Aktivierung von Atomen durch natürliche Strahlung

Interessierter042016 · Gast

Meine Frage:
Hallo liebe Mitglieder / Moderatoren des Physikerboard?s,
ich beschäftige mich seit einiger Zeit mit dem Thema Radioaktivität. In diesem Zusammenhang hat sich eine Frage entwickelt, bei derer Beantwortung ich mir hier Hilfe erhoffe.
Es geht um das Thema ?Aktivierung?, d.h. die Umwandlung stabiler in instabile Stoffe bzw. Atome.
Laut meinen Recherchen ist eine solche ?Aktivierung? beispielsweise durch Neutronenstrahlung (so wie sie in Kernkraftwerken auftritt oder sonst künstlich erzeugt werden kann) möglich.
Nun meine Frage: Kann auch Beta- / Gammastrahlung, welche aus dem Zerfall natürlicher Radionuklide in unserer Umwelt resultiert, ?aktivierend? wirken?
Anders formuliert: Könnte Beta- / Gammastrahlung, welche natürlicherweise (mehr oder weniger) aus Baustoffen austritt, stabile Atome in der Umwelt ?aktivieren?, d.h. radioaktiv machen? Oder reicht hierzu die Strahlungsenergie nicht aus?

Meine Ideen:
Beta- und Gammastrahlung können lediglich dann ?aktivierend? wirken, sofern sie einen ?Kernphotoeffekt?, d.h. eine Kernreaktion auslösen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Strahlung eine gewisse Mindestenergie (laut Wikipedia > 2 MeV, eher noch viel höher) aufweist, welche dazu in der Lage ist, die Bindung des betreffenden Atomkerns zu brechen.
Annahme / Schlussfolgerung:
Es gibt kein natürliches Radionuklid, welches bei seinem Zerfall eine Beta- oder Gammastrahlung mit einer Energie von mehr als 2 MeV freisetzt.
Demnach ist die Energie der Strahlung, welche bei dem Zerfall natürlicher Radionuklide (z.B. Kalium-40, Radium-226 etc.) freigesetzt wird, bei Weitem zu gering, um einen ?Kernphotoeffekt? auszulösen und demnach ?aktivierend? zu wirken.
Die Beta- und Gammastrahlung führt demnach lediglich zu einer Ionisation.
Ist diese Schlussfolgerung / Annahme so richtig?
Ich bedanke mich bereits jetzt für Eure Hilfe!

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

So richtig erschließt sich mir Dein Anliegen leider nicht.

Vorweg: Die alte Unterscheidung in natürliche / künstliche Radioaktivität / Strahlung scheint mir physikalisch wenig sinnvoll. Was prozeßmäßig machbar ist, passiert (im Prinzip) auch ohne den Menschen: Sämtliche Strahlungsarten in irdischen Materialien bis hin zu Kernspaltungen.

Hinzu kommt die kosmische Strahlung (insbesondere p, alpha, Kerne bis Z = 30; bis 10^20 eV), die ein Potpuorri an radioaktiven Kernen generiert.

Naturbausteine halten übrigens auch Alphastrahler bereit (ganz lax: U, Th / Ra / Rn / Po ... z.B.) und He4 reagiert mit leichten Kernen (N, Be, Al), wobei auch Instabile entstehen können Al27 + He4 -> Po30* + n.

NB Bezüglich Strahlungsbelastungen, falls Deine Überlegungen dahin zielen, dürfte die induzierte Radioaktivität unter normalen Verhältnissen kaum eine Rolle spielen.

Interessierter042016 · Gast

Hallo franz,
zunächst einmal vielen Dank für deine Antwort!
Was meine Fragestellung betrifft, diese zielt tatsächlich auf Strahlenbelastungen ab.
In diesem Zusammenhang beschäftigt mich der folgende Aspekt:
Man stelle sich einen Ort vor, an welchem (z.B. aufgrund der geologischen Bodenbeschaffenheit oder aufgrund der verwendeten Baustoffe) eine gegenüber den Durchschnittswerten "erhöhte" Hintergrundstrahlung herrscht.
Besteht für Gegenstände, welche sich an diesem Ort befinden (z.B. Einrichtungsgegenstände im Inneren eines Ziegelstein-Gebäudes), eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, durch (aus den Baustoffen emittierte) Alpha-, Beta- und Gammastrahlung aktiviert, d.h. auch in gewissem Maße radioaktiv zu werden?
Meinen Recherchen zufolge ist dies zumindest durch natürlich vorkommende Beta- und Gammastrahlung nicht möglich, da diese keine für die Kernreaktion erforderliche Mindestenergie (> 2 MeV) aufbringt. Ist das so richtig?
Danke und beste Grüße!

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

So ist es.

Die Strahlenbelastung ensteht hier hauptsächlich indirekt, insbesondere durch Einatmung von aktiven Stoffen und Einbau im Körper. Schlecht belüftete Kellerräume sind besonders zu nennen. Dazu gibt es Literatur.

Durchaus offen ist jedoch, ob diese "Belastung" überhaupt ein Gesundheitsrisiko darstellt oder ob nicht die Lebewesen sich nach paar Milliarden Jahren darauf eingestellt haben und vielleicht sogar eine geringe Radioaktivität benötigen.

Interessierter042016 · Gast

Hallo Franz,
vielen Dank für deine Antwort. Nur zum Verständnis: Das "So ist es" war auf meine zweite Frage bezogen, oder?

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

So ist es.

Interessierter042016 · Gast

Hallo Franz,
noch eine letzte Frage bzgl. der von dir angesprochenen Reaktion

Al27 + He4 -> P30* + n

Welche Energie in MeV müsste das Alpha-Teilchen aufweisen, um diese Reaktion auszulösen?
Es müsste ja zunächst die Coulomb-Barriere überwinden und dann noch die für die Kernreaktion (hier: endothermische Reaktion) erforderliche Schwellenenergie aufweisen, oder?

Upside down Quark · Anmeldungsdatum: 13.04.2016 Beiträge: 66

In keinem Fall hat das Alpha-Teilchen eine höhere Energie als nötig wäre, die Coulomb-Barriere zu überwinden im klassischen Sinne (falls Deine Frage darauf abzielte), da es anderenfalls immer frei wäre und der ursprüngliche Kern nicht existieren könnte. Der Grund, weshalb solche Zerfälle trotzdem physikalisch erklärbar sind, liegt in der Qm. und der Eigenschaft von Materiewellen, Potentialbarrieren durchdringen zu können (-Tunneleffekt).
Die eigentliche Faktoren, die bei einer solchen Reaktion (bzw. bei dessen Ereigniswahrscheinlichkeit) bedeutend sind, sind die Höhe und die Breite der angesprochenen Barriere (wobei hier auch ein extrem geringfügiger Unterschied enorme Auswirkungen auf die Wahrscheinlichkeit bzw. folglich auch der Lebensdauer eines Kernes hat).
Die Mathematik lasse ich vorerst außen vor.

Interessierter042016 · Gast

Hallo Upside down Quark,
danke für deine Antwort!
Ist es so, dass du mit deiner Antwort erklären wolltest, wie sich Alpha-Teilchen mit Hilfe des Tunneleffektes von Atomkernen lösen können, auch wenn sie nicht die theoretisch notwendige Energie zur Überwindung der Coulomb-Barriere besitzen?
Falls es so ist, haben wir glaube ich aneinander vorbeigeredet.
Was ich meinte ist die Energie, welche ein freies Alpha-Teilchen (welches bereits von einem Atomkern emittiert wurde) benötigt, um bei einem Aluminium-Atom (Al27) eine Kernreaktion hervorzurufen. Oder anders formuliert: Al27 wird mit Alpha-Teilchen beschossen. Welche Energie benötigen diese, um das Al27 in P30* sowie ein Neutron umzuwandeln?

Hintergrund meiner Fragestellung ist der, dass ich gerne wissen würde, ob solche Reaktionen in unserer natürlichen Umgebung (z.B. zu Hause) wahrscheinlich sind. Alpha-Strahler sind ja theoretisch überall vorhanden (z.B. Radon)...

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Das Energiespektrum der Alphastrahlung (Heliumkerne) an der Erdoberfläche dürfte dominiert sein durch Alphazerfälle (ca. 4 - 9 MeV) von Atomkernen der Erdrinde. Den Anteil der Teilchen aus der primären (bis 10^20 eV) oder sekundären kosmischen Strahlung dabei weiß ich nicht.

An Wechselwirkung mit Atomen dominiert:
- Ionisierung ("Wegschießen" von Elektronen),
- Einfang von Elektronen -> Bildung von Heliumatomen
- Anregung von Atomen
- Kernreaktion

Der letzte, von Dir angesprochene Vorgang hängt mit dem quantenmechanisch möglichen Durchtunneln der Coulomb-Barriere zusammen und ist natürlich energieabhängig. Es gibt dafür kein Minimum, sondern quasi Trefferwahrscheinlichkeiten. Mir ist nicht bekannt, daß diese Reaktion bei den typischen Alphastrahlern eine wesentlich Rolle spielt.

Bei dem historischen Versuch (Joliot-Curie 1934; Deine Formel oben) wurde meines Wissens ein hochaktives Radiumpräparat verwendet. Sowas hast Du in normaler Umgebung (Natursteine z.B.) nicht.

Lange Rede kurzer Sinn: Theoretisch ist alles möglich - praktisch (mit deutlicher Wahrscheinlichkeit) jedoch nicht.

jh8979 · Moderator Anmeldungsdatum: 10.07.2012 Beiträge: 8576

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Hallo Interessierter,

in einem Gläschen Wasser sind paar Quadrillionen Moleküle - eine Zahl, die jede menschliche Vorstellung sprengt. Uns geht es aber faktisch nie um diese Moleküle, sondern um die Wirkungen von Wasser. Und so ist es auch hier: Uns interessieren faktisch keine einzelnen Atomkerne oder Alphateilchen, sondern erst deren Wirkungen, sobald etwas in großer Zahl passiert.

Natürlich kann man danach fragen: ob ein Heliumkern in einen Aluminiumkern gelangt, ja oder nein / ab welcher Energie genau? Diese Frage kriegt aber gewissermaßen erst einen Sinn, wenn mit eine Riesenzahl von Alphateilchen geschossen wird. *)

Und die Antwort ist dann kein ja oder nein, es gibt "nur" noch Wahrscheinlichkeitsaussagen, Durchdringungszahlen, Wirkungsquerschnitte, Reaktionshäufigkeiten, Ausbeuten, Reichweiten usw.

*) Bei dem preisgekrönten Versuch vom 11.1.1934 von Alphastrahlung durch Aluminiumfolie (mit einem Poloniumpräparat - muß mich korrigieren) waren es übrigens 5,307 MeV.