatomkerne trafen, konnte Rutherford 1919 erstmals eine künstliche Elementumwandlung beobachten: es entstand Sauerstoff in der Kernreaktion ¹⁴N(α,p)¹⁷O oder, ausführlicher geschrieben,

$^{14}_{\ 7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\alpha \to{}^{17}_{\ 8}\mathrm{O} + {}^{1}_{1}\mathrm{p}$ .

1928 fand George Gamow die quantenmechanische Erklärung des Alphazerfalls durch den Tunneleffekt.

„Alphastrahlen“ aus anderen als radioaktiven Quellen

Mit dem Ausdruck Alphateilchen bezeichnet man in der Physik üblicherweise jeden vollständig ionisierten Helium-4-Kern, auch wenn er nicht aus einem radioaktiven Zerfall stammt. Zum Beispiel sind etwa 12% aller Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung solche Alphateilchen. Dies ist nicht überraschend, da Helium eines der häufigsten Elemente ist. Allerdings erreicht dieser Teil der kosmischen Strahlung nie den Erdboden.

Alphateilchen können auch künstlich aus Heliumgas in einer Ionenquelle erzeugt werden. Werden sie in einem Teilchenbeschleuniger beschleunigt, wird dessen Strahlenbündel dementsprechend manchmal auch Alphastrahl genannt.

Endprodukt Helium

Haben Alphateilchen nach vielen Wechselwirkungen mit Materie den Großteil ihrer Energie abgebaut, sind sie so langsam, dass sie sich mit negativ geladenen Teilchen verbinden könnten. Alle Heliumverbindungen zerfallen jedoch, allein die Kombination mit zwei Elektronen zum Helium-Atom ist chemisch stabil. Das Heliumatom ist sehr klein und leicht.

Im Erdinneren emittierte Alphastrahlung bildet Helium, welches relativ leicht durch Mineralien diffundiert. In Spalten wandert es wegen seiner geringen Dichte nach oben, es staut sich in Erdgasblasen zu Konzentrationen im Prozentbereich auf, so dass einzelne Erdgasquellen auch rentabel zur Heliumgewinnung genutzt werden.

In der Atmosphäre befindliches Helium steigt aufgrund der geringen Masse nach oben, Helium ist in großen Höhen sogar das vorherrschende Gas. Durch Wärmebewegung entkommt es dem Einfluss der Erdgravitation in den Weltraum hinaus.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de