Radionuklid

Ein Radionuklid ist ein Isotop mit einem instabilen Atomkern. Diese Isotope werden auch als Radioisotop bezeichnet. Durch ihre Radioaktivität zerfallen sie nach einer gewissen Zeit. Dabei wird Energie in Form von Strahlung freigesetzt. Im Jahr 2012 waren 3847 Nuklide von 118 Elementen bekannt. Knapp 284 Nuklide davon sind natürlicher Herkunft, von denen 258 stabil sind. Der weitaus größte Teil aller bekannten Nuklide ist also instabil. Das schwerste in der Natur vorkommende Radionuklid ist das Uran. Sein schwerstes Isotop ²³⁸U zerfällt mit einer Halbwertszeit von 4,468 × 10⁹ Jahren. Alle Elemente mit größeren Ordnungszahlen als Neptunium sind künstlich hergestellt. Die Elemente von Neptunium bis Mendelevium entstanden vorwiegend in Neutroneneinfangreaktionen. Die Elemente ab Nobelium wurden dann in Fusionsreaktionen mit schweren Ionen erzeugt.

Details

Schreibweise

Alle Atome mit gleicher Ordnungszahl gehören zum selben Element. Die Ordnungszahl bestimmt die Einordnung des jeweiligen Elements in das Periodensystem und wird links unten neben dem Elementsymbol angegeben. Konkret gibt die Ordnungszahl die Zahl Z der Protonen eines Atoms an:

${}_{Z}^{A}{\text{Element}}$

A ist dabei die Massenzahl, also die Summe aller Protonen und Neutronen des Elements. Eine besondere Bezeichnung für „radioaktiv“ gibt es nicht, da die meisten Elemente sowieso radioaktiv sind. Bei metastabilen Kernisomeren wird allerdings zur Unterscheidung von ihrem Grundzustand ein hochgestelltes m hinter der Massenzahl verwendet, oder m2 für das zweite metastabile Isomer usw. Bei der Schreibweise im Fließtext wird die Massenzahl hinter den Elementnamen gestellt, zB bei Technetium-99m.

Klassifizierung

Radionuklide lassen sich in vier Klassen einteilen, abhängig davon, wie diese entstanden sind. Die Unterteilung ist dann wie folgt:

• Primordiale Radionuklide: Diese Radioisotope waren schon bei der Entstehung der Erde vorhanden und sind noch nicht vollständig zerfallen ist. Ein Beispiel dafür ist Uran-235.
• Radiogene Radionuklide: Diese sind radioaktive Zerfallsprodukte von primordialen Radionukliden.
• Kosmogene Radionuklide: Diese Radioisotope entstehen durch kosmische Höhenstrahlung in der Atmosphäre. Das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 ist das Bekannteste.
• Künstliche Radionuklide: Unter künstlichen Radionukliden versteht man solche, die durch vom Menschen herbeigeführte Kernreaktionen entstehen. Bekanntester Vertreter ist Technetium.

Allerdings lassen sich Radionuklide auch nach ihrer radioaktiven Strahlung einteilen, welche diese beim Zerfall aussenden, oder ihrer Halbwertszeit. Eine grafische Darstellung aller bekannten Nuklide liefert die Nuklidkarte.

Halbwertszeit

Die Besonderheit des Radionuklids gegenüber dem normalen Nukild ist der radioaktive Zerfall. Durch Experimente wissen wir, dass sich die Anfangsmenge der Nuklide N₀ im Laufe der Zeit dt um die Menge -dN reduziert. Dies ist proportional abhängig von der Konstante λ, die deshalb Zerfallskonstante heißt.

$-dN=N_{0}\lambda dt$

Integriert man nun die Gleichung auf erhält man

$N(t)=N_{0}e^{-\lambda t}$

Wird in die Gleichung nun N₀/2 für N(t) eingesetzt, da die Hälfte an ursprünglichen Kernen vorhanden sein soll, und die Gleichung dann nach der Zeit t aufgelöst, ergibt sich

$t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}$

Die Halbwertszeit ist die Zeitspanne, in der die Menge und damit auch die Aktivität in Becquerel eines gegebenen Radionuklids durch den Zerfall auf die Hälfte gesunken ist. Die Halbwertszeit ist unabhängig von der aktuell vorhandenen Substanzmenge N₀, sondern sie ist charakteristisch für ein bestimmtes Radioisotop. Während mathematisch betrachtet sich die Menge eines Radionuklids nur halbieren kann, sodass es nie verschwindet, gibt es in der Realität tatsächlich einen Zeitpunkt, an dem alle Atome eines Radionuklids zerfallen sind. Da dieser Prozess stochastisch ist, kann er nicht vorhergesagt werden. Als Faustformel gilt, dass nach 7 Halbwertszeiten die ursprüngliche Aktivität auf etwa 1%, nach 10 Halbwertszeiten auf weniger als 1 Promille abgefallen ist.

Neben der physikalischen Halbwertszeit von radioaktiven Isotopen wird auch deren biologische Halbwertszeit definiert. Diese ist analog zur physikalischen Halbwertszeit diejenige Zeit, nach der die Hälfte einer einmal aufgenommenen Substanzmenge wieder aus dem Körper ausgeschieden ist. Aus beiden Halbwertszeiten zusammen ergibt sich die effektive Halbwertszeit, welche zur Bestimmung der Folgedosis genutzt wird.

Radionuklid-Nutzungsliste

Im Atomzeitalter werden Radionuklide für eine Vielzahl an Anwendungen genutzt, und sind heute nicht mehr wegzudenken. Die nachfolgende Nutzungsliste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Radionuklidbatterie für Curiosity

Vulkankraftwerk Krafla auf Island

Atomkraftwerkskonzept von 1939

Tritium-Schlüsselanhänger

Durchstrahlungsprüfung bei einer Rohrkonstruktion © CEphoto, Uwe Aranas

• Radionuklidbatterie: Eine Radionuklidbatterie wandelt die thermische Energie des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklids in elektrische Energie um. Durch ihre Funktionsweise sind Radionuklidbatterien klein und kompakt, erreichen aber nur vergleichsweise geringe Leistungen. Sie sind praktisch wartungsfrei und können über Jahre bis Jahrzehnte hinweg elektrische Energie liefern. Einsatzgebiete sind zB Herzschrittmacher, Atomautos, Raumsonden und die Stromversorgung von unzugänglichen Gebieten der Erde.

• Nuklearmedizin: In der Nuklearmedizin werden Radionuklide zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken eingesetzt. Diese werden dann als Radiopharmakon bezeichnet, wobei auch die chemische Verbindung eines Radionuklids mit anderen Stoffen darunter fällt. Anwendungsgebiete sind die Szintigrafie, Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und SPECT sowie die Radionuklidtherapie.

• Geothermie: Geothermie ist die unterhalb der festen Oberfläche der Erde gespeicherte Wärmeenergie. Über 50% der Wärmeleistung entsteht aus dem radioaktiven Zerfall der Radionuklide ²³⁵U und ²³⁸U, ²³²Th und ⁴⁰K, der Rest ist Akkretionswärme aus dem Zusammenballen der Erdkugel, als sich das Sonnensystem bildete. Die Geothermie der Erde kann durch Wärmepumpen genutzt werden, sowie direkt in Thermalbädern, die je nach Nuklidkonzentration auch als Radonbad genutzt werden. Prinzipbedingt sind die in der Geothermie genutzten Thermalwässer radioaktiv kontaminiert, was bei Radonbädern ausdrücklich gewünscht ist.

• Vulkankraftwerk: Unterhalb der Erdkruste befindet sich flüssiges Gestein durch den Stau der Akkretionswärme und der radioaktiven Zerfallswärme, analog zu einer Kernschmelze. Dieses Magma ist an manchen Gegenden der Erde durch Tektonik nahe unter der Erdoberfläche versammelt. Dies kann man sich zu Nutze machen, indem Löcher in den Grund gebohrt werden, durch die Wasser geleitet, und heißer Dampf bezogen wird. Der Dampf lässt sich dann in Turbinen zur großtechnischen, dh wirtschaftlichen Stromerzeugung nutzen. Durch diese Randbedingungen können Vulkankraftwerke nur in der Nähe eines Vulkans errichtet werden.

• Mutationszüchtung: Bei der Mutationszüchtung werden durch mutagene Chemikalien oder Röntgen- oder Neutronenstrahlen die DNA verändert. Dabei sind viele der so erzeugten Mutanten nicht lebensfähig oder weisen unerwünschte Veränderungen auf. Natürlich treten auch erwünschte Mutationen auf, die dem Organismus neue, bessere Eigenschaften verleihen. Wenn solch eine Mutation identifiziert worden ist, muss sie durch Kreuzung wieder in eine leistungsfähige Zuchtlinie überführt werden. Inzwischen sind mehr als 3200 Mutantensorten zum Anbau zugelassen. Die IAEA führt diese in einer Mutantendatenbank (Mutant Variety Database, MVD). Das Verfahren wird auch verwendet um Insekten zu sterilisieren, damit diese in freier Wildbahn mit fruchtbaren konkurrieren, aber keine befruchteten Eier erzeugen können (Sterile Insect Technique, SIT). Bei der Mutationszüchtung werden die Pflanzen in der Regel Cobalt-60 oder Caesium-137 ausgesetzt, welche als starke Gammastrahler in der Mitte eines kreisförmigen Feldes plaziert werden.

• Frühe Kernkraftwerkskonzepte: Im Jahre 1939 veröffentlichte das US-Magazin Amazing Stories einen Artikel über zukünftige Atomic Power Plants. Diese sollten mit Radium betrieben werden. Dem Konzept nach war wohl gedacht, das Prinzip eines Van-de-Graaff-Beschleuniger umzukehren, indem mit einem Magnetfeld eine Ladungstrennung der Zerfallsprodukte vorgenommen wird, um eine Spannung abzugreifen. Es handelt sich wahrscheinlich um das erste skizzierte Konzept, Kernenergie zur Stromgewinnung zu nutzen.

• Radionuklid-Heizelement: Im Gegensatz zu Radionuklidbatterien, die primär zur Stromerzeugung verwendet werden, steht bei Radionuklid-Heizelementen die Zerfallswärme durch Radioaktivität im Vordergrund. Damit werden empfindliche Ausrüstungsgegenstände (z.B. Elektronik) in Raumsonden und Rovern beheizt. Im Prinzip erzeugt auch eine Radionuklidbatterie Abwärme, allerdings werden Radionuklid-Heizelemente kleiner und gezielter eingesetzt. Im Prinzip könnten auch Blöcke hochradioaktiven Atommülls aus der Wiederaufarbeitung als Wärmequelle genutzt werden, beispielsweise für Polarstationen, Militärstützpunkte und Inseln, bis die radioaktive Wärme weitgehend abgeklungen ist. Der Gedanke an eine derartige Nutzung wurde in den 70er Jahren im Kernforschungszentrum Karlsruhe erwogen. Er wurde jedoch aufgegeben, da eine derartige Energiequelle aufgrund der vorherrschenden ökoreligiösen Schikanen in Deutschland nicht wirtschaftlich konkurrieren kann.

• Radionuklidgenerator: Ein Radionuklidgenerator dient in der Forschung und Medizin zur Gewinnung von Radionukliden mit kurzen Halbwertszeiten. Ein Radionuklidgenerator bildet kontinuierlich das gewünschte Radionuklid mittels Kernumwandlung aus einem langlebigeren Mutternuklid. Dieses kann dann durch geeignete Methoden in hoher Reinheit vom Mutternuklid abgetrennt werden. Es gibt eine Vielzahl von Radionuklidgeneratoren, die unterschiedliche Systeme von Mutter- und Tochternukliden enthalten.

• Ionisationsrauchmelder: Ionisationsrauchmelder sind Brandmelder die mit einer radioaktiven Substanz, meist dem Americium-241 oder Radon-226, arbeiten. Dabei wird ein kleines Luftvolumen mit einem Alpha- oder Beta-Strahler bestrahlt und dadurch ionisiert. Die Leitfähigkeit der Luft wird mit zwei Elektroden gemessen. Befindet sich Rauch in der Luft, so treffen häufig Ionen auf Rauchpartikel und lagern sich dort an. Die Leitfähigkeit der Luft verringert sich. Anhand der Leitfähigkeitsabnahme kann auf die Rauchkonzentration geschlossen werden. Bei Verringerung des Stromflusses schlägt der Ionisationsmelder Alarm. Sie waren lange Zeit der Standard bei Rauchmeldern, werden aber aus ökoreligiösen Gründen durch optische Rauchmelder abgelöst.

• Lichtquelle: Radionuklide können auch als Lichtquelle verwendet werden, welche ohne äußere Energiezufuhr einige Jahrzehnte sichtbar leuchten. Eine Tritiumgaslichtquelle besteht aus einem Borsilikatglaskörper, gefüllt mit Tritiumgas und einer Leuchtfläche, welche von innen mit einem Leuchtmittel beschichtet ist. Die Betastrahlung des Tritiums bringt das Leuchtmittel zur Photonenemission, also zum Leuchten. Tritiumgaslichtquellen werden bei Outdoor-Sportgruppen (Jäger, Angler, Taucher, Soldaten) verwendet und sind heute die einzigen Leuchtfarben. Früher wurde auch Promethium-147 als Tritiumersatz genommen; ist aufgrund seiner geringeren Halbwertszeit weniger geeignet. Das Apollo Lunar Module und Lunar Roving Vehicle hatten bspw Promethium-Leuchtfarben auf den Schaltern. Früher wurden auch Radium-Leuchtfarben verwendet.

• Radiokohlenstoffmethode: Unter dem Einfluß der kosmischen Strahlung wird aus dem Stickstoff der Luft in der oberen Atmosphäre radioaktiver Kohlenstoff ¹⁴C gebildet. Dieser nimmt am atmosphärischen Kohlenstoffkreislauf teil, wird als CO₂ von Pflanzen aufgenommen und schließlich auch in tierischen Organismen eingelagert. In Abhängigkeit von der ¹⁴C-Bildung, der Aufnahme aus der Atmosphäre sowie des radioaktiven Zerfalls stellt sich im lebenden Organismus eine ¹⁴C-Gleichgewichtskonzentration ein. Wird durch das Absterben organische Substanz vom Kohlenstoffkreislauf getrennt, so zerfällt ¹⁴C mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Aus der Messung des Verhältnisses der spezifischen Aktivität einer Probe läßt sich die Zeit bestimmen, seit der die Probe aus dem Kohlenstoffkreislauf entfernt wurde.

• Radioindikatoren: Radioindikatoren sind Radionuklide, die zur Markierung eingesetzt werden. In der Biologie spricht man von einem Tracer. Das Grundprinzip des Verfahrens besteht darin, dass an einer geeigneten Stelle ein Radionuklid eingebracht wird und die Anreicherung dieses Radionuklids an bestimmten Stellen oder sein Weg verfolgt wird. Die Registrierung erfolgt mithilfe von Strahlungsmessgeräten, die die räumliche Verteilung des Radionuklids erfassen, indem sie die von dem Radionuklid ausgehende radioaktive Strahlung messen. Damit kann zB der Verbleib oder die Ausbreitung eines Stoffes in einem Organismus verfolgt werden. Radioindikatoren werden auch in der Materialwissenschaft, Chemie und Ingenieurswissenschaften verwendet, indem zB Metalle durch die Beimischung eines radioaktiven Isotops markiert werden um chemische Prozesse nachvollziehen zu können, oder um den Weg von Stoffen in Rohrleitungen, in Maschinen und Anlagen oder im Erdboden verfolgen zu können.

• Lebensmittelbestrahlung: Um Lebensmittel über einen längeren Zeitraum zu lagern, sollten diese möglichst keim- und parasitenfrei sein. Dazu werden diese hohen Strahlendosen ausgesetzt. Die bestrahlten Stoffe werden zwar beeinflusst, werden aber selbst nicht radioaktiv. Nachteilige Folgen der Nutzung des Verfahrens für den Verbraucher sind nicht bekannt. Die Bestrahlung erfolgt durch Röntgen- und Gammastrahlen, im letzteren Fall durch Cobalt-60.

• Durchstrahlungsverfahren: Beim Durchstrahlungsverfahren wird die Durchdringungsfähigkeit radioaktiver Strahlung von Stoffen und ihr Absorptionsvermögen in Stoffen genutzt. Damit kann man Werkstoffprüfungen durchführen, die Dichte, Konzentration oder Dicke von Stoffen messen oder Füllstandsmessungen realisieren. Bei Werkstoffprüfungen wird die hindurchtretende radioaktive Strahlung mit einem Strahlungsmessgerät erfasst. Ist ein Fehler in dem Werkstück vorhanden, so erfolgt dort eine andere Absorption radioaktiver Strahlung als bei den benachbarten Bereichen. Mit diesem Verfahren kann man nicht nur erfassen, ob in einem Werkstück Einschlüsse oder Luftblasen vorhanden sind, sondern man kann zB auch die Qualität von Schweißnähten prüfen. Aber auch Dicken- und Füllstandsmessungen sind möglich. Bei der Herstellung von Kunststofffolien oder von Papier muss ständig geprüft werden, ob diese Folien oder das Papier die gewünschte Dicke haben. Dazu wird eine Strahlungsquelle mit einem langlebigen Radionuklid oberhalb der Folienbahn angebracht. Unterhalb befindet sich ein Empfänger, der die durch die Folien hindurchtretende Strahlung ständig registriert. Auch die Füllstandsmessung in Behältern ist dadurch möglich.

• Kobaltkanone: Kobaltkanonen waren populäre Bezeichnungen für Strahlentherapiegeräte, die als Quelle ihrer Gammastrahlung das Radionuklid Cobalt-60 enthielten. Üblicherweise nannten weder Hersteller noch Onkologen die Geräte so. In Fachkreisen waren die Bezeichnungen Telegamma- oder Telecurie-Geräte oder ihre Markennamen geläufig. Teletherapie-Geräte mit Cobalt-60-Quellen waren über Jahrzehnte das Hauptinstrument der Bestrahlung von Krebstumoren. Das erste Gerät wurde 1951 benutzt. Inzwischen werden Linearbeschleuniger eingesetzt, die wesentlich präziser und abgestufter bestrahlen können.