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Edelmetallsynthese

Edelmetallsynthese

Unter Edelmetallsynthese versteht man die Verwirklichung des alten Traums der Alchemisten, die synthetische Herstellung von Edelmetallen. Die Edelmetallsynthese ist nur auf kernphysikalischem Weg, entweder mit Hilfe eines Kernreaktors oder Teilchenbeschleunigers möglich. Da der Betrieb von Teilchenbeschleunigern sehr energieintensiv ist, sind für die Edelmetallsynthese prinzipiell nur Verfahren von Interesse, die im Kernreaktor stattfinden, da diese im Betrieb Energie liefern.

Synthese von Rhodium und Ruthenium

Rhodium und Ruthenium entstehen bei der Kernspaltung in Anteilen von einigen Prozent. Die längstlebigen radioaktiven Isotope dieser Elemente, die bei der Kernspaltung entstehen (Betastrahler, Isotope mit K+-Zerfall und Positron-Zerfall entstehen nicht bei der Kernspaltung und müssen unter diesem Aspekt nicht berücksichtigt werden) haben Halbwertszeiten von 45 Tagen (im Fall des Rhodiums) und 373,59 Tagen (im Fall des Rutheniums), so dass ihre Gewinnung aus abgebrannten Kernbrennstäben prinzipiell möglich ist, wobei sie allerdings erst nach sorgfältiger Prüfung ihrer Radioaktivität den Kontrollbereich verlassen dürften.
Bis jetzt werden in keiner Wiederaufarbeitungsanlage Rhodium und Ruthenium von den Spaltprodukten abgetrennt. Da dies in Zukunft unter Umständen einmal anders sein kann, könnten zahlreiche hochradioaktive Abfälle in Zukunft von wirtschaftlichem Interesse sein.

Synthese von Palladium

Palladium entsteht ebenfalls bei der Kernspaltung in Anteilen von einigen Prozent. Allerdings entsteht hierbei auch das radioaktive Palladiumisotop Pd107 mit einer Halbwertszeit von 6,5 Millionen Jahren, so dass das auf diese Weise gewonnene Palladium mehrere hundert Mal stärker radioaktiv strahlen würde als Uran, es sei denn, man würde dieses Isotop auf sehr aufwendige Weise von den anderen Palladiumisotopen abtrennen.

Synthese von Silber

Silber entsteht bei der Kernspaltung in geringen Mengen (Spaltausbeute ca. 0,1 %). Wegen der geringen Ausbeute würde eine Extraktion von Silber aus den hochradioaktiven Spaltprodukten kaum je wirtschaftlich durchführbar sein, zumal der Silberpreis wesentlich niedriger ist als der für Rhodium und Ruthenium (Kilopreis für Silber: ca. 500 Euro, Kilopreis für Rhodium und Ruthenium: ca. 300.000 Euro)

Synthese von Rhenium, Osmium, Iridium und Platin

Diese Edelmetalle entstehen nicht bei der Kernspaltung. Eine Herstellung durch lange Bestrahlung von Wolfram im Reaktor wäre denkbar. Da Wolfram aber, obwohl es kein Edelmetall ist, auch über einige Eigenschaften dieser Edelmetalle, wie hohe Korrosionsbeständigkeit und einen hohen Schmelzpunkt verfügt, dürfte die Synthese dieser Edelmetalle sehr unattraktiv sein.

Synthese von Gold

Gold entsteht ebenfalls nicht bei der Kernspaltung. Zu Möglichkeiten zur künstlichen Herstellung von Gold siehe Goldsynthese.

Synthese von Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium und Roentgenium

Von diesen Elementen können mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern nur einzelne Atome hergestellt werden, die sehr schnell wieder zerfallen. Kategorie:Kernphysik

Alchemie

Die Alchemie (auch Alchimie) ist ein alter Zweig der Naturphilosophie und wurde im 17./18. Jahrhundert sukzessive von der modernen Chemie und Pharmakologie abgeloest. Die Kunst der Alchemie wurde von Alchemisten (auch Alchimisten) praktiziert. In heutiger Zeit bezeichnen sich manche Vertreter von Pseudowissenschaften ebenfalls als Alchemisten. Zur Möglichkeit der künstlichen Herstellung von Gold (siehe Goldsynthese) und von anderen Edelmetallen (siehe Edelmetallsynthese).

Herkunft

Es wird angenommen, dass sich das Wort Alchemie vom arabischen „al-kymiya“ bzw. vom griechischen "χυμεία" (chymeia) herleitet. Ersteres entspricht dem Namen mit dem die alten Ägypter selbst ihr Land bezeichneten, d. h. Alchemie wird hier als „Kunst der Ägypter“ verstanden, im Sinne des Letzteren als „Lehre des Gießens“. Anhand der Etymologie werden bereits ihre Ursprünge im alten Ägypten und im (hellenistischen) Griechenland deutlich.

Aufgabengebiet und Errungenschaften

Die Alchemie war teilweise von der Idee der künstlichen Herstellung von Gold getrieben, auf der Suche nach dem Stein der Weisen oder dem Universallösungsmittel Alkahest. Dabei arbeitete sie hauptsächlich mit der Methode Versuch und Irrtum (Trial and Error), die auch heute noch eine wichtige Methode zur Erkenntnisgewinnung ist. Die Alchemisten waren der Meinung, chemische Elemente könnten ineinander umgewandelt (transmutiert) werden. Alchemisten befassten sich, im Gegensatz zu gelegentlichen Falschangaben, nicht mit der Herstellung lebender Kunstwesen (Homunculus, Basilisk). Anklänge an diese okkulten Experimente finden sich beispielsweise noch in Goethes Faust I und Faust II und in Meyrinks Golem. Wir verdanken der Alchemie unter anderem die (Wieder-)Erfindung des Porzellans und Schwarzpulvers in Europa. Berühmte Alchemisten waren z. B. Vincentius Cascariolo aus Bologna, der 1604 erstmals einen Phosphoreszenz-Farbstoff herstellte, den so genannten „Bologneser Leuchtstein” oder „Lapis Solaris”. Diese Entdeckung beförderte Diskussionen über die Natur des Lichtes und führte bereits 1652 zu ersten spektroskopischen Untersuchungen. Der Hamburger Heinrich Hennig Brand war ein weiterer wichtiger Alchemist. Er entdeckte 1669 die Chemilumineszenz des weißen Phosphors („Phosphorus mirabilis“) und damit die erste Chemilumineszenzreaktion überhaupt. Diese Chemilumineszenzreaktion fand als Mitscherlich-Probe Eingang in die forensische Chemie und ist auch heute noch ein beeindruckendes Experiment.

Arbeitsmittel

Wichtige Grundlage und sozusagen die Bibel der Alchemisten war die Tabula Smaragdina. Sie ist eine dem Hermes Trismegistos zugeschriebene, ursprünglich wohl griechische, später in lateinischer Fassung verbreitete Sammlung von wenigen, schwer verständlichen und auslegungsbedürftigen Sätzen, in denen die gesamte Weltweisheit enthalten sein sollte. Ein spezieller Ofentyp der Alchemisten wird Athanor genannt. Manche Gefäße der Alchemisten werden nach Tieren benannt, so z. B. Igel oder Gans oder das Menschliche Paar.

Philosophische Bedeutung

Allerdings handelt es sich bei der Alchemie nicht nur um eine praktische Disziplin im Sinne einer Proto-Chemie. Sie hat vielmehr auch eine philosophische Dimension: die verschiedenen alchemischen Vorgänge – wie beispielsweise die Umwandlung eines bestimmten Metalls in ein anderes – stehen hier für die Entwicklung des Menschen, d. h. für inner-psychische Prozesse. Diesen psychologischen Aspekt der Alchemie betonte vor allem der schweizer Psychiater und Psychoanalytiker Carl Gustav Jung, der sich eingehend mit ihr beschäftigte und versuchte, sie für seine Analytische Psychologie fruchtbar zu machen.

Bedeutende Alchemisten

Alchemisten des alten Ägypten, sowie der Griechischen und Römischen Antike

- Hermes Trismegistos (legendär)
- Ostanes (vor 500 v. Chr.)
- Xamolxides (ca. 550 v. Chr)
- Empedokles (ca. 490–430 v. Chr)
- Demokrit (ca. 470–380 v. Chr)
- Maria die Alchemistin (ca. 470 v. Chr.)
- Zosimus aus Panopolis (ca. 250 bis ca. 310 n. Chr.)

Chinesische Alchemisten

In China haben sich innerhalb daoistischer Strömungen solche der Inneren Wandlung Neidan und solche der äußeren Wandlung Waidan herausgebildet, die in ihren Anfängen allerdings noch nicht geschieden waren. Das mit dem Prinzip des Dao verknüpfte Streben nach Unsterblichkeit – allerdings eigentlich im Sinne der Vollendung und Einswerdung im Dao – wurde ganzheitlich auf Körper und Geist bezogen, sodass es auch einige Alchemisten innerhalb der chinesischen Geschichte gab, die versuchten Metalle zu veredeln, dabei nebenbei das Schießpulver entdeckten und nach einem Elixier [dan] suchten, das irdische Unsterblichkeit ermögliche. Dies war aber als Ergänzung zu den inneren Arbeiten Qigong, Meditation, Fasten etc. gedacht. Die ersten Spezialisten in den Künsten der Unsterblichkeit waren die Fangshi, die als einsiedlerische Weise in den Bergen lebten, schamanistische Praktiken anboten, von Kaisern und Adeligen besucht und gelegentlich unterstützt wurden. Aus dieser Tradition kommt Wei Boyang, Autor des ältesten chinesischen alchemistischen Traktats Thouyi cantong qi („Über das Vereinigen der Entsprechungen“), der gemäß der Legende während des 2. Jh. n. Chr. gelebt haben soll. Ihm wird folgender Mythos nachgesagt: Nachdem der Hund an einem Experiment das rechte Elixier betreffend tot umfiel, sprach der Meister: „Ich habe den Weg der Welt, meine Familie und Freunde aufgegeben, um in den Bergen zu leben. Es wäre schamvoll, zurückzugehen, ohne das Dao der heiligen Unsterblichen gefunden zu haben. Durch dieses Elixier zu sterben kann nicht schlechter sein, als ohne es zu leben. So muss ich es dann zu mir nehmen.“ Auch er schluckte das Elixier und fiel auf der Stelle tot um. Nachdem die enttäuschten Schüler gegangen waren, erwachten Hund und Meister und schwebten zum Himmel empor, um Unsterbliche zu werden. Ein anderer war Ge Hong (284–364 n. Chr.). Sein Hauptwerk heißt Baopuzi („Er, der den unbehauenen Klotz umarmt“ oder „Der Meister, der die Schlichtheit umfaßt“). Die Shangqing-Schule nahm später einige seiner Techniken auf. Lü Dongbin, einer der Acht Unsterblichen, soll einer der ersten gewesen sein, der sich ausschließlich der Inneren Alchemie zuwandte. Sein Schüler war Liu Haichan; von diesem soll Zhang Boduan (987–1082 n. Chr.) sein Wissen erhalten haben. Er schrieb das Wuzhen pian („Über das Begreifen der Wirklichkeit“), welches die Ausdrucksweise der äußeren Alchemie auf die inneren Wandlungen überträgt. Ziel sei die Erschaffung des shengtai („geistiger Embryo“ der Unsterblichkeit). Es begründeten sich nach seinem Tod viele Schulen des Neidan. Seine Schüler begründeten etwa den südlichen Zweig der „Schule der Vollkommenen Wirklichkeit“ (wörtlich: Der Weg der Verwirklichung der Wahrheit").

Alchemisten des Islamischen Kulturkreises

- Kalid ben Jazichi (7.–8. Jh.)
- Kalid ben Jesid (geboren 702?)
- Geber (ca. 721–815), Vater der Chemie
- Rhazes (ca. 860–ca. 930)
- Avicenna (980–1037)
- Kalid Rachaibibi (ca. 11. Jh.)
- Muhyi-d-Din Ibn Arabi (1165–1240)
- Abdul-Qasim al Iraqi (13. Jh.)

Abendländische Alchemisten

Abdul-Qasim al Iraqi
- Artephius (12. Jahrhundert)
- Nikolaus Flamel (1330 bis ca. 1413)
- Bernhardus Trevisanus (1406–1490)
- Berthold der Schwarze (lebte im 14. Jahrhundert)
- Basilius Valentinus (Lebensdaten unbekannt)
- Paracelsus (1493–1541)
- Johann Georg Faust (ca. 1480–1540)
- Johann Hartmann (1568–1631)
- Johann Friedrich Böttger (1682–1719)
- Isaac Newton (1642–1727)
- Giacomo Girolamo Casanova (1725–1798)
- Alessandro Cagliostro (1743–1795)
- Fulcanelli (1887–1932)
- Albert Riedel (1911–1984)
- Alexander von Bernus (1880–1965)

Literatur

Quellen

- Johann Agricola: Chymische Medicin: ein Kompendium der Bereitung und Anwendung alchemistischer Heilmittel (Originaltitel: Commentariorum, notarum, observationum & animadversionum in Johannis Poppii Chymische Medicin), Nach der Erstausgabe Leipzig, Schürer und Götze, 1638/39 herausgegeben, eingeleitet und mit einer biographischen Skizze versehen von Oliver Humberg, Elberfeld 2000 ISBN 3-9802788-5-9

Ältere Ausgaben in Neuauflage

- Alexander von Bernus: Alchymie und Heilkunst 5. Auflage Dornach 1994 ISBN 3-7235-0757-3 (1. Auflage von 1936)
- Gottlieb Latz: Die Alchemie, das ist die Lehre von den grossen Geheim-Mitteln der Alchemisten und den Speculationen, welche man an sie Knüpfte: Ein Buch, welches zunaechst für Aerzte geschrieben [ist, zugleich aber auch jedem gebildeten Denker geboten wird]. 1. Auflage Bonn 1869, 2. Auflage Köln 2003 (Nachdruck) ISBN 3-89836-342-2
- Dr. Musallam: Alchimie: Der Stein der Weisen

Moderne Forschungsliteratur

- Julius Evola: Die hermetische Tradition. ISBN 3-7787-7042-X
- Helmut Gebelein: Alchemie. 2. Auflage München 1996, ISBN 3-424-01062-6
- Helmut Gebelein: Alchemie. (Diederichs kompakt), Kreuzlingen, München 2004, ISBN 3-7205-2501-5
- Bernhard Dietrich Haage: Alchemie im Mittelalter: Ideen und Bilder – von Zosimos bis Paracelsus. Düsseldorf, Zürich 2000, ISBN 3-7608-1222-8
- Daniel Hornfisher: Löwe und Phönix. ISBN 3-591-08432-8
- Johannes Helmond: Die entschleierte Alchemie. ISBN 3-87683-044-3
- C.G. Jung: Psychologie und Alchemie. Gesammelte Werke, Bd. 12, ISBN 3-530-40712-7
- C.G. Jung: Mysterium Coniunctionis. Gesammelte Werke, Bd. 14, 3 Bde, ISBN 3-530-40714-3 (Bd. 3 von Marie-Louise von Franz, ISBN 3-530-40799-2)
- C.G. Jung: Studien über alchemistische Vorstellungen. Gesammelte Werke, Bd. 13, ISBN 3-530-40713-5
- Claus Priesner, Karin Figala (Hrsg.): Alchemie: Lexikon einer hermetischen Wissenschaft. München 1998, ISBN 3-406-44106-8
- Gabriele Quinque: Splendor Solis – Das Purpurbad Seele, 22 Pforten der initiatischen Alchemie. Esoterische Interpretation einer alten Bilderhandschrift, ISBN 3-935937-26-1
- Alexander Roob: Das hermetische Museum. Alchemie & Mystik. Köln 1996, ISBN 3-8228-8803-6
- Ulli Seegers: Alchemie des Sehens. Hermetische Kunst im 20. Jahrhundert. Antonin Artaud, Yves Klein, Sigmar Polke. Köln: König 2003 (Kunstwissenschaftliche Bibliothek; Bd. 21), ISBN 3-88375-701-2

Trivia

Das berühmte Buch Der Alchimist von Paulo Coelho befasst sich nur am Rande mit Alchemie, es geht viel mehr um Selbstfindung.

Weblinks

- [http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss/mitscherlich Mitscherlich-Probe bei uni-jena.de]
- http://www.alchemywebsite.com/
- http://www.fk-alchemie.de/ ! Kategorie:Überholte Theorie ja:錬金術

Synthese

Als Synthese (spätlateinisch synthesis, von griechisch σύνθεση, sýnthessi - die Zusammensetzung, Zusammenfassung, Verknüpfung) bezeichnet man die Vereinigung von zwei oder mehr Elementen (Bestandteilen) zu einer neuen Einheit. Oftmals wird mit der "Synthese" auch das Ganze selbst, d.h. das Resultat der synthetischen Tätigkeit bezeichnet. Die Synthese ist untrennbar verbunden mit dem ihr entgegengesetzten Verfahren der Analyse.

Synthese in der Philosophie

Worauf sich diese Vereinigung bezieht, richtet sich je nach Philosoph. So ist bei Hegel die Synthese ein Prozess zum Erkenntnisgewinn, bei Kant dient es nur zur Kategoriesierung von Urteilen u.a. (z.B. "synthetisches Urteil").

Allgemein

Der Vorgang der Analyse endet in der Erkenntnis über das Wesen einer Erscheinung und deren innerer Zusammenhänge. Die Synthese kehrt diesen Vorgang um und versucht aus den Elementen, welche durch die Analyse gefunden wurden, ein neues Ganzes zusammen zu setzen. Dialektisch erhebt die Synthese das Einzelne auf die Stufe des Allgemeinen, das Konkrete auf die des Abstrakten, sie fasst das Mannigfaltige zu einer Einheit zusammen. Dadurch gelangt man mit elementareren zu komplexeren Begriffen.

Historisch

Im europäisch historischen Sinne sind erste Ansätze dazu sind bei Platon, Aristoteles und Pappos von Alexandria vorhanden, als man die Synthese nach einer Problemanalyse als Konstruktionsverfahren für geometrische Problemlösungen stellte . Die oben beschriebene Neuordnung der einzelnen Elemente führt zu logischen und wahren Sätzen der Geometrie (Euklidische Geometrie). In der neuzeitlichen Algebra wird darunter die Suche nach den hinreichenden Bedingungen für das Gleichungslösen verstanden. Newton schloß sich dieser von Pappos v. Alexandria maßgeblich bestimmten Methodik an und versteht unter der Synthese die Ableitung von physikalischen Prinzipien aus den mechanischen Prinzipien. Auch hier wird in der analytischen Mechanik die Suche nach hinreichenden Lösungsbedingungen von Bewegungsgleichungen verstanden. Nach Kant gibt es synthetische Sätze oder Urteile, in denen nicht analytisch erklärbare Teile hinzu kommen und ihnen somit scheinbar Neues hinzufügen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Erweiterungsurteilen. In der modernen Wissenschaftstheorie wird hierbei noch zwischen formal-synthetischen Aussagen und materiell-synthetischen Aussagen unterschieden. Erstere werden durch das Handeln mit bestimmten Symbolen und der Regeln für den Umgang mit diesen gerechtfertigt. Bei den materiell-synthetischen Aussagen wird mittels Rückgang auf die Elemente eine bestimmte ideale Form geschlossen. In der Hegelschen Dialektik bedeutet die Synthese die höhere Einheit von These und Antithese in dessen Zusammenhang man von der Negation der Negation (allg. Grundgesetze der Dialektik) spricht, in welcher sich aus Quantitäten in einer höheren Ebene neue Qualitäten entwickeln.

Kant

Der Philosoph Immanuel Kant geht davon aus, dass die Welt nicht ohne unsere eigenen so genannten synthetisierenden Leistungen gedacht werden kann. In der Erkenntnistheorie wird behauptet, dass jeder Erfahrung eine transzendentale Synthese zugrunde liegt.

Hegel

Bei Hegel bezeichnet Synthese das Abwägen einer These gegenüber deren Antithese mit dem Ziel der Aufstelllung einer neuen These, deren Wahrheitsgehalt die beiden Ausgangsthesen übertrifft und ihren gegenseitigen Widerspruch aufhebt. Diese erkenntnistheoretische Methode wird als Dialektik bezeichnet.

Synthese in der Technik

Gegenstand der Synthese von technischen Systemen ist das Problem, vorgegebene bzw. geforderte Verhaltensweisen durch technische Systeme zu realisieren. Gegenüber der empirischen Arbeitsweise oder der des Experimentes, wird bei der Synthese aus einem mathematisches Modell die Realisierung gewonnen. Aus Erfahrungen der Analyse ist bekannt, dass es oft mehrere Realisierungen gibt, die in mindestens einer ihrer Eigenschaften übereinstimmen. Daraus geht hervor, dass das Syntheseproblem und damit die speziellen Syntheseaufgaben nicht eindeutig lösbar sind. Die Teilaufgaben einer Sythese sind: 1. Mathematische Synthese, 2. Struktursynthese, 3. Äquivalenzetappe, 4. Realisierung

Spezielle Anwendungsgebiete

- der Entwurf neuer Stoffe aus der Kombination bestimmter Elemente und Gruppen, spezielles Gebiet insb. der organischen Chemie: Synthese (Chemie), Katalysator
- in der Elektrotechnik der Entwurf von linearen sowie nichtlinearen Systemen, Schaltkreisen und elektromagnetischen Feldern, auch der Entwurf von digitalen Schaltkreisen: Synthese (Elektrotechnik), Wilhelm Cauer
- in der Mechanik der Entwurf von Systemen, die zur Realisierung einer vorgegebenen Bewegungsaufgabe dienen, z.B. eines Getriebes
- in anderen pysikalischen Gebieten in denen Bewegungsprozesse oder Felder synthetisiert werden sollen Thermodynamik, geometrische Optik, Quantenmechanik
- in der Informatik wird die Synthese als Problemlösungsstrategie von wissensbasierten Systemen angewendet: künstliche Intelligenz
- in der Biologie, insbesondere in der Physiologie von Lebewesen bezeichnete Vorgänge der Zerlegung einzelner Teile des Ganzen und deren veränderter Rekombination: Biosynthese, Chemosynthese, Photosynthese
- in der Musik, in der man mit der Kenntnis bestimmter einzelner instrumenteller Elemente und bestimmter harmonischer Regeln neue Stücke komponieren kann: Synthesizer, Herbert Brün, Musiktheorie
- im künstlerischen Bereich im Allgemeinen, in der man mit Kenntnis bestimmter künstlerischer Elemente und deren Kombination neue Formen und Kompositionen schaffen kann: bildende Kunst, Architektur

Literatur, Quellen

- Mittelstraß (Hrsg.): Enzyklopädie Philosopie und Wissenschaftstheorie (in 4 Bd.), J.B. Metzler Verlag, Stuttgart 1980-1996
- Klaus, Buhr (Hrsg.): Philosophisches Wörterbuch (in 2 Bd.), Bibliographisches Institut, Leipzig (versch. Auflagen) Kategorie:Erkenntnistheorie Kategorie:Wissenschaftstheorie Kategorie:Systemtheorie Kategorie:Kybernetik

Kernreaktor

Ein Kernreaktor (auch Atomreaktor oder Atommeiler) ist eine Maschine, in der eine Kernreaktion kontinuierlich abläuft. Weltweit verbreitet sind Kernreaktoren, die durch die Spaltung (Fission) von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus elektrische Energie gewinnen. Eine weitere Art von Kernreaktor ist der sich im Experimentierstadium befindliche Kernfusionsreaktor, der, wie die Sonne, aus der Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoffkernen Energie gewinnt.

Kernspaltungsreaktor

Funktionsweise

Die Kernspaltung

Zwischen den Protonen und den Neutronen eines Atomkerns wirken sehr starke, anziehende Kräfte, die jedoch eine nur sehr kurze Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft im wesentlichen auf die nächsten Nachbarn, weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft nur in geringem Maße bei. Solange die Kernkraft größer ist als die abstoßende Coulombkraft zwischen den positiv geladenen Protonen, hält der Kern zusammen. Schwere Kerne, wie beispielsweise das Uran oder Plutonium, enthalten sehr viele Protonen und benötigen daher einen Neutronenüberschuss, um den Kern stabil zu halten. Denn durch die anziehende Kernkraft der zusätzlichen Neutronen wird die abstoßende Coulombkraft der Protonen kompensiert. Trotzdem sind viele schwere Kerne radioaktiv, also instabil. Fängt einer dieser schweren Kerne, etwa des Uranisotops ²³⁵U beziehungsweise ein Kern des Plutoniumisotops ²³⁹Pu, ein Neutron ein, so wird ihm außer dem zusätzlichen Neutron auch Energie zugeführt. Dadurch wandelt er sich in einen hochangeregten, instabilen Zustand des Kerns ²³⁶U beziehungsweise ²⁴⁰Pu um. Beide hochangeregten Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich gerät der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angestoßener Wassertropfen in Schwingungen und zerreißt in zwei meist ungleiche Bruchstücke mit einem Massenverhältnis von etwa 2 zu 3. Darüber hinaus werden bei jeder einzelnen Spaltung im Schnitt zwei bis drei weitere schnelle Neutronen frei, die dann für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen - dies ist die Grundlage der Kettenreaktion. Die neu entstandenen Kerne mittlerer Masse, die so genannten Spaltprodukte, haben eine größere Bindungsenergie als der schwere Uran- beziehungsweise Plutoniumkern. Die Differenz der Bindungsenergien wird unter anderem in kinetische Energie und damit in Wärme der Spaltprodukte umgewandelt. Diese Wärme kann beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden.

Thermische Neutronen und der Moderator

Der Neutronenabsorptionsquerschnitt beispielsweise des Isotops ²³⁵U nimmt mit abnehmender Energie und damit gleichbedeutend mit abnehmender Geschwindigkeit des Neutrons zu, das heißt, je langsamer das Neutron ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es von einem U²³⁵-Kern eingefangen wird. Daher bremst man in einem Kernreaktor die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung durch den Einsatz eines Moderators ab. Ein Moderator ist ein Material wie etwa Graphit, schweres oder normales Wasser, welches viele Atomkerne enthält, die nicht sehr viel schwerer als ein Neutron sind, und das einen sehr niedrigen Absorptionsquerschnitt für Neutronen hat. Die erste Eigenschaft führt dazu, dass die Neutronen durch Stöße mit diesen Atomkernen abgebremst werden. Die zweite Eigenschaft hat zur Folge, dass die Neutronen der Kettenreaktion weiter zur Verfügung stehen. Durch die Stöße mit den Atomkernen des Moderators können die Neutronen maximal auf die Geschwindigkeiten der Kerne des Moderators abgebremst werden. Die Geschwindigkeit der Moderatorkerne ist nach der Theorie der Brownschen Bewegung durch die Temperatur des Moderators definiert. Es findet also eine Thermalisierung statt. Man spricht daher nicht von abgebremsten, sondern von thermischen Neutronen, d. h., die Neutronen besitzen anschließend eine ähnliche Geschwindigkeitsverteilung wie die Moleküle des Moderators. Ein Reaktor, der zur Kernspaltung thermische Neutronen verwendet, wird dem entsprechend als "Thermischer Reaktor ezeichnet. Im Gegensatz dazu nutzt ein "Schneller Reaktor" die nicht abgebremsten, schnellen Neutronen zur Spaltung oder zum Erbrüten neuen Spaltmaterials (daher auch die Bezeichnung "Schneller Brüter").

Steuerung der Kettenreaktion

Damit die Kettenreaktion nicht unkontrolliert abläuft, muss sie gesteuert werden. Hierfür benutzt man Stoffe mit einem hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen. Beispiele für diese Stoffe sind Cadmium, Gadolinium und Bor. Aus chemischen Verbindungen dieser Materialien werden beispielsweise die Steuerstäbe eines Kernreaktors gefertigt. Durch Zugabe oder Entzug dieser Stoffe in oder aus dem Reaktorkern (beispielsweise durch das Herausziehen oder Hineinfahren der Steuerstäbe) kann der Reaktor geregelt werden. Zur leichteren Beschreibung der Vorgänge beim Regeln eines Kernreaktors sei nun der Multiplikationsfaktor k eingeführt. Er beschreibt das Verhältnis der Neutronenzahlen zweier aufeinander folgender Neutronengenerationen: k = Anzahl der Neutronen einer Generation / Anzahl der Neutronen der vorausgegangenen Generation
- Im stationären Betrieb ist der Multiplikationsfaktor k = 1, d.h. jede Neutronengeneration weist genau so viele Neutronen auf wie die ihr vorausgegangene. Das wird dadurch erreicht, dass sich gerade so viel Neutronen absorbierendes Material im Kern befindet, wie nötig ist, damit im Durchschnitt nur eines der pro Kernspaltung freiwerdenden Neutronen für eine weitere Kernspaltung zur Verfügung steht. Alle übrigen Neutronen werden beispielsweise durch Bor oder Cadmium absorbiert oder gehen der Kettenreaktion auf anderen Wegen verloren. In diesem Fall liegt eine stationäre Kettenreaktion vor. Die Zahl der Kernspaltungen pro Zeit bleibt konstant und es wird eine konstante Leistung in Form von Wärme abgegeben. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als kritisch.
- Will man die Leistung des Reaktors reduzieren, so führt man dem Reaktorkern Neutronen absorbierende Stoffe (beispielsweise durch das Einfahren der Steuerstäbe) zu. Dadurch werden mehr Neutronen absorbiert, als zur Aufrechterhaltung des stationären Betriebs nötig wären. Es stehen nun mit jeder Neutronengeneration weniger Neutronen für weitere Spaltungen zur Verfügung, als bei der vorhergehenden. Für den Multiplikationsfaktor gilt k < 1 und eine stationäre Kettenreaktion lässt sich nicht aufrechterhalten. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als unterkritisch. Die Wärmeleistung in einem unterkritischen Reaktor sinkt. Jedoch nur so lange bis sich erneut ein Gleichgewicht eingestellt hat. Denn eine bestimmte, zusätzliche Menge an Neutronen absorbierenden Material kann auch nur eine bestimmte Menge an Neutronen zusätzlich weg fangen. Daher stellt sich durch Zufuhr von beispielsweise einer bestimmten Menge an Bor erneut ein stationärer Betrieb ein, allerdings bei einer reduzierten Leistung. Durch die Zufuhr von genügenden Mengen an Neutronen absorbierendem Material lässt sich die Leistung des Reaktors auf Null reduzieren und der Reaktor damit abschalten.
- Um die Leistung eines Kernreaktors zu erhöhen, entzieht man dem Reaktorkern Neutronen absorbierendes Material (beispielsweise durch das Herausfahren der Steuerstäbe). Dadurch steht mehr als ein Neutron pro Kernspaltung für weitere Spaltungen zur Verfügung, die Anzahl der Spaltungen pro Generation nimmt zu und die Leistung des Reaktors ebenso. Für den Multiplikationsfaktor gilt k > 1. Einen Reaktor mit zunehmender Zahl an Kernspaltungen nennt man überkritisch. Um einen Kernreaktor jedoch vernünftig regeln zu können, nutzt man die Tatsache aus, dass zwar etwa 99% aller Spaltneutronen bei der Kernspaltung als prompte Neutronen innerhalb von 10^-14 Sekunden emittiert, jedoch ungefähr 1% der Neutronen verzögert um bis zu einigen Sekunden als so genannte verzögerte Neutronen freigesetzt werden. Der prozentuale Anteil der verzögerten Neutronen an der gesamten Neutronenzahl wird mit β bezeichnet. Der genaue Wert von β hängt vom Spaltstoff ab und beträgt beim ²³⁵U etwa 0,75%, beim ²³⁹Pu nur etwa 0,2%. Der Reaktorzustand mit 1 ≤ k ≤ 1+ β heißt prompt kritisch, der Zustand k≥1+β prompt überkritisch. Bei der Erhöhung der Leistung wird der Reaktor in den prompt kritischen Zustand gebracht, da er hier regelbar bleibt. Denn die Neutronenflussänderungen laufen hier zwar exponentiell, aber in einem Zeitrahmen ab, der durch die verzögerten Neutronen bestimmt ist und damit im Bereich mehrerer Sekunden liegt. Ein prompt überkritischer Reaktor ist nicht mehr regelbar und es kann zu schweren Unfällen kommen, denn der Neutronenfluss und damit die abgegebene Wärmeleistung des Reaktors steigen exponentiell im Bereich von 10^-14 Sekunden an. Bei wassermoderierten Reaktoren kommt es dabei zur Verdampfung des Moderators, welcher aber notwendig ist, um die Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Durch das schlagartige Ansteigen der Temperatur wird die Moderatordichte reduziert und damit der Fluss an thermischen Neutronen (denn nur diese tragen wesentlich zur Kernspaltung in diesem Reaktortyp bei) reduziert. Dadurch kehrt der Reaktor in den prompt kritischen, kritischen oder gar unterkritischen, in jedem Fall aber in den regelbaren Bereich zurück. Dieses Verhalten gilt nicht für beispielsweise Graphit-moderierte Reaktortypen, denn speziell Graphit verliert bei Hitze seine moderierenden Eigenschaften nicht. Gerät ein solcher Reaktor in den prompt überkritischen Bereich, so kommt die Kettenreaktion nicht zum Erliegen und binnen Sekundenbruchteilen führt dies zur Überhitzung und Zerstörung des Reaktors. Schlagartig verdampfende Flüssigkeiten und Metalle können dabei eine Explosion des Reaktors bewirken, wie in der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl geschehen. Die automatische Unterbrechung der Kettenreaktion bei wassermoderierten Reaktoren ist, anders als gelegentlich behauptet, kein Garant dafür, dass es nicht zu einer Kernschmelze kommt, da die Nachzerfallswärme bei Versagen aktiver Kühlsysteme ausreicht, um ebendiese herbeizuführen und im schlimmsten Falle, bei Erreichen der kritischen Masse, eine neue Kettenreaktion in Gang zu setzen. Als inhärent sicher gelten daher beim derzeitigen Stand der Technik nur bestimmte Hochtemperaturreaktoren geringerer Leistung, die eine Kernschmelze prinzipbedingt ausschließen.

Nachwärme

Wird der Reaktor abgeschaltet, so wird durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte weiterhin Wärme produziert. Um diese so genannte Restwärme oder auch Nachwärme auch in Notfällen sicher abführen zu können, besitzen alle westlichen Kernkraftwerke ein aufwändiges Not- und Nachkühlsystem. Sollte jedoch der unwahrscheinliche Fall eintreten und auch diese Systeme versagen, so kommt es auch in diesem Fall durch die steigenden Temperaturen zu einer Kernschmelze, bei der die Strukturen des Reaktorkerns und insbesondere der Kernbrennstoff schmelzen. In der Schmelze kann die Kettenreaktion unter Umständen wieder anlaufen und dadurch zusätzliche Wärme erzeugt werden. Aber auch ohne diese Rekritikalität wird der Fall der Kernschmelze als größter anzunehmender Unfall, kurz als GAU bezeichnet. Bei einem GAU ist davon auszugehen, dass radioaktive Stoffe in die Umwelt entweichen. Hält das Reaktorgebäude nicht stand, tritt eine sehr große Menge radioaktiver Stoffe aus, was auch als Super-GAU bezeichnet wird. Siehe auch: Kernspaltung

Reaktortypen

Reaktoren werden nach der Art der Kühlung, der Moderation und der Bauweise unterteilt. Mit normalem, leichtem Wasser moderierte Reaktionen finden im Leichtwasserreaktor statt, der als Siedewasserreaktor oder Druckwasserreaktor ausgelegt sein kann. Eine Weiterentwicklung des Druckwasserreaktors ist der European Pressurized Water Reactor (EPR). Eine russische Variante ist der WWER-Reaktor. Leichtwasserreaktoren benötigen angereichertes Uran, Plutonium oder Mischoxide (MOX) als Brennstoff. Mit schwerem Wasser moderierte Schwerwasserreaktoren erfordern eine große Menge des teuren schweren Wassers (Deuterium), können aber mit natürlichem, das heißt nicht angereichertem Uran, betrieben werden. Der bekannteste Vertreter dieses Typs ist der in Kanada entwickelte Candu-Reaktor. Gasgekühlte, graphitmoderierte Reaktoren wurden bereits in den 50er Jahren entwickelt und sind daher die ältesten kommerziell genutzten Kernreaktoren. Kühlmittel ist Kohlendioxid. In Großbritannien sind noch eine Reihe dieser wegen des Hüllrohrmaterials der Brennelemente (Magnesiumlegierung) als Magnox-Reaktoren bezeichneten Anlagen in Betrieb. Ähnliche Anlagen wurden auch in Frankreich eingesetzt, sind aber inzwischen alle bereits abgeschaltet. Ein Nachfolger der Magnox-Reaktoren ist der in Großbritannien entwickelte AGR-Reaktor (Advanced Gas-cooled Reactor). Im Unterschied zu den Magnox-Reaktoren verwendet er jedoch leicht angereichertes Urandioxid statt Uranmetall als Brennstoff. Dies ermöglicht höhere Leistungsdichten und höhere Kühlmittelaustrittstemperaturen. Ein Hochtemperaturreaktor (auch Kugelhaufenreaktor) nutzt ebenfalls Graphit als Moderator, als Kühlmittel wird Helium verwendet. Der Kernbrennstoff ist hier in Kugeln aus Graphit eingeschlossen. Dieser Reaktortyp gilt als einer der sichersten, da hier selbst bei einem Versagen der Not- und Nachkühlsysteme eine Kernschmelze aufgrund des hohen Schmelzpunktes des Graphit so gut wie ausgeschlossen ist. Die sowjetischen Reaktoren vom Typ RBMK nutzen ebenfalls Graphit als Moderator. Hier liegt das Graphit allerdings in riesigen Blöcken vor, durch die hunderte oder tausende (abhängig von der Leistung des Reaktors) Kanäle gebohrt sind in denen sich die so genannten Druckröhren mit den Brennelementen und der Wasserkühlung befinden. Diese Reaktortypen gelten aus verschiedenen Gründen als träge (was viel Zeit zum Regeln lässt), aber auch als extrem unsicher, da hier ein Kühlmittelverlust nicht mit einem Moderatorverlust gleichzusetzen ist. Die Reaktorblöcke in Tschernobyl waren von diesem Typ. Daneben gibt es Brutreaktoren (Schnelle Brüter), in denen ²³⁸U in ²³⁹Pu umgewandelt wird. Brutreaktoren arbeiten mit schnellen Neutronen, und verwenden flüssiges Metall, wie beispielsweise Natrium als Kühlmittel. Kleine, nicht brütende Reaktoren mit Metallkühlung (Blei-Bismut-Legierung) wurden in sowjetischen U-Booten eingesetzt. Eine Besonderheit stellt der Naturreaktor in Oklo dar, in dem vor Millionen Jahren eine Kettenreaktion durch das Eindringen von Wasser in eine natürliche Uranlagerstätte in Gang kam. Dies war möglich, da aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeiten von ²³⁵U und ²³⁸U der Anteil an ²³⁵U im Natururan bei etwa 3-5% lag. Heute liegt der Anteil bei nur noch etwa 0,7% und bei einem Anteil von 1,5-5% spricht man von angereichertem Uran. Es gibt auch einige Sondertypen für spezielle Anwendungen. So wurden kleine Reaktoren mit hochangereicherten Brennstoff für die Stromversorgung von Raumflugkörpern konstruiert, die ohne flüssiges Kühlmittel auskommen (diese Reaktoren sind nicht mit den Isotopenbatterien zu verwechseln). Auch luftgekühlte Reaktoren, die stets hochangereicherten Brennstoff erfordern, wurden gebaut, zum Besispiel für physikalische Versuche im BREN-Tower in Nevada. Es wurden auch Reaktoren für den Antrieb von Raumfahrzeugen konstruiert, bei denen flüssiger Wasserstoff zur Kühlung des Brennstoffes dient. Allerdings kamen diese Arbeiten über Bodentests nicht hinaus (Projekt NERVA, Projekt Timberwind). Ebenfalls nicht über das Versuchsstadium hinaus kamen Reaktoren bei denen der Brennstoff in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegt (Gaskernreaktor). Derzeit wird weltweit aktiv an neuen Reaktorkonzepten gearbeitet, insbesondere mit Blick auf den erwarteten wachsenden Energiebedarf.

Natürlicher Kernreaktor

Kernspaltung kann nicht nur durch hochkomplexe technische Systeme erreicht werden, sondern kommt unter bestimmten, wenn auch seltenen, Umständen in der Natur vor. 1972 entdeckten französische Forscher in der Region Oklo des westafrikanischen Landes Gabun die Überreste eines natürlichen Kernreaktors, der vor ca. 2 Milliarden Jahren von selbst entstanden war. Die Forscher stellten fest, dass die Isotopenzusammensetzung des Urans aus der Oklo-Mine Unstimmigkeiten aufwies: es enthielt geringfügig weniger spaltbares Uran-235 als man aufgrund seines Gehaltes an Uran-238 erwarten konnte. Die Wissenschaftler haben auch verschiedene Edelgasisotope, die in einer Materialprobe der Oklo-Mine eingeschlossenen waren, mit einem Massenspektrometer untersucht. Aus der Verteilung der verschiedenen, bei der Uranspaltung entstehenden Xenonisotope in der Oklo-Probe ergab sich, dass der Reaktor in Pulsen gearbeitet hat. Die natürliche Anreicherung von Uran-235 setzte eine Kettenreaktion in Gang, die durch Wasser in den Spalten des Urangesteins moderiert wurde. Das Wasser in den Gesteinsspalten bremste die Neutronen auf die für die Kernspaltung notwendige Geschwindigkeit ab, so dass die Kettenreaktion einsetzen konnte (aktive Phase). Die dadurch freigesetzte Wärme im Urangestein erhitzte das Wasser in den Spalten bis es schließlich verdampfte und nach Art eines Geysirs entwich. Infolgedessen konnte das Wasser nicht mehr als Moderator (Neutronendämpfer) wirken, so dass die Kernreaktion zum erliegen kam (Ruhephase). Daraufhin sank die Temperatur wieder ab, so dass frisches Wasser nachfließen und die Spalten wieder auffüllen konnte. Somit war die Voraussetzung für eine weitere Kettenreaktion geschaffen und der Zyklus konnte von vorne beginnen. Berechnungen zeigen, dass auf die etwa 30 Minuten dauernde aktive Phase (Kettenreaktion) eine Ruhephase folgte, die mehr als zwei Stunden anhielt. Auf diese Weise wurde der natürliche Atommeiler für etwa 150.000 Jahre in Gang gehalten, wobei er über 5 Tonnen Uran-235 verbrauchte. Die Leistung des Reaktors lag bei im Vergleich zu den heutigen Megawatt-Reaktoren geringen 100 Kilowatt. Ein weiterer fossiler Reaktor wurde ebenfalls in Gabun, in Bangombe, etwa 35 km südöstlich der Oklo-Mine entdeckt. Amerikanische Forscher um Alex Meshik von der Washington University in St. Louis fanden jetzt heraus, dass ein natürlicher Kernreaktor im westafrikanischen Gabun mehr als 150 000 Jahre lang Wasser als Moderator nutzte. Trotz intensiver weltweiter Nachforschungen in über 200 Uranlagerstätten konnten bislang keine weiteren natürlichen Reaktoren mehr aufgespürt werden. Dies muss aber nicht bedeuten, dass in der Vergangenheit keine weiteren Reaktoren entstanden sind. Sie könnten z.B. im Laufe der Zeit durch geologische Prozesse tief in die Erdkruste abgesunken oder durch andere Vorgänge verschwunden sein. Ein Grund für das entstehen dieses natürlichen Atomreaktors war, dass zu der Zeit das natürliche Vorkommen von spaltbarem U-235 im Uran ca. 3% betrug. Aufgrund der kürzeren Halbwertszeit von U-235 gegenüber U-238 ist das natürliche Vorkommen von U-235 im Uran derzeit ca. 0,7%. Daher ist ein natürlicher Atomreaktor auf der Erde nicht mehr möglich. Lit.: A. P. Meshik et al.: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon. Phys. Rev. Lett. 93, 182302 (2004). http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrc/OKLO/index.shtml Englischsprachige Web-Seite von Robert Loss mit ausführlichen Informationen zum Oklo-Reaktor

Anwendungen

Die meisten Kernreaktoren dienen der Erzeugung von elektrischer (und manchmal auch von thermischer) Energie in Kernkraftwerken. Daneben werden Kernreaktoren auch zur Erzeugung radioaktiver Substanzen verwendet, entweder, in dem diese aus den abgebrannten Brennstäben extrahiert werden, oder in dem Substanzen der im Kernreaktor herrschenden Neutronenstrahlung ausgesetzt werden (Transmutation, Kernreaktion, Neutronenanlagerung). Theoretisch könnte man in einem Reaktor auch Gold machen (Goldsynthese), was allerdings sehr unwirtschaftlich wäre. Die wichtigste im Reaktor durchgeführte Reaktion zur Stoffumwandlung ist die Erzeugung von Plutonium 239 aus Uran 238, den wichtigsten Uranisotop. Weiterhin dienen Kernreaktoren auch als intensive regulierbare Neutronenquelle für physikalische Untersuchungen aller Art. Eine weitere Anwendung von Kernreaktoren ist der Antrieb von Fahrzeugen (Kernenergieantrieb) und die Energieversorgung von manchen Raumflugkörpern. In letzteren Fall sind diese nicht mit den Isotopenbatterien gleichzusetzen.

Sicherheit und Politik

Das von Kernreaktoren ausgehende Gefahrenpotential sowie die bislang ungelöste Frage der Lagerung der anfallenden radioaktiven Abfälle haben nach Jahren der Euphorie seit den 70 Jahren des 20. Jahrhunderts in vielen Ländern zu Protesten von Atomkraftgegnern und zu einer Neubewertung der Kernkraft geführt. Während in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts allgemein der Ausstieg aus der Kernkraft propagiert wurde, findet in vielen Ländern momentan ein Umdenken statt. Gründe sind neben den hohen Kosten für regenerative Energiequellen und fossile Energieträger die Versorgungsunsicherheit bei Öl und Gas. Daneben stellt die inzwischen durch internationale Verträge gesicherte Reduktion des CO₂-Austoßes ein weiteres Hindernis für fossile Energieträger dar. Diesem Problem klassischer Energieträger steht ein wachsender Energiebedarf durch aufstrebende Volkswirtschaften wie etwa China gegenüber. Aus diesen Gründen entschlossen sich einige europäische Staaten, wieder in die Kernkraft zu investieren. So bauen derzeit der deutsche Konzern Siemens und die französische Gruppe Areva einen Druckwasserreaktor vom Typ EPR im finnischen Olkiluoto; er soll 2009 ans Netz gehen. Russland will seine alten und teilweise maroden Kernkraftwerke erneuern und für mindestens 10 Jahre pro Jahr einen neuen Reaktorbau beginnen. In Frankreich wird ebenfalls über den Neubau eines Reaktors verhandelt, als Termin für die Fertigstellung wird das Jahr 2010 genannt. Schweden stoppte seine Pläne zum Atomausstieg. Daneben gibt es kleinere und größere Neubauprojekte in Iran, China, Nordkorea, und anderen Staaten. Die Lebensdauer von Kernreaktoren ist nicht unbegrenzt. Besonders der Reaktordruckbehälter ist ständiger Neutronenstrahlung ausgesetzt, die zur Versprödung des Materials führt. Wie sehr das Material versprödet, hängt unter anderem davon ab, wie die Brennelemente im Reaktor angeordnet sind und welchen Abstand sie zum Reaktordruckbehälter haben. Die Kernkraftwerke Stade und Obrigheim wurden auch deshalb als erste vom Netz genommen, weil hier dieser Abstand geringer war als bei anderen, neueren Kernreaktoren. Zur Zeit versuchen die Betreiber von Kernkraftwerken, durch eine geschickte Beladung mit Brennelementen und zusätzlichen Moderatorstäben die Neutronenbelastung des Reaktordruckbehälters zu reduzieren.

Orte mit Kernreaktoren

- Liste der Kernkraftanlagen
- Liste der Kernkraftwerke in Deutschland
- Liste der Kernreaktoren in Österreich
- [http://www.world-nuclear.org/wgs/decom/database/php/reactorsdb_index.php Datenbank der World Nuclear Association mit allen Kernkraftwerken weltweit]
- [http://www.energie-fakten.de/html/oklo.html Kernreaktoren und nukleare Endlager - eine Erfindung des Menschen ?] Über natürliche Reaktoren in Oklo (Gabun)

Bekannte Nuklearunfälle

- 29. September 1957 Mayak im Russischen Ural
- 8. Oktober 1957 in Sellafield (früher Windscale) Vereinigtes Königreich - siehe Windscale-Brand
- 21. Januar 1969 in Lucens VD, Schweiz
- 28. März 1979 Three Mile Island bei Harrisburg, Pennsylvania, USA
- 26. April 1986 Tschernobyl, Ukraine Siehe auch: Reaktorphysik, Kernkraftwerk, Liste der nuklearen Unfälle, Kernenergieantrieb

Siehe auch

- [http://www.kernenergie-wissen.de Basiswissen zur Kernenergie] ja:原子炉 Kategorie:Kernenergie

Rhodium

Rhodium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Rh und der Ordnungszahl 45. Das seltene Übergangsmetall ist ein Mitglied der Platinmetalle (nicht zu verwechseln mit der Platingruppe ), kommt in Platinerzen vor und wird in Platinlegierungen als Katalysator verwendet.

Bemerkenswerte Eigenschaften

Rhodium ist ein silberweißes, stark glänzendes, beständiges, sehr hartes Metall, welches aufgrund dieser Eigenschaften einen hohen Oberflächenglanz aufweist. Die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und das Reflexionsvermögen sind höher als bei den anderen Platinmetallen. Erst bei Temperaturen von über 600 °C reagiert Rhodium mit Sauerstoff zu einem Oxid (Rh₂O₃), das bei höheren Temperaturen wieder zerfällt. Von Mineralsäuren wird Rhodium nicht angegriffen. Auch heißes Königswasser vermag Rhodiumpulver nur langsam aufzulösen. In Cyanid-, Alkali- und Soda schmelzen und Kaliumhydrogensulfatschmelzen löst es sich.

Anwendungen

Rhodium wird hauptsächlich als festigkeitssteigernder Zusatz in Platin- und Palladiumlegierungen verwandt. Sie finden Einsatz als
- Heizspiralen
- Düsen in der Herstellung von Glasfasern
- Thermoelemente
- Zündkerzenelektroden im Luftfahrtbereich
- Laborgeräte
- Kontaktwerkstoffe
- Plattierwerkstoffe (Rhodinieren) für optische Geräte
- Schmuckwaren und für dekorative Zwecke
- Katalysatoren in der chemischen Industrie (Ammoniakverbrennung) und Kraftfahrzeugtechnologie Rhodiumsalze zeigen zum Teil sehr schöne, intensive Farben (daher auch der Name = rosenfarbig) Rhodiumsulfatlösung als Grundlage der galvanischen Beschichtung, dem so genannten "rhodinieren" ist je nach Konzentration gelb bis dunkelorange.

Geschichte

Rhodium (griechisch rhodon für Rose) wurde 1803 durch William Hyde Wollaston in einem aus Südamerika stammenden Rohplatinerz entdeckt.

Vorkommen

Wegen des hohen Schmelzpunktes und den Begleitelementen aus der Platinfamilie sowie Gold und Silber ist die industrielle Gewinnung von Rhodium sehr aufwändig. Es wird in der Regel als Ammonium-hexachlororhodat (NH₄)₃RhCl₆ gewonnen und mittels Wasserstoff bei hohen Temperaturen zum Metall reduziert.
Genutzt werden Vorkommen in Südafrika, Ural, Nord- und Südamerika sowie die sulfidischen Kupfer-Nickelerze des Sudbury-Komplexes in Ontario. Rhodium könnte auch aus abgebrannten Brennelementen gewonnen werden, in dem es mit einen Anteil von einigen Prozent enthalten ist. Das so gewonnene Rhodium enthält radioaktive Isotope mit Halbwertszeiten von bis zu 45 Tagen und müßte vor seiner Freigabe sorgfältig auf Radioaktivität geprüft werden.

Isotope

Vorsichtsmaßnahmen

Rhodiumverbindungen müssen als ätzend, hochtoxisch und krebserregend angesehen werden.

Weblinks

- [http://periodic.lanl.gov/elements/45.html Los Alamos National Laboratory - Rhodium]
- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Rh/index.html WebElements.com - Rhodium]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Rh.html EnvironmentalChemistry.com - Rhodium]
- [http://www.pniok.de/rh.htm Abbildung in der Elementansammlung von Pniok.de]
- [http://www.chemsoc.org/viselements/pages/data/rhodium_data.html Visual Elements - Rhodium - General Information] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-9-Element Kategorie:Periode-5-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Katalysator ja:ロジウム

Kernspaltung

Die Kernspaltung bezeichnet in der Kernphysik einen Prozess, bei dem ein Atomkern in zwei oder mehrere Bestandteile zerlegt wird. Seltener wird die Kernspaltung auch als Kernfission (lat. fissio, »das Spalten«) bezeichnet, ein Begriff, der nicht mit Kernfusion, dem Verschmelzen zweier Atomkerne, verwechselt werden darf. Einige Atomkernarten zerfallen spontan, andere nur unter Einwirkung äußerer Kräfte. Typische Methoden zur Induzierung einer Spaltung sind der Beschuss eines Atomkerns mit anderen Elementarteilchen oder Neutronen; der Spaltungserfolg hängt von der geeignet gewählten Energie des Projektils ab. Bei einer Kernspaltung werden enorme Energiemengen in Form von Wärme und Gammastrahlung freigesetzt. Es entstehen dabei neue leichtere Kerne (Spaltprodukte). Das Verblüffende dabei ist, dass die Masse des ursprünglichen Atomkernes größer als die Summe der Massen der Spaltprodukte ist. Die scheinbar fehlende Masse ist nicht verloren, sondern erscheint in veränderter Form, als freigesetzte Energie. Sie lässt sich mit der Einstein'schen Formel E=mc² berechnen. Die Spaltprodukte selbst sind oft radioaktiv, und setzen bei ihrem Zerfall weiter Energie frei. Isotope der Elemente Uran, Plutonium und Thorium lassen sich durch Neutronen geeigneter Energie besonders leicht spalten. In Kernreaktoren werden Kernspaltungen dieser Elemente kontrolliert durchgeführt, um Wärme und daraus Elektrizität zu erzeugen. In einer Atombombe setzen Kernspaltungen von Uran oder Plutonium in kurzer Zeit viel Energie, Radioaktivität und radioaktive Zerfallsprodukte frei.

Bau des Atomkerns

Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Die sogenannte Kernladungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Die Summe aus Protonenzahl und Neutronenzahl (die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden, da sie nur einen Bruchteil der gesamten Masse ausmacht) ergibt die sogenannte Massenzahl, und korrespondiert mit der Kernmasse. Je nach Anzahl der Protonen und Neutronen entsteht aus der Kombination dieser Kräfte ein stabiler oder ein instabiler Atomkern. Allgemein kann man sagen, dass eine stabile Konfiguration gegeben ist, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen etwa gleich ist. Allerdings wird bei Atomkernen mit hoher Kernmasse (>100) ein Übergewicht an Neutronen notwendig. Oberhalb einer Kernladungszahl von 90 finden sich überhaupt keine stabilen Atomkerne mehr; die Atomkerne zerfallen in der Regel durch radioaktiven Zerfall. Die Kernspaltung kann auftreten, wenn die Bindungsenergie des Atomkerns kleiner ist als die der entstehenden Bestandteile, bei denen es sich auch wieder um Atomkerne handelt. Dabei ist die Reibungsenergie nicht zu vernachlässigen. Die Bindungsenergien lassen sich durch Vergleich der Massen der beteiligten Atomkerne berechnen.

Spontane Spaltung

Ein instabiler Atomkern befindet sich in einem lokalen Energieminimum (das aber noch höher ist, als die Ruhe-Gesamtenergie aller Bruchstücke) bevor er mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts spontan zerfällt. Jeder Zerfall für sich ist zufällig, aber für eine große Zahl an Atomkernen kann die Häufigkeit des Zerfalls durch die Halbwertzeit (d.h. die Zeit in der die Hälfte der Atome zerfallen) charakterisiert werden. Die Kerne ein und desselben Nuklid spalten sich dabei auf vielfältiger Weise. Hier sind vier Beispiele von Plutonium 239 : Alternativ kann der Atomkern durch eine Aktivierungsenergie in einen Zustand höherer Energie angehoben werden, um schneller zu zerfallen.

Induzierte Kernspaltung

Halbwertzeit Einige der Isotope von Uran (U), Plutonium (Pu) und Thorium (Th) haben eine relativ niedrige Aktivierungsenergie, so dass neben dem typischen radioaktiven Zerfall (Alpha-, Betazerfall und Elektroneneinfang) auch in geringer Häufigkeit ein Kernzerfall auftritt. Der Anteil des Kernzerfalls bei ²³⁵U ist nur 7×10^-9% und bei ²³⁹Pu ist er 3×10^-10%. Bei all diesen Isotopen kann die Aktivierungsenergie durch Beschuss des Atomkerns mit einem Neutron geliefert werden. Die Anwesenheit des Neutrons regt den Kern über die Bindung so stark an, dass der Zerfall schnell stattfindet. Dabei muss die Energie des Neutrons so gewählt sein, dass einmal genügend Anregungsenergie vorhanden ist, andererseits aber das Neutron nicht so schnell ist, dass es vom Kern gar nicht eingefangen werden kann (Siehe auch: Wirkungsquerschnitt). Im Tröpfchenmodell des Atomkerns stellt man sich vor, dass die Anregung durch das Neutron den Atomkern in Schwingungen versetzt, bei denen der Kern lang gestreckt wird, und sich etwa in der Mitte einschnürt. Die elektrische Abstoßung überwiegt gegenüber der Anziehung der kurzreichweitigen Kernkraft, und die Spaltprodukte werden durch die elektrische Abstoßung voneinander weg bewegt. Die vom Neutron gelieferte Bindungsenergie an den Atomkern reicht bei ²³³U, ²³⁵U, ²³⁷Np und ²³⁹Pu aus, um den Kern zu spalten. Isotope wie ²³²Th, ²³⁸U und ²⁴⁰Pu benötigen eine zusätzliche Energie, die als Bewegungsenergie der (schnellen) Neutronen geliefert werden kann. Im Gegensatz zu 'schnellen' spricht man bei erstgenannten 'langsamen' Neutronen auch von thermische Neutronen. Bei der Spaltung eines Thorium-, Uran- oder Plutoniumkerns wird eine Energie von etwa 200 Mega-eV freigesetzt. Der größte Teil davon ist die Bewegungsenergie der Spaltprodukte.

Typische Spaltprodukte

- ⁴He Kerne - auch α-Strahlung genannt.
- Neutronen.
- ⁸⁹Kr, ⁹⁰Sr, ⁹³Zr, ¹³¹I, ¹³²Te, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁴Ce und weitere instabile Kerne, bekannt sind insgesamt über 200 verschiedene von ³⁰Zn bis ⁶⁵Tb. Die Spaltprodukte sind in aller Regel selbst radioaktiv.

Technische Aspekte

Kettenreaktion

Bei der Spaltung schwerer Kerne werden zwei bis drei Neutronen freigesetzt (prompte Neutronen), die weitere Kernspaltungen hervorrufen können und so zu einer Kettenreaktion führen. Etwa 1% der Neutronen wird erst durch radioaktiven Zerfall aus den Spaltprodukten freigesetzt (verzögerte Neutronen). Diese verzögerten Neutronen machen die Regelung von Kernkraftwerken möglich. Die Freisetzung von Neutronen bei einer Kernspaltung erlaubt eine kontinuierlich ablaufende Folge von Kernspaltungen. Zur stabilen Aufrechterhaltung einer solchen Kettenreaktion ist es notwendig, dass im Mittel eines der bei einer Kernspaltung freigesetzten Neutronen einen weiteren Atomkern spaltet. Falls mehr als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell zu: Eine Explosion findet statt. Falls weniger als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell ab: Die Reaktion endet. Technisch ist es notwendig, genau den Mittelpunkt zu finden. Dabei sind folgende Faktoren von Bedeutung:
- Anordnung des Materials,
- Geschwindigkeit der Neutronen, und
- Materialien im Reaktionsbereich. Die Anordnung des spaltbaren Materials im Raum hat Einfluss darauf, ob freigesetzte Neutronen, die sich in alle Raumrichtungen bewegen, überhaupt spaltbares Material treffen. Ein dünn ausgewalztes Blech verliert fast alle Neutronen nach außen, wogegen in einem kompakten Objekt (z. B. einem Würfel) die meisten Neutronen Gelegenheit haben, andere Atomkerne zu treffen. Die kleinste kompakte Masse eines Materials, die eine Kettenreaktion aufrecht erhalten kann, wird als "kritische Masse" bezeichnet. Die Geschwindigkeit der Neutronen hat Einfluss auf die Spaltwahrscheinlichkeit. Dabei besitzt jedes spaltbare Material eine optimale Neutronengeschwindigkeit, unter der eine Kernspaltung auftritt. Die Geschwindigkeit der entstehenden Neutronen kann durch Moderatoren auf eine geringere Geschwindigkeit gebracht werden. Neben Moderatoren, die zur Geschwindigkeitsregulierung der Neutronen im Reaktionsbereich eingebracht werden, gibt es auch neutronenabsorbierende Materialien. Diese verringern die Anzahl der verfügbaren Neutronen, und regulieren somit die Kettenreaktion. Neutronenabsorbierende Materialien werden teils direkt zur Regulierung der Reaktion eingebracht. Daneben sind viele Spaltprodukte, die sich nach einer gewissen Reaktionszeit ansammeln, Neutronenabsorber. Spaltbare Materialien sind spezielle Isotope eines oder mehrerer chemischer Elemente. Die anderen Isotope sind oft nicht zur Kernspaltung geeignet, und stellen oft unerwünschte Neutronenabsorber dar. Durch den Prozess der Anreicherung wird der Anteil spaltbarer Atomkerne erhöht. Ein Neutron kann also entweder
- das spaltbare Material verlassen,
- absorbiert werden, ohne dass eine Spaltung stattfindet, oder
- eine Spaltung bewirken.

Kritische Masse

Die kritische Masse bezeichnet die geringste Menge eines spaltbaren Materials, die notwendig ist, eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Allerdings ist die kritische Masse auch abhängig von Parametern wie der Kompression des Materials, so dass im Allgemeinen keine untere Grenze angegeben werden kann. Diese kritische Masse reagiert allerdings nur, wenn sie kompakt zusammen vorliegt. Bei der Bearbeitung spaltbaren Materials ist es daher eine Voraussetzung, nur Mengen, die geringer sind als die kritische Masse, zu einer Zeit handzuhaben. Alternativ werden etwa chemische Reaktionen in flachen Wannen durchgeführt, wo das Material über weite Flächen verteilt ist.

Moderatoren

Die Wahrscheinlichkeit für eine Kernspaltung nimmt in der Regel mit wachsender Neutronenenergie ab. Bei ²³²Th und ²³⁸U ist die Wahrscheinlichkeit für Konkurrenzprozesse wie die inelastische Streuung und Neutroneneinfang so hoch, dass eine Kettenreaktion mit schnellen Neutronen nicht zustande kommen kann. Anders verhält es sich mit ²³³U, ²³⁵U und ²³⁹Pu. Hier ist Kernspaltung mit schnellen Neutronen möglich, was in Atomwaffen und im schnellen Brüter ausgenutzt wird. In gewöhnlichen Reaktoren werden die Neutronen jedoch mit einem Moderator abgebremst. Kernreaktoren arbeiten meistens mit U-235 oder Plutonium, welche vorzugsweise durch langsame (thermische) Neutronen gespalten werden. Bei einer Kernspaltung entstehen aber schnelle Neutronen, welche nur selten eine Spaltung hervorrufen. Daher muss die Geschwindigkeit der Neutronen reduziert werden. Das Abbremsen der Neutronen geschieht mittels elastischen Stoßes mit anderen leichten Atomkernen, die allerdings keine Neutronenabsorption aufweisen dürfen. Von den leichten Elementen sind dadurch Lithium und Bor ausgeschlossen. Theoretisch denkbar sind Wasserstoff, Deuterium, Helium, Beryllium und Kohlenstoff. Technisch genutzt werden Wasserstoff (Leichtwasserreaktor), Deuterium (Schwerwasserreaktor) und Kohlenstoff in Form von Graphit (Brutreaktor, Kugelhaufenreaktor). Gleichzeitig findet jedoch auch eine Absorption (Verschlucken) von Neutronen in Materialien statt, die zur Kernspaltung nicht beitragen, etwa U-238 oder das Reaktorbaumaterial; diese Absorption findet vorzugsweise für mittelschnelle Neutronen statt. Insofern besteht das Aufrechterhalten der Kernreaktion darin, genügend Neutronen abzubremsen, die eine Kernspaltung bewirken.

Anreicherung

Uran, das bevorzugte Spaltmaterial, kommt in der Natur als Gemisch dreier Isotope vor: etwa 0.006% U-234, 0.7% U-235 und 99.3% U-238. Die Eigenschaften dieser Isotope unter Neutronenbeschuss unterscheiden sich grundlegend:
- U-238 absorbiert thermische Neutronen, es entsteht U-239, welches sich durch radioaktiven Zerfall in Plutonium-239 umwandelt.
- U-235 wird bei Absorption eines thermischen Neutrons in der Regel gespalten, kann aber auch durch schnelle Neutronen gespalten werden. Durch Anreicherung des Anteils von U-235 kann eine Isotopmischung erreicht werden, die geeignet zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion ist.

Anwendungen

Kernreaktor

Verschiedene Typen von Kernreaktoren, die unterschiedliche Spaltmaterialien, Bauweisen und Moderatoren nutzen, sind entwickelt worden. Die heute auf dem Markt befindlichen Reaktoren unterteilen sich wie folgt: # Thermische Reaktoren ## Leichtwasserreaktoren ### Druckwasserreaktoren ### Siedewasserreaktoren: Die neusten Typen sind inhärent ausgelegt und weisen einen Sicherheitsstandard auf, der bei Anomalien die Kettenreaktion automatisch unterbindet. Die gängigen Leistungsgrößen liegen bei 1000 MW bis 1500 MW. Die Industrie wäre auch in der Lage Anlagen bis 2000 MW zu liefern. Die Leistungsgröße wird aber letztlich von der Versorgungssicherheit des Verbundnetzes vorgegeben. ## Gasgekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Leichtwassergekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Schwerwasserreaktoren # Schnelle Brüter

Kernwaffen

Die exponentielle Kernspaltung dient als Energiequelle für "normale" Kernwaffen. Die Energie wird in verschiedenen zerstörenden Formen wie Lichtstrahlung, Hitze usw. freigesetzt. Bei Wasserstoffbomben dient die Kernspaltung als Zünder für eine Kernfusion, dem Verschmelzen von Atomkernen, bei denen zusätzliche Energie freigesetzt wird.

Geschichte

Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1934 durch Enrico Fermi erstmals experimentell durchgeführt und Vermutungen [Nature 133 (1934), S. 898 - 899: Possible production of element of atomic number higher than 92] bezüglich der Interpretation der Ergebnisse geäußert. Besonders Ida Noddack [Angewandte Chemie 47 (1934), S. 653 - 655: Über das Element 93] vertrat die richtige Vermutung des Zerfallens des neugebildeten Kerns ("Es wäre denkbar, daß bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen dies Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen, die zwar Isotope bekannter Elemente, aber nicht Nachbarn der bestrahlten Elemente sind."). Allerdings galten diese Vermutungen 1934 noch als unseriös. Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1938 durch die Deutschen Otto Hahn und Fritz Straßmann am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut erstmals experimentell durchgeführt und durch den chemischen Nachweis eines der Spaltprodukte (radioaktives Barium) nachgewiesen. Lise Meitner klärte im selben Jahr (gemeinsam mit Otto Frisch) den theoretischen Hintergrund des Experiments auf. Seit den Rutherford'schen Streuversuchen (1919) ist bekannt, dass Atomkerne durch den Beschuss mit schnellen Teilchen verändert werden können. Mit der Entdeckung des Neutrons im Jahre 1932 durch James Chadwick ergaben sich vielfältige neue Möglichkeiten der Umwandlung von Atomen. So erwiesen sich die Ergebnisse des Beschusses von Uran mit Neutronen als sehr interessant. Erstmals von Enrico Fermi 1934 untersucht, konnten sie erst Jahre später richtig eingeordnet werden. Am 16. Januar 1939 reiste Niels Bohr in die USA, um einige Monate zusammen mit Albert Einstein physikalische Probleme zu erörtern. Kurz vor seiner Abreise aus Dänemark berichteten ihm Otto Robert Frisch und Lise Meitner von ihrer Vermutung, dass die Absorption eines Neutrons durch einen Urankern manchmal zu dessen Zerfall in zwei annähernd gleichgroße Teile unter Freisetzung von Energie führt. Der Grund für diese These war eine sensationelle Entdeckung von Otto Hahn und Fritz Straßmann. Sie beobachteten, dass beim Beschuss von Uran mit langsamen Neutronen der o.g. Zerfall des Urans eintritt, bei dem u.a. ein zu dieser Zeit noch nicht bekanntes radioaktives Barium entsteht, ein Isotop des natürlichen Bariums. Bohr berichtete nach seiner Ankunft in den USA seinem früheren Schüler John Archibald Wheeler sowie anderen Interessierten. Durch sie verbreitete sich die Neuigkeit unter anderen Physikern, unter ihnen auch Enrico Fermi von der Columbia Universität. Als ein Ergebnis der Diskussion des Themas zwischen Fermi, J. R. Dunning und G. B. Pegram kam es zu einer Untersuchung der vermuteten Ionisierungsimpulse, die von den auseinander fliegenden Urankernfragmenten erwartet wurden. Die Untersuchung fand an der Columbia-Universität statt. Kategorie:Kernphysik ja:核分裂反応 ko:핵분열 th:ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิซชัน

Radioaktivität

Unter Radioaktivität oder radioaktivem Zerfall versteht man die spontane Umwandlung instabiler Atomkerne unter Energieabgabe. Die freiwerdende Energie wird in Form energiereicher Teilchen und/oder ionisierender Strahlung abgegeben. Bei der Kernumwandlung kann sich die Kernladungszahl (Ordnungszahl) ändern (Umwandlung in ein anderes chemisches Element), oder nur die Massenzahl (Umwandlung in ein anderes Isotop desselben Elements). Daneben gibt es Übergänge, bei denen sich nur der Anregungszustand des Kerns ändert (Übergang zwischen verschiedenen Isomeren des selben Isotops). Die Stärke der Radioaktivität wird durch den physikalischen Begriff der „Aktivität” beschrieben und in der Einheit Becquerel angegeben. Radioaktiver Zerfall ist kein deterministischer Prozess. Der Zerfallszeitpunkt ist absolut zufällig. Allerdings ist für jedes Nuklid die Zerfallswahrscheinlichkeit ein fester Wert, der durch die Halbwertszeit angegeben wird. Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die Hälfte der instabilen Atomkerne einer Menge zerfallen sind. Sie kann nur Sekundenbruchteile, aber auch einige Milliarden Jahre betragen. Derartige Nuklide sind beispielsweise Uran-238 und Uran-235, Thorium oder Kalium-40. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer die Radioaktivität. Mathematisch wird der Zerfall durch das Zerfallsgesetz beschrieben. Nicht nur der Zeitpunkt des Zerfalls ist zufällig, sondern unter Umständen auch die Art des Zerfalls. ²¹²Bismut kann beispielsweise mit jeweils unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf drei verschiedene Arten zerfallen. Eine Liste aller Nuklide mit Art und Anteil der möglichen Zerfälle und Halbwertszeit jedes bekannten Nuklids findet sich in einer Nuklidkarte. Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keinen radioaktiven Zerfall gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt. Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, beim Helium enthält das stabile Isotop Helium-3 zwei Protonen und ein Neutron. Beim Lithium und allen schwereren Elementen müssen mindestens gleich viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, und bei schwereren Kernen überwiegen immer mehr die Neutronen. Ab einer gewissen Zahl von Nukleonen werden alle Atomkerne instabil. Unter Einwirkung von Korpuskularstrahlung (insbesondere Neutronen; Neutronenaktivierung) können stabile Atomkerne in andere Atomkerne umgewandelt werden, die instabil sind.

Zerfallsmodi

Nukleonen Im Atomkern wirken im Wesentlichen zwei Wechselwirkungen.
- Die starke Wechselwirkung, auch „Kernkraft” genannt, bewirkt die Bindung der Protonen und Neutronen aneinander.
- Die elektromagnetische Wechselwirkung, welche eine gegenseitige Abstoßung der Protonen bewirkt. Bei allen Zerfallsarten kann zusätzlich Gammastrahlung emittiert werden.

Alphazerfall

Ist der Atomkern sehr schwer, enthält also viele Protonen und Neutronen, kommt es zum Alphazerfall. Die starke Wechselwirkung kann den Mutterkern dann nicht mehr zusammen halten. Die freiwerdende Energie wird in Form von Heliumkernen mit einer Geschwindigkeit von unter 0,1 c emittiert. Dieses Verhalten ist trotz der hohen Potentialbarriere aufgrund des Tunneleffekts möglich. Der Restkern, auch Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, verringert bei diesem Vorgang seine Nukleonenzahl um vier und die Kernladungszahl um zwei. Die Strahlung hat in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern, besitzt aber eine extrem schädliche biologische Wirkung, wenn Sie innerhalb eines Organismus auftritt. Alphastrahlung kann durch ein einfaches Blatt Papier gestoppt werden. Beispiel:

^\mathrm U \to ^\mathrm + \alpha + \Delta E

Betazerfall

Wenn ein ungünstiges Verhältnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall ein. Dabei wird beim

\beta^-

-Zerfall im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein hochenergetisches Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um eins. Beispiel:

^_6 \mathrm C \to ^_7 \mathrm N + e^- + \overline

Beim

\beta^+

-Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron und ein hochenergetisches Positron umgewandelt und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um eins. Beispiel:

^_7 \mathrm N \to ^_6 \mathrm C + e^+ + \nu_e

Durch einige Meter Luft oder eine dünne Metallschicht (z.B. Alu) lässt sich die Beta-Strahlung abschirmen. Die Neutrinostrahlung ist sehr schwer nachzuweisen, da Neutrinos nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen.

Elektroneneinfang, ε-Zerfall

Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht darin, ein Elektron aus der Atomhülle in den Kern zu „ziehen”, dem so genannten Elektroneneinfang (englisch: electron capture, kurz EC). Nach der Bezeichnung der typisch betroffenen Elektronenschale, der K-Schale, wird der Elektroneneinfang auch als K-Einfang bezeichnet. Das Proton des Kerns wird in ein Neutron umgewandelt, und ein Elektronneutrino emittiert. Bei diesem Umwandlungsmechanismus ist der Kern denselben Änderungen unterworfen wie beim

\beta^

-Zerfall, die Nukleonenzahl bleibt unverändert, die Ordnungszahl verringert sich um eins. Der Elektroneneinfang konkurriert daher mit dem

\beta^

-Zerfall und wird auch als eine Variante des Betazerfalls angesehen. Da das eingefangene Elektron meist aus der innersten Elektronenschale stammt, wird in dieser ein Platz frei und Elektronen aus den äußeren Schalen rücken nach, wobei charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird. Beispiel:

^_ \mathrm  + e^-  \to ^_ \mathrm  + \nu_e

Doppelter Elektroneneinfang: Bei einigen Kernen ist ein einfacher Elektroneneinfang energetisch nicht möglich, sie können sich aber durch gleichzeitigem Einfang zweier Elektronen umwandeln. Die Halbwertszeiten derartiger Umwandlungen sind typischerweise sehr lange und konnten erst in jüngster Zeit nachgewiesen werden. Beispiel:

^_ \mathrm  + 2e^-  \to ^_ \mathrm  + 2\nu_e

Doppelter Betazerfall

Bei einigen Kernen ist ein einfacher Betazerfall energetisch nicht möglich, sie können aber unter Abstrahlung zweier Elektronen zerfallen. Derartige Zerfälle haben typischerweise sehr lange Halbwertszeiten und sind erst in jüngster Zeit nachgewiesen worden. Noch offen ist die Frage, ob beim doppelten Betazerfall stets zwei Neutrinos emittiert werden, oder ob auch ein neutrinoloser doppelter Betazerfall vorkommt. Beispiel:

^_ \mathrm  \to ^_ \mathrm  + 2 e^- + 2 \overline

Gammazerfall

Ein γ-Zerfall (

\gamma

ist der griechische Buchstabe gamma) ist möglich, wenn der Atomkern nach einem Zerfall in einem energetisch angeregten Zustand vorliegt. Beim Übergang in einen energetisch niedrigeren Zustand gibt der Atomkern durch Emission hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, sogenannter γ-Strahlung Energie ab. Zur Abschirmung von γ-Strahlung sind meterdicke Stahlbeton- oder Bleiplatten nötig.

\gamma

-Strahlung ist wie Licht elektromagnetische Strahlung, sie ist aber sehr viel energiereicher und liegt damit weit außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums. Die Bezeichnung "Zerfall" dient zwar der Nomenklatur, ist aber hier leicht irreführend, da es sich um keinen Zerfall handelt, sondern um eine Zustandsänderung im Atomkern. Beispiel:

^_ \mathrm  \to ^_ \mathrm  +

Innere Konversion

Die freiwerdende Energie beim Übergang eines Atomkerns in ein energetisch niedrigeres Isomer kann auch an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden. Diesen Vorgang nennt man Innere Konversion. Konversionselektronen sind im Gegensatz zu

\beta

-Teilchen monoenergetisch.

Spontane Spaltung

Die spontane Kernspaltung ist ein weiterer radioaktiver Umwandlungsprozess, der bei besonders schweren Kernen auftritt. Der Atomkern zerfällt in zwei oder mehrere Bruchstücke. Dabei entstehen in der Regel zwei etwa gleichgroße Tochterkerne und zwei oder drei Neutronen. Beispiele: Auch die natürlich vorkommenden Uranisotope zerfallen zu einem kleinen Teil durch spontane Spaltung.

Spontane Nukleonenemission

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission also Protonenemission oder Neutronenemission kommen. Atomkerne mit sehr hohem Protonenüberschuss können ein Proton abgeben, Atomkerne mit hohem Neutronenüberschuss können Neutronen abgeben. Isotope, die durch spontane Nukleonenemission zerfallen, haben sehr kurze Halbwertszeiten und müssen künstlich hergestellt werden. ⁵He → ⁴He + ¹n ⁹B → ⁸Be + ¹p

Weitere Zerfallsarten

Clusterzerfall: Statt einzelner Nukleonen oder Heliumkerne werden in sehr seltenen Fällen auch ganze Atomkerne anderer Nukleonenzahl emittiert. Beispiele: Zwei-Protonen-Zerfall: Bei extremem Protonenüberschuss (wie zum Beispiel bei ⁴⁵Eisen) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden. ⁴⁵Fe → ⁴³Cr + 2 ¹p

Einheiten

;Becquerel Bq :Einheit radioaktiver Aktivität (Zerfallsereignisse je Sekunde). Das Becquerel löst die alte Einheit Curie ab; Umrechnung: 1 Ci = 3,7 · 10¹⁰ Zerfallsereignisse pro Sekunde = 37 Milliarden Bq; 1 Bq = 2,7 · 10^-11 Ci ;Curie Ci :Alte Einheit radioaktiver Aktivität, abgelöst durch Becquerel (s.d.). 1 Ci = 37 GBq = 3,7 · 10¹⁰ Bq ;Gray Gy :(SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab. Es gibt an, wie viel Energie von einem Kilogramm Körpermasse aufgenommen wird. 1 Rad = 0,01 Gray; 1 Gray = 100 Rad ;Rad : radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy) ;Rem :roentgen-equivalent men; alte Einheit der Personendosis, abgelöst durch Sievert (Sv) ;Röntgen : alte Einheit der Ionendosis ;Sievert Sv : Einheit der Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung Rem (roentgen-equivalent-men) ab. Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem biologischen Qualitätsfaktor. Für $\beta$ - und $\gamma$ -Strahlung ist dieser Faktor 1, das heißt Sv = Gy. Für $\alpha$ -Strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt.

Geschichte

1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel, dass Uran enthaltende Stoffe eine Strahlung aussenden. Diese vermag es, undurchsichtige Stoffe zu durchdringen. Dies stellte er fest, als er in Papier gehüllte fotografische Platten geschwärzt vorfand. Er stellte zudem fest, dass diese Radioaktivität nicht einheitlich ist, sondern verschiedene Komponenten enthalten kann: # eine Komponente mit hohem Durchdringungsvermögen, die im elektrischen Feld nicht abgelenkt wird (Gammastrahlung) # eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Pluspol abgelenkt wird und ein mittleres Durchdringungsvermögen hat (Betastrahlung) # eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Minuspol abgelenkt wird und ein geringes Durchdringungsvermögen hat (Alphastrahlung). Die wesentlich beteiligten Personen, die auf dem Gebiet der weiteren Aufklärung der natürlichen Radioaktivität forschten, waren Marie Curie, Pierre Curie und Ernest Rutherford.

Anwendung

Technische Anwendung

Isotopenbatterien finden häufig in der Raumfahrt Anwendung. Früher benutzte man sie auch zum Betrieb von Herzschrittmachern. In Isotopenbatterien wird Wärme, die bei der Absorption der Strahlung eines Radionuklids entsteht, technisch genutzt. Der Temperaturunterschied zur Umgebung wird hier durch ein Thermoelement in elektrische Energie umgewandelt (Wirkungsgrad ≈5%). Hierbei werden am häufigsten

\alpha

-Strahler, besonders Plutonium-238, eingesetzt. Eine andere technische Anwendung ist die Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung. Hierbei wird ein Stoff radioaktiv (mit Gamma-Strahlen) bestrahlt und ein Zähler ermittelt aufgrund der durchdringenden Strahlen und des Absorptionsgesetzes die Dichte. Diese Technik findet auch bei der Prüfung von Schweißnähten und Werkstoffen Anwendung (zum Beispiel zur qualitativen Überprüfung einer Schweißnaht). Bei Uhren und anderen radioaktiven Lichtquellen wird die leuchtende Eigenschaft „Lumineszenz“, die durch Beigabe von radioaktiven Substanzen (Tritium, früher Radium oder Promethium) zu Zinksulfidkristallen erreicht wird, genutzt. Es wurden auch Blitzableiter mit radioaktiven Material hergestellt, deren Wirksamkeit aber nie bewiesen werden konnte ( Radioaktiver Blitzableiter).

Biologische und Chemische Anwendungen

In der Biologie wird hauptsächlich die Mutationen fördernde und sterilisierende Wirkung genutzt. In der Pflanzenzüchtung werden zum Beispiel durch „strahlungsinduzierte Mutationen“ Mutanten erzeugt, durch die neue und verbesserte Arten hervorgebracht werden können. Ein sehr erfolgreiches Einsatzfeld ist die „Sterile-Insekten-Technik“, kurz SIT. Dabei werden männliche Schadinsekten sterilisiert und dann im Zielgebiet freigelassen. Das Ausbleiben von Nachkommen führt zur Verringerung der Population. Vorteil hierbei ist auch, dass keine schädlichen Chemikalien eingesetzt werden müssen und andere Insekten unbetroffen bleiben. Weiterhin eignet sich Radioaktivität auch zur Sterilisation von Geräten, Implantaten oder Lebensmitteln. Hierbei werden Mikroorganismen, ähnlich wie bei der Hitzesterilisation, neutralisiert. Hierfür gelten jedoch strenge Auflagen. Weiterhin kann das Wachstum eines Keimlings durch schwache Strahlung verbessert werden, wohingegen zu starke Strahlung wachstumshemmend wirkt. Die Vernetzung von Polymeren ohne Wärmeentwicklung ist ebenfalls möglich, wobei auch große Komponenten vernetzt werden können. Interessant ist auch die Farbänderung von Edelsteinen, Gläsern und pigmentierten Kunststoffen durch Radioaktivität.

Medizinische Anwendung

In der Nuklearmedizin findet man primär die Szintigraphie. Hierbei wird eine geringe Menge eines radioaktiven Stoffes in den Körper injiziert (meist

\gamma

-Strahler). Dieser strahlt dann aus dem Körper heraus, was eine Untersuchung ermöglicht. Die Strahlen werden von einem Detektor aufgefangen und mittels eines Computertomographen bildlich dargestellt. Dabei kann aus mehreren abgetasteten zweidimensionalen Bildern auch ein dreidimensionales Bild errechnet werden. Für jedes Organ gibt es spezielle radioaktive Verbindungen. So injiziert man zum Beispiel radioaktives Iod, das sich in der Schilddrüse anlagert, um sie untersuchen zu können. (Aufgrund der Strahlenbelastung wird diese Methode nur noch zur Tumorbekämpfung angewandt). Weitere bildgebende Verfahren, die Radioaktivität nutzten, sind die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT). Ein weiteres Einsatzfeld ist die Radionuklidbehandlung zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen. Hier wird in krankhaften Knochenbereichen der Metastase ein Radionuklid angereichert, was eine schmerzlindernde Wirkung hat. Jedoch haben diese Methoden auch ein gewisses Risiko, da teilweise auch gesundes Gewebe zerstört wird, was zu einer Immunschwächung oder Funktionsstörung des Knochenmarkes führen kann.

Strahlenbelastung und biologische Wirkung

Die Strahlenbelastung für Lebewesen wird als effektive Dosis mit der Einheit Sievert gemessen. Dabei wird die unterschiedliche Schädlichkeit von

\alpha

\beta

- und

\gamma

-Strahlen sowie die unterschiedliche Empfindlichkeit einzelner Gewebe berücksichtigt. Radionuklide sind nicht die einzige Quelle ionisierender Strahlung. Röntgenstrahlung wird z. B. in Röntgenröhren oder Fernsehgeräten erzeugt, die Höhenstrahlung stammt aus dem All. In vielen Anlagen der Hochenergiephysik entstehen verschiedene Arten ionisierender Strahlung. Jeder Mensch ist natürlicher Strahlenbelastung ausgesetzt. Die natürliche Strahlenbelastung kann von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein und hängt stark von der Höhe über dem Meeresspiegel (je höher, desto mehr kosmische Höhenstrahlung) und dem geologischen Umfeld ab. Ursache ist etwa zur Hälfte Radon und seine Zerfallsprodukte, das in Gestein und Mauerwerk vorkommt. Wichtige andere natürliche Strahlenquellen sind ⁴⁰Kalium, kosmische Strahlung und terrestrische Strahlung. In Deutschland beträgt die natürliche Strahlenbelastung etwa 2,4 mSv pro Jahr. Die künstliche Strahlenbelastung von im Durchschnitt 1,5 mSv im Jahr stammt fast ausschließlich aus der Medizin. Aber auch häufige Flugreisen können zu einer signifikanten zusätzlichen Strahlenbelastung führen. Alle Formen der Radioaktivität können für Lebewesen gesundheitsschädlich sein. Die Kurzzeitfolge einer zu hohen Dosis Radioaktivität wird Strahlenkrankheit genannt. Sie äußert sich durch ein geschwächtes Immunsystem und Verbrennungen. Auf molekularer Ebene ist unter anderem die schädigende Wirkung von durch Radiolyse entstehenden Radikalen beteiligt. Die Strahlenkrankheit tritt etwa ab einer kurzfristigen Belastung von 0,25 Sv auf. 4 Sv sind in der Regel tödlich. Die Langzeitfolgen der Radioaktivität sind Mutationen am Erbgut und Krebs. Bakterien können sehr viel stärkere Radioaktivität als Menschen ertragen, Rekordhalter ist Deinococcus radiodurans, der sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben kann.

Weblinks

- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Radioaktivit%E4t Mineralienatlas Radioaktivität]
- http://www.m-ww.de/enzyklopaedie/strahlenmedizin/
- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021124.rm Was ist Radioaktivität?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri) Kategorie:Kernenergie Kategorie:Kernphysik Kategorie:Mineralogie Kategorie:Strahlenschutz Kategorie:1896 ja:放射能

Betastrahler

BetazerfallKategorie:Kernphysik

Halbwertszeit

Viele Phänomene lassen sich mit einer Halbwertszeit (Abk.: HWZ) beschreiben, wenn eine exponentielle Abnahme (prozentual konstante Abnahme) über der Zeit vorliegt. Das bekannteste Beispiel hierfür ist der Zerfall radioaktiver Isotope. Bei exponentiellem Wachstum spricht man statt der Halbwertszeit von einer Verdoppelungsrate, die der Halbwertszeit mit umgekehrtem Vorzeichen entspricht. Fälschlicherweise wird gelegentlich (laienhaft) angenommen, dass nach zwei Halbwertszeiten, z.B. bei radioaktiven Isotopen, die Substanz vollständig zerfallen ist; es ist jedoch so, dass die nach einer Halbwertszeit verbliebene Hälfte im Lauf der nächsten Halbwertszeit wiederum halbiert wird, d.h. es verbleibt ¹/₄; nach 3 Halbwertszeiten ¹/₈ usw. (¹/₁₆, ¹/₃₂, ¹/₆₄, ...) bis letztlich nur noch ein einzelner Kern übrig ist. Der Zerfall dieses einen (wie auch jedes anderen einzelnen) Kerns ist allerdings nicht vorhersagbar, da lediglich eine Wahrscheinlichkeit für dessen Zerfall innerhalb einer gegebenen Zeit angegeben werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein betrachteter Kern innerhalb der ersten Halbwertszeit zerfällt, beträgt 50%, dass er innerhalb von 2 Halbwertszeiten zerfällt 50% + 25% = 75%, bei 3 Halbwertszeiten beträgt der Wert 50% + 25% + 12,5% = 87,5%, u.s.w.

Zerfallsgesetz

Es sei ein radioaktives Präparat mit N₀ Kernen; zum Zeitpunkt t=0 ist noch keiner der Kerne zerfallen. Mit der Aktivität gilt die Differentialgleichung

N\cdot\lambda =-\frac

-\lambda \cdot \mathrm d t=\frac

\int -\lambda \cdot \mathrm d t=\int\frac

-\lambda t + C_1=\ln(N)+C_2

Für t=0 sind nach Voraussetzung noch N₀ Kerne vorhanden. Damit gilt für

C_1

C_1=\ln \left(N_0 \right)+C_2

-\lambda t + \ln \left(N_0 \right) + C_2= \ln(N) + C_2

-\lambda t + \ln \left(N_0 \right) = \ln(N)

-\lambda t = \ln(N)-\ln\left(N_0\right) = \ln\left(\frac\right)

e^ = \frac

N(t)= N_0 \cdot e^

Hierbei ist die Geschwindigkeit der Abnahme durch die Zerfallskonstante λ bestimmt. Sie ist das Reziproke der Lebensdauer

\tau = 1/\lambda

. Beim radioaktiven Zerfall sind also nach der Zeit t von N₀ Ausgangskernen noch N übrig. Für die Zeit t bei N übrigen Kernen gilt hingegen

\frac= t

mit

0 \ne N < N_0

. Für

N > N_0

ist

t<0

. Hieraus ergibt sich sofort die Zeitspanne für eine Verkleinerung der Ausgangsmenge um den Faktor 1/n als

T_=\frac = \frac

Nach der Zeitspanne für

n = N_0

hat sich die Ausgangsmenge auf einen einzelnen Kern reduziert. Die Zeitspanne für

n=2

heißt Halbwertszeit und stellt diejenige Zeit dar, nach deren Ablauf die Hälfte der ursprünglichen N₀ Kerne zerfallen sind.

Radioaktive Halbwertszeit

Die physikalische Halbwertszeit ist in der Kernphysik diejenige Zeitspanne, die statistisch gesehen verstreicht, bis die Menge eines bestimmten radioaktiven Nuklids auf die Hälfte gesunken ist, das heißt sich in andere Atome umgewandelt hat. Für jedes Nuklid ist die Halbwertszeit eine Konstante. Die Anzahl der verbleibenden Kerne zu einer bestimmten Zeit ist durch das Zerfallsgesetz gegeben. Halbwertszeiten einiger radioaktive Nuklide:
- Bismut (²⁰⁹Bi): ca. 1,9×10¹⁹ Jahre
- Uran (²³⁸U): 4,5. Mrd. Jahre
- Plutonium (²³⁹Pu): 24000 Jahre
- Kohlenstoff (¹⁴C): 5730 Jahre
- Tritium (³H): 12,36 Jahre
- Caesium (¹³⁷Cs): 30 Jahre
- Radium (²³⁶Ra): 1622 Jahre
- Radon (²²²Rn): 3,8 Tage
- Francium (²²³Fr): 22 Minuten
- Thorium (²²³Th): 0,9 Sekunden
- Polonium (⁸⁴Po): 0,3 • 10^-6 Sekunden Mathematisch betrachtet verschwindet die radioaktive Strahlung also nie, physikalisch ist natürlich mit der Umwandlung des letzten Atoms eine Grenze gesetzt. Oft nutzt man als Abschätzung die Zeitdauer, nach der die Aktivität auf den Faktor 2^-10 = 1/1024 gefallen ist, was nach der 10fachen Halbwertszeit der Fall ist. Siehe auch: Lebensdauer (Physik)

Anwendung: Die Radiocarbonmethode

Das radioaktive Kohlenstoffnuklid ¹⁴C ist in einem festen Verhältnis im Kohlenstoffdioxid unserer Atmosphäre enthalten. Durch den anteiligen Einbau des Nuklids bei der Photosynthese in die Biomasse der Pflanzen und weiter über die Nahrungskette kommt es auch im Körper aller Lebewesen zu einem festen Verhältnis zwischen normalem ¹²C und radioaktivem ¹⁴C. Wenn ein Lebewesen stirbt, dann hört es auf mit der Photosynthese bzw. mit der Nahrungsaufnahme. Das hat zur Folge, dass der Anteil an ¹⁴C ab genau diesem Zeitpunkt entsprechend dem radioaktiven Zerfall exponentiell mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren abnimmt. Anhand der radioaktiven Reststrahlung, die von einem toten Lebewesen ausgeht, kann man durch diese Radiokarbonmethode bestimmen, wie viel Prozent des ursprünglichen ¹⁴C Anteils noch vorhanden sind und in der Folge den Zeitpunkt des Todes des Lebewesens und damit das Alter des Fundes bestimmen.

Beispiel

Der Balken eines historischen Gebäudes habe noch 90% des ursprünglichen Gleichgewichtsanteils an ¹⁴C in frischer Pflanzenmasse. Dann gilt für die verstrichene Zerfallszeit: :

\mathrm = \mathrm_ \cdot \mathrm_2(09) = 5730a \cdot \mathrm_2\left(09\right) = -870,98a

Das bedeutet, dass der Baum, aus dem der Balken gemacht wurde, vor etwa 871 Jahren geschlagen worden ist. Die Datierung ist nicht auf das Jahr genau. Die mögliche Genauigkeit hängt von der Menge verfügbaren Probematerials und der aufgewendeten Zähldauer ab und wird auch mit zunehmendem Alter der Probe immer geringer.

Biologische Halbwertszeit

Die biologische Halbwertszeit bezeichnet im speziellen die Zeitspanne t_1/2, in welcher in einem biologischen Organismus (Mensch, Tier, Pflanze, Einzeller) der Gehalt einer inkorporierten radioaktiven, toxischen oder pharmazeutischen Substanz durch biologische oder physikalische Prozesse (Stoffwechsel, Ausscheidung, radioaktiver Zerfall, etc.) auf die Hälfte abgesunken ist. In der Pharmakokinetik bezeichnet man als Halbwertszeit die Zeit, in der die Hälfte des aufgenommenen Arzneimittels verstoffwechselt und/oder ausgeschieden ist. Da sich die biologische Halbwertzeit aus verschiedenen Prozessen zusammensetz, die teilweise unterschiedliche Konzentrationsabhängigkeiten besitzen, ist sie nicht immer unabhängig von der Ausgangskonzentration des untersuchten Stoffes.

Bibliometrische Halbwertszeiten

In der Bibliometrie lassen sich bei der Untersuchung von Publikationen verschiedene Halbwertszeiten feststellen. Brooks untersuchte als einer der ersten Halbwertszeiten auf diesem Gebiet. Die Halbwertszeit von Literatur beträgt etwa 5 Jahre. Dies gilt sowohl für die Lektüre als auch die Anzahl der Zitationen. Das heißt, dass ein Werk durchschnittlich jedes Jahr um etwa 14% weniger oft aus einer Bibliothek entliehen oder zitiert wird als im vorangegangenen (abgesehen von Klassikern und den neuesten Werken). Die Halbwertszeit von Hyperlinks beträgt etwa 51 Monate. Das heißt, dass nach einem Jahr etwa 15% aller Hyperlinks nicht mehr gültig sind.

Uran

Uran ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol U und der