Radioaktivität: Warum manche Atome zerfallen

In der letzten Februarwoche des Jahres 1896 wartete Henri Becquerel vergeblich auf die Sonne. In seinem Labor am Muséum National d'Histoire Naturelle in Paris hatte er phosphoreszierende Uransalze untersucht, in der Erwartung, dass durch Sonnenlicht aufgeladene Kristalle jene rätselhaften neuen Strahlen aussenden könnten, die Wilhelm Röntgen im November zuvor angekündigt hatte. Sein Plan war einfach: Er ließ die Salze Tageslicht aufnehmen, legte sie auf eine in dickes schwarzes Papier eingeschlagene Fotoplatte und prüfte, ob etwas die Verpackung durchdrang. Doch Paris war tagelang bedeckt, und ohne Sonnenlicht zum Aufladen seiner Kristalle gab Becquerel vorerst auf und schob die ganze Anordnung, das Salz auf der eingewickelten Platte ruhend, in eine Schublade.

Als er die Platte schließlich am ersten März entwickelte, fand er die Silhouette des Uransalzes deutlich darauf abgebildet, scharf und unverkennbar. Kein Sonnenlicht hatte die Kristalle je erreicht. Was auch immer die Platte belichtet hatte, kam nicht von außerhalb des Urans, sondern aus seinem Inneren, eine Strahlung, die das Salz ganz von selbst erzeugte, im Dunkeln, ohne erkennbare Energiequelle. Becquerel war zufällig auf eine Eigenschaft der Materie gestoßen, die niemand vermutet hatte: Bestimmte Atome sind überhaupt nicht stabil, und sie zerfallen nach ihrem eigenen Zeitplan und schleudern dabei Strahlung hinaus.

Dieser Artikel verfolgt den Faden von der Schublade in Paris bis zum modernen Krankenhaus und zur Altersbestimmung der Erde. Was tritt eigentlich aus einem instabilen Atom aus, warum zerfallen manche in Minuten und andere über Milliarden von Jahren, und warum berührt nichts davon die gewöhnliche Chemie von Hitze, Druck und Bindung?

Aus einem Zufall in einer Schublade wird eine neue Wissenschaft

Wie sonderbar Becquerels Ergebnis war, lässt sich leicht unterschätzen. Röntgens X-Strahlen, nur wenige Monate zuvor entdeckt, brauchten eine Apparatur: eine Vakuumröhre, eine hohe Spannung, einen Strom von Elektronen, der auf Metall prallt. Becquerels Uran brauchte nichts davon, es lag reglos in einer geschlossenen Schublade und strahlte trotzdem. Das trübe Wetter, das das Experiment keineswegs ruinierte, machte die Entdeckung überhaupt erst möglich, weil es das Sonnenlicht als Erklärung ausschloss und das Uran als einzige Quelle übrig ließ.

Sein Verfechter wurde das Phänomen in einer jungen, in Polen geborenen Physikerin in Paris. Marie Skłodowska Curie nahm sich gemeinsam mit ihrem Mann Pierre Curie Becquerels Rätsel an und trieb es weit voran. Ab 1898 verarbeiteten die Curies an der Pariser Schule für industrielle Physik und Chemie tonnenweise Pechblende, ein dunkles Uranerz aus den Minen Böhmens, trennten es chemisch Fraktion für Fraktion und maßen die Aktivität jeder einzelnen. Einige Fraktionen waren weit aktiver, als der bloße Urangehalt es erklären konnte, was bedeutete, dass das Erz andere, weit intensiver strahlende Elemente in winzigen Mengen enthielt. Aus dieser mühevollen Arbeit isolierten sie zwei neue Elemente, Polonium (benannt nach Maries Heimat) und Radium, wobei letzteres etwa eine Million Mal radioaktiver ist als Uran selbst.

Die darauf folgende Anerkennung war historisch. Marie Curie teilte sich 1903 den Nobelpreis für Physik mit Pierre und Becquerel und gewann 1911 den Nobelpreis für Chemie für die Isolierung des Radiums. Sie ist bis heute die einzige Person, die Nobelpreise in zwei verschiedenen Wissenschaften hält. Das Wort Radioaktivität, die spontane Aussendung von Teilchen oder Strahlung aus instabilen Kernen, stammt von ihr.

Drei Arten von Strahlen, von einem Magneten sortiert

Wenn instabile Atome etwas aussenden, ist die naheliegende nächste Frage, was. Die Antwort erwies sich nicht als eine Sache, sondern als drei, und derjenige, der sie entwirrte, war Ernest Rutherford. An der McGill University ließ er 1899 die Strahlung durch ein Magnetfeld treten und sah, wie sie sich in einzelne Komponenten aufspaltete, die sich in verschiedene Richtungen und um unterschiedliche Beträge ablenken ließen. Ein Magnetfeld lenkt bewegte Ladungen ab, und so verriet die Art, wie sich jede Komponente verbog, ihre Ladung und ungefähr ihre Masse. Rutherford benannte die drei nach den ersten Buchstaben des griechischen Alphabets: Alpha, Beta und Gamma.

Ein Alphateilchen ist ein Helium-4-Kern: zwei Protonen und zwei Neutronen aneinandergebunden, mit einer Ladung von +2 und einer Masse von etwa 4 atomaren Masseneinheiten. Für Strahlung ist es schwer und langsam, und obwohl es energiereich ist, verliert es diese Energie bei Kontakt fast augenblicklich, sodass ein einzelnes Blatt Papier oder die abgestorbene äußere Hautschicht es aufhält.

Ein Beta-minus-Teilchen ist ein Elektron, aber keines, das aus den äußeren Schalen eines Atoms herausgerissen wurde. Es entsteht im Moment des Zerfalls, wenn sich ein Neutron im Kern in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino umwandelt und die letzten beiden ausstößt. Die Ladung ist minus eins und die Masse winzig. Da sie leicht und schnell sind, dringen Betateilchen weiter ein als Alphateilchen, doch wenige Millimeter Aluminium absorbieren sie.

Gammastrahlung ist von anderer Art. Sie ist überhaupt kein Materieteilchen, sondern ein hochenergetisches Photon, ein Paket elektromagnetischer Strahlung mit der Masse null und der Ladung null, weshalb ein Magnet sie nicht ablenkt. Da es keine Ladung zum Festhalten und keine Masse zum Aufhalten gibt, durchdringen Gammastrahlen Material mühelos, und ihre Abschwächung erfordert Zentimeter dichten Bleis oder Dutzende Zentimeter Beton. Dieselbe Eigenschaft, die sie nützlich macht, um Geräte zu sterilisieren und den Körper abzubilden, macht sie auch zur am schwersten abzuschirmenden der drei.

Die Uhr, die nichts verlangsamen kann

Zu wissen, was aus einem instabilen Kern austritt, lässt noch die tiefste Frage offen: wann. Ein bestimmtes Uranatom mag eine Milliarde Jahre lang unverändert verweilen, während ein Atom eines kurzlebigen Isotops in der nächsten Sekunde zerfallen mag, ohne dass sich vorhersagen ließe, welches. Der Zerfall ist grundlegend statistisch, und das Gesetz, das ihn beherrscht, ist die Halbwertszeit, die Zeit, die nötig ist, damit die Hälfte einer radioaktiven Probe zerfällt.

Die Rechnung ist sauber. Nach einer Halbwertszeit bleibt die Hälfte der ursprünglichen Kerne übrig. Nach zweien ein Viertel. Nach dreien ein Achtel. Nach n Halbwertszeiten ist der verbleibende Anteil eins durch zwei hoch n. Die Probe erreicht nie ganz die null; sie halbiert sich nur immer weiter. Bemerkenswert ist, wie starr diese Uhr ist. Die Halbwertszeit ist eine Eigenschaft des Kerns selbst, für jedes Isotop festgelegt, und hängt nicht von Temperatur, Druck, chemischer Bindung oder davon ab, wie viel von dem Stoff man hat, was die Radioaktivität von nahezu allem anderen abhebt, was ein Chemiker untersucht.

Jedes Isotop hält seine eigene Zeit, und die Spannweite ist verblüffend. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5.730 Jahren, Uran-238 liegt bei etwa 4,5 Milliarden Jahren, vergleichbar mit dem Alter der Erde, und Jod-131, ein Spaltprodukt, zerfällt in nur 8,02 Tagen. Drei Isotope, drei Uhren mit wild unterschiedlichen Geschwindigkeiten, alle vom selben einfachen Halbierungsgesetz beherrscht.

Die Zeit selbst ablesen, vom Mammut bis zur Erde

Weil jedes Isotop mit einer festen Rate zerfällt, ist eine radioaktive Probe eine Uhr, und man kann die verstrichene Zeit ablesen, indem man misst, wie viel zerfallen ist. Der Kniff besteht darin, die Uhr zur Frage passend zu wählen, denn ein Isotop ist nur zur Datierung von Dingen in der Größenordnung seiner eigenen Halbwertszeit brauchbar.

Kohlenstoff-14 ist die Uhr für die jüngere Vergangenheit. Lebewesen nehmen ständig Kohlenstoff auf, einschließlich einer steten Spur von radioaktivem Kohlenstoff-14, und hören damit auf, wenn sie sterben, woraufhin der Kohlenstoff-14 einfach zerfällt, sodass die Messung des verbleibenden Anteils die Zeit seit dem Tod ergibt. Mit seiner Halbwertszeit von 5.730 Jahren datiert Kohlenstoff-14 organisches Material zuverlässig von einigen hundert Jahren bis zu rund 50.000 Jahren, jenseits derer zu wenig übrig bleibt, um es zu messen. Die Methode wurde 1949 von Willard Libby an der University of Chicago entwickelt, und sie veränderte die Archäologie grundlegend.

Für tiefe Zeit braucht man eine weit langsamere Uhr. Uran-238, das sich nur alle 4,5 Milliarden Jahre halbiert, datiert die ältesten Objekte des Sonnensystems: Die ältesten Meteoriten kommen auf etwa 4,567 Milliarden Jahre, und die ältesten erhaltenen irdischen Minerale, winzige Zirkonkristalle aus Westaustralien, datieren auf rund 4,4 Milliarden Jahre. Man passt die Uhr an die Zeitskala an: Man würde kein pleistozänes Mammut mit Uran datieren, noch einen hadaischen Zirkon mit Kohlenstoff.

In der Klinik, die 110-Minuten-Frist

Radioaktivität ist nicht nur ein Werkzeug, um zurückzublicken; sie ist ein Arbeitspferd der modernen Medizin, wo die Halbwertszeit die Logistik einer ganzen Abteilung diktiert. Man nehme die Positronen-Emissions-Tomographie, den PET-Scan. Sie beruht auf Fluor-18, einem Isotop, das durch Aussenden eines Positrons zerfällt, des Antimaterie-Gegenstücks zum Elektron, mit einer Halbwertszeit von 110 Minuten. Das Fluor-18 wird in Fluordesoxyglukose oder FDG eingebaut, einen Glukose-Doppelgänger, den die hungrigsten Zellen des Körpers begierig aufnehmen.

Nachdem ein Patient gespritzt wurde, nehmen Gewebe mit hohem Glukosebedarf, etwa viele Tumoren, das Gehirn und das Herz, die FDG auf und reichern sie an. Jedes ausgesandte Positron legt eine winzige Strecke zurück, bevor es auf ein Elektron trifft, woraufhin die beiden sich vernichten und ihre Masse in ein Paar Gammaphotonen umwandeln, jedes mit 511 Kiloelektronvolt, die in genau entgegengesetzte Richtungen davonfliegen. Der Detektorenring des Scanners fängt beide auf und verfolgt die Linie zwischen ihnen, wodurch er abbildet, wo Glukose verbraucht wird.

Diese 110-Minuten-Uhr beherrscht alles rund um die Prozedur. Fluor-18 lässt sich nicht im Voraus herstellen und lagern; innerhalb weniger Stunden ist das meiste davon verschwunden. Ein PET-Zentrum braucht daher entweder ein eigenes Zyklotron vor Ort oder eine auf die Minute getaktete Lieferung am selben Tag, und jede ungenutzte Dosis geht schlicht durch Zerfall verloren. Die Physik der Halbwertszeit ist hier keine Abstraktion; sie ist ein Lieferplan.

Belastung auf einem einzigen Maßstab

Strahlung macht Menschen ängstlich, teils weil sie unsichtbar ist und teils weil die Zahlen unvertraut sind. Die von lebendem Gewebe aufgenommene Dosis wird in Sievert gemessen, doch ein anschaulicherer Weg, die Skala zu verankern, ist die Banane. Eine gewöhnliche Banane enthält Kalium, von dem ein kleiner Bruchteil radioaktives Kalium-40 ist, sodass das Essen einer Banane etwa 0,1 Mikrosievert liefert. Das ergibt einen inoffiziellen, aber wirklich nützlichen Maßstab, die bananenäquivalente Dosis.

Die Vergleiche schaffen Klarheit. Ein Röntgenbild des Brustkorbs liefert rund 100 Mikrosievert, etwa tausend Bananen. Ein Transatlantikflug, bei dem die dünnere Atmosphäre mehr kosmische Strahlung durchlässt, ergibt rund 40. Die jährliche Dosisgrenze für die Bevölkerung in den Vereinigten Staaten, über die natürliche Hintergrundstrahlung hinaus, beträgt 1.000 Mikrosievert, etwa zehntausend Bananen. Die akute Strahlenkrankheit setzt erst bei rund 1.000.000 Mikrosievert ein, zehn Millionen Bananen, zehntausende Male über jeder alltäglichen Begegnung. Sie nebeneinander zu sehen macht Strahlung nicht harmlos, aber es ordnet jede Belastung ehrlich auf einer Skala ein, auf der ein Scan und eine Katastrophe nirgends nahe beieinander liegen.

Warum die Chemie den Kern nicht berühren kann

All dem liegt eine Tatsache zugrunde, die Lernende durchweg widersinnig finden: Der radioaktive Zerfall ist ein Kernprozess, kein chemischer, und die gewöhnlichen Hebel der Chemie reichen nicht an ihn heran. Die Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen hängen stark von Temperatur, Druck, Konzentration und den Bindungen ab, die ein Atom eingeht, während der radioaktive Zerfall von keinem davon abhängt. Eine Uranprobe auf die Temperatur von flüssigem Helium abzukühlen verlangsamt ihren Zerfall nicht, sie bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen beschleunigt ihn nicht, und sie in Säure aufzulösen verstellt die Uhr überhaupt nicht, weil der Zerfall tief im Kern geschieht, weit unterhalb der Elektronenschalen, in denen sich alle Chemie abspielt.

Die Energieskalen machen die Trennung anschaulich. Das Brechen einer chemischen Bindung umfasst einige Elektronvolt, während ein Kernübergang einige Megaelektronvolt freisetzt, etwa eine Million Mal mehr. Der Kern arbeitet in einem anderen Regime.

Eine letzte Unterscheidung schützt vor einer häufigen Verwechslung: Die Halbwertszeit ist nicht die Lebensdauer. Sie sagt einem, wie lange es dauert, bis die Hälfte einer großen Population zerfällt, aber kein einzelner Kern hat eine feste Lebensspanne, da der Zerfall rein statistisch ist. Das erklärt ein scheinbares Paradox: Eine lange Halbwertszeit macht ein Isotop, Gramm für Gramm, weniger gefährlich, weil weniger seiner Kerne pro Sekunde zerfallen. Uran-238, das sich über 4,5 Milliarden Jahre halbiert, ist schwach aktiv und in maßvollen Mengen gefahrlos zu handhaben, während dieselbe Masse Jod-131, das sich in acht Tagen halbiert, akut gefährlich wäre.

Wichtigste Erkenntnisse

Radioaktivität ist die spontane Aussendung von Teilchen oder Strahlung aus instabilen Kernen, entdeckt von Henri Becquerel im März 1896, als Uransalze sich im Dunkeln von selbst auf einer eingewickelten Fotoplatte abbildeten, wobei Marie und Pierre Curie 1898 Polonium und Radium aus böhmischer Pechblende isolierten und Ernest Rutherford die Strahlung 1899 durch magnetische Ablenkung in Alpha (ein Helium-4-Kern mit der Ladung +2, von Papier aufgehalten), Beta (ein Elektron, das entsteht, wenn ein Neutron zum Proton wird, von Millimetern Aluminium aufgehalten) und Gamma (ein ladungsloses, masseloses hochenergetisches Photon, das Zentimeter Bleis benötigt) sortierte. Das quantitative Rückgrat ist die Halbwertszeit, die feste Zeit, in der die Hälfte einer Probe zerfällt, eine Eigenschaft allein des Kerns, die unabhängig von Temperatur, Druck, Chemie und Menge ist; sie reicht von Kohlenstoff-14 mit 5.730 Jahren für die Radiokarbondatierung über Jod-131 mit 8,02 Tagen und Fluor-18 mit 110 Minuten für die PET-Bildgebung bis zu Uran-238 mit 4,5 Milliarden Jahren für die Datierung der Erde, während die bananenäquivalente Dosis (jeweils etwa 0,1 Mikrosievert) jede Belastung auf einen ehrlichen Maßstab stellt, und die Tatsache, dass die Halbwertszeit statistisch ist und keine Lebensdauer, erklärt, warum ein langlebiges Isotop, Gramm für Gramm, das sicherere ist.