Radioaktivität verstehen: Isotope, Zerfall und Halbwertszeit

Das Atom: nur so viel, wie du brauchst

Alle festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe bestehen aus Atomen. Ein Atom hat einen sehr dichten Kern und eine Hülle. Im Kern sitzen Protonen, die elektrisch positiv geladen sind, und Neutronen, die elektrisch neutral sind. Die Hülle besteht aus negativ geladenen Elektronen.

Der größte Teil der Masse eines Atoms steckt im Kern. Die Zahl der Protonen und Neutronen zusammen heißt Massenzahl. Sie steht oft im Namen: Radon-222 hat zusammen 222 solcher Kernbausteine. Für das Verständnis von Radioaktivität kommt es auf den Kern an – die Elektronenhülle spielt hier nur eine Nebenrolle.

Element und Isotop: gleiche Chemie, anderer Kern

Atome desselben chemischen Elements haben gleich viele Protonen. Die Zahl ihrer Neutronen kann aber verschieden sein. Solche Varianten heißen Isotope. Sie verhalten sich chemisch gleich, unterscheiden sich aber in ihren kernphysikalischen Eigenschaften – und dazu gehört, ob der Kern stabil ist oder nicht.

Ein Beispiel liefert der Wasserstoff. Deuterium hat ein Proton und ein Neutron im Kern, Tritium ein Proton und zwei Neutronen. Beide sind Wasserstoff. Deuterium ist stabil, sein Kern zerfällt nicht. Tritium dagegen ist radioaktiv: Es zerfällt zu Helium-3 und gibt dabei Betastrahlung ab.

Darum reicht es in Nachrichten nicht, nur „Jod“ oder „Cäsium“ zu lesen. Erst die Zahl dahinter – etwa Jod-131 oder Cäsium-137 – sagt, um welches Isotop es geht und wie es sich verhält.

Stabile und instabile Kerne: was „radioaktiv“ heißt

Stabile Atomkerne zerfallen nicht und bleiben, wie sie sind – so wie das Deuterium. Instabile Kerne dagegen bestehen nicht dauerhaft. Sie wandeln sich ohne äußere Einwirkung von selbst in andere Kerne um und senden dabei energiereiche, sogenannte ionisierende Strahlung aus. Diese Eigenschaft heißt Radioaktivität, den Vorgang nennt man radioaktiven Zerfall. Instabile Kerne einer bestimmten Sorte heißen Radionuklide.

Was beim Zerfall entsteht, kann wieder stabil sein – oder selbst radioaktiv. Radioaktive Zerfallsprodukte zerfallen weiter. Ein radioaktiver Stoff sendet so lange Strahlung aus, bis auch das letzte Radionuklid darin zerfallen ist.

Wie viele Zerfälle in einem Stoff pro Zeit stattfinden, heißt Aktivität. Ihre Einheit ist das Becquerel. Was Becquerel, Gray und Sievert im Einzelnen bedeuten, ist ein eigenes Thema; hier genügt: Die Aktivität zählt Zerfälle, sie ist noch keine Aussage über eine Wirkung im Körper.

Zerfall ist Zufall – für jeden einzelnen Kern

Wann ein einzelner radioaktiver Kern zerfällt, lässt sich nicht vorhersagen. Ein einzelner Kern hat also kein festes Verfallsdatum. Er kann bald zerfallen oder noch lange bestehen bleiben.

Sobald aber sehr viele gleichartige Kerne zusammenkommen, wird das Bild verlässlich. Dann lässt sich gut sagen, wie der Zerfall der Gesamtheit verläuft. Das ist ähnlich wie bei vielen Würfeln: Welcher Würfel eine Sechs zeigt, weißt du vorher nicht – wie viele Sechsen es ungefähr werden, schon.

Bemerkenswert ist auch, was den Zerfall nicht beeinflusst. Er lässt sich weder durch starke Felder noch durch Erwärmung oder andere Maßnahmen beschleunigen oder bremsen. Erhitzen lässt einen radioaktiven Stoff also nicht schneller zerfallen – wie schnell die vorhandene Menge eines Radionuklids durch Zerfall abnimmt, bestimmt allein seine Halbwertszeit.

Etwas anderes ist es, radioaktive Stoffe von Haut oder Kleidung zu entfernen. Laut BfS hilft es, kontaminierte Oberbekleidung abzulegen und unbedeckte Hautstellen unter fließendem Wasser zu waschen – der Stoff zerfällt dadurch nicht schneller, er wird nur vom Körper entfernt. Mehr dazu steht im Artikel zum Unfall im Kernkraftwerk.

Halbwertszeit: eine Regel für viele Kerne

Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der von den ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kernen (100 %) eines Nuklids nur noch die Hälfte (50 %) übrig ist. Im gleichen Maß sinkt die Aktivität: Nach einer Halbwertszeit ist auch die ausgesandte Strahlung auf die Hälfte des Anfangswerts gefallen.

Danach geht es im gleichen Takt weiter. Nach zwei Halbwertszeiten ist noch ein Viertel (25 %) der Kerne vorhanden, nach drei ein Achtel (12,5 %). Nach zehn Halbwertszeiten liegt die Aktivität laut Bundesamt für Strahlenschutz bei etwa einem Tausendstel des Anfangswerts. Fachleute nennen eine solche Abnahme, die sich in festen Zeitschritten immer wieder halbiert, exponentiell.

Wichtig ist: Es ist egal, wann du anfängst zu zählen. Von jedem beliebigen Zeitpunkt aus ist die verbleibende Menge nach einer weiteren Halbwertszeit wieder auf die Hälfte gesunken. Die Halbwertszeit ist deshalb eine statistische Aussage über viele Kerne – keine Lebensdauer eines einzelnen Atoms.

Jedes Radionuklid hat seine eigene, charakteristische Halbwertszeit. Die Spanne reicht von Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren Milliarden Jahren. Radon-222 etwa hat eine Halbwertszeit von 3,8 Tagen, Tritium von 12,3 Jahren, Uran-238 von 4,5 Milliarden Jahren.

Kurzlebig und langlebig: zwei Beispiele aus dem Jahr 1986

Wie unterschiedlich Halbwertszeiten wirken, zeigt das Bundesamt für Strahlenschutz an zwei Stoffen, die 1986 nach dem Reaktorunfall von Tschornobyl auch nach Deutschland gelangten. Hier dienen sie nur als Rechenbeispiel für die Physik.

Jod-131 hat eine kurze Halbwertszeit von etwa 8 Tagen. Es war schon nach wenigen Wochen weitgehend zerfallen und ist heute vollständig zerfallen. Cäsium-137 hat eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren. Seit 1986 ist es erst zu etwa 60 Prozent zerfallen – rund vier Jahrzehnte sind eben nur gut eine Halbwertszeit.

Deshalb ist von den Stoffen aus 1986 in Mitteleuropa heute nur noch Cäsium-137 von Bedeutung. Erhöhte Gehalte können vor allem Nahrungsmittel aus dem Wald haben. Warum das etwa beim Pilzesammeln eine Rolle spielt, steht dort. Die Belastung landwirtschaftlich erzeugter Lebensmittel stuft das BfS dagegen als gering ein.

Halbwertszeit ist nicht dasselbe wie Gefahr

Eine lange Halbwertszeit klingt bedrohlich, sagt aber vor allem: Der Stoff bleibt lange erhalten. Laut BfS führen kurze Halbwertszeiten zu einer hohen Aktivität, lange zu einer niedrigen – der Stoff zerfällt langsamer, es finden also weniger Zerfälle pro Zeit statt. Lange Halbwertszeit bedeutet daher nicht automatisch höhere unmittelbare Gefahr. Umgekehrt ist eine kurze Halbwertszeit kein Freibrief, denn am Anfang zerfällt dann besonders viel.

Wie stark Strahlung auf Menschen wirkt, hängt außerdem von weiteren Dingen ab: von der Art der Strahlung und davon, ob sie von außen einwirkt oder ob ein radioaktiver Stoff mit Atemluft oder Nahrung in den Körper gelangt. Alphastrahlung zum Beispiel lässt sich schon mit einem Blatt Papier abschirmen. Gelangen Alphastrahler aber in den Körper, schädigen sie das Gewebe besonders stark.

Für den Körper gibt es zudem eine biologische Halbwertszeit: die Zeit, in der der Körper die Hälfte eines aufgenommenen Stoffes auf natürlichem Weg wieder ausscheidet. Zerfall und Ausscheidung zusammen ergeben die effektive Halbwertszeit. Gesundheitliche Fragen beantwortet dieser Artikel bewusst nicht – dafür sind Ärztinnen und Ärzte zuständig, im Ereignisfall die Hinweise der Behörden.