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Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gammastrahlung

Radioaktivität ist spannend! Erfahre, wie Atomkerne instabil werden und welche Arten von Strahlung freigesetzt werden. Entdecke die Unterschiede zwischen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung und wie sie sich verhalten. Interessiert? Tauche in die Welt der Radioaktivität ein und verstehe die Natur von Godzilla!

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gammastrahlung
lernst du in der Sekundarstufe 3. Klasse - 4. Klasse - 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gammastrahlung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Strahlungstypen – Alpha-, Beta- und Gammastrahlung kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Eigenschaften des $\alpha$-Zerfalls und des $\gamma$-Zerfalls.

    Tipps

    Nur bei einem der Zerfälle ändert sich das Element.

    Beim Durchdringungsvermögen gilt, je größer die Teilchen, desto weniger können sie durchdringen.

    Lösung

    Der $\alpha$-Zerfall erfolgt, wenn ein Kern deutlich mehr Protonen als Neutronen aufweist. Bei solchen Kernen wirkt sich die Coulombkraft zwischen den Protonen im Verhältnis zu den bindenden Kräften im Kern stärker aus. Durch die wirkenden Kräfte zerfällt der Kern und gibt dabei einen Heliumkern frei. Damit reduziert sich die Anzahl der Protonen und der Neutronen im Kern um jeweils zwei. Die Teilchen besitzen nur eine geringe Energiedichte und damit nur eine Reichweite von wenigen cm. In diesem Bereich können sie jedoch jegliche Materie stark ionisieren.

    Zerfallsgleichung: $\,{}^A_Z X\,\rightarrow\,{}^{A-4}_{Z-2} Y\,+\, \alpha$

    Der $\gamma$-Zerfall erfolgt nach einem Zerfall, wenn der Kern noch überschüssige Energie besitzt. Diese wird durch Abgabe eines Photons, also einer Energieportion, abgebaut. Die Gammastrahlung besitzt genauso wie Licht eine gewaltige Reichweite und ihr Durchdringungsvermögen ist noch wesentlich größer als das von Röntgenstrahlung. Dafür ist ihr Ionisierungsvermögen eher gering, da die Strahlung ungeladen ist und erst die Materie anregen muss.

    Zerfallsgleichung: $\,{}^A_Z X^*\,\rightarrow\,{}^A_Z X\,+\, \gamma$

  • Gib das Durchdringungsvermögen der unterschiedlichen Strahlungsarten an.

    Tipps

    Je dicker die Abschirmung sein muss, desto größer ist das Durchdringungsvermögen.

    Von einer Strahlungart gibt es zwei mögliche Zerfallsarten mit zwei Strahlungsteilchen. Man gibt dem Zerfall den Zusatz Minus, wenn ein Elektron frei wird und Plus, wenn ein Positron frei wird.

    Lösung

    Es gibt insgesamt vier bekannte radioaktive Strahlungsarten: $\alpha$ (alpha), $\beta^+$ (beta-Plus), $\beta^-$ und $\gamma$ (gamma)-Strahlung.

    Diese haben nur die Gemeinsamkeit, dass sie bei einem radioaktiven Zerfall frei werden. Sie unterscheiden sich im frei werdenden Teilchen, dem Durchdringungsvermögen und dem Ionisierungsvermögen.

    Die $\alpha$-Strahlung besteht aus Heliumkernen, die auch $\alpha$-Teilchen genannt werden. Diese Teilchen weisen das höchste Gewicht und das größte Volumen der vier Teilchenarten auf. Zudem ist das Teilchen als Atomkern positiv geladen. Damit besitzt es das größte Ionisierungsvermögen und kann schwerste Schäden bewirken, wird aber auch schon von einem Blatt Papier aufgehalten.

    Die $\beta$-Strahlung kann durch zwei verschiedene Zerfälle hervorgerufen werden. Zum einen durch den $\beta^-$ -Zerfall, bei dem ein Elektron frei wird. Dieses Teilchen besitzt dieselbe Masse und Größe wie ein Elektron. Zum anderen durch den $\beta^+$ -Zerfall, bei dem ein Positron frei wird. Dieses Teilchen besitzt dieselbe Masse und Größe wie ein Elektron, weist jedoch eine positive Ladung vom selben Betrag auf. Dieses Teilchen ist ein sogenanntes Antiteilchen und gehört damit zur Antimaterie. Sowohl das Elektron als auch das Positron sind so klein, dass sie erst von einem Stück Metall aufgehalten werden können. Zudem sind sie in der Lage, mittelschwere Strahlungsschäden zu bewirken.

    Die $\gamma$-Strahlung besteht aus Photonen, also aus Energieportionen. Diese Teilchen können mühelos Materialien durchdringen. Sie gehören zum elektromagnetischen Spektrum und sind noch energiereicher als Röntgenstrahlung. Erst dicke Bleiplatten können diese Strahlung aufhalten.

  • Erkläre die Ionisierung durch Strahlung.

    Tipps

    Bei der Ionisation wird ein Atom zum Ion. So ein Teilchen hat entweder einen Elektronenüberschuss oder einen Protonenüberschuss.

    Lösung

    Jede radioaktive Strahlung kann Atome ionisieren. Dabei ionisieren die $\alpha$ und $\beta$-Teilchen die Moleküle direkt durch Einlagerung. Die $\gamma$-Strahlung regt die Elektronen des Atoms an, sodass sie sich immer weiter vom Kern entfernen, bis sie frei werden. Man spricht dabei vom Erreichen der Ionisierungsenergie.

    Diese ist vom Element abhängig und vom gebildeten Molekül. Dabei spielt die Elektronegativtät die größte Rolle, neben der Größe des Atoms. Steht man vor dem Periodensystem, nimmt die Elektronegativität von der linken unteren Ecke zur rechten oberen Ecke zu. So hat Franzium die niedrigste Elektronegativität und Fluor die größte, da die Edelgase keine Elektronen zusätzlich brauchen.

  • Erkläre, welcher Strahlungstyp für die Szintigraphie sinnvoll ist.

    Tipps

    Schaue dir die Animation genau an. Du kannst ihr wesentliche Informationen entnehmen.

    Vergleiche das Verfahren mit dem Röntgenverfahren.

    Lösung

    Wie beim Röntgen wird eine Strahlungsquelle für die Bildgebung genutzt. Jedoch befindet sich hier die Strahlungsquelle nicht hinter dem Körper, sondern sie wird in den Körper injiziert. Durch die Trägersubstanz verteilt es sich im Körper und lagert sich bevorzugt in Tumorzellen ein.

    Die Strahlungsdichte wird dann von außen gemessen und damit wird ein Bild erzeugt. Daher muss ein $\gamma$-Strahler verwendet werden, da nur dieser den Körper mühelos durchdringt und auch wieder verlässt.

    Durch die Trägersubstanz kann bestimmt werden, in welche Zellen sich die Substanz einlagern soll. So lässt sich auch die Blutzirkulation oder die Funktion von Schilddrüse und Nieren prüfen.

  • Gib an, warum radioaktive Strahlung gefährlich ist.

    Tipps

    Vergleiche die radioaktive Strahlung mit Röntgenstrahlung.

    Lösung

    Radioaktive Strahlung kann sehr gefährlich für den Menschen sein. Dabei ist besonders die Fähigkeit Atome zu ionisieren gefährlich für den Menschen. Da die meiste Strahlung nur eine begrenzte Reichweite besitzt, sollte man sich ihr nur kurz aussetzen und Abstand bewahren. Da die Strahlung viele Materialien durchdringen kann, ist eine gute Abschirmung notwendig.

    Es gelten damit dieselben Regeln wie für den Umgang mit Röntgenstrahlung.

  • Vergleiche die Entstehung einer Strahlenverbrennung durch $\gamma$-Strahlung mit der Entstehung eines Sonnenbrandes.

    Tipps

    Dem Spektrum kannst du wesentliche Informationen entnehmen.

    Die Ionisation ist ein Vorgang, bei dem ein Elektron eines Atoms durch die Zufuhr von Energie das Atom verlassen kann. Das Atom wird dadurch zum Ion.

    Lösung

    Die Entstehung eines Sonnenbrandes funktioniert auf folgendem Wege. Die Sonne sendet neben der Wärmestrahlung und dem sichtbaren Licht viel ultraviolette Strahlung aus den Bereichen UVA, UVB und auch UVC aus. Die UVB und UVC-Strahlung ist sehr stark ionisierend und wird glücklicherweise größtenteils von der Ozonschicht abgefangen. Einer der Gründe warum FCKW's verboten wurden ist, dass sie diese Schicht zerstören.

    Die UVB und UVA-Strahlung ist verantwortlich für die Bräunung der Haut durch die Aktivierung von Melanin. Sie kann aber auch bei zu starker und zu langer Einwirkung die Moleküle der Haut so stark anregen, dass diese ionisieren. Diese Energie, die die Haut aufnimmt, ist als Wärme im Gewebe spürbar. Die Ionisierung kann bei noch längerer Aussetzungszeit zu bleibenden Schäden wie zum Beispiel zu Hautkrebs führen. Die Sonnencreme bildet hierbei einen Puffer, der einen Teil der Strahlung abfängt und verlängert damit den Zeitraum, den man sich der Sonne aussetzen kann.

    Bei der Ionisierung regt die Strahlung die Atome eines Moleküls so stark an, dass deren Elektronen immer höhere Energieniveaus einnehmen. Bis zu dem Punkt, an dem sie genug Energie besitzen, um sich vom Kern zu lösen. Das Elektron ist danach frei und zurück bleibt ein Ion.

    Genauso funktioniert auch die Wechselwirkung der $\gamma$-Strahlung mit der Haut. Jedoch kann die Gammastrahlung mühelos den gesamten Körper durchdringen und überall die Moleküle ionisieren. Zudem besitzt sie durch die 10.000-fach höhere Frequenz viel mehr Energie und somit erfolgt die Ionisierung viel schneller.