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α-Strahlung

Ein instabiler Kern schleudert zwei Protonen und zwei Neutronen hinaus. Das Teilchen ist schwer, kommt kaum weit — und ist trotzdem nicht harmlos.

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Α-Strahlung

Ein Strahler an der Decke — und trotzdem harmlos?

In vielen älteren Rauchmeldern steckt eine winzige Menge Americium.

  • Quelle:Das Americium strahlt ununterbrochen.
  • Ort:Der Melder hängt direkt über deinem Kopf.
  • Frage:Warum ist das trotzdem ungefährlich?
Rätsel 1 · Ein Blatt Papier genügtDie Strahlung des Rauchmelders kommt in Luft nur wenige Zentimeter weit. Ein Blatt Papier oder das Plastikgehäuse halten sie vollständig auf. Warum ist sie so „schwach“?
Rätsel 2 · Eingeatmet hochgefährlichDieselbe Strahlung gilt im Körper als die gefährlichste von allen — gefährlicher als β- oder γ-Strahlung. Wie passt das zu Rätsel 1?
  • Zerfall:Instabile Kerne ordnen sich um und werden ein Stück von sich los.
  • Arten:Es gibt α, β+, β− und γ.
  • Hier:Es geht um die erste Art, den α-Zerfall.
  • Lösung:Beide Rätsel hängen am abgeworfenen Teilchen.

Der Kern wirft ein Helium-Paket ab

Beim α-Zerfall verlassen zwei Protonen und zwei Neutronen gemeinsam den Kern.

  • Abgegeben:Ein α-Teilchen aus 2 Protonen und 2 Neutronen.
  • Identität:Das ist ein Helium-Kern, zweifach positiv geladen.
  • Rest:Zurück bleibt ein anderes Element.
Merke

α-Zerfall in drei Sätzen:

Z sinkt um 2, A sinkt um 4

Teilchen: Der Kern sendet einen Helium-Kern aus: 2 Protonen und 2 Neutronen, Ladung 2+.

Neues Element: Die Protonenzahl entscheidet über das Element. Sinkt Z um 2, entsteht ein anderes.

Kurze Reichweite: Schwer und doppelt geladen: Es reißt viele Elektronen aus Atomen und verliert schnell Energie.

α-Teilchen: Es ist ein Helium-Kern aus 2 Protonen und 2 Neutronen mit Ladung 2+.

Probe: Bei jeder Zerfallsgleichung sind die Summen der Nukleonenzahlen und der Kernladungszahlen links und rechts gleich.

Reichweite: Die Energie ist nach 1–10 cm Luft verbraucht; ein Blatt Papier schirmt ab, inkorporiert ist α-Strahlung aber sehr gefährlich.

Die Zerfallsgleichung

241Am Z = 95 · A = 241 237Np Z = 93 · A = 237 α = 4He · 2+ Proton orange · Neutron blau · schematisch
Merke

α-Zerfall allgemein:

\( {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \;\rightarrow\; {}^{A-4}_{Z-2}\mathrm{Y} \;+\; {}^{4}_{2}\mathrm{He} \)

A: Nukleonenzahl, steht oben.

Z: Kernladungszahl, steht unten.

X und Y: X ist das Mutternuklid, Y das Tochternuklid.

Merke

Beispiel Rauchmelder:

\( {}^{241}_{\;95}\mathrm{Am} \;\rightarrow\; {}^{237}_{\;93}\mathrm{Np} \;+\; {}^{4}_{2}\mathrm{He} \)

Probe oben: 241 = 237 + 4.

Probe unten: 95 = 93 + 2.

  • Regel:Die Probe funktioniert bei jeder Zerfallsgleichung.
  • Oben:Die Summe der Nukleonenzahlen ist links und rechts gleich.
  • Unten:Die Summe der Kernladungszahlen ist links und rechts gleich.
  • Sonst:Stimmt eine Summe nicht, ist die Gleichung falsch.
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Unterwegs: warum das Teilchen kaum weit kommt

Das TeilchenEtwa 7200-mal so schwer wie ein Elektron und zweifach positiv geladen — ein Geschoß, das bei jedem Zusammenstoß Elektronen aus den Atomen schlägt (Ionisation) und dabei Energie verliert.
Die FolgeDie Energie ist nach 1–10 cm Luft verbraucht. Ein Blatt Papier oder die abgestorbene oberste Hautschicht reichen zum Abschirmen. Im E- und B-Feld wird es abgelenkt — wegen der Masse aber nur schwach.
✓ Rätsel 1 gelöstNicht schwach, sondern schnell verbraucht: Das α-Teilchen gibt seine gesamte Energie auf kürzester Strecke ab. Von außen kommt es nicht einmal durch die Haut.
✓ Rätsel 2 gelöstEingeatmet oder verschluckt (Inkorporation) liegt nichts mehr dazwischen: Die ganze Energie trifft auf wenigen Zehntelmillimetern lebendes Gewebe — und zerstört dort besonders viel.
Steckbrief α-Strahlung
Eigenschaftα-Strahlung
TeilchenHelium-Kern (2 p + 2 n), Ladung 2+, Masse ≈ 7200 · mElektron
Änderung im KernZ − 2, A − 4 → neues Element
Reichweite in Luftetwa 1–10 cm
AbschirmungBlatt Papier, Hautschicht
Ablenkung im E-/B-Feldja, zur negativen Platte — schwach
Gefährlichkeitvon außen harmlos, inkorporiert sehr gefährlich

Beim α-Zerfall verlassen vier Nukleonen den Kern, die Zähler für A und Z springen um 4 und 2 nach unten. Darunter zeigt sich, was das Teilchen aufhält.

Zerfallsmaschine

α-Teilchen 241 95 Am schematisch — es sind nicht alle Nukleonen gezeichnet Proton Neutron

Mit Tab in die Zeichnung springen, mit Enter den Zerfall auslösen oder den Kern zurücksetzen; in der Nuklidauswahl mit den Pfeiltasten wechseln.

Halte fest: Beim α-Zerfall sinkt die Nukleonenzahl A um 4 und die Kernladungszahl Z um 2 — aus dem Mutterkern wird ein anderes Element.

Abschirmungstest: Wie weit kommt das α-Teilchen? Wähle ein Material und stelle die Energie des Teilchens ein.

Abschirmungstest

Quelle

Halte fest: Der Balken bleibt immer im Bereich von etwa 1 bis 10 cm — egal wie viel Energie du einstellst, weiter kommt ein α-Teilchen in Luft nicht. Und sobald irgendein fester Stoff im Weg liegt, endet der Balken sofort: Schon das Blatt Papier hält die gesamte Strahlung zurück. Genau deshalb ist ein α-Strahler von außen harmlos.

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Allgemeine Hinweise

Kurze Reichweite ≠ harmlos

Ungefährlich ist ein α-Strahler nur von außen. Im Körper wirkt die kurze Reichweite genau umgekehrt.

Z und A nicht vertauschen

Z steht unten und sinkt um 2, A steht oben und sinkt um 4. Nie umgekehrt.

Kein Helium-Atom

Das α-Teilchen ist ein Helium-Kern, die zwei Elektronen fehlen. Erst mit eingefangenen Elektronen wird ein Atom daraus.

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