Physik · Sekundarstufe I und II

Alpha-, Beta- und Gammastrahlung: verstehen und üben

Welche Strahlung verlässt einen instabilen Kern? Vergleiche Teilchen, Ladungen und Kernumwandlungen und lerne, Zerfallsgleichungen zu prüfen.

Verstehen Ausprobieren Selbstcheck

Am Kern zählen A und Z

Bei Alpha- und Betazerfall entsteht ein anderes Element. Bei Gammaemission gibt ein angeregter Kern Energie ab; seine Protonen- und Neutronenzahl bleibt gleich.

Was bedeutet Radioaktivität?

Radioaktive Kerne können sich spontan in andere Kernzustände oder Kerne umwandeln. Dabei wird Energie frei und es können Teilchen oder elektromagnetische Strahlung ausgesendet werden. Den genauen Zerfallszeitpunkt eines einzelnen Kerns kann man nicht vorhersagen.

Bei vielen gleichartigen Kernen lassen sich dagegen statistische Aussagen treffen. Wie der Bestand mit der Zeit abnimmt, beschreibt das Zerfallsgesetz. Hier konzentrieren wir uns zunächst auf die ausgesendeten Strahlungsarten und die Veränderung des Kerns.

Alpha-, Beta- und Gammastrahlung können Materie ionisieren, also Elektronen aus Atomen oder Molekülen lösen. Radioaktivität ist eine Eigenschaft instabiler Kerne; ionisierende Strahlung kann auch auf andere Weise entstehen, zum Beispiel in einer Röntgenröhre.

Alphastrahlung: Ein Heliumkern wird abgegeben

Ein Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es ist ein Helium-4-Kern ohne Elektronenhülle und trägt die Ladung +2e. Der Tochterkern hat vier Nukleonen und zwei Protonen weniger.

AZX → A−4Z−2Y + 42He

Beispiel: Uran-238 wird durch Alphazerfall zu Thorium-234. Links und rechts bleibt die Summe der Massenzahlen gleich, ebenso die Summe der Kernladungszahlen. Die frei werdende Energie verteilt sich auf Alphateilchen und Rückstoß des Tochterkerns; zusätzliche Gammaemission ist bei angeregten Tochterzuständen möglich.

Betastrahlung: Eine Umwandlung im Kern

Beta-minus: Ein Neutron wandelt sich in ein Proton um. Dabei entstehen ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Das ausgesandte Elektron stammt nicht aus der vorher vorhandenen Elektronenhülle.

n → p + e⁻ + ν̄_e

Die Massenzahl bleibt gleich; die Protonenzahl wächst um eins. Beispiel: Kohlenstoff-14 wird zu Stickstoff-14.

Beta-plus: Ein Proton wird im energetisch möglichen Kernprozess in ein Neutron umgewandelt. Dabei entstehen ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Die Protonenzahl sinkt um eins; die Massenzahl bleibt gleich.

p → n + e⁺ + ν_e

Diese Kurzform beschreibt die Umwandlung innerhalb eines geeigneten Kerns, keinen spontanen Zerfall eines freien Protons. Beta-plus-Zerfall benötigt eine ausreichende Energiedifferenz zwischen Anfangs- und Endsystem.

Elektron beziehungsweise Positron und (Anti-)Neutrino teilen die verfügbare Energie mit dem Rückstoß. Deshalb zeigt Betastrahlung ein kontinuierliches Energiespektrum. Eine feste Zerfallsenergie bedeutet nicht, dass jedes Betaelektron dieselbe Bewegungsenergie erhält.

Gammastrahlung: Energie statt Nukleonen abgeben

Ein angeregter Kern kann in einen energieärmeren Zustand übergehen und dabei ein Photon aussenden. Dieses Photon ist Gammastrahlung: elektrisch neutral, ohne Ruhemasse und im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs.

AZX* → AZX + γ

Das Sternchen kennzeichnet den angeregten Kern. A und Z bleiben unverändert. Gammaemission kann nach einem Alpha- oder Betazerfall folgen, wenn der Tochterkern angeregt zurückbleibt.

Gamma- und Röntgenstrahlung unterscheiden sich nach ihrer Entstehung. Ihre Energiebereiche können überlappen; eine starre Energiegrenze trennt beide nicht.

Welche Zahlen ändern sich?

Wähle eine Strahlungsart. Sage zuerst voraus, ob das Element wechselt und ob die Neutronenzahl steigt oder sinkt.

Alpha: A sinkt um 4, Z sinkt um 2. Ein neues Element entsteht.

Die Kästen vergleichen Kernzusammensetzungen. Sie zeigen keine zeitliche Flugbahn. Bei Gamma bleibt die Zusammensetzung gleich, während die Kernenergie sinkt.

Unterrichtsimpuls mit Erklärung

Warum bleibt A bei Beta-minus konstant? Ein Neutron wird zu einem Proton. Es geht dabei kein Nukleon verloren. Elektron und Antineutrino zählen nicht als Nukleonen.

Die Änderungen auf einen Blick

Strahlung	Abgegeben	A im Tochterkern	Z im Tochterkern
Alpha	Helium-4-Kern	A − 4	Z − 2
Beta-minus	Elektron + Antineutrino	A	Z + 1
Beta-plus	Positron + Neutrino	A	Z − 1
Gamma	Photon	A	Z

Die Regeln helfen beim Zuordnen des Tochterkerns. Sie allein beweisen noch nicht, dass ein bestimmter Zerfall energetisch möglich ist oder tatsächlich auftritt.

Zerfallsgleichungen prüfen

Beispiel 1 – Alpha: Uran-238 besitzt Z = 92.

23892U → 23490Th + 42He

Massenzahlen: 238 = 234 + 4. Kernladungszahlen: 92 = 90 + 2. Für die Neutronenzahl des Tochterkerns gilt 234 − 90 = 144.

Beispiel 2 – Beta-minus: Kohlenstoff-14 besitzt Z = 6.

146C → 147N + 0−1e + ν̄_e

Massenzahlen: 14 = 14 + 0. Ladungszahlen: 6 = 7 − 1. Das Elektron erhält in dieser Buchführung die Massenzahl 0, weil es kein Nukleon ist. Es ist deshalb nicht masselos.

Beispiel 3 – Beta-plus: Fluor-18 wird zu Sauerstoff-18.

189F → 188O + 0+1e + ν_e

Ladungszahlen: 9 = 8 + 1. Der Tochterkern hat zehn statt neun Neutronen. Die Elektronenhülle kann sich nach einer Kernumwandlung ebenfalls neu ordnen; diese Gleichungen verfolgen zunächst die Kernreaktion.

Wie werden die Strahlungsarten abgelenkt?

Positive Alpha- und Beta-plus-Teilchen werden zur negativen Platte abgelenkt, Beta-minus-Teilchen zur positiven. Gamma wird im statischen elektrischen Feld nicht auf diese Weise abgelenkt. Die Kurven zeigen nur die Richtung, keine vergleichbaren Ablenkungsradien.

Die tatsächliche Ablenkungsstärke hängt unter anderem von Ladung, Impuls, Masse und Feld ab. Aus der gemeinsamen unteren Linie folgt nicht, dass Alpha- und Beta-plus-Teilchen gleich stark abgelenkt würden.

Durchdringung sinnvoll einordnen

Alphateilchen verlieren ihre Energie auf kurzen Wegen und werden häufig bereits durch Papier oder die äußere Hautschicht gestoppt. Das macht alphastrahlende Stoffe im Körper nicht harmlos. Betastrahlung dringt bei typischen Energien weiter ein; geeignete Kunststoffschichten können sie abschwächen oder stoppen.

Gammastrahlung wird durch Materie schrittweise abgeschwächt. Dichte Materialien wie Blei oder dicke Betonschichten werden dafür genutzt. Eine Skizze mit einer Wand bedeutet keine vollständige Abschirmung für jede Energie.

Eine einzige feste Reichweite gibt es für keine Strahlungsart unabhängig von Energie, Material und Messsituation. Aktivität, Dosis und Strahlenschutz erhalten eine eigene Erklärung; aus der Strahlungsart allein lässt sich keine konkrete Gefährdung berechnen.

Häufige Fehler vermeiden

Betateilchen für Hüllenelektronen halten: Beim Beta-minus-Prozess entsteht das Elektron in der Kernumwandlung.

Bei Gamma ein anderes Element eintragen: A und Z bleiben gleich.

Massenzahl 0 mit Masse 0 verwechseln: Elektronen und Positronen besitzen Ruhemasse, sind aber keine Nukleonen.

Nur Teilchenzahlen prüfen: Zusätzlich müssen Energie, Impuls und weitere Erhaltungsgrößen stimmen. Das (Anti-)Neutrino gehört deshalb zur vollständigen Beta-Reaktion.