Radioaktiver Zerfall und Teilchenstrahlung einfach erklärt

Stell dir vor, du hast deinen Rucksack für die Schule viel zu voll gepackt. Der Reißverschluss spannt, und der Rucksack ist extrem instabil. Sobald du ihn auf den Boden stellst, platzt er auf und ein paar Dinge fliegen heraus. Danach ist der Rucksack zwar etwas leichter, aber dafür endlich wieder stabil.

Genau so verhalten sich bestimmte Atomkerne in der Natur beim Thema Radioaktiver Zerfall und Teilchenstrahlung! Manche Kerne sind „überladen“ und haben zu viel Energie. Man nennt sie instabil. Um einen stabilen Zustand zu erreichen, werfen sie winzige Teilchen oder reine Energie aus sich heraus. Diesen Vorgang nennen wir radioaktiven Zerfall. In dieser Lektion lernst du, welche drei Arten von Gepäck ein Atomkern abwerfen kann und wie sich das Atom dabei verwandelt.

Vorwissen

• Ordnungszahl ($\textcolor{#08BFFF}{Z}$): Gibt die Anzahl der Protonen im Kern an. Sie bestimmt, um welches Element es sich handelt. Beispiel: Kohlenstoff hat immer die Ordnungszahl $\textcolor{#08BFFF}{6}$.
• Massenzahl ($\textcolor{#9570FF}{A}$): Ist die Summe aus Protonen und Neutronen im Kern (die schweren Bausteine). Beispiel: Ein Kohlenstoffatom mit 6 Protonen und 8 Neutronen hat die Massenzahl $\textcolor{#9570FF}{14}$.
• Schreibweise: Die Massenzahl steht oben links, die Ordnungszahl unten links neben dem Elementsymbol: ${}^{\textcolor{#9570FF}{14}}_{\textcolor{#08BFFF}{6}}\text{C}$.

Aufgabentyp 1: Zerfallsgleichungen aufstellen

Wenn es um radioaktiven Zerfall und Teilchenstrahlung geht, musst du oft bestimmen, welches neue Element entsteht. Wenn ein instabiler Atomkern zerfällt, sendet er Strahlung aus. Diese Strahlung ist sehr energiereich und kann andere Atome verändern (man nennt sie ionisierend). Es gibt drei Hauptarten, wie ein Kern zerfallen kann:

1. Der Alphazerfall (Teilchenstrahlung)

Besonders schwere Atomkerne werfen ein ziemlich großes Paket ab, um stabiler zu werden. Dieses Paket nennen wir Alphateilchen. Es besteht aus genau 2 Protonen und 2 Neutronen (das entspricht dem Kern eines Heliumatoms).

Weil der Kern Bausteine verliert, verändern sich seine Zahlen:

• Die Massenzahl ($\textcolor{#9570FF}{A}$) sinkt um $\textcolor{#9570FF}{4}$ (weil 4 Bausteine weg sind).
• Die Ordnungszahl ($\textcolor{#08BFFF}{Z}$) sinkt um $\textcolor{#08BFFF}{2}$ (weil 2 Protonen weg sind).

Da sich die Ordnungszahl ändert, entsteht ein völlig neues Element!

2. Der Betazerfall (Teilchenstrahlung)

Manche Kerne haben zu viele Neutronen. Hier passiert ein faszinierender Trick: Ein Neutron im Kern verwandelt sich plötzlich in ein Proton und ein Elektron! Das Proton bleibt im Kern, aber das Elektron wird wie aus einer Kanone mit hoher Geschwindigkeit herausgeschossen. Dieses schnelle Elektron ist die Betastrahlung.

Schauen wir uns die Zahlen an:

• Die Massenzahl ($\textcolor{#9570FF}{A}$) bleibt gleich. Ein Neutron ist weg, aber ein gleich schweres Proton ist dazugekommen. Die Gesamtzahl der schweren Bausteine ändert sich also nicht.
• Die Ordnungszahl ($\textcolor{#08BFFF}{Z}$) steigt um $\textcolor{#08BFFF}{1}$, weil es jetzt ein Proton mehr gibt.

Auch hier entsteht ein neues Element.

3. Die Gammastrahlung (Elektromagnetische Strahlung)

Oft hat ein Atomkern nach einem Alpha- oder Betazerfall immer noch überschüssige Energie. Diese Energie gibt er als einen unsichtbaren Lichtblitz ab. Das ist die Gammastrahlung.

Wichtig: Gammastrahlung ist keine Teilchenstrahlung, sondern reine Energie (wie Röntgenstrahlung, nur stärker). Weil keine Protonen oder Neutronen abgeworfen werden, bleiben die Massenzahl und die Ordnungszahl hierbei völlig unverändert.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Startwerte notieren: Schreibe das Ausgangselement mit seiner Massenzahl ($\textcolor{#9570FF}{A}$) oben und seiner Ordnungszahl ($\textcolor{#08BFFF}{Z}$) unten auf.
2. Zerfallsart anwenden: Entscheide, was passiert (Alphazerfall: $\textcolor{#9570FF}{A} - 4$ und $\textcolor{#08BFFF}{Z} - 2$; Betazerfall: $\textcolor{#9570FF}{A} \pm 0$ und $\textcolor{#08BFFF}{Z} + 1$).
3. Neues Element bestimmen: Nimm die neue Ordnungszahl ($\textcolor{#08BFFF}{Z}$) und suche sie im Periodensystem der Elemente. Das Symbol, das dort steht, ist dein neues Element.
4. Gleichung aufschreiben: Schreibe das neue Element mit seinen neuen Zahlen auf. Addiere am Ende das abgeworfene Teilchen (Alphateilchen ${}^{4}_{2}\text{He}$ oder Betateilchen ${}^{0}_{-1}\text{e}$).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Alphastrahlung (Teilchen): Der Kern spuckt einen Heliumkern (2 Protonen, 2 Neutronen) aus. Die Massenzahl sinkt um 4, die Ordnungszahl sinkt um 2.
• Betastrahlung (Teilchen): Ein Neutron wird zu einem Proton und schießt ein Elektron ab. Die Massenzahl bleibt gleich, die Ordnungszahl steigt um 1.
• Gammastrahlung (Energie): Der Kern gibt überschüssige Energie als elektromagnetische Welle ab. Massenzahl und Ordnungszahl bleiben unverändert.