Radioaktivität

Der Begriff „Radioaktiver Zerfall“ bezieht sich ursprünglich auf die an einem Radionuklid beobachtete Abnahme seiner Strahlungsintensität mit der Zeit (sofern das Radionuklid nicht durch andere Prozesse ständig neu erzeugt wird). Er wird auch für die Abnahme der Menge des Radionuklids benutzt.

Fachsprachlich wird darüber hinaus auch die spontane Umwandlung des einzelnen Atomkerns – und manchmal überhaupt jede spontane Zustandsänderung eines quantenmechanisch beschriebenen Systems – als Zerfall bezeichnet, z. B. „Gammazerfall“ schon für die Emission eines einzigen Gammaquants. Im Wortsinn handelt es sich dabei weniger um einen Zerfall als um eine Umwandlung des Atomkerns bzw. des Systems.

In der Alltagssprache und in öffentlichen Diskussionen werden radioaktive Substanzen und ihre Strahlung oft nicht unterschieden. So wird von radioaktiver Strahlung gesprochen.[3][4] Diese Wortkombination ist genau genommen falsch, denn nicht die Strahlung selbst ist radioaktiv, sondern die Substanzen (Strahler), aus denen sie austritt; gemeint ist ionisierende Strahlung radioaktiver Substanzen. Früher war hierfür der Begriff Becquerelstrahlen (engl.: Becquerel rays) gebräuchlich.[5]

In Berichten über kerntechnische Zwischenfälle wird oft von ausgetretener Strahlung gesprochen,[6][7] obwohl es dann meist um unbeabsichtigt freigesetzte radioaktive Stoffe wie Caesium-137 und Iod-131 geht. Diese können, etwa durch Aufnahme in den menschlichen Körper, erheblich gefährlicher sein als die aus einer Anlage austretende Strahlung selbst.

In der Natur kommen nach derzeitigem Kenntnisstand 255 stabile[12] Nuklide sowie etwa 100 instabile Nuklide[13] vor. Insgesamt sind etwa 3000 radioaktive Nuklide (Radionuklide) bekannt.[14] Die weitaus meisten aller bekannten Nuklide sind also als radioaktiv nachgewiesen.

Ist Radioaktivität bei einem Nuklid nicht beobachtet worden, gibt es zwei Möglichkeiten:

• das Nuklid ist im absoluten Sinn stabil, d. h., es gibt nach dem Wissensstand der Physik keinen energieärmeren Zustand, in den es übergehen (zerfallen) könnte;
• das Nuklid könnte zwar theoretisch zerfallen, aber es wurde bisher kein Zerfallsereignis oder eindeutiges Zerfallsprodukt sicher nachgewiesen (observationally stable nuclide).

Ein Beispiel der ersten Art ist Helium-4. Ein Beispiel der zweiten Art ist Blei-208, das schwerste Nuklid ohne nachgewiesenen Zerfall. Sein Alphazerfall ²⁰⁸Pb → ²⁰⁴Hg + α würde etwa 0,5 MeV Energie freisetzen. Abschätzungen der Halbwertszeit nach verschiedenen Varianten der Geiger-Nuttall-Regel ergeben mehr als 10¹⁰⁰ Jahre, also mindestens das 10⁹⁰-fache des Alters des Universums. Daher wird dieser Zerfall voraussichtlich nie beobachtet werden. Es gibt noch weitere Nuklide mit möglichem, aber nicht beobachtetem Zerfall. Die Gesamtzahl stabiler Nuklide steht daher heute (2020) noch nicht fest.

Alle Elemente bis zum Blei, außer Technetium und Promethium, haben ein oder mehrere stabile Isotope; die Anzahl stabiler Isotope geht bis zu zehn (Zinn). Alle Elemente schwerer als Blei sind instabil (radioaktiv).

Nur zwei sehr leichte Nuklide, der normale Wasserstoff ¹H und das seltene Helium-Isotop ³He, sind mit weniger Neutronen als Protonen stabil. Alle anderen Nuklide „benötigen“ zur Stabilität mindestens ebenso viele (⁶Li, ¹⁰B, ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O, ²⁰Ne, ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S, ³⁶Ar und ⁴⁰Ca), meist aber sogar mehr Neutronen als Protonen. Das durchschnittliche Verhältnis von Neutronenzahl zu Protonenzahl wächst mit zunehmender Ordnungszahl von 1:1 für sehr leichte Nuklide zu 1,54:1 für die schwersten stabilen Nuklide (siehe auch Neutronenüberschuss). Alle Nuklide mit zu vielen oder zu wenigen Neutronen sind instabil und damit radioaktiv. Kerne mit mehr als 208 Teilchen sind immer instabil.

Die stabilsten Nuklide – also die mit der höchsten Bindungsenergie pro Nukleon – sind ⁶²Ni, ⁵⁸Fe und ⁵⁶Fe. Unmittelbare Nachbarn wie z. B. ⁶³Ni oder ⁶⁰Co sind aber schon radioaktiv. Neben einem ausgewogenen Verhältnis von Neutronen zu Protonen ist es entscheidend, ob die Anzahl der Neutronen und Protonen jeweils gerade (tendenziell stabiler) oder ungerade (tendenziell instabiler) ist. Die Bindungsenergie kann mit der Bethe-Weizsäcker-Formel näherungsweise berechnet werden.

Für nicht stabile Nuklide kann man abschätzen, auf welche Art (weiter unten beschriebenen) sie zerfallen:

• zu viele Neutronen: Beta-Minus-Zerfall; bei großem Überschuss auch direkte Neutronenemission
• zu viele Protonen: Beta-Plus-Zerfall oder Elektroneneinfang; bei großem Überschuss auch direkte Protonenemission
• zu schwer: Alphazerfall; selten auch Clusterzerfall oder Spontanspaltung (Fission)

Ein Gamma-Zerfall tritt in der Regel als Folgeprozess nach einem vorangegangenen Zerfall anderer Art auf.

Allgemein ist die Halbwertszeit umso kürzer, je weiter das Nuklid von der Stabilität (schwarze Felder der Nuklidkarte) entfernt ist.

Radioaktiver Zerfall ist kein deterministischer Prozess. Der Zerfallszeitpunkt jedes einzelnen Atomkerns ist zufällig.[15] Allerdings gibt es für jedes Radionuklid eine bestimmte Zerfallswahrscheinlichkeit (Anzahl pro Zeitspanne); bei makroskopischen Stoffmengen führt dies dazu, dass die Menge des Nuklids exponentiell abnimmt, wie es das Zerfallsgesetz beschreibt. Die Zerfallswahrscheinlichkeit kann durch die Halbwertszeit angegeben werden, d. h. den Zeitraum, nach dem die Hälfte der Atomkerne einer Anfangsmenge zerfallen ist. Radioaktive Halbwertszeiten liegen im Bereich von winzigen Sekundenbruchteilen bis hin zu Quadrillionen Jahren. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer ist bei gegebener Substanzmenge die Aktivität dieses Nuklids.

Die Gesamtaktivität einer Ursprungsmenge kann um ein Vielfaches ansteigen, wenn beim Zerfall kein stabiles oder langlebiges Nuklid entsteht. Die Substanz reichert sich mit Radionukliden der Zerfallsreihe an, die jeweils die gleiche Aktivität wie der ursprüngliche Prozess haben. Dabei stellt sich ein säkulares Gleichgewicht ein. Dies erfolgt bei z. B. ¹³⁷Cs nach wenigen Minuten, bei ²³²Th dauert es etliche Jahre.

Die Aktivität A einer Substanzmenge ist der Erwartungswert der Zahl der Zerfälle N pro Zeitspanne. Die tatsächliche Zahl von Zerfällen, die man in einem bestimmten Zeitintervall T beobachtet, schwankt zufällig um den Erwartungswert N_T = A·T; die Häufigkeit, mit der dabei eine bestimmte Anzahl k auftritt, folgt einer Poisson-Verteilung. Dieser Prozess steckt z. B. hinter der Unregelmäßigkeit des Knackens eines Kontaminationsnachweisgerätes („Geigerzähler“).

Die Poisson-Verteilung lässt sich bei genügend großer mittlerer Zahl näherungsweise durch die Gauß-Verteilung beschreiben. Die Standardabweichung bei ${\displaystyle N}$ Zerfallsereignissen im gewählten Zeitintervall beträgt ${\displaystyle {\sqrt {N}}}$.

• Die Kurzbezeichnungen ohne Klammern werden in der Isotopenauflistung der deutschsprachigen Wikipedia verwendet, die in Klammern werden häufig auf anderen Webseiten verwendet.

Es gibt verschiedene Arten von Zerfällen, bei denen Nukleonen einzeln oder gebunden emittiert werden. Mit Abstand die größte Bedeutung hat hierbei der α-Zerfall. In all diesen Fällen bleibt die Gesamtzahl der Protonen und der Neutronen jeweils unverändert.

Ein Alpha-Zerfall tritt hauptsächlich bei schwereren und relativ neutronenarmen Nukliden auf. Dabei verlässt ein Helium-4-Kern, in diesem Fall Alphateilchen genannt, mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 8 Prozent der Lichtgeschwindigkeit den Mutterkern. Dies ist trotz der hohen Coulombbarriere aufgrund des Tunneleffekts möglich. Der Restkern, auch Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, hat nach dem Vorgang eine um 4 verringerte Nukleonenzahl und eine um 2 verringerte Kernladungszahl.

Die allgemeine Formel des Alpha-Zerfalls lautet

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z-2}^{A-4}\mathrm {Y} +~_{2}^{4}\mathrm {He} }$

Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl (Massenzahl) A und Protonenzahl Z zerfällt unter Aussendung eines Alphateilchens in den Tochterkern Y mit einer um 4 verminderten Nukleonenzahl und um 2 verminderten Protonenzahl.

Beispiel: Der Zerfall von Uran-238 in Thorium-234:

${\displaystyle {}_{\ 92}^{238}\mathrm {U} \to {}_{\ 90}^{234}\mathrm {Th} +\alpha }$

Bei besonders schweren Kernen jenseits der Ordnungszahl 90 (Thorium) ist die spontane Spaltung ein weiterer radioaktiver Umwandlungsprozess. Der Atomkern zerfällt in zwei (selten mehr) mittelschwere Tochterkerne und setzt dabei zwei oder drei Neutronen frei:

${\displaystyle {}_{\ 98}^{252}\mathrm {Cf} \to {}_{\ 56}^{145}\mathrm {Ba} +{}_{\ 42}^{104}\mathrm {Mo} +3~{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

${\displaystyle {}_{\ 98}^{252}\mathrm {Cf} \to {}_{\ 50}^{128}\mathrm {Sn} +{}_{\ 48}^{122}\mathrm {Cd} +2~{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

Natürlich vorkommenden Uranisotope zerfallen zu einem winzigen Teil durch spontane Spaltung:

${\displaystyle {}_{\ 92}^{235}\mathrm {U} \to {}_{\ 56}^{142}\mathrm {Ba} +{}_{36}^{90}\mathrm {Kr} +3~{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

${\displaystyle {}_{\ 92}^{238}\mathrm {U} \to {}_{\ 54}^{140}\mathrm {Xe} +{}_{38}^{96}\mathrm {Sr} +2~{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

${\displaystyle {}_{\ 92}^{235}\mathrm {U} \to {}_{\ 53}^{135}\mathrm {I} +{}_{39}^{98}\mathrm {Y} +2~{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

${\displaystyle {}_{\ 92}^{238}\mathrm {U} \to {}_{\ 51}^{133}\mathrm {Sb} +{}_{\ 41}^{102}\mathrm {Nb} +3~{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

Neben der meist binären Kernspaltung tritt selten auch eine ternäre Kernspaltung auf, bei der also ein drittes (leichtes) Teilchen auftritt. Meist ist dieses Teilchen ein ⁴He- oder ³H-Kern.

Noch seltener treten quaternäre Kernspaltungen auf, in denen zwei weitere leichte Teilchen (auch hier meist ⁴He) entstehen.[16]

Statt einzelner Nukleonen oder Helium-4-Kerne werden in sehr seltenen Fällen auch größere Atomkerne emittiert, die aber verglichen mit dem Mutterkern immer noch klein sind (im Gegensatz zur spontanen Spaltung, bei der die Spaltprodukte von der gleichen Größenordnung sind). Diese Zerfallsform wurde 1980 vorhergesagt und 1983 experimentell bestätigt.

Beispiele:

${\displaystyle {}_{\ 97}^{247}\mathrm {Bk} \to {}_{\ 91}^{235}\mathrm {Pa} +{}_{\ 6}^{12}\mathrm {C} }$

${\displaystyle {}_{\ 97}^{247}\mathrm {Bk} \to {}_{\ 77}^{199}\mathrm {Ir} +{}_{20}^{48}\mathrm {Ca} }$

${\displaystyle {}_{\ 98}^{248}\mathrm {Cf} \to {}_{\ 90}^{232}\mathrm {Th} +{}_{\ 8}^{16}\mathrm {O} }$

Bei Kernreaktionen können sehr kurzlebige Kerne mit besonders großem oder besonders niedrigem Proton-zu-Neutron-Verhältnis entstehen, die dann einzelne Nukleonen emittieren. Atomkerne mit sehr hohem Protonenüberschuss können Protonen abgeben, Atomkerne mit hohem Neutronenüberschuss können Neutronen abgeben.

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z-1}^{A-1}\mathrm {Y} +{}_{1}^{1}\mathrm {p} }$

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z}^{A-1}\mathrm {X} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

Beispiel: Bor-9 spaltet ein Proton ab, um den Überschuss auszugleichen:

${\displaystyle {}_{5}^{9}\mathrm {B} \to {}_{4}^{8}\mathrm {Be} +{}_{1}^{1}\mathrm {p} }$

Beispiel: Helium-5 sendet dagegen spontan ein Neutron aus:

${\displaystyle {}_{2}^{5}\mathrm {He} \to {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

Dies geschieht sehr schnell (typische Lebenszeit der Mutterkerne: 10⁻²² s bis 10⁻¹⁸ s).

Da Kerne mit ungeradzahliger Protonen- bzw. Neutronenzahl (noch) weniger stabil sind als Kerne mit gerader, kann bei geradzahligen Kernen auch ein Zwei-Protonen- bzw. Zwei-Neutronen-Zerfall auftreten, bei dem zwei Nukleonen gleichzeitig emittiert werden.

Beispiel: Der Zerfall von Schwefel-26 in Silicium-24:

${\displaystyle {}_{16}^{26}\mathrm {S} \to {}_{14}^{24}\mathrm {Si} +2~{}_{1}^{1}\mathrm {p} }$

Beispiel: Der Zerfall von Beryllium-16 in Beryllium-14:

${\displaystyle {}_{4}^{16}\mathrm {Be} \to {}_{4}^{14}\mathrm {Be} +2~{}_{0}^{1}\mathrm {n} }$

Beide Zwei-Nukleonen-Prozesse treten nahe der theoretischen Stabilitätsgrenze, dem „Rand der Nuklidkarte“ auf. Außerhalb davon kann es keine gebundenen Atomkerne geben.[17]

Ein Beta-Zerfall tritt bei einem unausgewogenen Verhältnis von Neutronen zu Protonen im Kern auf. Die dabei entstehende Betastrahlung besteht entweder aus Elektronen (β⁻) oder Positronen (β⁺), die den Kern mit – je nach Nuklid – bis zu 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit verlassen.

Beim Beta-Minus-Zerfall wird im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Dabei werden ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um 1.

Die allgemeine Formel lautet

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z+1}^{A}\mathrm {Y} +\mathrm {e} ^{-}+{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }}$

Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfällt unter Aussendung eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos in den Tochterkern Y mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 erhöhter Protonenzahl.

Beispiel: Der Zerfall von Kohlenstoff-14 in das stabile Isotop Stickstoff-14:

${\displaystyle {}_{\ 6}^{14}\mathrm {C} \to {}_{\ 7}^{14}\mathrm {N} +\mathrm {e} ^{-}+{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }}$

Beta-Minus-Strahlung lässt sich durch wenige Meter Luft oder z. B. durch eine Plexiglasplatte vollständig abschirmen.

Neutrino und Antineutrino unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung. Wegen dieser äußerst seltenen Wechselwirkung mit Materie sind sie nur schwer nachzuweisen und für Lebewesen ungefährlich. Sonnen-Neutrinos durchqueren fast ungeschwächt Teile der Sonne und die ganze Erde.

Beim Beta-Plus-Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron umgewandelt; dabei werden ein Positron und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um 1.

Die allgemeine Formel lautet

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z-1}^{A}\mathrm {Y} +\mathrm {e} ^{+}+\nu _{\mathrm {e} }}$

Der Mutterkern X mit Nukleonenzahl A und Protonenzahl Z zerfällt unter Aussendung eines Positrons und eines Elektron-Neutrinos in den Tochterkern Y mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 verminderter Protonenzahl.

Beispiel: Der Zerfall von Stickstoff-13 in das stabile Isotop Kohlenstoff-13:

${\displaystyle {}_{\ 7}^{13}\mathrm {N} \to {}_{\ 6}^{13}\mathrm {C} +\mathrm {e} ^{+}+\nu _{\mathrm {e} }}$

Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht im Elektroneneinfang, auch ε-Zerfall oder manchmal inverser β-Zerfall genannt. Dabei wird ein Elektron aus der Atomhülle in den Kern „gezogen“. Nach der typisch betroffenen Elektronenschale, der K-Schale, wird der Elektroneneinfang auch als K-Einfang bezeichnet. Ein Proton des Kerns wird in ein Neutron umgewandelt und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Veränderung des Kerns ist gleich wie beim β⁺-Zerfall: die Nukleonenzahl bleibt unverändert, die Ordnungszahl verringert sich um eins. Der Elektroneneinfang konkurriert daher mit dem β⁺-Zerfall. Da der β⁺-Zerfall die Energie für das emittierte Positron aufbringen muss, kommt energetisch nicht für jedes Nuklid, das mit Elektroneneinfang zerfällt, der β⁺-Zerfall in Frage. In der vom Elektroneneinfang betroffenen Schale wird ein Platz frei und Elektronen aus den äußeren Schalen rücken nach, wobei charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird.

Allgemein lautet die Formel für den Elektroneneinfang

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} +\mathrm {e} ^{-}\to {}_{Z-1}^{A}\mathrm {Y} +\nu _{\mathrm {e} }}$

Der Mutterkern X fängt ein Elektron aus der Atomhülle ein und wandelt sich unter Emission eines Elektron-Neutrinos in den Tochterkern mit gleicher Nukleonenzahl und um 1 verminderter Protonenzahl um.

Beispiel: Der Zerfall von Nickel-59 zu Kobalt-59:

${\displaystyle {}_{28}^{59}\mathrm {Ni} +\mathrm {e} ^{-}\to {}_{27}^{59}\mathrm {Co} +\nu _{\mathrm {e} }}$

Für einige Kerne ist ein einfacher Elektroneneinfang energetisch nicht möglich, sie können aber durch gleichzeitiges Einfangen zweier Elektronen zerfallen. Da derartige Zerfälle zwei schwache Wechselwirkungen gleichzeitig benötigen, haben sie extrem lange Halbwertszeiten. Direkt nachgewiesen wurden sie erstmals 1986.[18]

Beispiel: Der Zerfall von Xenon-124 in Tellur-124:

${\displaystyle {}_{\ 54}^{124}\mathrm {Xe} +2~\mathrm {e} ^{-}\to {}_{\ 52}^{124}\mathrm {Te} +2~\nu _{\mathrm {e} }}$

Für einige Kerne ist ein einfacher Beta-Zerfall energetisch nicht möglich, sie können aber unter Abstrahlung zweier Elektronen zerfallen. Da derartige Zerfälle zwei schwache Wechselwirkungen gleichzeitig benötigen, haben sie extrem lange Halbwertszeiten. Direkt nachgewiesen wurden sie erstmals 1987.

Beispiel: Der Zerfall von Zirkonium-96 in Molybdän-96:

${\displaystyle {}_{40}^{96}\mathrm {Zr} \to {}_{42}^{96}\mathrm {Mo} +2~\mathrm {e} ^{-}+2~{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }}$

Ob beim doppelten Beta-Zerfall stets zwei Neutrinos emittiert werden oder ob auch ein neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall vorkommt, ist bisher (2016) nicht beantwortet. Könnte der neutrinolose Fall nachgewiesen werden, so hätten sich die Neutrinos gegenseitig annihiliert, was bedeuten würde, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Damit wären sie sogenannte Majorana-Teilchen.

Ein Gamma-Zerfall tritt allgemein auf, wenn ein Atomkern nach einem vorherigen anderen Zerfall in einem angeregten Zustand verbleibt. Durch Emission hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (γ-Strahlung) gibt der Atomkern Energie ab und geht in einen Zustand niedrigerer Energie über. Die Neutronen- und Protonenzahl des Kerns ändern sich dabei nicht. Die Bezeichnung Gamma„zerfall“ ist insofern etwas irreführend, aber trotzdem übliche Nomenklatur. Der Gammazerfall erfolgt bis auf wenige Ausnahmen innerhalb kürzester Zeit (10⁻¹⁸ bis 10⁻¹² Sekunden) nach einem vorherigen Zerfall.

Die allgemeine Formel ist

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} ^{*}\to {}_{Z}^{A}\mathrm {X} +\gamma }$

Der angeregte Kern X regt sich unter Aussendung eines Gammaquants ab.

Zerfallsschema von ⁶⁰Co

Zerfallsschema von ^99 mTc

Ein bekanntes Beispiel ist die Aussendung von Gammastrahlung durch einen Nickel-60-Kern, der (meist) durch Beta-Zerfall eines Cobalt-60-Kerns entstanden ist:

${\displaystyle {}_{28}^{60}\mathrm {Ni} ^{*}\to {}_{28}^{60}\mathrm {Ni} +{\gamma }}$

Das Zerfallsschema dieses Prozesses ist in der Grafik am rechten Rand dargestellt. ⁶⁰Co, ein Nuklid mit vielen praktischen Anwendungen, ist ein Beta-Minus-Strahler mit einer Halbwertszeit von 5,26 Jahren. Es zerfällt in einen angeregten Zustand von ⁶⁰Ni^*, der praktisch sofort mit einer Halbwertszeit von etwas weniger als 1 ps durch Emission von (meist) einer Kaskade aus zwei Gammaquanten in den Grundzustand übergeht.

Bei den praktischen Anwendungen von ⁶⁰Co und vielen anderen Radionukliden geht es sehr oft nur um diese Gammastrahlung; die Alpha- oder Betastrahlung wird in diesen Fällen durch das Gehäuse des radioaktiven Präparates abgeschirmt und nur die Gammastrahlung dringt nach außen.

Obwohl die Gammastrahlung aus dem Tochternuklid des Alpha- oder Beta-Zerfalls kommt, ordnet man sie sprachlich immer dessen Mutternuklid zu. Man spricht vom „Gammastrahler“ Cobalt-60 usw., denn die einzige praktisch brauchbare Quelle dieser Gammastrahlung ist ein ⁶⁰Co-Präparat.

Nur wenn der angeregte Zustand ein Isomer ist, d. h. eine ausreichend lange Halbwertszeit hat, kann die eigentliche Gammastrahlungsquelle getrennt von ihrer Erzeugung genutzt werden, wie im Falle von Technetium-99:

${\displaystyle {}_{43}^{99\mathrm {m} }\mathrm {Tc} \to {}_{43}^{99}\mathrm {Tc} +{\gamma }}$

Dieses Technetium-Isotop mit einer Halbwertszeit von sechs Stunden wird in der medizinischen Diagnostik verwendet.

Zur Abschirmung von γ-Strahlung sind unter Umständen dezimeterdicke Beton- oder Bleiplatten nötig, denn sie hat in Materie keine bestimmte Reichweite, sondern wird nur exponentiell abgeschwächt. Es gibt daher für jedes Abschirmmaterial eine von der Gammaenergie abhängige Halbwertsdicke. Gammastrahlung ist wie Licht elektromagnetische Strahlung, ihr Quant ist aber sehr viel energiereicher und liegt damit weit außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums.

Die beim Übergang eines Atomkerns in einen energetisch niedrigeren Zustand freiwerdende Energie kann auch an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden. Diesen Vorgang nennt man Innere Konversion. Die Konversionselektronen haben dementsprechend ganz charakteristische Energien, zeigen also im Gegensatz zu β-Elektronen ein Linienspektrum.

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} ^{*}\to {}_{Z}^{A}\mathrm {X} }$

Der angeregte Kern X regt sich ab. Die dabei freiwerdende Energie geht als kinetische Energie auf ein Elektron der Atomhülle über.

Bei innerer Konversion fehlt nach dem Zerfall in der Hülle eine negative Elementarladung und es bleibt ein positives Ion zurück.

In einigen Fällen erfolgt der Übergang in einen niedrigeren Energiezustand durch die Emission eines Elektron-Positron-Paars (innere Paarbildung). Dies geschieht dann, wenn die Energiedifferenz hoch ist und die Emission eines Gamma-Quants aufgrund der Drehimpulserhaltung nicht möglich ist.

Die primordialen Radionuklide stammen aus dem Material der Urerde und sind wegen ihrer großen Halbwertszeit heute noch vorhanden. Zu ihnen gehören das im menschlichen Körper stets enthaltene Kalium-40 und die als Kernbrennstoff wichtigen Isotope des Urans. Weitere Radionuklide entstehen indirekt als ständig nachproduzierte Zerfallsprodukte der radioaktiven Zerfallsreihen dieser primordiale Nuklide, wie das überall aus dem Erdboden austretende Gas Radon. Diese Nuklide bezeichnet man als radiogen. Weitere, kosmogene Radionuklide werden laufend in der Atmosphäre durch Kernreaktionen mit der kosmischen Strahlung erzeugt. Zu ihnen gehört Kohlenstoff-14, der ebenso wie Kalium-40 durch den Stoffwechsel in alle Organismen gelangt.

Die Strahlung der überall vorhandenen natürlichen Radionuklide wird als terrestrische Strahlung bezeichnet.

Schon lange vor Entdeckung der Radioaktivität wurden durch menschliche Tätigkeiten wie Bergbau und Kohleverbrennung radioaktive Stoffe freigesetzt. Paracelsus beschrieb 1567 die Schneeberger Krankheit. Metallerze und Kohle enthalten mehr Radionuklide als die durchschnittliche Biosphäre; Schachtanlagen befördern Radon aus dem Erdinnern an die Oberfläche.

Mit der Förderung von Uran, dem Bau von Kernkraftwerken und vor allem dem Bau und dem oberirdischen Test von Kernwaffen wurde Radioaktivät in die Biosphäre entlassen, die globale Auswirkungen hatte.

Große Mengen an radioaktiven Substanzen wurden (neben den Atomtests bis 1963) durch Unfälle kerntechnischer Anlagen frei. Am bekanntesten sind die Nuklearkatastrophe von Tschernobyl und die Nuklearkatastrophe von Fukushima. Nach 1990 wurde ebenfalls der Kyschtym-Unfall 1957 und die dabei ausgetretene Osturalspur bekannt.

Medizinische Anwendungen oder Materialuntersuchungen mit ionisierender Strahlung tragen nicht zur menschlich bedingten Radioaktivität bei. Soweit überhaupt radioaktive Stoffe genutzt werden, sind dies kurzlebige Nuklide in geringen Mengen, wie z. B. in der Positronen-Emissions-Tomographie.

Bestimmte langlebige Nuklide aus dem radioaktiven Abfall der Kernspaltung könnten künftig durch Transmutation in weniger aufwändig zu lagernde kurzlebigere Nuklide verwandelt werden.

Als Aktivität bezeichnet man die Anzahl der Zerfallsereignisse pro Zeitspanne, die in einer Probe eines radioaktiven oder radioaktiv kontaminierten Stoffes auftritt. Angegeben wird die Aktivität üblicherweise in der SI-Einheit Becquerel (Bq). 1 Becquerel entspricht einem Zerfall pro Sekunde.

Zu den Größen und Maßeinheiten, die sich auf die Wirkung ionisierender Strahlung (aus radioaktiven oder anderen Quellen) beziehen, gehören

• die Energiedosis mit der Maßeinheit Gray, die die absorbierte Energie pro Masse in Joule/Kilogramm (J/kg) beschreibt,
• die Äquivalentdosis mit der Maßeinheit Sievert, entspricht der Energiedosis, korrigiert um festgelegte Wichtungsfaktoren für verschiedene Strahlungsarten und
• die Ionendosis mit der Maßeinheit Coulomb/Kilogramm (C/kg), die die Menge der verursachten Ionisierungsvorgänge beschreibt.

Radionuklidbatterien werden in der Raumfahrt zur Stromversorgung und Radionuklid-Heizelemente zur Heizung verwendet. Jenseits der Jupiter-Umlaufbahn reicht die Strahlung der weit entfernten Sonne nicht mehr aus[22], um mit Solarzellen in praktikabler Größe den Energiebedarf der Sonden zu decken. Ebenfalls können starke Strahlungsgürtel, wie sie z. B. Jupiter umgeben, den Einsatz von Solarzellen unmöglich machen. In der UdSSR wurden sehr leistungsstarke Radionuklidbatterien mit Strontium-90-Füllung verwendet, um Leuchttürme und Funkfeuer am Polarkreis zu betreiben.

Wichtige Anwendungen, die die Radioaktivität von Stoffen ausnutzen, sind die Altersbestimmung von Objekten und die Materialprüfung.

In der Archäologie, Kunstwissenschaft, Geologie und Paläoklimatologie werden Messungen der Konzentration radioaktiver Isotope zur Altersbestimmung verwendet, z. B. die Radiokohlenstoffdatierung (Radiokarbonmethode).

Eine technische Anwendung ist die Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung. Hierbei wird ein Material mit Gamma-Strahlen bestrahlt und ein Zähler ermittelt aufgrund der durchdringenden Strahlen und des Absorptionsgesetzes die mittlere Dichte bei bekannter Schichtdicke oder umgekehrt die Schichtdicke bei bekannter Dichte. Die Strahlung kann auch auf einem Röntgenfilm hinter der Materialschicht ein Bild erzeugen. In dieser Form wird die Durchstrahlungsprüfung bei Werkstoffen angewandt.

Auch radiometrische Füllstandmessungen in Großbehältern mit Schüttgut oder Granulaten werden mit Gamma-Durchstrahlung von einer zur anderen Behälterwand ausgeführt.

In der Geophysik und Biologie eignen sich radioaktive Substanzen als Tracer, um das Fließverhalten z. B. von Grundwasser im Boden oder Blut in einem Gewebe zu untersuchen. Dazu wird eine bekannte Menge des Stoffs an einer bestimmten Stelle eingeleitet und die zeitliche und räumliche Verteilung der Aktivität gemessen.

Bei radioaktiver Leuchtfarbe wird eine fluoreszierende Substanz mit der ionisierenden Strahlung einer ebenfalls in der Farbe enthaltenen radioaktiven Substanz zum Leuchten angeregt. Tritiumgaslichtquelle sind eine ähnlich funktionierende Anwendung, nur dass hier das radioaktive Gas Tritium als Energiequelle für die Fluoreszenz dient.

In der Festkörperphysik und Festkörperchemie werden radioaktive Isotope zur Untersuchung von Materialien genutzt, wie z. B. Metalle und Legierungen, Halbleiter, Isolatoren und funktionelle Keramiken. Hierbei stehen lokale Defekte und Diffusion im Vordergrund, die die Funktionalität der Materialien häufig bestimmen. Diese werden heute in vielen elektronischen Anwendungen, wie Elektronik, Batterien, Computerchips, Festplattenlaufwerke, Beleuchtung etc., eingesetzt. Ohne ein tieferes Verständnis dieser Materialien wäre eine gezielte Anwendung nicht denkbar.

Eine Anwendungen ist die Elementanalyse mit Gammaspektroskopie. Präzisionsmessungen in der chemischen Analytik und Untersuchungen der lokalen Struktur in Festkörpern werden z. B. mit der Mößbauer-Spektroskopie oder der Gestörten Gamma-Gamma-Winkelkorrelation durchgeführt. Diese Methoden der Nuklearen Festkörperphysik nutzen spezielle radioaktive Isotope, die in besonderen Einrichtungen, wie z. B. ISOLDE am CERN oder in Kernreaktoren, hergestellt werden.

Radioaktive Sonden haben den großen Vorteil, dass nur sehr kleine Stoffmengen benötigt werden und sie meist nur in Spuren eingesetzt werden. In der Tracerdiffusion reichen meist wenige kBq aus, um Diffusionskoeffizienten in Festkörpern zu ermitteln. Bei Gestörter Gamma-Gamma-Winkelkorrelation sind nur ca. 10¹⁰ bis 10¹² Atome pro Messung notwendig. Damit kann mit der Methode z. B. die Bindung von toxischen Metallen, wie Cadmium, Quecksilber oder Blei in-situ in biologischen Zellen untersucht werden. Mit beta-NMR werden pro Messung nur ca. 10⁸ Atome benötigt.

Die Anwendung offener radioaktiver Stoffe am Menschen ist Gegenstand der Nuklearmedizin.

In der nuklearmedizinischen Diagnostik kommt meist die Szintigrafie zum Einsatz. Dabei werden geringe Mengen einer γ-strahlenden Substanz (Tracer) am Patienten angewendet („appliziert“), zum Beispiel in eine Vene gespritzt oder eingeatmet. Die vom Tracer ausgehende Strahlung wird außerhalb des Körpers von einer auf Szintillationsdetektoren beruhenden Gammakamera registriert und ergibt eine zweidimensionale bildliche Darstellung. Moderne Weiterentwicklungen der Methode erlauben mittels Computertomographie dreidimensionale Darstellungen (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT); ein weiteres bildgebendes Verfahren in der Nuklearmedizin, das auch dreidimensionale Bilder liefert, ist die Positronen-Emissions-Tomografie (PET). Mit radioaktiven Stoffen können auch bestimmte Laboruntersuchungen durchgeführt werden, zum Beispiel der Radioimmunassay.

In der nuklearmedizinischen Therapie werden reine oder überwiegende β-Strahler verwendet. Die häufigsten Anwendungsgebiete sind die Radioiodtherapie bei gutartigen und bösartigen Erkrankungen der Schilddrüse, die Radiosynoviorthese bei bestimmten Gelenkerkrankungen und die Radionuklidbehandlung zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen.

In der Strahlentherapie wurden früher häufig Radionuklide in Form von umschlossenen Gammastrahlern verwendet, bei denen keine radioaktive Substanz entweichen und vom Körper aufgenommen werden kann. Auf Grund des Gefährdungspotentials für das medizinische Personal werden diese zur Bestrahlung des Körpers von außen vermehrt durch harte Röntgenstrahlung ersetzt, die mit Elektronen-Linearbeschleunigern erzeugt wird. Anwendung finden die umschlossenen Gammastrahler zum Beispiel noch in der Brachytherapie oder Radiochirurgie.