Alphastrahlen

Alphastrahlen oder α-Strahlen is en Oort vun Ioniseeren Strahlen, de bi en sünnere Oort vun radioaktiven Verfall vörkummt, neemlich den Alphaverfall. En radioaktiv Nuklid, dat disse Oort vun Strahlen utsennen deit, warrt Alphastrahler nöömt.

Grundlagen

Bi de Strahlen hannelt sik dat üm en Deelkenstrahlen, de ut Helium-4-Atomkarns, besteiht. Disse so nöömten Alphadeelken sünd ut twee Protonen un twee Neutronen tohopensett. Dat Teken för en Alphadeelken is de greeksche Bookstaav Alpha: α. Dat cheemsch Teken is $\mathrm {^{4}_{2}He^{++}}$ , wat to’n Utdruck bringt, dat dat an sik en tweefach ioniseert Heliumatom un dormit en tweeweertig Kation is. De Alphastrahlen warrt dorüm ok to de Ionenstrahlen rekent. De Snelligkeit, mit de so en Deelken ut den Karn utneiht, liggt twüschen 15.000 km/s un 20.000 km/s.

De Naam vun de Strahlen kummt vun’t Indeelen vun ioniseeren Strahlen ut radioaktiven Verfall in Alpha-, Beta- un Gammastrahlen na jemehr anstiegen Vermögen, dör Materie dörtogahn. Anners as to’n Bispeel bi’n Betaverfall, hebbt Alphadeelken, de vun en sünnere Karnsort utsennt warrt blots sünnere Energien (Lienenspektrum). Disse Egenoort kann utnütt warrn, üm fasttostellen, wat dat verfallen Nuklid is, dat de Strahlen tüügt.

Tostannenkamen

Coulombwall. Modellpotential för en Alphadeelken, dat sik tohopensett ut den Potentialpott (as annegern an’t Karnpotential mit korte Reckwiet) un dat Coulombpotential mit lange Reckwiet.

Bi den Alphaverfall warrt en Alphadeelken, also en ⁴He-Karn, ut den Atomkarn afgeven. De kinetsche Energie vun dat Deelken is na de Formel $E=mc^{2}$ jüst so groot as de Masse, de bi den Karnverfall dör den Massendefekt verloren geiht. De Massentall vun den Karn nimmt dorbi üm veer Eenheiten af, de Atomtall warrt üm twee sieter. Dör de starke Wesselwirken warrt de Elementardeelken vun’n Karn antogen, vun wegen de lieke elektrische Ladung gliektietig aver ok afstött. De Karnkraft hett dorbi en bannig korte Reckwiet, wiel de elektrostaatsch Afstötten en lange Reckwiet opwiest. Dorvun kummt dat, dat dat Potential en Oort vun Hinnernis dorstellt, de as Coulombwall betekent warrt.

Vun wegen dat de Coulombwall grötter is as de Energie vun en α-Deelken, is dat klassisch nich möglich, dat so en α-Deelken över den Coulombwall röverneiht. Na de klassischen Physik sünd de enkelten Bostenen also stabil an’n Atomkarn bunnen. De Tostand warrt dorüm ok as metastabil betekent. Nu gifft dat aver en wisse Wohrschienlichkeit, de groff ok de Halfweertstiet fastleggt, dat so en Deelken liekers ut den Moderkarn utneihn kann. Dat passeert dör den quantenmechaanschen Tunneleffekt, de den Deelken Verlööf gifft, en Energiewall, de ahn End hooch un lang is, mit en sünnere Wohrschienlichkeit to dördringen, sülvst denn, wenn sien klassische Energie dorvör to lütt is.

Wenn dat Modernuklid X un dat Dochternuklid Y nöömt warrt un $\Delta E$ de freesett Energie is, gellt mit de Massentallen A baven un de Atomtallen Z ünnen för den Alphaverfall allgemeen:

${}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z-2}^{A-4}\mathrm {Y} +{}_{2}^{4}\mathrm {He} +\Delta E$ .

Een akkeraat Bispeel:

${}_{62}^{146}\mathrm {Sm} \to {}_{60}^{142}\mathrm {Nd} +{}_{2}^{4}\mathrm {He} +2,45\mathrm {MeV}$ .

Na’t Utstöten kann de Atomkarn mitünner in en anregten Tostand torüchblieven. De dorför bruukte Energie is en Deel vun $\Delta E$ , de dormit nich mehr as kinetsche Energie praat steiht. De Övergang torüch in den Grundtostand is mit dat Utsennen vun Gammastrahlen verbunnen. Vun wegen de bi’n Verfall freesett Energie sünd toeerst beide Atomen positiv laadt, man mit Atomen un Ionen ut de Ümgeven finnt glieks en Ladungsutgliek statt. In de Reakschoonsglieken warrt Elektronen un Ionenladungen normalerwies nich acht.

In de Natur kamt Uran un Thorium as tyypsche Alphastrahlers vör, as ok jemehr Verfallsprodukten Radium un Radon. De Energie vun en natürlich α-Deelken liegt normalerwies in de Gröttenorden vun 2 bit 5 MeV. Bi künstlich tüügte Nukliden künnt se aver ok över 10 MeV hebben.

Na de empirischen Weizsäcker-Massenformel för’t Drapenmodell gifft sik na de Reken för’n Alphaverfall för all Atomkarns af en Massentall vun 165 en positive Energiefreesetten. Dat bedüüt, dat na dat Modell de Summ vun de Massen vun’t freesett Alphadeelken un vun den Dochterkarn na den Verfall sieter is as de Masse vun’n Moderkarn vör den Verfall. De Alphaverfall is dormit energeetsch mööglich, man liekers is bi vele swore Karns noch keen Alpheverfall beobacht worrn.

Dat gifft aver ok Nukliden, de fröher as bestännig ansehn weern, sik nu aver as bannig langlevige Alphastrahlers rutstellt hebbt. Bispelen dorför sünd ¹⁴⁹Sm, ¹⁵²Gd un ¹⁷⁴Hf. Eerst in de 2000er Johren künn ok bi ¹⁸⁰W^[1] un ²⁰⁹Bi^[2] Alphaverfall mit Halfsweertstieten vun eenige 10¹⁸ Johren nawiest warrn.

De Halfsweertstiet is dör de Geiger-Nuttall-Regel mit de Energie vun’t afstrahlte Alphadeelken verknütt.

Wesselwirken mit Mateer

Alphastrahlen wesselwirkt an starksten mit Mateer un is dorüm an’n lichtesten aftoschirmen.

Vun wegen jemehr elektrische Ladung un de teemlich grote Masse vun 4 u künnt α-Deelken nich so deep in Materie ringahn, jemehr Indringdeep is also lütt.

De Reckwiet vun α-Deelken hangt af vun jemehr Energie un liggt in Luft bi Normaldruck ruchweg bi 10 cm (bi en Energie vun 10 MeV). Wenn de Luftdruck sieter is, nimmt de Reckwiet vun de Alphastrahlen to, as de Tall vun de Stöötpartners (Molekülen) mit den Luftdruck afnimmt, un de Deelken jemehr Energie op’n sünnern Weg langsomer afgeevt.

In Water oder en orgaansch Material künnt α-Deelkens mit en Energie vun 5 MeV ruchweg 40 μm wiet indringen. Dormit reckt also en poor Zentimeter Luft oder en kräftig Blatt Papeer in’n Allgemeen al ut, üm Alphastrahlen vullstännig aftoschirmen. Dat liggt an de Ionisatschoonsdicht vun α-Deelkens, d. h. woveel Ionen dat Deelken op en sünnere Längeneenheit vun sien Weg tüügt. Bi α-Strahlen is de Ionisatschoonsdicht veel grötter as för β- oder γ-Strahlen. In en Nevelkamer seht de Bahnsporen vun Alphadeelken dorüm sünners dick ut. De Reckwiet vun α-Strahlen is fröher in en Ionisatschoonskamer mit en Elektroskop bestimmt worrn, över’t Meten vun’n Ionisatschoonsstroom. Vundaag warrt dorför Deelkendetekters bruukt, mit de man enkelte Alphadeelkens tellen kann.

Apen Alphaspektrometer mit Präparat un Detekter (baven)

bioloogsch Utwirken

Wenn Alphastrahlen vun buten op den Lief vunn Minschen inwirken deit, denn bargt dat teemlich wenig Gefahr, wieldat de Deelken vun wegen jemehr lütte Indringdeep tomeist blots in de böveren doden Huutschichten indringen doot. Warrt aver en Alphastrahler dör Inaten oder dör’t Eten in’n Lief opnahmen, denn is dat dorgegen bannig gefährlich, wieldat in den Fall nich de doden Huutzellen, man leven Zellen bedrapen sünd. En hoge radioaktive Belasten warrt sünners utlöst dör’t Anriekern vun Alphastrahlers in en Organ, wieldat dorbi en hoge Strahlendosis op lütten Ruum un op wichtige Zellen schadhaft wirken deit (Strahlenkrankheit).

De relative bioloogsche Wirksomkeit vun Alphastrahlen is op 20 fastleggt. In’n Vergliek dorto leegt de relativen bioloogschen Wirksamkeiten bi Beta- un Gammastrahlen op een, d. h. bi’n glieken Energieindrag warrt Alphastrahlen de tweintigfacke Schaadwirken toordent. Bi disse Weerten is aver to achten, dat dat keen physikaalsch to meten Grött is, man blots en politisch fastleggte Norm, üm den Ümgang mit Strahlenschuul lichter to maken. Dorbi hannelt sik dat üm den Fakter to’n Ümreken twüschen Gray un Sievert (oder de ölleren Eenheiten Rad un Rem).

In de Radonbalneologie warrt dör de lütt doseerte Alphastrahlen vun den Radonandeel in eenige Heelbäder (z. B. Badgastein) en heelsome Wirken annahmen.

Anwennen

Isotopengenerater

En Plutonium-Kluten (²³⁸Pu) gleiht root dör sien egen Verfall

Alphastrahlers vun swore Elementen – vör vun allen Transuranen – mit hoge Dicht un teemlich lütte Halfweertstiet künnt sik dör jemehrn egen Verfall bit to Rootgloot ophitten. Dat is möglich, wieldat de bi’n Verfall utstötten energierieken Alphadeelkens vun jemehr sworen Atomens noch binnen in ophollen warrt un jemehr kineetsch Energie as Warmsenergie afgeevt. Kummt dorto, dat se blots wenig Gammstrahlen afgeevt un jemehr Halfweertstiet laang noog is, d. h. en opor Johren bit Johrteihnten, denn kann de afgeven Warms to’n Winnen vun Energie in Radiosiotopengeneraters bruukt warrn.

Rookmeller

Alphastrahlers warrt butendem in Ionisatschoonsrookmellers verwennt, de de Leddanlaag vun de ioniseerte Luft meten doot, woneem de Alphastrahlen dörneiht. Dör de Rookpartikels warrt de Leddanlaag minnert. Dat Brandschuulamt raat dorto, disse Oort vun Rookmellers to bruken, wieldat se sekerer sünd as annere.

Historie vun’t Utforschen

In sien Streiversöken hett Rutherford Goldfolie mit Alphadellken beschaten un stell fast, dat – anners as dat bövere Model seggt – eenige vun de Deelken af- oder gor torüchlenkt weern.

Alphastrahlen weer de eerste Oort vun Radioaktivität, de nawiest worrn is. Antoine Henri Becquerel hett ehr 1898 dordör opdeckt, dat lichtdicht afslaten Fotoplatten dör Uransolten swart warrn deen. Wietere Forschen vun Marie Curie un Pierre Curie hebbt ünner annern to’t Isoleeren vun de Verfallsprodukten vun Uran, Radium un Polonium föhrt, as ok to den Nawies, dat ok se Alphastrahlers sünd. För jemehr Leistungen hebbt de dree Forschers 1903 den Nobelpries för Physik kregen.

Ernest Rutherford hett 1899 de Ünnerscheedborkeit vun verscheden radioaktive Strahlenoorden wiest un verklor dat an jemehr Vermögen, dör faste Mateer dörtogahn. Dorbi hett he de Beteken α-, β- un γ-Strahlen prägt. In’t glieke Johr hebbt Stefan Meyer, Egon Schweidler un Friedrich Giesel wiest, dat de Strahlen dör jemehr Aflenken in en magneetsch Feld ünnerscheedt warrn künnen.

1908 hett Rutherford nawiesen künnt, dat α-Strahlen ut Heliumkarns bestahn de, as de de Spektrallienen bi en Gasentladen beobacht hett. Alphastrahlen hett Rutherford ok för sien Streiexperimenten 1911 bruukt, de opletzt to’t Opstellen vun’t Rutherfordsche Atommodell föhrt hebbt.

Kasimir Fajans und Frederick Soddy hebbt 1913 de radioaktiven Schuuvsätz opstellt, de dat Nuklid bestimmt, dat bi’n Alphaverfall entsteiht.

1919 hett Rutherford de eerste künstliche Ümwanneln vun en Element henkregen, dordör dat he Stickstoff mit Alphastrahlen bescheten de. Dorbi is Suerstoff tostannen kamen in de Karnreakschoon

_{7}^{14}\mathrm {N} +{}_{2}^{4}\alpha \to {}_{8}^{17}\mathrm {O} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}

.

De quantenmechaansch Verkloren vun’n Alphaverfall hett 1928 Georg Gamow mit den Tunneleffekt funnen.

„Alphastrahlen“ ut nich radioaktive Borns

As Alphadeelken warrt in de Physik jede vullstännig ioniseerte Helium-4-Karn nöömt, ok wenn de nich ut en radioaktiven Verfall kummt. De galaktische kosmische Strahlen un de Sünnwind bestaht to fief bit teihn Prozent ut so Alphadeelkens. Dat wunnert nich, as Helium een vun de fakensten vörkamen Elementen is. Man, disse Deel vun de kosmisch Strahlen kummt op de Eerdbavenflach nienich an.

Alphadeelken künnt ok künstlich ut Heliumgas in en Ionenborn tüügt warrn. Warrt de in en Gaumaker gaumaakt, warrt dat Strahlenbünnel mitüner ok as Alphastrahl betekent.

Borns

↑ Cristina Cozzini et al, Detection of the natural α decay of tungsten, Physical Review C (2004), preprint
↑ Pierre de Marcillac et al, Experimental detection of alpha-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature 422, 876–878 (24. April 2003), Ergebnistabelle

Literatur

Werner Stolz, Radioaktivität. Grundlagen – Messung – Anwendungen, Teubner, 5. Opl. 2005, ISBN 3-519-53022-8

Karnphysik

Theo Mayer-Kuckuk, Kernphysik, Teubner, 6. Opl. 1994, ISBN 3-519-03223-6
Klaus Bethge, Kernphysik, Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, Fundamentals in Nuclear Physics: From Nuclear Structure to Cosmology, Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Forschungshistorie

Milorad Mlađenović, The History of Early Nuclear Physics (1896–1931), World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Strahlenschuul

Hanno Krieger, Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes, Teubner 2004, ISBN 3-519-00487-9
Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz. Praxiswissen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen, Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
James E Martin, Physics for Radiation Protection, Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

Medizin

Günter Goretzki, Medizinische Strahlenkunde. Physikalisch-technische Grundlagen, Urban&Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig, Urban&Fischer Februar 2006, ISBN 3-437-23960-0

Weblenken

Alphastrahlen. Mehr Biller, Videos oder Audiodateien to’t Thema gifft dat bi Wikimedia Commons.

Snelligkeitsbestimmen vun Alphadeelken – dorstellt in en interaktive Animatschoon
„Glossar Strahlenschutz“ vun’t Forschungszentrum Jülich verklort vele Begrepen rund üm ioniseeren Strahlen (Alpha-, Beta-, Gammastrahlen) usw.

[1] Cristina Cozzini et al, Detection of the natural α decay of tungsten, Physical Review C (2004), preprint

[2] Pierre de Marcillac et al, Experimental detection of alpha-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature 422, 876–878 (24. April 2003), Ergebnistabelle

[1]

[2]