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Die von einem radioaktiven Atomkern ausgesandten Alphateilchen
besitzen alle dieselbe Energie oder beim Zerfall in mehrere Gruppen
unterschiedliche Energien. Die Alphateilchen einer Gruppe haben aber
immer dieselbe Energie.
Hat das ausgesandte Alphateilchen die Maximalenergie erhalten, ist
der Kern in den Grundzustand übergegangen. Ist die Energie
des Alphateilchens kleiner, befindet sich der Kern noch in einem angeregten
Zustand (metastabil). Die restliche Energie des angeregten Kerns
wird in Form eines Gammaquants abgegeben.
Die beim Betazerfall auftretenden Elektronen und Positronen
besitzen alle unterschiedliche Energie. Sie können zwischen null
und einem Maximalwert liegen, wobei die größte Häufigkeit
für jedes Radionuklid bei einem bestimmten Energiewert liegt.
Die kontinuierliche Energieverteilung rührt daher, dass beim
Betazerfall außer dem Elektron ein Antineutrino bzw. außer
dem Positron ein Neutrino entsteht. Die frei werdende Zerfallsenergie
verteilt sich dann nach Zufall in beliebigen Bruchteilen der Maximalenergie
auf die beiden Elementarteilchen. Wird durch Elektron und Antineutrino
bzw. Positron und Neutrino nicht die gesamte Zerfallsenergie verbraucht,
entstehen zusätzlich noch ein Gammaquant oder mehrere Gammaquanten.
Neutrinos und Antineutrinos besitzen keine Ruhemasse
und keine Ladung. Sie stellen also eine Portion besonderer Energie
dar. Da sie fast nie mit Materie in Wechselwirkung treten, besitzen
sie ein außerordentlich hohes Durchdringungsvermögen und
lassen sich deshalb nur schwer nachweisen.
Abhängig von der Entstehungsart haben die bei Kernprozessen erzeugten
Neutronen eine einheitliche Energie oder ihre Energie liegt zwischen
fast null und einem Höchstwert.
Die bei Kernspaltungen entstehenden Neutronen besitzen eine
kontinuierliche Energieverteilung. Ihre mittlere Energie beträgt
etwa 1,5 MeV. Zur Spaltung weiterer Kerne des Uran-235 werden aber
Neutronen mit einer Energie von etwa 0,025 eV benötigt. Das entspricht
etwa einer Geschwindigkeit von 2 200 m/s = 7 920 km/h. Die schnellen
Neutronen müssen deshalb bis auf niedrige Geschwindigkeiten abgebremst
werden.
Energie und Wellenlänge der Gammastrahlen
Alphateilchen, Betateilchen, Protonen und Neutronen, die bei Kernumwandlungen
ausgeschleudert werden, ergeben eine Teilchenstrahlung. Ausgeschleuderte
Gammaquanten bilden aber eine elektromagnetische Wellenstrahlung.
Sie hat dieselbe Natur wie z. B. die Rundfunkwellen, das sichtbare
Licht oder die Röntgenstrahlen.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen beträgt
im Vakuum
c0 = 299 792,458 km/s ~ 300 000 km/s. Sie ist unabhängig
von der Energie der einzelnen Gammaquanten (Photonen). Die Energie
eines einzelnen Quants ist nur von seiner Wellenlänge bzw. seiner
Frequenz abhängig. Je kleiner die Wellenlänge (bzw. je größer
die Frequenz) eines Quants, desto größer ist auch seine
Energie.
Gammaquanten werden u. a. nach einem Alpha- oder Betazerfall von einem
Kern abgestrahlt, wenn dieser noch überschüssige Energie
besitzt. Das kann in einer oder in mehreren Stufen geschehen. Die
Quanten einer bestimmten Stufe haben alle dieselbe Energie. Die Anzahl
der ausgesandten Quanten kann also größer sein als die
Anzahl der umgewandelten Atomkerne.
Erzeugung von Wärme durch radioaktive Stoffe
Alpha- und Betateilchen, die aus radioaktiven Atomkernen ausgeschleudert
werden, besitzen aufgrund ihrer Masse und ihrer Geschwindigkeit Bewegungsenergie.
Je größer Masse und Geschwindigkeit sind, desto größer
ist die Bewegungsenergie.
Da der radioaktive Atomkern beim Ausschleudern eines Teilchens einen
Rückstoß erfährt, besitzt er ebenfalls Bewegungsenergie.
Ausgesandte Teilchen und Rückstoßkerne stoßen
mit den in unmittelbarer Umgebung vorhandenen Atomen zusammen und
versetzen diese in heftigere Bewegungen. Das macht sich als Temperaturerhöhung
bemerkbar. Eine radioaktive Substanz hat also immer eine höhere
Temperatur als die in der Nähe befindlichen nicht radioaktiven
Substanzen.
1 g Radium einschließlich aller radioaktiver Folgeprodukte gibt
in jeder Stunde etwa 711,8 J an die Umgebung ab. Dabei wird der bei
weitem überwiegende Anteil der Energie von den Alphateilchen
abgegeben. Dieser je Stunde abgegebene Energiebetrag würde ausreichen,
die Temperatur von etwa 1,7 g Wasser von 0 °C auf 100 °C zu
erhöhen.
Bei größeren Massen radioaktiver Stoffe, deren Aktivität
sehr hoch ist, kann die Erwärmung so stark sein, dass sich der
Stoff bis zum Glühen erhitzt.
Auch die bei Kernkraftwerken in den Brennstäben anfallenden
künstlichen Radionuklide (Spaltprodukte)
erwärmen die Brennstäbe so stark, dass diese nach Entnahme
aus dem Reaktor zur ständigen Kühlung in einem Wasserbecken
aufbewahrt werden müssen. Die Wärmeproduktion klingt im
Laufe der Zeit ab. |
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