Im vergangenen Abschnitt haben wir etwas über die Größenordnungen von Objekten und über einige Eigenschaften von Atomen und Molekülen gelernt. Wir verstehen jetzt die Struktur von Atomen und von deren Kernen und können uns mit einigen interessanten Prozessen von Atomkernen auseinandersetzen.
Eines der größten Forschungsgebiete der Kernphysik beschäftigt sich mit der Radioaktivität, einem natürlichen Phänomen einiger Atomkerne. Radioaktivität ist überall um uns herum: In der Erde, im Weltall und sogar in uns selber. Es ist enorm wichtig, diese Strahlung zu verstehen, denn wir sind ununterbrochen radioaktiver Strahlung ausgesetzt, und das nicht nur, wenn wir eine Röntgenaufnahme machen lassen.
Im kommenden Abschnitt beschäftigen wir uns mit der Entdeckung der Radioaktivität und gehen auf ihre Entstehung und auf ihre Wirkung auf uns und die Welt um uns ein.

Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt, während er eigentlich mit Röntgenstrahlen arbeitete. Man vermutete damals, dass Materialien in denen sich Uran befand, das Sonnenlicht absorbieren und anschließend Röntgenstrahlen abstrahlen würden. Becquerel wollte dies mit Hilfe von fotografischen Platten beweisen, von denen man wusste, dass sie durch Röntgenstrahlen belichtet wurden. Am Tag des Experiments war es stark bewölkt, so dass Becquerel annahm, der Versuch sei fehlgeschlagen. Glücklicherweise entschied er sich dennoch dazu, die Platten zu belichten und fand, dass sein Probenmaterial Strahlung ausgesandt hatte, obwohl es nicht von der Sonne beschienen wurde. Somit war die vorherige These widerlegt. Danach wollte er herausfinden, ob es sich tatsächlich um Röntgenstrahlung oder um eine bis dahin nicht bekannte Form der Strahlung handelte. Hierfür brachte er eine radioaktive Quelle und eine Fotoplatte gemäß der Abbildung in eine Vakuumkammer und setzte den gesamten Aufbau einem Magnetfeld aus. Man wusste, dass Röntgenstrahlung nicht aus elektrischen Ladungen bestand und daher in einem Magnetfeld nicht abgelenkt wird. Als er den Film jedoch entwickelte, stellte er fest, dass die Strahlung im Magnetfeld eine gekrümmte Bahn beschrieben hatte. Wenn er die radioaktive Quelle wechselte, wurde die Strahlung in die andere Richtung abgelenkt, die Strahlung einer dritten Quelle erfuhr gar keine Ablenkung. Das zeigte, dass es wenigstens drei Formen der Strahlung gab, die von Materialien ausgesandt werden können und die elektrisch positiv, negativ und neutral geladen sind.

Viele Wissenschaftler haben daraufhin ihre Karrieren dafür eingesetzt, dieses neue Phänomen zu erforschen, darunter Marie und Pierre Curie, die zwei weitere radioaktive Elemente fanden: Polonium und Radium. Es war wiederum Rutherford, der die unterschiedlichen unbekannten Strahlungen nach den ersten Buchstaben des griechischen Alphabets benannte: Alpha, Beta und Gamma. Von Alphateilchen haben wir bereits gehört, als Rutherford sie nutzte, um das Innere des Goldatoms zu erforschen. Jetzt ist es Zeit, dieses Teilchen genauer kennen zu lernen. Doch zuvor wollen wir sehen, wo Radioaktivität außer von Uranverbindungen produziert wird.

Wir wissen, dass einige Elemente radioaktiv sind und andere nicht. Dies lässt vermuten, dass Radioaktivität auf atomarer Ebene erzeugt wird. Wir müssen uns also näher mit den Atomen, oder genaugenommen sogar mit deren Kernen befassen, um dieses Phänomen zu verstehen.
Es gibt drei Arten von Strahlung, die von radioaktiven Atomen abgegeben werden können: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es handelt sich dabei um Teilchen oder Energie, die von Atomkernen abgegeben werden, die nicht stabil sind; man spricht bei diesem Prozess von radioaktivem Zerfall eines instabilen Kernes.
Aber warum also sind einige Atomkerne instabil und andere nicht?
Wirklich genau können wir diese Frage erst später beantworten, aber für den Moment können wir festhalten, dass die Ursache die Zahl der Nukleonen im Atomkern oder genauer das Verhältnis zwischen Neutronen und Protonen in einem Atomkern ist. Die verschiedenen Formen der radioaktiven Strahlen werden bei unterschiedlichen Formen der Instabilität abgegeben, weshalb unterschiedliche Quellen auch unterschiedliche Strahlung erzeugen.
Instabilität beschränkt sich genaugenommen nicht auf einige wenige Atomkerne. Sogar das Proton und das Neutron selber zerfallen irgendwann, jedoch dauert das ungefähr 10³⁴ Jahre! Vergleicht man das mit unserer Lebensdauer auf der Erde, kann man Protonen also als stabil ansehen.
Jetzt wissen wir also grob, was radioaktive Strahlung ist und wollen untersuchen, wo wir sie antreffen.

Radioaktivität tritt nicht nur bei den giftigen Elementen Uran, Polonium und Radium auf. Dies sind zwar starke Quellen, jedoch findet man Radioaktivität auch an vielen anderen Orten. Die radioaktive Strahlung, die Becquerel beim Uran nachgewiesen hat, kommt auch im Gestein, aus dem Weltall, in der Luft, die wir atmen, im Wasser, das wir trinken, und sogar in unseren eigenen Körpern vor.
Es mag überraschend sein, dass wir alle selbst Quellen radioaktiver Strahlung sind. Auch ist dies nicht das Resultat unserer modernen technisierten Welt mit Kernkraftwerken, Computern und Röntgenaufnahmen. Vielmehr sind alle Pflanzen und alle Tiere radioaktiv, seitdem es Leben auf der Erde gibt. Schauen wir doch mal genauer, wo wir Radioaktivität finden können.

Im Boden

Radioaktive Elemente findet man überall in der Erde. Gestein, ganz besonders Granit, enthält Uranverbindungen. Uran ist ungefähr so häufig in der Erde anzutreffen wie einige Metalle, zum Beispiel Zink, Zinn oder Wolfram. Andere radioaktive Verbindungen sind sogar noch sehr viel häufiger, wie z.B. von Thorium, von dem es auf der Welt noch dreimal mehr gibt als vom Uran. Im 19. Jahrhundert, kurz bevor sich elektrische Beleuchtung durchsetzte, wurde Thoriumoxid eingesetzt, um Gaslampen heller leuchten zu lassen, und im 21. Jahrhundert könnte Thorium sich als Treibstoff in Kernkraftwerken durchsetzen.

Auf dem Foto ist ein 10kg-Gewicht neben drei Drähten mit einem Gesamtgewicht von 30 Milligramm abgebildet. Dieses Verhältnis entspricht dem zwischen Uran und Gestein in der Erde.
Die Strahlung dieses Thoriums, Urans und anderer radioaktiver Stoffe in der Erde ist messbar und trägt zu einem großen Teil zur sog. natürlichen Hintergrundstrahlung bei. Dieser Strahlung von unserer Umgebung sind wir unser ganzes Leben ausgesetzt und unser Körper hat Strategien, mit dieser Strahlung umzugehen, von denen wir später genauer erfahren werden. Die Karte zeigt die Stärke dieser natürlichen Strahlung in verschiedenen Teilen Europas. Die Unterschiede entstehen hauptsächlich durch unterschiedliche Gesteinssorten aus denen die Erde eines bestimmten Gebietes zusammengesetzt ist. Im Südwesten Englands beispielsweise gibt es besonders viel Granit, wodurch es mehr natürliche Radioaktivität gibt als in anderen Teilen des Landes, in denen der Boden hauptsächlich aus Kalkstein besteht. In einigen Gebieten Zentralfrankreichs ist das Strahlungsniveau durch das radioaktive Gas Radon aus dem Gestein höher. Neben Gestein gibt es aber noch andere Quellen, die zur natürlichen Hintergrundstrahlung beitragen.

Aus dem Weltall

Im gigantischen Universum gibt es viele Quellen von Strahlung. Da wären zum Beispiel Radiogalaxien mit superluminalen (schneller als Lichtgeschwindigkeit) Jets, Schwarze Löcher oder sogar Planeten in unserem eigenen Sonnensystem. Astronomen benutzen besondere Teleskope, um diese unterschiedlichen Arten der Strahlung, darunter Röntgen- und Gammastrahlung, zu beobachten. Diese Quellen strahlen in alle Richtungen und selbst die Strahlung von Objekten, die viele hundert oder sogar tausend Lichtjahre von uns entfernt sind, erreicht uns irgendwann. Was wir davon letztendlich als Strahlung nachweisen können, ist Teil der sogenannten kosmischen Strahlung. Je höher man sich befindet, desto mehr kosmische Strahlung kann man nachweisen. Auf dem Gipfel eines hohen Berges wird man also mehr Strahlung messen können als am Meeresspiegel, weil sie weniger Atmosphäre durchdringen muss.
Es ist schwer, dieser kosmischen Strahlung zu entkommen und sie ist äußerst lästig für Wissenschaftler. Manchmal ist es notwendig extrem schwache radioaktive Signale zu vermessen. Das könnte zum Beispiel bei der Untersuchung von sehr weit entfernten und sehr schwachen Quellen von Gammastrahlung der Fall sein, die nur einen winzigen Teil ihrer Strahlung in unsere Richtung abstrahlen. Auch wenn wir die Expansion und die Entstehung des Universums und die damit verbundene Mikrowellenstrahlung untersuchen, müssen wir mit sehr schwachen Signalen arbeiten.

Es wäre hoffnungslos, solche Messungen durchzuführen, während man gleichzeitig von der vollen Intensität der kosmischen Strahlung überschwemmt wird. Aus diesem Grund werden einige Experimente in Minen weit unter der Erde aufgebaut, wobei immer daran gedacht werden muss, auch Gestein zu vermeiden, das radioaktive Elemente enthält. Ein Experiment, das solche außergewöhnlichen Schritte nötig macht, beschäftigt sich mit einem Elementarteilchen, das wir später noch genauer untersuchen werden, dem Neutrino.

Das Bild zeigt diesen Detektor, der sich in Italien ganze 11km unterhalb eines Berggipfels befindet.

Im Meerwasser

Wenn Flüsse über Gestein und Erde fließen, lösen sie die unterschiedlichsten Salze und tragen sie mit sich in die Meere der Welt. Mit der Zeit verdampft ein Teil des Wassers in der Sonne, wodurch die Salzkonzentration steigt. Wir wissen bereits, dass das meiste Gestein Uran enthält, und es ist daher nicht überraschend, dass auch die Meere und Ozeane gelöstes Uransalz enthalten. Das macht das Meerwasser radioaktiv, und das nicht nur wegen des Urans, sondern neben vielen anderen Substanzen durch ⁴⁰K (sprich: Kalium-40). Diese Form des Kaliums ist der Hauptbestandteil, der unsere Körper radioaktiv macht.
Im Mittel findet man etwa 3 Milligramm Uran in 1000 Litern (oder einem Kubikmeter) Meerwasser. Das ist vielleicht nicht viel, aber man sagt, wenn die Kosten der Urangewinnung aus dem Meerwasser sich auf nur ein Zehntel reduzieren ließen oder der Uranpreis irgendwann steigt, dann könnte man Uran profitabel aus dem Meerwasser abbauen. Wenn die aktuellen Uranvorkommen aufgebraucht sind, könnten unsere Kernkraftwerke vielleicht wirklich mit Uran betrieben werden, das dem Meerwasser entzogen wurde.

In der Luft

Die Luft, die wir atmen, enthält eine kleine Menge einer radioaktiven Form des Kohlenstoffs, bekannt als ¹⁴C (sprich: Kohlenstoff-14). Kohlenstoff-14 ist das Ergebnis einer Reaktion mit kosmischer Strahlung in der Atmosphäre. Beim Durchgang durch die unterschiedlichen Schichten der Atmosphäre werden kosmische Strahlen mehrfach transformiert, wobei auch thermische (langsame) Neutronen entstehen können. Diese Neutronen können dann mit Stickstoff-14-Atomen eine Kernreaktion eingehen, bei der Kohlenstoff-14 und ein Proton entstehen. Diese Kohlenstoffatome werden dann zu Kohlenstoffdioxidmolekülen umgewandelt, die von Pflanzen während der Photosynthese aufgenommen und zur Bildung von Zucker und Zellulose eingesetzt werden. Das aufgenommene 14C wird dann an uns weiter gegeben, wenn wir diese Pflanzen essen oder sogar wenn wir das Fleisch von Tieren essen, die selber zuvor Pflanzen gefressen haben. Die Tatsache, dass alle lebenden Dinge 14C aufnehmen bis sie sterben, kann dazu genutzt werden, das Alter der Überbleibsel dieser Lebewesen zu bestimmen, selbst wenn diese sich schon Jahrhunderte oder Jahrtausende in der Erde befanden. Um das zu verstehen, müssen wir uns in einem späteren Kapitel mit der Halbwertszeit von radioaktiven Atomen beschäftigen.

In uns

Das Essen, das wir jeden Tag zu uns nehmen, enthält zwei oder drei Gramm Kalium. Das bedeutet, dass für jedes Kilogramm Körpergewicht ungefähr 50 Kalium-40-Atome pro Sekunde zerfallen und radioaktive Strahlen aussenden! Außerdem haben wir gerade erfahren, dass wir 14C durch unsere Nahrung aufnehmen, das ebenfalls radioaktiv ist. Spuren weiterer radioaktiver Elemente befinden sich in unserem Körper, so zum Beispiel Uran, falls wir während eines Bades am Strand schon einmal etwas Meerwasser verschluckt haben, das immer Uran enthält.

Große Mengen Radioaktivität können tödlich sein und Tausende sind nach den Atombombenabwürfen 1945 in Japan durch Strahlung gestorben. Später, im Jahr 1986, sind 31 Menschen durch radioaktive Strahlung getötet worden, als ein Kernkraftwerk in Tschernobyl explodierte. Du kannst mehr über diese Ereignisse in den Abschnitten „Nutzen und Risiken“ und „Geschichte“ nachlesen.
Die Menge von Strahlung, von der man weiß, dass sie die Gesundheit beeinflusst, ist bei Weitem größer als der natürliche Hintergrund durch kosmische Strahlung, Gestein etc. Jede der wenigen Zellen, die von diesen radioaktiven Quellen beschädigt werden, kann sich selber reparieren. Große Mengen Strahlung können aber zu nicht-reparabler Beschädigung von sehr vielen Zellen gleichzeitig führen, weshalb dies gefährlich werden kann.
Wir wissen, dass Pflanzen und Tiere über die Milliarden Jahre hin mit Radioaktivität gelebt und sich angepasst haben. Ob die Strahlung schädlich ist oder nicht, hängt also davon ab, welcher Menge und in welcher Art wir ihr ausgesetzt sind. Sogar der Verzehr von zu viel Speisesalz kann tödlich sein, weshalb Menschen verdursten, die über den Ozean treiben. Ganz wie man sagt: Zu viel von einer Sache allein ist immer schlecht.
Wie viel Strahlung ist nun also „zu viel“? Erstmals müssen wir die verschiedenen Formen der Strahlung kennenlernen und sehen, wie schädlich jede einzelne ist. Ab welcher genauen Menge die Strahlungen gefährlich sind, werden wir dann im Abschnitt „Aktivität und Wechselwirkung mit Materie“ herleiten.

Wir haben eben kurz beschrieben, was Radioaktivität eigentlich ist: Es ist der Zerfall von instabilen Atomen und die damit einhergehende Aussendung eines Teilchens oder von Energie. Wir werden jetzt genauer betrachten, was ein Atom instabil werden lässt und wie die einzelnen Formen der Strahlung funktionieren.

Isotope

Wir wissen bereits, dass Atome einen Kern haben, der aus Protonen und Neutronen besteht und der von Elektronen umkreist wird. Wir wissen auch, dass Atome elektrisch neutral sind und Ionen, die ein Elektron dazu gewonnen oder eines verloren haben, elektrisch geladen sind. Die Schlüssel zum Verständnis von Radioaktivität sind die Isotope.
Weiter oben haben wir darüber gesprochen, dass Kohlenstoff-14 radioaktiv ist, während der „normale“ Kohlenstoff-12 stabil ist. Was unterscheidet also Kohlenstoff-14 von Kohlenstoff-12? Es ist der Atomkern, der diesen Unterschied ausmacht. Damit es sich in beiden Fällen um das Element Kohlenstoff handelt, müssen beide die gleiche Anzahl von Protonen, also die gleiche Kernladungszahl haben. Diese Kernladungszahl macht ein chemisches Element zu dem was es ist. Verändern wir nun die Anzahl der Elektronen, werden wir nicht das chemische Element ändern, sondern machen das Atom lediglich zu einem Ion. Es muss also die Anzahl der Neutronen sein, die den Unterschied ausmacht. Wir sagen dann, dass Kohlenstoff-14 und Kohlenstoff-12 zwei Isotope des gleichen Elementes Kohlenstoff sind, die sich nur darin unterscheiden, dass sich im Atomkern von Kohlenstoff-14 zwei Neutronen mehr befinden und er dadurch etwas schwerer ist als Kohlenstoff-12.
Es gibt viele Isotope jedes Elements. Ein berühmtes Beispiel ist Deuterium, ein Isotop des Wasserstoffs mit einem Proton und einem Neutron. Dieses Deuterium kann benutzt werden, um schweres Wasser herzustellen, das zum Beispiel dazu eingesetzt werden kann, Neutrinos nachzuweisen, oder Kernkraftwerke zu moderieren.
Instabile Isotope sind oft sehr nützlich bei medizinischen Anwendungen. Ihr Einsatz ist sicher wegen ihrer kurzen Lebensdauer. Das Problem mit diesen Substanzen ist, dass sie nicht natürlich vorkommen. Sie werden meist im Krankenhaus selbst in sogenannten Zyklotronen produziert, in denen Atome mithilfe von Magneten auf Kreisbahnen bis auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Zyklotrone gibt es in vielen verschiedenen Größen, abhängig von dem Isotop, das mit ihnen erzeugt werden soll. In diesen Maschinen werden Atomkerne auf geladene Teilchen geschossen, so dass das gewollte Radioisotop entsteht. Radioisotope nennt man Isotope, die instabil und daher radioaktiv sind.
Die stabilsten Versionen der Elemente sind die, die in der Natur am meisten gefunden werden können und die im Periodensystem der Elemente aufgelistet sind. Diese Isotope sind nur deshalb so weit verbreitet, weil sie eben stabil sind und ihre instabilen Brüder- und Schwesterisotope mit der Zeit zerfallen sind und andere stabilere Elemente zurückgelassen haben. Warum ist also ein Isotop stabiler als ein anderes?

Stabilität

Im Abschnitt über Atomkerne haben wir kurz angesprochen, dass die Nukleonen von der sogenannten Starken Kernkraft zusammengehalten werden, die die Abstoßung der Protonen untereinander überwiegt. Dieses Detail ist der Schlüssel zum Verständnis der Stabilität von Atomkernen. Neutronen und Protonen unterliegen beide der Starken Kernkraft, aber nur die Protonen tragen zur Abstoßung bei. Die Neutronen sorgen daher für den Zusammenhalt im Atomkern, ohne selber zur elektrostatischen Abstoßung beizutragen. Darauf aufbauend mag man denken, dass ein Atomkern immer stabiler wird, je mehr Neutronen er hat. Dies ist jedoch nicht der Fall. Atomkerne sind nur stabil, wenn das Verhältnis zwischen der Zahl der Neutronen und der Zahl der Protonen im Bereich zwischen 1 und 1,6 liegt. Außerhalb dieses Bereiches wird ein Atomkern instabil sein und zerfallen. Stickstoff zum Beispiel ist stabil mit einem Verhältnis von 1: Es hat 7 Neutronen und 7 Protonen. Auf der entgegengesetzten Seite dieses Bereiches befindet sich Blei mit einem Verhältnis von 1,54, das ebenfalls stabil ist, aber 126 Neutronen und 82 Protonen hat. Die Abbildung zeigt diesen stabilen Bereich als Funktion der Protonen- und Neutronenanzahl und die drei Zerfallsmechanismen, die offenbar davon abhängen, wo das entsprechende Isotop liegt.

Wenn ein Atomkern protonenarm ist, wird er dem Betazerfall unterliegen, ist er hingegen neutronenarm, wird er im Gegenteil dem Positronenzerfall (oder Betapluszerfall) unterliegen. Ein alternativer Vorgang ist der sogenannte Elektroneneinfang, bei dem der Atomkern ein Elektron „absorbiert“, was letztendlich zum gleichen Resultat wie der Betapluszerfall führt. Für ganz besonders schwere Atomkerne ist es von Vorteil beim Zerfall Masse zu verlieren und in einen sehr viel stabileren leichteren Kern überzugehen, wobei ein Alphateilchen (zwei Protonen und zwei Neutronen) abgeben wird. Bei einem Alpha- oder Betazerfall ändert sich die Anzahl von Protonen im Atomkern, wodurch sich das Element an sich ändert; dieser Prozess heißt Transmutation. Lange bevor Wissenschaftler verstanden haben, was ein chemisches Element ausmacht, haben sich viele Menschen mit dem Feld der Alchemie befasst. Diese Wissenschaft wollte andere Substanzen in andere (hauptsächlich in Gold) umwandeln. Dieser Prozess ist im Wesentlichen Transmutation und wird von jedem instabilen Atomkern durchgeführt, oft viele Male, bevor er endlich eine stabile Konfiguration erreicht. Jede dieser Zerfallsformen wird im nächsten Abschnitt genauer diskutiert.

Bindungsenergie

Ein besonders wichtiger Aspekt der Kernphysik ist das Konzept der Bindungsenergie. Es gibt viele verschiedene Formen der Bindungsenergie, aber für unsere Zwecke werden wir uns mit der Bindungsenergie des Atomkerns beschäftigen. Diese gibt an, wie viel Energie man in einen Atomkern hineinstecken muss, bevor die Nukleonen die anziehende Kraft überwinden können und als freie Teilchen entkommen. Die Bindungsenergie des gesamten Atomkerns ist niedriger als die Summe seiner einzelnen Bestandteile. Das ist eine weitere Erklärung für das Zusammenhalten der Nukleonen im Kern. Es scheint für die Nukleonen energetisch von Vorteil zu sein (die Gesamtenergie ist geringer), in der Form eines Atomkerns gebunden zu sein, als separat zu existieren. Es bietet sich aufgrund dieses interessanten Phänomens oftmals an, von der „Bindungsenergie pro Nukleon“ zu sprechen.