Alpha-Zerfall

Der Alpha-Zerfall ( α-Zerfall) ist eine Art des radioaktiven Zerfalls , bei dem ein Atomkern ein Alpha-Teilchen ( Heliumkern ) aussendet. Der Mutterkern wandelt sich in ein Tochterprodukt um , dessen Massenzahl um vier und dessen Ordnungszahl um zwei reduziert ist. Ein Alpha-Teilchen ist identisch mit dem Kern eines Helium-4- Atoms, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht . Beispielsweise zerfällt Uran-238 durch Alpha-Zerfall zu Thorium-234 .

Während Alphateilchen eine Ladung besitzen+2  e , dies wird üblicherweise nicht angegeben, da eine Kernreaktionsgleichung eine Kernreaktion beschreibt, ohne die Elektronen zu berücksichtigen - eine Konvention, die nicht impliziert, dass die Kerne notwendigerweise in neutralen Atomen vorkommen.

Der Alphazerfall tritt typischerweise in den schwersten Nukliden auf . Theoretisch kann er nur in Kernen auftreten, die etwas schwerer als Nickel (Element 28) sind, da dort die Bindungsenergie pro Nukleon nicht mehr maximal ist und die Nuklide daher gegenüber spontanen Spaltungsprozessen instabil sind. Praktisch wurde dieser Zerfallsmodus bisher nur in Nukliden beobachtet, die deutlich schwerer als Nickel sind. Der leichteste bekannte Alpha-Strahler ist das zweitleichteste Isotop des Antimons , 104Sb ^. [ ^{1 ] Ausnahmsweise} zerfällt Beryllium-8 jedoch in zwei Alpha-Teilchen.

Der Alpha-Zerfall ist mit Abstand die häufigste Form des Clusterzerfalls . Dabei stößt das Mutteratom eine definierte Gruppe von Tochter -Nukleonen aus und hinterlässt ein weiteres definiertes Produkt. Er ist die häufigste Form aufgrund der extrem hohen Kernbindungsenergie und der relativ geringen Masse des Alpha-Teilchens. Wie andere Clusterzerfälle ist auch der Alpha-Zerfall im Grunde ein Quantentunnelprozess . Im Gegensatz zum Beta-Zerfall wird er durch das Zusammenspiel von starker Kernkraft und elektromagnetischer Kraft bestimmt .

Alphateilchen besitzen eine typische kinetische Energie von 5 MeV (oder ≈ 0,13 % ihrer Gesamtenergie von 110 TJ/kg) und eine Geschwindigkeit von etwa 15.000.000 m/s, was 5 % der Lichtgeschwindigkeit entspricht . Die Energie schwankt überraschend wenig um diesen Wert, da die Halbwertszeit dieses Prozesses stark von der freigesetzten Energie abhängt . Aufgrund ihrer relativ großen Masse ist die elektrische Ladung von Alphateilchen vernachlässigbar.Da Alphateilchen eine Elektronendichte von +2  e und eine relativ geringe Geschwindigkeit aufweisen, ist es sehr wahrscheinlich, dass sie mit anderen Atomen interagieren und dabei Energie verlieren. Ihre Vorwärtsbewegung kann bereits durch wenige Zentimeter Luft gestoppt werden .

Etwa 99 % des auf der Erde produzierten Heliums entstehen durch den Alpha-Zerfall unterirdischer Lagerstätten von uran- oder thoriumhaltigen Mineralien . Das Helium gelangt als Nebenprodukt der Erdgasförderung an die Oberfläche .

Alphateilchen wurden erstmals 1899 von Ernest Rutherford im Rahmen seiner Untersuchungen zur Radioaktivität beschrieben und 1907 als ^He²⁺- Ionen identifiziert . 1928 löste George Gamow die Theorie des Alphazerfalls mittels Tunneln. Das Alphateilchen wird im Atomkern durch ein anziehendes Kernpotential und eine abstoßende elektromagnetische Potentialbarriere gefangen . Klassisch ist ein Entweichen verboten, doch nach den (damals) neu entdeckten Prinzipien der Quantenmechanik besteht eine winzige (aber nicht verschwindende) Wahrscheinlichkeit, dass es durch die Barriere „ tunnelt “ und auf der anderen Seite wieder auftaucht, um den Kern zu verlassen. Gamow berechnete ein Modellpotential für den Atomkern und leitete aus ersten Prinzipien eine Beziehung zwischen der Halbwertszeit des Zerfalls und der Energie der emittierten Teilchen ab, die zuvor empirisch entdeckt worden war und als Geiger-Nuttall-Gesetz bekannt wurde . ^{[ 2 ]}

Die Kernkraft, die einen Atomkern zusammenhält, ist sehr stark, im Allgemeinen viel stärker als die abstoßenden elektromagnetischen Kräfte zwischen den Protonen. Allerdings ist die Kernkraft auch kurzreichweitig und nimmt jenseits von etwa 3 Femtometern rasch ab , während die elektromagnetische Kraft eine unbegrenzte Reichweite besitzt. Die Stärke der anziehenden Kernkraft, die einen Kern zusammenhält, ist somit proportional zur Anzahl der Nukleonen, aber die gesamte zerstörerische elektromagnetische Kraft der Proton-Proton-Abstoßung, die versucht, den Kern zu spalten, ist annähernd proportional zum Quadrat seiner Ordnungszahl. Ein Kern mit 210 oder mehr Nukleonen ist so groß, dass die starke Kernkraft, die ihn zusammenhält, die elektromagnetische Abstoßung zwischen den darin enthaltenen Protonen gerade noch ausgleichen kann. Alpha-Zerfall tritt in solchen Kernen auf, um die Stabilität durch Größenreduktion zu erhöhen. ^{[ 3 ]}

Eine interessante Frage ist, warum Alphateilchen, also Heliumkerne, bevorzugt emittiert werden, im Gegensatz zu anderen Teilchen wie einem einzelnen Proton , Neutron oder anderen Atomkernen . ^{[ Anmerkung 1 ]} Ein Grund dafür ist die hohe Bindungsenergie des Alphateilchens. Das bedeutet, dass seine Masse geringer ist als die Summe der Massen zweier freier Protonen und zweier freier Neutronen. Dies erhöht die Zerfallsenergie. Berechnet man die gesamte Zerfallsenergie mithilfe der Gleichung , wobei m _{_i} die Anfangsmasse des Kerns, m _{_f} die Masse des Kerns nach der Teilchenemission und m_{_p} die Masse des emittierten (Alpha-)Teilchens ist, so stellt man fest, dass sie in bestimmten Fällen positiv ist und somit die Emission von Alphateilchen möglich ist, während andere Zerfallsarten zusätzliche Energie erfordern würden. Beispielsweise zeigt die Berechnung für Uran-232 , dass die Emission eines Alphateilchens 5,4 MeV Energie freisetzt, während die Emission eines einzelnen Protons 6,1 MeV erfordern würde. Der größte Teil der Zerfallsenergie wird zur kinetischen Energie des Alphateilchens. Um den Impulserhaltungssatz zu erfüllen , fließt jedoch ein Teil der Energie in den Rückstoß des Atomkerns selbst (siehe Atomrückstoß ). Da die Massenzahlen der meisten Alpha-strahlenden Radioisotope jedoch 210 übersteigen und damit weit über der Massenzahl des Alphateilchens (4) liegen, ist der Anteil der Energie, der in den Rückstoß des Atomkerns fließt, im Allgemeinen sehr gering, weniger als 2 %. ^{[ 3 ]} Dennoch ist die Rückstoßenergie (im keV-Bereich) immer noch viel größer als die Stärke chemischer Bindungen (im eV-Bereich), sodass sich das Tochternuklid aus der chemischen Umgebung des Mutternuklids löst. Die Energien und Verhältnisse der Alphateilchen können zur Identifizierung des radioaktiven Mutternuklids mittels Alphaspektrometrie verwendet werden . $${\displaystyle E_{di}=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^{2},}$$

Diese Zerfallsenergien sind jedoch wesentlich kleiner als die abstoßende Potentialbarriere, die durch das Zusammenspiel von starker Kernkraft und elektromagnetischer Kraft entsteht und das Entweichen des Alphateilchens verhindert. Die Energie, die benötigt wird, um ein Alphateilchen aus dem Unendlichen in die Nähe des Atomkerns, knapp außerhalb der Reichweite der Kernkraft, zu bringen, liegt im Allgemeinen bei etwa 25 MeV. Man kann sich ein Alphateilchen im Atomkern so vorstellen, als befände es sich innerhalb einer Potentialbarriere, deren Wände 25 MeV über dem Potential im Unendlichen liegen. Zerfalls-Alphateilchen besitzen jedoch nur Energien von etwa 4 bis 9 MeV über dem Potential im Unendlichen – weit weniger als die Energie, die zum Überwinden dieser Barriere und zum Entweichen benötigt wird.

Die Quantenmechanik erlaubt es dem Alphateilchen jedoch, durch Quantentunneln zu entweichen. Die Quantentunneltheorie des Alphazerfalls, die 1928 unabhängig voneinander von George Gamow ^{[ 4 ]} sowie von Ronald Wilfred Gurney und Edward Condon ^{[ 5 ]} entwickelt wurde , galt als eine der wichtigsten Bestätigungen der Quantentheorie. Im Wesentlichen entweicht das Alphateilchen dem Atomkern nicht, indem es genügend Energie aufnimmt, um die es einschließende Barriere zu überwinden, sondern indem es durch diese Barriere tunnelt. Gurney und Condon machten in ihrer Arbeit dazu folgende Beobachtung:

Bisher war es notwendig, eine spezielle, willkürliche „Instabilität“ des Atomkerns anzunehmen. In der folgenden Anmerkung wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Zerfall eine natürliche Folge der Gesetze der Quantenmechanik ohne jegliche spezielle Hypothese ist. Viel wurde über die explosive Gewalt geschrieben, mit der das α-Teilchen aus dem Atomkern herausgeschleudert wird. Betrachtet man jedoch den oben dargestellten Prozess, so lässt sich eher sagen, dass das α-Teilchen beinahe unbemerkt entweicht. ^{[ 5 ]}

Die Theorie geht davon aus, dass das Alphateilchen als unabhängiges Teilchen innerhalb eines Atomkerns betrachtet werden kann, d. h. es bewegt sich ständig, wird aber durch die starke Wechselwirkung im Kern gehalten. Bei jeder Kollision mit der abstoßenden Potentialbarriere der elektromagnetischen Kraft besteht eine geringe, aber nicht verschwindende Wahrscheinlichkeit, dass es austritt. Ein Alphateilchen mit einer Geschwindigkeit von 1,5 × 10⁷ ^m  /s innerhalb eines Kerndurchmessers von etwa 10⁻¹⁴ ^m  kollidiert mehr als ^10²¹ Mal pro Sekunde mit der Barriere. Ist die Wahrscheinlichkeit des Entkommens bei jeder Kollision jedoch sehr gering, ist die Halbwertszeit des Radioisotops sehr lang, da sie der Zeit entspricht, die benötigt wird, bis die Gesamtwahrscheinlichkeit des Entkommens 50 % erreicht. Ein extremes Beispiel hierfür ist die Halbwertszeit des Isotops Bismut-209.2,01 × 10 ¹⁹  Jahre .

Die Isotope in Beta-Zerfalls-stabilen Isobaren , die auch hinsichtlich des doppelten Beta-Zerfalls stabil sind und die Massenzahlen A  = 5, A  = 8, 143 ≤  A  ≤ 155, 160 ≤  A  ≤ 162 und A  ≥ 165 aufweisen, unterliegen theoretisch dem Alpha-Zerfall. Alle anderen Massenzahlen ( Isobare ) besitzen genau ein theoretisch stabiles Nuklid . Die Nuklide mit der Masse 5 zerfallen zu Helium-4 und einem Proton oder einem Neutron , die mit der Masse 8 zu zwei Helium-4-Kernen. Ihre Halbwertszeiten ( Helium-5 , Lithium-5 und Beryllium-8 ) sind sehr kurz, im Gegensatz zu den sehr langen Halbwertszeiten aller anderen Nuklide mit A  ≤ 209. (Solche Nuklide mit A  ≤ 209 sind primordiale Nuklide, mit Ausnahme von ¹⁴⁶ Sm.) ^{[ 6 ]}

Die Ausarbeitung der Details der Theorie führt zu einer Gleichung, die die Halbwertszeit eines Radioisotops mit der Zerfallsenergie seiner Alphateilchen in Beziehung setzt – eine theoretische Herleitung des empirischen Geiger-Nuttall-Gesetzes .

In Rauchmeldern werden Alphastrahler eingesetzt . Die Alphateilchen ionisieren die Luft in einer offenen Ionisationskammer , wodurch ein kleiner Strom durch die ionisierte Luft fließt. Rauchpartikel aus dem Feuer, die in die Kammer eindringen, reduzieren den Strom und lösen so den Alarm des Rauchmelders aus. ^{[ 7 ]}

Radium-223 ist auch ein Alpha-Strahler . Seine Anwendung wurde mit Erfolg bei der Behandlung von Knochenmetastasen infolge von kastrationsresistentem metastasiertem Prostatakrebs erprobt . ^{[ 8 ]}

Der Alphazerfall kann eine sichere Energiequelle für Radioisotopen-Thermoelektrische Generatoren (RTGs) darstellen , die für Raumsonden verwendet werden ^{[ 9 ]} und auch für künstliche Herzschrittmacher eingesetzt wurden ^{[ 10 ]} . Der Alphazerfall lässt sich deutlich leichter abschirmen als andere Formen des radioaktiven Zerfalls ^{[ 11 ]} .

Antistatikgeräte verwenden typischerweise Polonium-210 , einen Alpha-Strahler, um die Luft zu ionisieren und so die statische Aufladung schneller abzubauen. ^{[ 12 ]}

Hochgeladene und schwere Alphateilchen verlieren ihre Energie von mehreren MeV innerhalb eines kleinen Materialvolumens und weisen eine sehr kurze mittlere freie Weglänge auf . Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit von DNA -Doppelstrangbrüchen bei innerer Kontamination durch Verschlucken, Einatmen, Injektion oder Aufnahme über die Haut. Die Berührung einer Alphaquelle ist hingegen in der Regel unschädlich, da Alphateilchen durch wenige Zentimeter Luft, ein Stück Papier oder die dünne Schicht abgestorbener Hautzellen der Epidermis wirksam abgeschirmt werden . Allerdings enthalten die Zerfallsketten vieler Alpha-strahlender Isotope, beispielsweise Radium-226 , Tochterkerne, die Beta- und/oder Gamma -Zerfall unterliegen. ^{[ 13 ]}

Die relative biologische Wirksamkeit (RBW) quantifiziert die Fähigkeit von Strahlung, bestimmte biologische Effekte, insbesondere Krebs oder Zelltod , bei gleicher Strahlenexposition hervorzurufen. Alphastrahlung besitzt einen hohen linearen Energietransferkoeffizienten (LET), der etwa einer Ionisierung eines Moleküls/Atoms pro Angström Wegstrecke des Alphateilchens entspricht. Die RBW für Alphastrahlung ist in verschiedenen staatlichen Vorschriften auf 20 festgelegt. Für Neutronenstrahlung beträgt die RBW 10 und für Betastrahlung sowie ionisierende Photonen 1 .

Der Rückstoß des Mutterkerns (Alpha-Rückstoß) verleiht ihm jedoch eine beträchtliche Menge an Energie, was ebenfalls zu Ionisationsschäden führt (siehe ionisierende Strahlung ). Diese Energie entspricht in etwa dem Gewicht des Alphateilchens (4  Da ) geteilt durch die Masse des Mutteratoms (typischerweise etwa 200 Da) multipliziert mit der Gesamtenergie des Alphateilchens. Schätzungen zufolge könnte dies den größten Teil der inneren Strahlenschäden erklären, da der Rückstoßkern Teil eines Atoms ist, das viel größer als ein Alphateilchen ist und eine sehr dichte Ionisationsspur erzeugt; das Atom ist typischerweise ein Schwermetall , das sich bevorzugt an den Chromosomen anreichert . In einigen Studien ^{[ 14 ]} führte dies zu einem RBE-Wert von nahezu 1000 anstelle des in staatlichen Vorschriften verwendeten Wertes.

Der größte natürliche Verursacher der Strahlenbelastung in der Bevölkerung ist Radon , ein natürlich vorkommendes, radioaktives Gas, das in Böden und Gesteinen vorkommt. ^{[ 15 ]} Beim Einatmen des Gases können sich einige Radonpartikel an der Lungenschleimhaut anlagern. Diese Partikel zerfallen weiter und emittieren dabei Alphateilchen, die Lungenzellen schädigen können. ^{[ 16 ]} Der Tod von Marie Curie im Alter von 66 Jahren an aplastischer Anämie wurde wahrscheinlich durch die langjährige Exposition gegenüber hohen Dosen ionisierender Strahlung verursacht. Es ist jedoch unklar, ob dies auf Alphastrahlung oder Röntgenstrahlung zurückzuführen war. Curie arbeitete intensiv mit Radium, das zu Radon zerfällt, ^{[ 17 ]} sowie mit anderen radioaktiven Materialien, die Beta- und Gammastrahlen aussenden . Allerdings arbeitete Curie während des Ersten Weltkriegs auch mit ungeschirmten Röntgenröhren, und die Analyse ihres Skeletts bei einer Umbettung ergab eine relativ geringe Radioaktivitätsbelastung.

Der Mord an dem russischen Überläufer Alexander Litwinenko im Jahr 2006 durch radioaktive Vergiftung wurde vermutlich mit Polonium-210 , einem Alpha-Strahler, verübt .

• Alpha-Strahler durch Erhöhung der Energie (Anhang 1)

• Die LIVE-Nuklidkarte – IAEA mit Filter für Alpha-Zerfall
• Alpha-Zerfall mit 3 animierten Beispielen, die den Rückstoß der Tochterzelle zeigen

• Beta-Zerfall
• Gammazerfall
• Liste der Alpha-emittierenden Nuklide