Rund um die radioaktivität - marie curie, die radioaktivität

Marie Curie Marie Curie wurde am 7. November 1867 in Warschau (Polen) geboren. Ihr Mädchenname lautete Marya Sklodowska. Im Jahre 1891 begann sie ein Studium in Mathematik und Physik an der Pariser Sorbonne, dort bestand sie alle Prüfungen mit Auszeichnungen. Somit wird sie Assistentin des Physikers Antoine Henri Becquerel. Am 25 Juli 1895 heiratet Marie den Physiker Pierre Curie. Ab 1896 beschäftigt sie sich gemeinsam mit ihrem Mann mit dem Mineral Pechblende. Sie isoliert zwei bisher unbekannte Elemente, Radium und Polonium (von Marie zu Ehren ihres Heimatlandes Polen benannt). Sie nennt deren Strahlung "radioaktiv\". 1898 entdeckt Marie Curie die Radioaktivität des Element Thorium. Becquerel und die Curies erhalten 1903 den Nobelpreis für Physik "für die Entwicklung und Pionierleistung auf dem Gebiet der spontanen Radioaktivität und der Strahlungsphänomene\". Am 19.04.1906 wird Pierre Curie von einem Pferdewagen überfahren und stirbt an seinen Verletzungen. Im Jahre 1911 wird Marie Curie wieder mit einem Nobelpreis ausgezeichnet, diesmal für Chemie für die Isolierung des Elements Radium. Am 4. Juli 1934 stirbt Marie Curie in Sancellemoz an Leukämie, dies ist eine Folge ihrer hochdosierten und langjährigen Kontakte mit radioaktiven Elementen.

Die Radioaktivität

Marie und Pierre Curie prägten den Begriff Radioaktivität. Die Zwei stellten zum ersten mal klar, dass Radioaktivität kein chemischer Vorgang ist. Es ändert sich lediglich der Charakter des Atomkerns. Die uns am bekannteste Form der Radioaktivität ist die Kernspaltung (Fission), es fallen dabei sehr schwere Atomkerne in zwei etwa gleich große Teile. Es entstehen hierbei also neue Elemente. Es wird bei der Kernspaltung auch viel Energie frei, so schießen die Spaltprodukte in großer Geschwindigkeit auseinander. Außerdem werden oft kleinere Neutronen und Alpha- Teilchen frei.

Im Jahre 1896 wurde zum ersten mal radioaktive Erscheinungen bei Uran entdeckt, von Becquerel.

Unter Aktivität der radioaktiven Stoffe versteht man die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde.

Insgesamt gibt es drei Strahlungsarten. Die Alpha- Strahlung, die Beta- Strahlung und die Gamma- Strahlung. Die Alpha- Strahlung ist ein Teilchenstrom aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Die Alphastrahlung ist zweifach positiv geladen. Gefährlich ist die Strahlung nur im oder auf den Körper. Der Ort der Entstehung ist der Kern, es passiert, weil der Kern meist zu schwer ist.

Bei der Beta- Strahlung gibt es zwei Arten. Der ß- minus- Zerfall, er entsteht im Kern, während das Proton im Kernverband bleibt werden das negativ geladene Elektron und das Neutrino ausgesendet werden. Es entsteht im Kern durch zu viele Neutronen.

Außerdem gibt es noch den ß- plus- Zerfall, hierbei wandelt sich das Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino um. Das Positron ist positiv geladen, und hat die gleiche Masse wie ein Elektron. Dieser Zerfall entsteht im Kern durch zu viele Neutronen.

88 Ra Radium

Radium ist ein Erdalkalimetall, es steht in der zweiten Hauptgruppe. Es ist lateinisch und bedeutet Strahl Auch Radium wurde von Familie Curie entdeckt, 1898, bei der Untersuchung von Pechblende. Radium ist eines der seltensten Elemente und kommt nur in geringen Mengen in Uranerz vor (20 Milligramm Radium in einer Tonne Uranerz). Radium ist radioaktiv, weich und silbrig glänzend. Es leuchtet im Dunkeln, an Luft überzieht es sich sehr schnell mit einer grauen Nitridschicht und es reagiert heftig unter Freisetzung von Wasserstoffgas. Im menschlichen Körper kann es Calcium zur Knochenbildung ersetzen, ist es allerdings einmal im Körper eingebaut, wirkt es dort als eine feste Strahlenquelle und kann Krebs erzeugen. Alle Radium Isotope sind instabil und radioaktiv. Ra- 226 hat eine Halbwertszeit (siehe Punkt 5) von 1600 Jahren, die damit die längste Zerfallrate hat. Radium wurde bis in die 50er Jahre in der Krebstherapie oder bei Fluoreszensfarben verwendet. Allerdings spielt es in beiden Einsatzbereichen heute keine Rolle mehr, da es durch billigere oder weniger giftige Stoffe ersetzt wurde.

Radioaktive Elemente

Radioaktive Elemente zerfallen, da ihr Atomkern instabil ist, in andere Elemente, die einen stabilen Atomkern haben. Diese nennt man Radionuklide und sie sind meistens sehr kurzlebig. Es gibt zwei verschiedene Arten von radioaktiven Elementen, die, die in der Natur vorkommen und die künstlich erzeugten Elemente. Beide geben beim Zerfall energiereiche Strahlung ab, die auch im alltäglichen Leben ihre Anwendung findet. Die meisten natürlichen Elemente befinden sich im Boden oder in Gestein, wie z.B.: Kalium Uran und Thorium. Einige zerfallen sehr langsam, deshalb sind sie auch heute noch vorzufinden. Künstliche Radionuklide lassen sich aus allen Elementen herstellen. Radionuklide lassen sich auch aus Neutroneneinfangprozessen herstellen, dies geschieht in Reaktoren. Allerdings gibt es auch Nuklide, die man nur mit Hilfe von Teilchenbeschleunigung herstellen kann.

So entstehen und zerfallen Radionuklide, man kennt bisher 2500.

Die Halbwertszeit

Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte der Atome in einer Probe zerfallen ist. Sie ist für ein gegebenes Isotop immer gleich. Sie hängt nicht davon ab, wieviele Atome wir noch haben, oder wie lange sie schon gelebt haben. Ein Großteil der Zerfälle geschieht ganz schnell. Die Halbwertszeit ist immer das gleiche, nur die "Hälfte\" wird immer kleiner. Es ist unmöglich vorherzusagen, wann ein bestimmtes Atom zerfallen wird, aber man kann die Anzahl von Atomen vorhersagen.

Isotope

Als Isotope bezeichnet man Atome, die zwar die gleiche Protonenzahl haben, aber unterschiedliche Neutronenzahlen haben können. (Eine Tabelle bei "Bilder\" am Beispiel Uran)

Wenn Atome dasselbe Element haben heißt es nicht, dass sie nicht auch verschiedene Anzahl an Neutronen haben können. Die verschiedenen Varianten heißen Isotope. Zum Beispiel enthält das häufigste Isotop von Wasserstoff überhaupt keine Neutronen; es gibt aber ein Wasserstoff- Isotop namens Deuterium, mit einem Neutron, und noch ein anderes, Tritium, mit zwei Neutronen (Bilder siehe auf der Seite "Bilder\"). Um ein bestimmtes Isotop zu kennzeichnen schreibt man es so:

X ist hier das chemische Zeichen für das Element, Z ist die Ordnungszahl und A ist die Massenzahl. Die Frage ist allerdings, ob ein Atom jede beliebige Zahl an Neutronen haben kann. Nein, da es bevorzugte Kombinationen gibt. Dabei haben leichte Elemente etwa so viele Neutronen wie Protonen, schwere Elemente haben mehr Neutronen als Protonen.

Die Kernspaltung

Der Chemiker Otto Hahn und der Physiker Fritz Strassmann entdeckten 1938 die Spaltung von Uran durch Neutronen. Durch Amerika wurde im zweiten Weltkrieg der Bau der Atombombe verwirklicht. Im Jahre 1945 explodierte in Mexiko die erste Testbombe. Im gleichen Jahr wurde Hiroshima zerstört und drei Tage später Nagasaki.

Neutron

Neutronen sind aus einem Up- Quark und einem Down- Quark aufgebaut, es wird also von anderen Ladungen weder abgestoßen noch angezogen. Sie sind genau neben den Protonen im Atomkern, außerdem sorgen Neutronen dafür, dass der Kern stabil bleibt. Freie Neutronen sind nicht stabil, das liegt daran, dass die Masse der freien Neutronen etwas größer ist als die der Protonen. Ein freies Neutron zerfällt nach etwa einer viertel Stunde in ein Elektron, ein Proton und ein Neutrino Dies ist der Beta- Zerfall. Neutronen helfen, den Atomkern stabil zu halten, obwohl sie instabil sind. Neutronen ziehen nämlich über die starke Kernkraft andere Neutronen und Protonen an, stoßen sich aber, als ungeladene Teilchen nicht durch die elektrische Kraft ab. Durch die starke Wechselwirkung im Atomkern wird verhindert, dass im Kern gebundene Neutronen zerfallen.

92 U Uran

Das Element Uran wurde 1781 entdeckt und nach dem Planeten Uranus benannt. Becquerel konnte 1895 feststellen, dass die Strahlung von Uran spontan ist. Er zeigte durch Dunkelversuche das die Strahlung von Uran nicht an den Lichteinwirkungen liegt, er konnte aber nicht erklären, wieso das so war. Marie und Pierre Curie konnten das allerdings feststellen und bekamen 1903 auch den Nobelpreis dafür. Bis 1938 hatte Uran aber keine nennenswerte Bedeutung, bis Otto Hahn und Fritz Straßmann die Kernspaltung entdeckt hatten. Jeder namhafte Physiker konnte sich die gigantische Energiemenge ausrechnen, die bei einer unkontrollierten Kettenreaktion entstehen musste.

Uran ist nach Thorium das am zweithäufigste Actinoiden Element. Es sind 23% in der Erdkruste vorhanden. Sein Anteil an der Erdkruste wird mit ca. 0,0003 Gewichtsprozent angegeben. Uranvorkommen die Abbauwürdig sind gibt es in Kanada, den Vereinigten Staaten, Zaire, Südafrika, Namibia, Niger, Australien und die Tschechische Republik. Heute sind knapp 150 Uranmineralien bekannt.

Uran ist ein radioaktives, verformbares, silbriges Metall. An der Luft reagiert es mit einer dünnen Oxidschicht. Wenn es feines Pulver ist verbrennt es bei ab 170° C, ist es aber kompakt, so verbrennt es erst bei 700° C. Gegen Alkalien ist Uran recht beständig, allerdings wird es von Wasser und Säuren angegriffen. Uran ist nicht nur radioaktiv sondern auch giftig.

Kernkraftwerke

Es stehen zur Zeit über 400 Kernkraftwerke auf der Erde. In Belgien, Finnland, Deutschland, Finnland, Schweden und der Schweiz werden ca. 30% des Stromkonsumes mit der Kernenergie gedeckt. Es gibt weniger Transport oder Lagerprobleme als bei Kohle, Öl oder Gas, da Uran ein kompakter Brennstoff ist. In mehreren dünnen Brennstäben befindet sich das Uran- 235. Auf diese Atome werden Neutronen geschossen und das Uran- Atom spaltet sich, dabei werden wieder Neutronen freigesetzt und die spalten wiederum Uranatome, und so geht es weiter bis keine Atome mehr spaltbar sind.

Durch technische Fehler oder durch menschliches Versagen kann die Umwelt stark belastet werden. Die zurückbleibenden radioaktiven Stoffe können sich sehr schädlich auf Mensch und Tier auswirken. Ein Atomkraftwerk belastet die Umwelt nicht so sehr wie ein Kohle- oder Ölkraftwerk. Die gasförmigen Spaltprodukte werden in die Abgasanlage geleitet oder solange zurückgehalten, bis die Radioaktivität nur noch sehr geringfügig ist. Flüssige Abfälle werden in spezielle Behälter getan und dort gereinigt.

Tschernobyl

Am 25. April 1986 sollte das Experiment stattfinden, dabei sollte festgestellt werden, ob die Turbinen bei einem kompletten Stromausfall genug Strom liefern können um die Notkühlung des Reaktors zu gewährleisten. Dies wurde aber verlegt und somit fand das Experiment am 26.04. statt. Damit alles so echt wie möglich war wurde auch das Notprogramm "Havarienschutz\" abgeschaltet, dadurch war der Reaktor praktisch schutzlos. Der Unfall geschah durch einen Bedienungsfehler eines unerfahrenen Reaktoroperators.

Es wurden 36 Stunden nach dem Unfall 50.000 Einwohner evakuiert. Auch Wochen und Monate danach wurden noch 67.000 Menschen in Sicherheit gebracht. Insgesamt verloren bis heute 200.000 Menschen ihre Heimat. Zirka 150.000 Quadratkilometer wurden damals verseucht.

Diese Explosion setzte über 100 radioaktive Elemente frei, die gefährlichsten waren Jod, Strontium- 90 und Cäsium- 137. Jod richtete seinerzeit die verheerendsten Schäden an. Es wurde in ungeheuren Mengen freigesetzt und dazu kam noch, dass die Menschen dem Jod komplett ungeschützt ausgesetzt waren. Jod ruft Schilddrüsenkrebs hervor und Strontium kann zu Leukämie und Knochenkrebs führen, während Cäsium den kompletten Körper bestrahlt und es unter anderem zu Magen-, Leber- und Milzkrankheiten kommen kann. Heute ist es zum Glück sicher das Kernkraftwerk zu besichtigen und auch ein Aufenthalt in der 30- Kilometer Zone ist ungefährlich.

Nach dem Unfall wurden mehrere Mutationen gemeldet, wie zum Beispiel Blätter die ihre Form verändern. Auch wurden Mutationen bei Tieren gemeldet, es gab immer mehr Fehlgeburten, Kreaturen mit sechs Beinen, ohne Augen, zusammengewachsene Extremitäten und ähnlich Mutationen.