Tomy Sobetzko, Dr. Rupprecht Maushart
2.3.1 Halbwertzeit
Die Umwandlung des einzelnen radioaktiven Atomkerns erfolgt spontan zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt. Für eine große Anzahl von Atomkernen des gleichen Radionuklids, z. B. Cäsium-137 (physikalische Schreibweise 137Cs) gibt es jedoch eine genau festliegende und bestimmbare Zeit, nach der die Hälfte aller Atomkerne die Umwandlung vollzogen hat. Diese für das Radionuklid charakteristische Zeit nennt man die Halbwertzeit (HWZ), bei 137Cs z. B. 30 Jahre.
Halbwertszeiten gibt es von Bruchteilen von Sekunden bis viele Jahrmillionen. Das Thorium-Isotop Th-232 z. B. hat eine HWZ von 1,4 × 1010 Jahren, U-238 von 4,5 x–109 Jahren und K-40 von 1,28 × 109 Jahren. In der Thorium-Zerfallsreihe kommt ein Zwischenprodukt vor, das Polonium-Isotop Po-212 (Thorium C'), das eine HWZ von nur 3 × 10-7 Sekunden (0,3 μs) hat.
In jeder Halbwertszeit halbiert sich die Anzahl der radioaktiven Kerne; man spricht von einer e-Funktion. Nach 10 HWZ ist noch rund 0,1 % der ursprünglichen Radioaktivität vorhanden (Tab. 7). Die Halbwertszeit ist eine feste, für jede Radionuklidart charakteristische Zeit – und sie ist durch nichts beeinflussbar, weder durch Hitze noch durch Druck oder sonst etwas. Es sei denn, man dringt bis zum Kern selbst vor und zerstört ihn gewaltsam, indem man ihn mit anderen Kernteilchen beschießt.
Die Abnahme der Radioaktivität mit der Zeit lässt sich anhand der Halbwertzeit (HWZ) leicht ausrechnen. Nennen wir die Ausgangsaktivität A0 und die nach der Zeit t noch vorhandene Aktivität At, dann gilt die Beziehung
| Beispiel: |
t = 3 · HWZ |
A3 = |
A0 |
= |
A0 |
= 0,125 A0 |
| 23 |
8 |
Und hier das Ganze – der Einfachheit halber – in Form einer Tabelle (Tab. 2).
| Zeit als Vielfaches der HWZ |
At als Bruchteil von A0 |
| 0,1 |
0,933 |
| 0,2 |
0,871 |
| 0,3 |
0,812 |
| 0,4 |
0,758 |
| 0,5 |
0,707 |
| 0,6 |
0,660 |
| 0,7 |
0,616 |
| 0,8 |
0,574 |
| 0,9 |
0,555 |
| 1 |
0,500 |
| 2 |
0,250 |
| 3 |
0,125 |
| 4 |
0,0625 |
| 5 |
0,03125 |
| 6 |
0,015625 |
| 7 |
0,0078125 |
| 8 |
0,0039062 |
| 9 |
0,001953 |
| 10 |
0,000977 |
Tab. 2: Wie die Aktivität immer weniger wird
2.3.2 Strahlungsart und -energie
Welches Radionuklid man vor sich hat, erkennt man aus Art und Energie der bei der Kernumwandlung ausgesandten Kernstrahlung, die für das jeweilige Radionuklid ebenfalls charakteristisch ist.
Bei der Strahlung aus dem Kern finden wir 3 Strahlenarten, die von dem neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford in der Reihenfolge ihrer Entdeckung nach dem griechischen Alphabet Alpha-, Beta- und Gammastrahlen genannt wurden. Sie unterscheiden sich sowohl hinsichtlich ihrer physikalischen Natur als auch ihrer Durchdringungsfähigkeit von Materie (Tab. 3).
| Strahlenart und -energie |
Physikalische Natur |
Energie-Spektrum |
Reichweite in Luft |
Röntgenstrahlen bis einige 100 keV |
Wellen (Quanten) |
kontinuierliche und charakteristische Linien |
bis einige 10 m (exponentielle Schwächung) |
| Gammastrahlen bis einige MeV |
Wellen (Quanten) |
Linien |
bis einige 100 m (exponentielle Schwächung) |
Beta-Strahlen bis einige MeV |
Teilchen (Elektronen) |
kontinuierlich |
bis einige m max. Reichweite |
Alpha-Strahlen 4–8 MeV |
Teilchen (Heliumkerne) |
Linie, aber durch Schwächung "verschmiert" |
3–6 cm max. Reichweite |
Tab. 3: Strahlenarten und ihre Eigenschaften
2.3.3 Reichweite und Schwächung
Alpha- und Betastrahlen sind Teilchen. Sie haben – im Gegensatz zur Gammastrahlung – eine endliche, definierte Reichweite (Tab. 4 und 5).
| Radionuklid |
Halbwertszeit Jahre |
Energie MeV |
Reichweite in Luft cm |
| Po-210 |
0,38 |
5,3 |
3,9 |
| Ra-222 |
0,01 |
5,48 |
4,2 |
| Ra-226 |
1620 |
4,6; 4,8 |
3,0; 3,1 |
| Th-232 |
1,4·1010 |
4,0 |
2,5 |
| U-233 |
1,6·105 |
4,8 |
3,3 |
| U-235 |
7,1·108 |
4,4 |
2,9 |
| U-238 |
4,5·109 |
4,2 |
2,7 |
| Pu-239 |
2,4·104 |
5,1 |
3,6 |
| Am-241 |
458 |
5,48 |
4,2 |
Tab. 4: Wie weit bringen es Alpha-Teilchen? Der Zusammenhang zwischen Energie und Reichweite
Maximalenergie E der β-Teilchen (MeV) |
Reichweite R der β-Teilchen |
Luft (cm) |
Gewebe oder Wasser (mm) |
Aluminium (mm) |
Stahl (mm) |
Blei (mm) |
| 0,1 |
10,1 |
0,158 |
0,05 |
0,02 |
0,013 |
| 0,2 |
31,3 |
0,491 |
0,155 |
0,06 |
0,037 |
| 0,3 |
56,7 |
0,889 |
0,281 |
0,10 |
0,067 |
| 0,4 |
85,7 |
1,35 |
0,426 |
0,15 |
0,10 |
| |
|
|
|
|
|
| 0,5 |
119 |
1,87 |
0,593 |
0,21 |
0,14 |
| 0,6 |
157 |
2,46 |
0,778 |
0,26 |
0,18 |
| 0,7 |
186 |
2,92 |
0,926 |
0,32 |
0,22 |
| 0,8 |
231 |
3,63 |
1,15 |
0,40 |
0,27 |
| |
|
|
|
|
|
| 0,9 |
261 |
4,10 |
1,30 |
0,45 |
0,31 |
| 1,0 |
306 |
4,80 |
1,52 |
0,53 |
0,36 |
| 1,25 |
406 |
6,32 |
2,02 |
0,69 |
0,48 |
| 1,50 |
494 |
7,80 |
2,47 |
0,86 |
0,59 |
| |
|
|
|
|
|
| 1,75 |
610 |
9,50 |
3,01 |
1,0 |
0,71 |
| 2,0 |
710 |
11,1 |
3,51 |
1,2 |
0,84 |
| 2,5 |
910 |
14,3 |
4,52 |
1,6 |
1,1 |
| 3,0 |
1100 |
17,4 |
5,50 |
1,9 |
1,4 |
Tab. 5: Wie weit bringen es Beta-Teilchen? Der Zusammenhang zwischen Energie und Reichweite
Gammastrahlen sind ebenso wie Röntgenstrahlen Wellen oder Energie-Quanten und vergleichbar mit dem sichtbaren Licht, aber mit einer um 5 Größenordnungen höheren Energie. Anders als Teilchenstrahlung werden sie beim Durchgang durch Materie exponentiell geschwächt, gleiche Schichtdicken schwächen immer um den gleichen Prozentsatz. Man definiert die Durchdringungsfähigkeit deshalb in Halbwertschichten (Schwächung um 50 %) oder Zehntelwertschichten (Schwächung um 90 %) (Tab. 6).
Quantenenergie MeV |
Halbwertschichten (cm) |
| Wasser |
Beton |
Eisen |
Blei |
Luft |
| 0,1 |
21,0 |
4,7 |
0,8 |
0,1 |
3700 |
| 0,2 |
27,0 |
7,6 |
1,6 |
0,2 |
|
| 0,5 |
28,0 |
12,4 |
2,6 |
0,5 |
6600 |
| 0,8 |
28,1 |
12,7 |
3,1 |
1,0 |
|
| |
|
|
|
|
|
| 1,0 |
28,4 |
12,8 |
3,4 |
1,3 |
|
| 1,25 |
29,4 |
13,1 |
3,6 |
1,6 |
|