Frage von General001, 72

Wie funktioniert ein a Strahler?

Im Physikunterricht gibt es doch a Strahler. Nehmen wir zum Beispiel mal 238/92 Uran welches ja zu 234/90 Th und einem Heliumion zerfällt, welches jedoch wegfliegt. Im Strahler bleibt also Th 234 zurück und wird zum Strahler. Dann stimmt aber doch die Aufschrift gar nicht mehr wenn doch irgendwann der Strahler nur noch aus Th 234 besteht? Um einen a Strahler zu haben muss man also ein Nuklid wählen auf das nur a Zerfall folgt denn sonst wird ja aus dem a Strahler ein b Strahler, oder wie funktionieren diese a Strahler?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 19

Nehmen wir zum Beispiel mal 238/92 Uran welches ja zu 234/90 Th und einem Heliumion zerfällt, welches jedoch wegfliegt.

So weit, so richtig. Dort, wo das α-Teilchen, also das Helium-Ion, langsamer wird und schließlich zum Stillstand kommt, reißt es Elektronen an sich, um so zu einem Heliumatom zu werden - egal woher es die bekommt. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist bei ²³⁸₉₂U denkbar gering, denn sonst würde die Umwandlung der Hälfte aller ²³⁸₉₂U-Kerne in etwas anderes (wohl bemerkt, über das selbst radioaktive ²³⁴₉₀Th) nicht 4,5 Milliarden Jahre dauern. Das Tochternuklid macht einen schnellen β⁻-Zerfall zu ²³⁴₉₁Pa (Protactinium), das zu ²³⁴₉₂U wird usw. (s.: https://de.wikipedia.org/wiki/Uran-Radium-Reihe), es kommen auch

Wie funktioniert ein α-Strahler?

Die Kräfte zwischen den Nukleonen bzw. den Quarks, aus denen sie bestehen, erzeugen einen Potentialtopf, der ziemlich tief, aber von einem erhöhten Wall umgeben ist. Innerhalb des Topfes bilden die Teilchen stehende Wellen, die aber auch Ausläufer in den Bereich haben, in dem das Potential über der eigenen Energie liegt.

Liegt Letztere auch unter dem eigentlichen Umgebungsniveau, so läuft sich der Ausläufer einfach aus, und der Kern ist stabil. Liegt sie darüber, erreicht der Ausläufer wieder einen Bereich, der unter der Energie des Kerns liegt, sodass ein in sich besonders stabiler Teil des Kerns mit einer gewissen Wahrscheinlichkeitsamplitude außerhalb des Potentialwalls zu (f)liegen kommt, und die ist desto geringer (und damit die Halbwertszeit desto länger), je höher/breiter der Wall ist.

Modellhaft kann man sich einen kleinen See mit einem über dem Umgebungsniveau liegenden Wasserspiegel und undichten Wänden vorstellen, aus dem Wasser heraussickern kann.

Kommentar von General001 ,

Ionisiert das Heliumion durch das anziehen der Elektronen andere Atome und Moleküle? Ich hätte gedacht das schnelle Heliumion stößt das Elektron aus dem Molekül heraus?

Kommentar von General001 ,

Also in so einem Strahler sind so viele Uran Isotope dass man sichergehen kann dass immer ein Kern zerfällt?

Kommentar von SlowPhil ,

Du meinst Uran-Atomkerne. Uran-Isotope sind z.B. U-238 oder U-235, verschiedene

Sorten

von Atomkernen. Und, in der Tat, es gibt so viele Atomkerne in, sagen wir, einem Millimol (nämlich etwa 6×10^{20}), dass es immer etliche Atomkerne gibt, die in der gegebenen Sekunde zerfallen.

Kommentar von General001 ,

Verwendet man für solche Strahler eher Isotope mit geringer Halbwertszeit oder mit langer so wie Uran?

Kommentar von SlowPhil ,

Was heißt "verwendet", d. h. für welchen Zweck? Wenn man jedenfalls ein Präparat zum Durchmessen anfertigt, muss man unbedingt das Datum draufschreiben, besonders wenn das laut Aufschrift enthaltene Nuklid Halbwertszeiten von nur wenigen Jahrtausenden, Jahrhunderten oder gar Jahrzehnten hat, denn stimmen eord die Aufschrift bald nicht mehr, und man muss wenigstens ausrechnen können, wie sich das Präparat in der Zwischenzeit verändert hat. Für noch kurzlebigere Nuklide wird man gar nicht erst ein Präparat anfertigen. Um etwas technisch zu nutzen, muss man es lagern können, und da bringen kurzlebige Nuklide nichts.

Kommentar von General001 ,

Habe ich es richtig verstanden dass nach einiger Zeit ein alpha-Strahler auch ein wenig Beta Strahlung aussendet?

Kommentar von General001 ,

Ich fasse noch einmal kurz zusammen für einen Strahler so wie man ihn im Physikunterricht kennt verwendet man meist Nuklide mit langer Halbwertszeit in großen Mengen damit man sichergehen kann das in der gegebenen Sekunde genug Kerne zerfallen. Da Uran zu Thorium zerfällt besteht der Strahler mit der Zeit immer mehr aus Thorium später kann aus dem ehemaligen alpha Strahler auch ein Beta Strahler bzw. ein Gemisch aus alpha und beta Strahler entstehen weshalb das Datum immer auf dem Strahler nach der Herstellung festgehalten werden muss denn nur so kann man sicher gehen dass ein Alpha Strahler auch noch ein alpha strahlt.

Über eine Antwort von dir würde ich mich sehr freuen.

Kommentar von SlowPhil ,

Ich verstehe nicht ganz, was Du genau mit "man verwendet Strahler" meinst. Als Präparat zum Durchmessen, als Anschauungsmaterial? So hatte ich das aufgefasst.

Kommentar von SlowPhil ,

Thorium hat ein Isotop, das langlebiger ist als Uran 238, aber selbst das ist nicht stabil. Diejenigen Th-Isotope hingegen, die in einer der berühmten Uran-Zerfallsketten in Erscheinung treten, sind mal so richtig kurzlebig. Es kann gar nicht die Rede davon sein, das Gestein bestehe am Ende aus Thorium. Es besteht aus Blei, Blei 206. Im Regelfall ist es vom Nuklid abhängig, ob etwas ein Alpha - oder Betastrahler ist. Manche Nuklide können beide Zerfälle machen.

Antwort
von WeicheBirne, 31

Ein wichtiger Punkt ist hier die Halbwertzeit der einzelnen Strahler. Uran 238 hat eine Halbwertzeit von über 4 Milliarden Jahren. Ein Stück Uran 238 wird also so lange Du lebst hauptsächlich immer aus Uran 238 bestehen. 

Thorium 234 hat eine Halbwertzeit von etwa dreieinhalb Wochen. Das zerfällt also fast "sofort" nachdem es entstanden ist. Ein Stück Uran 238 wird daher also immer alpha-Teilchen aus dem Uranzerfall und beta-Teilchen aus dem Thoriumzerfall abstrahlen, aber hauptsächlich aus Uran bestehen. 

Kommentar von General001 ,

Aber nach Milliarden von Jahren wird  dieser Strahler nicht mehr aus Uran bestehen. Was wird hauptsächlich in diesen Strahlern eigentlich verwendet?

Kommentar von Iamiam ,

was heißt hier verwendet? Die gibt es einfach.

Oder man erzeugt sie künstlich zu speziellen Zwecken, zB Co(60) früher zur Bestrahlung von Tumoren.

Kommentar von WeicheBirne ,

Ja, nach über 4 Milliarden Jahren besteht der Stoff nur noch zur Hälfte aus Uran. Nur mal so zum Vergleich: die Erde ist etwa 4,5 Milliarden Jahre alt.

Diese Strahler kommen auch natürlich vor und bestehen aus Atomen. Zu sagen, daß etwas in diesen Strahlern verwendet wird ist etwa so als würde ich sagen, daß Arme und Beine in Menschen verwendet werden. Du hast Arme und Beine, die hat ja niemand in Dich eingebaut. Genauso bestehen viele Strahler aus Atomen, die keiner erzeugt hat.

Kommentar von General001 ,

Also nach 4 Milliarden Jahren besteht die eine Hälfte aus Uran Atomen und die andere aus Thorium Atomen.

Kommentar von WeicheBirne ,

Nach 4 Milliarden Jahren besteht der Stoff zur Hälfte noch aus Uranatomen. Weil Thorium so schnell zerfällt (Halbwertzeit dreieinhalb Wochen) gibt es immer nur einen kleinen Anteil an Thorium im Stoff. Thorium zerfällt weiter in andere radioaktive Substanzen, die im Vergleich zu unserer Wartezeit von 4 Milliarden Jahren ebenfalls schnell zerfallen. Das Endprodukt ist nicht radioaktives Blei 206. Nach 4 Milliarden Jahren besteht der Stoff also größtenteils aus Uran 238 und Blei 206.

Kommentar von SlowPhil ,

@General001, Du vergisst, dass auch Thorium nicht stabil ist und die aus den Uran-Isotopen 238 und 235 besonders kurzlebig sind. Deshalb spricht man von einer Zerfalls

reihe

, die bei einem Bleiisotop wie Blei 206 endet, das stabil ist.

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