Radioaktiver Zerfall

Kims Stuhl wirkt ziemlich wackelig und instabil! Und jetzt ist er kaputt gegangen! Geht es dir gut, Kim? Instabile Objekte gehen früher oder später kaputt. Aber wusstest du, dass auch instabile Atome zerfallen können?

Nimm dieses Kohlenstoffatom. In seiner Mitte hat es einen Kern bestehend aus sechs Protonen und sechs Neutronen. Die Kernkräfte, die Protonen und Neutronen zusammenhalten, sind gut ausbalanciert, der Kern des Atoms bleibt also unverändert. Dies ist ein stabiler Kern. Ein stabiler Kern ist wie ein sehr stabiler Stuhl – er geht nicht einfach kaputt!

Schau dir nun dieses Atom an: es hat sechs Protonen, es ist also auch ein Kohlenstoffatom! Aber statt sechs gibt es acht Neutronen im Kern – also insgesamt vierzehn Teilchen. Dies ist eine Variante – ein anderes Isotop – aus Kohlenstoff, Kohlenstoff-14 genannt. Die erhöhte Anzahl von Neutronen verursacht ein Ungleichgewicht der Kräfte innerhalb des Kerns – der Kern ist instabil. Um einen ausgeglichenen, stabilen Zustand zu erreichen, muss das Atom überschüssige Energie loswerden – also bricht es spontan zusammen.

Der Kern dieses instabilen Mutteratoms verändert sich, und produziert ein neues Tochteratom. Wir nennen das spontanen Zusammenbruch des radioaktiven Zerfalls des Atomkerns. Am häufigsten geschieht radioaktiver Zerfall auf eine von drei Arten. Die erste Art des Verfalls kommt normalerweise in Atomen schwerer Elemente vor, die viele Protonen und Neutronen haben. In diesem Fall, setzt das Mutteratom ein Teilchen bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen – ein Alpha-Teilchen – frei.

Das entstehende Tochteratom hat zwei Protonen weniger und zwei Neutronen weniger als das Mutteratom. Es ist ein Atom eines anderen Elements! Wenn zum Beispiel ein Uranatom diese Art von Zerfall durchläuft, setzt es ein Alphateilchen frei und verwandelt sich in Thorium, das zwei Protonen weniger hat! Diese Art des radioaktiven Zerfalls wird Alpha-Zerfall genannt. Eine andere Art von radioaktivem Zerfall passiert in Atomen, die im Vergleich zu Protonen zu viele oder zu wenige Neutronen haben.

In diesem Fall kann sich eines der Neutronen des Atoms plötzlich in ein Proton verwandeln, oder ein Proton kann sich in ein Neutron verwandeln. Zur selben Zeit, gibt das Mutteratom ein positiv oder negativ geladenes Beta-Teilchen ab. Die Anzahl der Protonen im Kern ändert sich, das Tochteratom ist also wieder ein Atom eines anderen Elements! Kohlenstoff-14, über das wir zuvor gesprochen haben ist ein Beispiel für ein Isotop, das dieser Art von Zerfall unterliegt. Wenn ein Kohlenstoff-14-Atom zerfällt, verwandelt sich eines seiner Neutronen in ein Proton, und der Kern setzt ein Betateilchen in Form eines Elektrons frei.

Das Tochteratom hat sieben statt sechs Protonen – es ist ein Stickstoffatom! Diese Art des radioaktiven Zerfalls wird als Beta-Zerfall bezeichnet. Die dritte Art des Zerfalls tritt normalerweise direkt nach einem Alpha- oder Beta-Zerfall auf, wenn überschüssige Energie im Kern verbleibt. Um Stabilität zu erreichen, setzt das Atom einen konzentrierten Energiestoß frei, der als Gammastrahl bezeichnet wird. Das Tochteratom ist das gleiche Element wie das Mutteratom, aber es hat weniger Energie im Kern.

Das ist Gamma-Zerfall. Manchmal, sogar nach einem Gamma-Zerfall, ist das Tochteratom immer noch instabil. In diesem Fall, geht der radioaktive Zerfall weiter. Das radioaktive Tochteratom zerfällt und erzeugt ein neues Tochteratom. Das geht immer weiter bis der Kern endlich stabil ist.

Diese Folge radioaktiver Zerfälle wird als Zerfallskette oder Zerfallsreihe bezeichnet. Zum Glück für Kim, ein Stuhl ist nicht radioaktiv – er kann nur einmal brechen, damit Kim nicht nochmal fällt!