Was sind Alpha-, Beta- und Gammapartikel?

Alpha-, Beta-, Gammastrahlen: Es klingt fast wie der Slogan eines Old-School-Films über Außerirdische aus dem Weltraum, die mit ihren Ultra-High-Tech-Geräten (und hoffentlich einer herzlichen Gesinnung) neu auf der Erde angekommen sind. In Wirklichkeit ist dies nicht allzu weit weg. Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sind allesamt reale Einheiten in der Welt der Physik und sollten vermieden werden, wenn Sie damit umgehen können.

Sie wissen wahrscheinlich, dass sich verschiedene Arten von Atomen durch den Prozess der chemischen Bindung zu Molekülen verbinden können. Beispielsweise können sich zwei Wasserstoffatome (H im Periodensystem der Elemente) und ein Sauerstoffatom (O) zu einem Wassermolekül (H₂Ö). Dieses Molekül kann durch Aufbrechen einer der OH-Bindungen in die Ionen H+ und OH– gespalten werden.

Bei chemischen Bindungen interagieren Elektronen verschiedener Atome, aber ihre Kerne (der Plural von Kernen) bleiben intakt. Dies liegt daran, dass die Kraft, die die Protonen und Neutronen zusammenhält, im Vergleich zu den elektrostatischen Kräften, die der chemischen Bindung zwischen Atomen zugrunde liegen, extrem stark ist.

Trotzdem zerfallen Atomkerne, normalerweise spontan und oft mit unglaublich geringer Geschwindigkeit, je nachdem, um welches Element es sich handelt. Diese Radioaktivität kommt in den drei grundlegenden Geschmacksrichtungen vor, die im ersten Satz dieses Artikels vorgestellt werden: Alpha Beta und Gammastrahlung, auch genannt Alpha Beta und Gammapartikel (außer technisch in letzter Instanz).

Das Atom wurde einst selbst von Kennern etwas ungestüm als "das kleinste unteilbare Ding" beschrieben. Diese Definition ist in gewisser Weise richtig: Nehmen Sie ein einzelnes Element oder eine Substanz, die aus einer einzigen irreduziblen Komponente besteht, und das Atom ist die kleinste ganze Einheit dieser Substanz. Das Periodensystem enthält ab 2020 118 Elemente, von denen 92 natürlich vorkommen.

Atome bestehen aus einem Kern, der ein oder mehrere Protonen und außer Wasserstoff (das kleinste Element) mindestens ein Neutron besitzt. Sie haben auch ein oder mehrere Elektronen, die sich in einiger Entfernung vom Kern in bestimmten Energieniveaus befinden.

Protonen sind positiv geladen und Elektronen negativ geladen, wobei die Ladung jeweils gleich groß ist. Da ein Atom im Grundzustand genauso viele Protonen wie Elektronen hat, sind Atome elektrisch neutral es sei denn, sie sind ionisiert (d. h. ihre Elektronenzahl ändert sich).

Die Protonenzahl eines Atoms ist seine Ordnungszahl im Periodensystem und bestimmt die Identität (den Namen) des Elements. Einige Atome können Neutronen aufnehmen oder verlieren, während sie weiterhin glücklich existieren, aber wenn ein Kern ein Proton verliert oder gewinnt Stattdessen ist es ein Game-Changer, denn was auch immer das Element war, hat jetzt einen brandneuen Namen und neue Attribute es.

Die Kraft, die Protonen und Neutronen zusammenhält, wird nicht umsonst die starke Kernkraft genannt. Die Kerne der Atome können gewissermaßen als im Zentrum aller Materie sitzend betrachtet werden, also ihr Extrem Stabilität ist sinnvoll in einem Kosmos, der reich an Organisation ist und das Leben auf mindestens einer bescheidenen Person aufrechterhalten kann Planet.

Aber Kerne sind nicht perfekt stabil und zerfallen im Laufe der Zeit, wobei sie Teilchen und Energie abgeben. Jedes Element, das einem radioaktiven Zerfall unterliegt, oder genauer gesagt die Isotop des untersuchten Elements hat seine eigene charakteristische Halbwertszeit, die verwendet werden kann, um vorherzusagen, wie viele Kerne im Laufe der Zeit zerfallen, ohne Informationen über einen einzelnen Kern zu liefern. Es ist also einem Risiko ähnlich, im Wesentlichen einer Wahrscheinlichkeitsstatistik.

Die Halbwertszeit einer radioaktiven Spezies ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der instabilen Kerne in einer Probe in eine andere Form zerfällt. Diese Zahl kann sehr hoch sein, in die Milliarden von Jahren, obwohl sie für Kohlenstoff-14 etwa 5.730 Jahre beträgt (ein Ausschlag in geologischer Zeit, wenn nicht in menschlichen Zivilisationen).

Die verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls werden mit den ersten drei Buchstaben des griechischen Alphabets bezeichnet. So Alphastrahlung emittiert ein Teilchen, das oft durch eine Kleinbuchstabenversion dieses Buchstabens, α, dargestellt wird. Es wäre jedoch unkonventionell, "α-Strahlung" zu schreiben.

Diese Art von Teilchen ist gleichbedeutend mit dem Kern eines Heliumatoms (He). Helium ist das zweite Element im Periodensystem und hat mit einer Atommasse von 4,00 zwei Protonen und zwei Neutronen. Das gesamte Atom hat auch zwei Elektronen, die die Ladung der beiden Protonen ausgleichen, aber diese sind nicht Teil eines Alpha-Teilchens, sondern nur der Kern.

Diese Teilchen sind gegenüber anderen Strahlungsarten massiv; das Betateilchen zum Beispiel ist etwa 7.000 mal kleiner. Dies mag auf den ersten Blick besonders gefährlich erscheinen, aber tatsächlich ist das Gegenteil der Fall: Die Größe der α-Partikel bedeutet, dass sie Dinge, auch biologische Barrieren wie die Haut, sehr durchdringen schlecht.

Beta-Partikel (β-Teilchen) sind eigentlich nur Elektronen, aber sie behalten ihren Namen, weil ihre Entdeckung älter ist als die formale Identifizierung von Elektronen als solche. Wenn ein Atom ein Beta-Teilchen emittiert, emittiert es gleichzeitig auch ein anderes subatomares Teilchen, das als Elektron-Antineutrino bezeichnet wird. Dieses Teilchen hat Anteil am Impuls und der Energie der Teilchenemission, aber es hat fast keine Masse (selbst im Vergleich zu einem Elektron, selbst nur etwa 9,1 × 10^–31 kg Masse).

Beta-Teilchen, die viel kleiner als Alpha-Teilchen sind, können tiefer eindringen als ihre weitaus massiveren Gegenstücke.

Eine andere Art von Beta-Teilchen ist das Positron, die durch den Zerfall von Neutronen im Kern entsteht. Diese Teilchen haben die gleiche Masse wie Elektronen, aber die entgegengesetzte Ladung (daher ihr Name).

Gamma Strahlen, oder γ-Strahlen, die gefährlichste Folge von Radioaktivität für den Menschen darstellen. Sie sind masselos, weil sie überhaupt keine Teilchen sind. "Strahlen" ist eigentlich die Abkürzung für den allgemeinen Begriff elektromagnetische Strahlung (EM-Strahlung), die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet (bezeichnet mit c oder 3 × 10⁸ m/s) und kommt in einer Vielzahl von Kombinationen von Frequenz- und Wellenlängenwerten vor, deren Produkte c.

Gammastrahlen haben sehr kurze Wellenlängen und damit eine sehr hohe Energie. Sie ähneln Röntgenstrahlen, außer dass Röntgenstrahlen außerhalb des Kerns entstehen. Sie durchdringen normalerweise menschliche Körper, ohne etwas zu berühren, aber weil sie so durchdringend sind, ist ein zwei Zoll dicker Bleischild erforderlich, um ihren Stopp zu gewährleisten.

Alphateilchen können getrost ignoriert werden, sofern dies für alles gilt, was als Strahlung klassifiziert wird. Sie können sich in der Luft nur etwa 10 bis 17 cm weit fortbewegen und ihre Energie geht beim Aufprall verloren die Protonen und Neutronen von jedem Material, auf das sie treffen, und verhindern, dass sie eindringen des Weiteren.

Die meisten Schäden durch Beta-Partikel entstehen durch die Einnahme oder das Verschlucken. (Dies kann auch für Alpha-Partikel gelten.) Das Trinken oder Essen radioaktiver Stoffe ist die Hauptursache für Schäden durch diese Art von Strahlung, obwohl eine längere Exposition der Haut zu Verbrennungen führen kann.

Gammastrahlen können Körper durchdringen, ohne etwas zu treffen, aber es gibt keine Gewissheit, dass sie dies tatsächlich tun, und sie können etwa eine Meile in der Luft reisen. Da sie neben langen Strecken praktisch alles durchdringen können, können sie Schäden an allen Körpersystemen und deren Anwesenheit in Umgebungen mit lebenden Systemen müssen sorgfältig erfolgen überwacht.