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Radioaktivität

Der Begriff Radioaktivität:

Unter Radioaktivität versteht man die Eigenschaft bestimmter instabiler Atomkerne, spontan in Bruchstücke anderer Atomkerne zu zerfallen und dabei Energie abzugeben.
Diese Energie wird in Form von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen und Wärme freigesetzt.

Ob ein Atomkern instabil ist, hängt von der Anzahl von Protonen zu Neutronen ab.
Um welches Element es sich handelt (z.B. ob Eisen, Uran oder Kohlenstoff vorliegt) bestimmt die Anzahl der Protonen im Kern.
Von jedem Element gibt es unterschiedliche Isotope, das heißt Atomkerne mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen, wobei nicht alle unterschiedlich aufgebauten Atomkerne auch instabil sind.

Die französischen Physiker Antoine Henri Becquerel und das Ehepaar Pierre und Marie Curie waren die ersten Forscher, die entdeckten, dass manche Atome Strahlen aussenden können.

Atome:
Das Atom ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie.
Jedes Atom gehört einem bestimmten chemischen Element an und ist im Normalzustand elektrisch neutral (ungeladen) – neutrale Atome haben gleich viele Protonen und Elektronen.
Atome mit mehr oder weniger Elektronen als Protonen heißen Ionen.

Chemisches Element ist die Sammelbezeichnung für alle Atomarten mit derselben Anzahl von Protonen im Atomkern.
Somit haben alle Atome eines chemischen Elementes dieselbe Kernladungszahl (auch Ordnungszahl).
Chemische Elemente lassen sich nicht in einfachere Stoffe zerlegen.
Die Elemente werden im Periodensystem nach steigender Kernladungszahl angeordnet.

Atome bestehen aus:
., einem Atomkern: mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutral geladenen Neutronen.
., einer Atomhülle: um den Atomkern bewegen sich – schalenförmig angeordnet – negativ geladene Elektronen.

Bei der Beschreibung eines Atomkerns gibt man vor dem Elementsymbol links oben die Massenzahl (= Protonen + Neuronen) und darunter die Kernladungszahl (=Anzahl der Protonen) an.

Isotope nennt man verschiedene Atomarten eines Elementes, die in ihren Kernen bei gleicher Zahl an Protonen ungleich viele Neutronen haben.






Zerfall von Elementen:
Radioaktiver Zerfall ist kein deterministischer Prozess. (lat. determinare „abgrenzen“, „bestimmten“)
Der Zerfallszeitpunkt des einzelnen Atomkerns ist völlig zufällt.
Allerdings folgt der Vorgang einem Exponentialgesetz, so dass es für jedes Nuklid einen festen
Wert der Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit gibt.
Die Zerfallswahrscheinlichkeit kann auch durch die Halbwertszeit ausgedrückt werden.
Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die Hälfte der instabilen Atomkerne
einer Anfangsmenge zerfallen sind.
Sie kann Sekundenbruchteile, aber auch einige Milliarden Jahre betragen.
Langlebige Nuklide sind beispielsweise Uran-238, Thorium-232 und Kalium-40.
Je kürzer die Halbwertzeit, desto größer ist die Aktivität einer gegebenen Substanzmenge.

Die Aktivität einer radioaktiven Stoffmenge ist die Anzahl der Kernzerfälle pro Zeiteinheit.
Sie ist der Mittelwert der Zahl der Zerfälle pro Zeiteinheit.
Die tatsächliche Zahl der Zerfälle, die man in einem festen Zeitintervall beobachtet, schwankt zufallsweise um den Mittelwert.
Die Häufigkeit, mit der die einzelnen möglichen Anzahlen auftreten, folgt der Poisson-Verteilung.

Die Poisson-Verteilung ist eine diskrete Wahrscheinlichkeitsverteilung, die beim mehrmaligen Durchführen eines Bernoulli Experiments entsteht.

In der Wahrscheinlichkeitstheorie gibt die Wahrscheinlichkeitsverteilung an, wie sich die Wahrscheinlichkeiten auf die möglichen Zufallsergebnisse, insbesondere die möglichen Werte einer Zufallsvariable, verteilen.

Das Bernoulli Experiment ist ein Zufallsexperiment (in der Wahrscheinlichkeitstheorie bezeichnet ein Zufallsexperiment grob gesprochen einen Versuchsaufbau mit „zufälligen“ Ausgang.
Er ermöglicht eine Serie von Durchführungen, also gleichwertigen und voneinander unabhängigen Versuchen).
Ein Zufallsexperiment besitzt nur zwei mögliche Ergebnisse (z.B. Erfolg od. Misserfolg)

Allgemeines zu Zerfallsarten:
Nicht nur der Zeitpunkt des Zerfalls ist zufällig, sondern unter Umständen auch die Art des Zerfalls.
Bismut-212 kann beispielsweise mit jeweils unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf drei verschiedene Arten zerfallen.
Eine Nuklidkarte zeigt alle Nuklide mit Arten und Anteilen der möglichen Zerfälle und den Halbwertzeiten.

Bei den meisten Zerfallsarten ändert sich die Kernladungszahl (Ordnungszahl) – es entsteht also ein anderes chemisches Element (durch Ausstoß von Protonen, aber immer zusammen mit anderen neutralen Teilchen wie Neutronen) –, bei manchen auch nur die Massenzahl (durch Ausstoß von Neutronen und keinen Protonen).
Daneben gibt es Übergänge, bei denen sich nur der Anregungszustand des Kerns ändert (Übergang zwischen verschiedenen Energiezuständen desselben Nuklids). Die Stärke der Radioaktivität wird durch die physikalische Größe Aktivität beschrieben und in der Einheit Becquerel, abgekürzt Bq, angegeben.
Ein Becquerel steht für durchschnittlich einen Zerfall pro Sekunde, und repräsentiert damit gegenüber der früher auch üblichen Einheit Curie eine sehr kleine Aktivität.


Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keine Zerfallsart gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt.
Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, bzw. das Deuteron, das aus Proton und Neutron besteht.



Beim Helium enthält das stabile Isotop Helium-3 zwei Protonen und ein Neutron, das stabile Helium-4 zwei Protonen und zwei Neutronen.
Beim Lithium und allen schwereren Elementen müssen mindestens gleich viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, damit der Kern stabil ist, und bei schwereren Kernen überwiegen immer mehr die Neutronen.
Ab einer gewissen Massenzahl werden alle Atomkerne instabil.
Durch Einwirkung von Teilchenstrahlung, insbesondere Neutronenstrahlung (Neutronenaktivierung) können in Kernreaktionen stabile Atomkerne in andere, instabile Atomkerne umgewandelt werden.

Zerfallsarten

Radioaktive Kerne können auf verschiedene Weise zerfallen, je nach ihrer Zusammensetzung aus Protonen und Neutronen.
Historisch besonders bedeutsam sind die Zerfallsarten Alpha-, Beta- und Gammazerfall.
Sie wurden als erste entdeckt und sind die bei weitem am häufigsten auftretenden Umwandlungsarten. Später fand man noch weitere Zerfallsarten, die nicht mehr zu diesen drei klassischen Arten gezählt werden konnten.

Die Vielzahl existierender Zerfälle lässt sich in drei Kategorien einteilen:

Zerfälle unter Aussendung von Nukleonen:
viele radioaktive Kerne wandeln sich unter Aussendung von Nukleonen, also von Protonen, Neutronen oder sogar leichten Kernen, um.
Prominentestes Beispiel ist der Alpha-Zerfall.
Hierbei spaltet der Mutterkern einen Heliumkern ab. Seltener tritt die Aussendung einzelner Neutronen oder Protonen oder ganzer Kohlenstoffkerne auf.

Beta-Zerfälle:
wenn bei einem Zerfall Elektronen (oder deren Antiteilchen) beteiligt sind, spricht man von einem
Beta-Zerfall.
Es gibt eine ganze Reihe solcher Prozesse.
Nicht immer muss auch ein Elektron als Produkt entstehen, wie beispielsweise beim Elektroneneinfang.

Übergang zwischen Zuständen ein- und desselben Kerns:
in diesem Fall werden keinerlei Materieteilchen abgestrahlt. Entsprechend wandelt sich auch
der Kern nicht in einen anderen um; er gibt seine überschüssige Energie direkt in Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung ab. Diese kann als Gammastrahlung frei werden,
oder an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden (innere Konversion).

Alphazerfall:
Ist der Atomkern sehr schwer oder enthält er deutlich weniger Neutronen als Protonen, kann die Anziehung der starken Wechselwirkung überwunden werden und es kommt zum Alphazerfall.
Dabei verlässt ein Helium-4-Kern, in diesem Fall Alphateilchen genannt, mit einer Geschwindigkeit von einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit den Mutterkern.
Dies 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.

Betazerfall:
Wenn ein ungünstiges Verhältnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall ein.
Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines Atomkerns.



In Folge des Zerfallsvorgangs verlässt ein energiereiches Betateilchen – Elektron oder Positron – den Kern.
Gleichzeitig entsteht ein Antineutrino bzw. Neutrino.

Neutrinos haben keine Ladung und eine schwache Wechselwirkung.
Neutrinos können sich ineinander umwandeln.
Elektron – Neutrino  Myon – Neutrino  Tauron –Neutrino
Dadurch wurde festgestellt, dass die Neutrinos eine Masse haben und ein Teil der dunklen Materie sind.
Neutrinos sind theoretisch erdacht worden von Wolfgang Pauli.
In der Sonne entstehen viele Neutrinos (Konfusion).

Der Betazerfall wird nach der Art der emittierten Teilchen unterschieden.
Bei abgestrahltem Elektron handelt es sich um Beta-Minus-Zerfall (β−), bei abgestrahltem Positron um Beta-Plus-Zerfall (β+).

Nuklide mit einem Überschuss an Neutronen zerfallen über den β−-Prozess.
Ein Neutron des Kerns wandelt sich in ein Proton um und sendet dabei ein Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino aus.
Sowohl Elektron als auch Antineutrino verlassen den Atomkern, da beide Leptonen sind und nicht der starken Wechselwirkung unterliegen.
Da sich nach dem Zerfallsprozess ein Neutron weniger, aber ein Proton mehr im Kern befindet, bleibt die Massenzahl A unverändert, während sich die Kernladungszahl Z um 1 erhöht. Das Element geht also in seinen Nachfolger im Periodensystem über.

Zerfall des freien Neutrons
Auch ein freies Neutron unterliegt dem Betazerfall.
Dabei wandelt es sich in ein Proton, ein Antineutrino und ein Elektron um, das als Betastrahlung nachgewiesen werden kann.
Wegen der relativ geringen Zerfallswahrscheinlichkeit, d. h. langen Lebensdauer von etwa 885,7 Sekunden, spielt dieser Zerfall in der Umwelt auf der Erde keine merkliche Rolle, weil jedes frei werdende Neutron sehr viel schneller durch einen Atomkern eingefangen wird.






Strahlenarten:
Man unterscheidet drei Typen radioaktiver Strahlung:
Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung

Alphastrahlung:
Alphastrahlung ist eine Art ionisierender Strahlung, die bei einem radioaktiven Zerfall, dem Alphazerfall, auftritt.
Bei der Alphastrahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung, bestehend aus Helium 4 Atomkernen, Alphateilchen genannt, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.
Die Reichweite in Luft beträgt bis 9 cm.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt 5 bis 7% der Lichtgeschwindigkeit.
Man sollte in jedem Fall den Körperkontakt mit diesen Strahlen meiden.
Eine Abschirmung ist möglich durch ein Blatt Papier.

Betastrahlung:
Als Beta-Strahlung bezeichnet man eine Strahlung aus Elektronen, die durch den Beta-Zerfall von Atomkernen entsteht.
Elektronenstrahlen können auch in einer Elektronenkanone erzeugt werden, als Beta-Strahlung bezeichnet sie man jedoch nur, wenn sie aus einem Kernzerfall stammt.

Die Reichweite in Luft Beträgt bis 8,5 cm.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt bis zu 99% Lichtgeschwindigkeit.
Auf jeden Fall sollte der direkte Körperkontakt auch mit Betastrahlen vermeiden werden.
Eine Abschirmung ist möglich durch eine dünne Aliminium- oder Bleischicht.

Der Beta-Zerfall eines Kerns wird durch die schwache Kernkraft (ist nicht nur eine anziehende oder abstoßende Kraft, sie wandelt Teilchen auch ineinander um) verursacht.
Hierbei verlässt ein schnelles Elektron den Kern.
Es wird beim Zerfall erzeugt.
Gleichzeitig wandelt sich ein Neutron des Kerns in ein Proton um und ein beinahe Anti-Neutrino verlässt zusammen mit dem Elektron den Kern.
 Betastrahlen bestehen aus Neuronen; sie entstehen also bei der Umwandlung von Neuronen in Protonen.

Gammastrahlung:
Gammastrahlen sind besonders kurzweilige elektromagnetische Wellen.
Die Gamma-Strahlung besteht aus Photonen, also Lichtteilchen.
Es handelt sich dabei um eine Strahlung, die eine weit höhere Energie hat als sichtbares Licht.

Gamma-Strahlung entsteht, wenn ein Atomkern von einem energiereichen Zustand in einen energiearmen Zustand übergeht, ohne dass sich dabei die Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern ändert.
In einem energiereichen Zustand befindet sich ein Atomkern, wenn er rotiert oder gegenüber der günstigsten Form (oft die Kugelform) verformt ist.
Die abgestrahlte Gamma-Strahlung kann Informationen über den Aufbau des Atomkerns und seine Schwingungsmöglichkeiten enthalten.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt Lichtgeschwindigkeit.
Die Reichweite in Luft die größte Reichweite.
Zu Gammastrahlen sollte großer Abstand gehalten werden.
Eine Abschirmung ist möglich durch Bleiplatten oder andere Materialien hoher Dichte.

Gamma-Strahlung ist mit der von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckten Röntgenstrahlen identisch.
Die Begriffe werden jedoch unterschiedlich verwendet.



Als Röntgenstrahlung wird in der Regel die Strahlung bezeichnet, die nicht bei der Kernreaktion, sondern bei der Wechselwirkung von schnellen Elektronen mit Materie entsteht. Sie wird zum Beispiel in Röntgenröhren durch sogenannte Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung erzeugt und zur Abbildung von Knochenbrüchen verwendet.
Der Begriff Gamma-Strahlung wird dagegen nur verwendet, wenn die Strahlung aus Atomkernen stammt.








Altersbestimmung mit Hilfe natürlicher Radionuklide:

Isotopenmessung
Mit der Entdeckung der Radioaktivität wurden verschiedene Messmethoden entwickelt, die auf der Untersuchung des Mengenverhältnisses natürlicher Radioisotope beruht.
Die Isotopenverhältnisse ändern sich aufgrund unterschiedlicher Zerfallszeiten (Halbwertszeit) oder natürlicher Bestrahlung (Radioaktivität der Erde oder extraterrestrische Strahlung).
Die erste auf der Uran-Blei-Zerfallsreihe beruhende Altersbestimmung wurde 1913 von Arthur Holmes veröffentlicht und war seinerzeit sehr umstritten.
Fritz Houtermans publizierte 1953, basierend auf von Clair Cameron Patterson durchgeführten Uran-Blei Isotopenmessungen an Meteoriten, das heute akzeptierte Erdalter von ca. 4,5 Milliarden Jahren.
Heute werden unterschiedliche radioaktive Isotope sowie ihre Zerfallsprodukte benutzt, um das Alter von Gesteinen zu bestimmen.
Das Alter eines Gesteins ist je nach Untersuchungsmethode unterschiedlich zu interpretieren.
Bei magmatischen Gesteinen können sowohl das Alter der Kristallisation (der Platznahme in der Erdkruste) und je nach untersuchtem Mineral auch mehrere Abkühlalter bestimmt werden. Ebenso kann in metamorphen Gesteinen der Zeitraum eines Metamorphose-Ereignisses festgestellt werden.
In manchen Sedimenten bilden sich während der Ablagerung bestimmte Minerale (zum Beispiel Glaukonit in vielen marinen (Grün-)Sandsteinen), deren Entstehungsalter durch Messung radioaktiver Isotope bestimmt werden kann.
Dieses Alter wird dann als Sedimentationsalter interpretiert.

Die Uran-Blei-Methode
Für die Altersbestimmung von Gesteinen ist der Zerfall von Radionukliden mit hohen Halbwertzeiten geeignet.
Diese Uran-Blei-Methode nutzt zwei Zerfallsreihen:
.,Zerfall des Radioisotops U-235 mit einer Halbwertzeit von 703,8 Mio. Jahren über verschiedene Tochterisotope zu stabilem Pb-207 (Uran-Actinium-Reihe)
., Zerfall des Radioisotops U-238 mit einer Halbwertzeit von 4,468 Mrd. Jahren über verschiedene Tochterisotope zu stabilem Pb-206 (Uran-Radium-Reihe)
Das Alter uranhaltiger Minerale kann nun über das Verhältnis der Tochterisotope zum verbliebenen Anteil des Mutterisotops unter Kenntnis der Halbwertzeit des Mutterisotops bestimmt werden.
Ein großer Vorteil der Uran-Blei-Methode ist, dass man meist beide Zerfallsreihen benutzen und damit sein Ergebnis absichern kann.
Wegen der hohen Halbwertszeiten ist die Methode am besten geeignet, Alter ab 1 Millionen Jahre zu bestimmen.

Die Radiokarbonmethode:
Die Radiokarbonmethode ist zur Altersbestimmun von kohlenstoffhaltigen Stoffproben geeignet.
Die besonders zur Altersbestimmung organischen Materials erdgeschichtlich jüngeren Materials geeignete Radiokarbonmethode nutzt den Zerfall des durch kosmische Strahlung in der höheren Atmosphäre entstandenen 14C (Halbwertzeit: 5730 Jahre).
Sie ist für geologische Zwecke nur dann geeignet, wenn kohlenstoffhaltige Objekte datiert werden sollen, die weniger als ca. 50.000 Jahre alt sind. Damit ist sie auf das Quartär begrenzt.
Das Hauptanwendungsgebiet der Radiokarbonmethode ist die Archäologie und die archäologische Stratigraphie.




Nutzung künstlicher Radioisotope:

Anwendung in der Wissenschaft:

Radioisotope besitzen die gleichen chemischen Eigenschaften wie nicht radioaktive Isotope
derselben Elemente.
Aus diesem Grund ersetzt man in bestimmten Verbindungen die inaktiven Isotope durch Radioisotope, um diese als Indikatoren nutzen zu können.
Mithilfe geeigneter Detektoren können die Radioisotope dann nachgewiesen werden.
Anwendungsbeispiele der so genannten Tracermethode sind:
., Nachweis des Lösungsgleichgewichtes von schwer löslichen Salzen
., Untersuchung von Stoffwechselwegen, z.B. Aufklärung der Dunkelreaktion der
Fotosynthese durch Einsatz von Kohlenstoff 14

Anwendung in der Technik:

In der Technik werden künstlich erzeugte Radioisotope eingesetzt für
., die Kontrolle der Dicke verschiedener Werkstoffe wie Metalle, Textilien, oder Papier im
laufenden Produktionsprozess durch Messung der Strahlungsintensitäten vor und nach
Prüfstoffdurchtritt
., die Überprüfung der Bewegung von Öl in Pipelines um Dichtigkeit, Strömungsgeschwindigkeit
Zu messen oder Verstopfungen zu erkennen
., die Bereitstellung von Energie (Isotopenbatterien) durch Umwandlung der erzeugten
Energiewärme in elektrische Energie
., Verschleißprüfungen verschiedener Materialien, etwa die Prüfung von Tragseilen verschiedener
Bergbahnen mittels Durchstrahlung mit dem Radionuklid Iridium 192 bzw. die Untersuchungen
von Schmierstoffeigenschaften durch Feststellung des Abriebs, oder auch die Prüfung von
Schweißnähten mittels Gammastrahlung

Anwendung in der Lebensmittelindustrie:

Im Gegensatz zur Hitzesterilisierung bzw. Kältekonservierung treten bei einer Konservierung von Nahrungsmitteln durch Sterilisation mittels Gammastrahlung keine Geschmacksverluste auf.

Verwendung in der Medizin:

Bei der Strahlendiagnostik werden den Patienten Substanzen verabreicht, die mit bestimmten Radionukliden markiert sind.
Aus dem Ausmaß und der Geschwindigkeit der Ansammlung lassen sich Rückschlüsse bezüglich krankhafter Veränderungen ziehen.

Konkrete Anwendungen sind:
., der Nachweis eines Tumors mit Phosphor 32.
Dabei findet eine verstärkte Anreicherung der markierten Substanz im stoffwechselgesteigerten
Tumorgewebe statt. Dies zeigt sich durch verstärkte Strahlung im erkrankten Gewebe.
., die Schilddrüsen-Funktionsprüfung mit Iod 131.
Hierfür wird dem Patienten eine bestimmte Menge dieser Substanzen injiziert, die innerhalb
weniger Stunden zu ca. 90% von der Schilddrüse aufgenommen wird.
Der zeitliche Verlauf der Aufnahme durch die Schilddrüse sowie die insgesamt gespeicherte
Menge gibt Auskunft über den Zustand der Schilddrüse.
., die Untersuchung von Stoffwechsel und Blutkreislauf: Man verfolgt u.a. die (Abbau-) Wege
Bestimmter Giftstoffe und erhält damit Informationen über den Stoffwechsel.






In der Strahlentherapie wird ionisierende Strahlung zur Behandlung bösartiger Erkrankungen wie Krebs eingesetzt.
Das Prinzip der Strahlentherapie beruht auf der Tatsache, dass Tumorgewebe gegenüber ionisierender Strahlung empfindlicher ist und durch diese stärker geschädigt wird, als gesundes Gewebe.
Gleichzeitig erneuert sich gesundes Gewebe nach Strahleneinwirkung besser.
Die Bestrahlung von Krebszellen erfolgt in der Regel mit Kobalt 60.


Unter Lasereinsatz wird dabei einer eng begrenzten Körperstelle eine ganz bestimmte Strahlendosis verabreicht.
Man richtet etwa von verschiedenen Richtungen mehrere gebündelte Strahlen so aus, dass sie sich im Tumorgewebe treffen, dabei aber das gesunde Gewebe nur mit geringer Intensität durchdringen.








Zerfallsgleichungen – Zerfallsgesetz und Zerfallsreihen:

Für radioaktive Zerfallsreaktionen gelten die Verschiebungsgesetze.

Die Ursache für die Aussendung radioaktiver Strahlung liegt im Atomkern.
Radioaktive Atomkerne werden als Radionuklide bezeichnet, die durch das Elementsymbol mit vorgestellter Masse- und Kernladungszahl charakterisiert werden.

Die Massenanzahl A gibt die Anzahl der Kernbausteine (Nukleonen) an.
Sie gibt Aufschluss darüber, wie viele Protonen und Neutronen den Kern bilden.

Die Kernladungszahl Z ist gleich der Zahl der Protonen im Kern, entspricht also der Ordnungszahl im Periodensystem.

Die Verschiebung beim Alpha Zerfall:
Sendet ein Radionuklid ein Alpha Teilchen aus, so entsteht ein neuer Atomkern mit einer um vier Einheiten kleineren Massenzahl und einer um zwei Einheiten geringeren Kernladungszahl.

Bei kernchemischen Gleichungen müssen die Summen der Massenzahlen (Nukleonenzahlen) auf beiden Seiten der Gleichung übereinstimmen.
Dasselbe gilt für die Kernladungszahlen (Protonenzahlen).

Am radioaktiven Zerfall ist primär nur der Kern eines Atoms beteiligt.
Veränderungen im Kern können sich jedoch sekundär auf die Atomhülle auswirken, da sich die Elektronenzahl der Protonenzahl im Kern durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen anpassen kann.
Nach einem Alpha Zerfall werden beispielsweise zwei Elektronen aus der Hülle abgegeben.
Damit entsteht ein neues Element, das im Periodensystem zwei Stellen weiter links steht als das Ausgangselement, aus dem es hervorgegangen ist.
Alpha Zerfall tritt bei schweren Kernen mit einer Kernladungszahl größer als 83 auf.

Die Verschiebung beim Beta Zerfall:
Sendet ein Radionuklid ein Beta Teilchen aus, so entsteht ein Atomkern mit unveränderter Massenzahl und einer um eins vergrößerten Kernladungszahl.
Das ausgesandte Elektron stammt auch hier aus dem Kern nicht aus der Hülle.
Es wird gebildet, weil ein Neutron des Kerns in ein Proton und ein Elektron zerfällt, welches dann abgestrahlt wird.
Außerdem entsteht ein Elementarteilchen der Ruhemasse 0 und variablen Energiegehaltes, ein sogenanntes Antineutrino.
Nach Anpassung der Elektronenzahl an die veränderte Kernladungszahl entsteht durch Beta Zerfall ein Element, das im Periodensystem eine Stelle weiter rechts steht als das Ausgangselement.
Beta Zerfall tritt v.a. bei Kernen auf, die im Vergleich zur Protonenzahl eine zu hohe Neutronenzahl besitzen.
Durch den Zerfall erhöht sich die Protonenzahl, die Neutronenzahl wird kleiner.


Die Verschiebung bei Gammastrahlung:
Gammastrahlung wird in Verbindung mit einem Alpha oder Betazerfall abgegeben.
Es handelt sich um energiereiche elektromagnetische Strahlung, die portionsweise in Form von Photonen abgegeben wird.





Bei Aussendung eines Gamma-Quants ändert sich weder die Massen- noch die Kernladungszahl, der radioaktive Atomkern geht dabei aber von einem energiereicheren, angeregten in einen energieärmeren Zustand über.

In der Natur gibt es drei Zerfallsreihen, die alle mit einem Bleiisotop enden.
Uran-Actinium-Reihe: Massenzahlen 4n+3
Uran-Radium-Reihe: Massenzahlen 4n+2
Thorium-Reihe: Massenzahlen 4n

Ableitung der radioaktiven Zerfallsgesetze:

Der radioaktive Zerfall gehorcht statistischen Gesetzmäßigkeiten.
Von einer Probe gleichartiger Radionuklide zerfällt in jeder Zeiteinheit ein gleichbleibender Anteil der jeweils noch vorhandenen, unzerfallenen Atome.
Die Zerfallsgeschwindigkeit ist somit proportional der Anzahl der unzerfallenen Atome.

Da durch den Zerfall die Anzahl der unzerfallenen Atome verkleinert wird, hat der Geschwindigkeitsausdruck ein negatives Vorzeichen.
Die Zerfallskonstante, die ein Maß für die Zerfallswahrscheinlichkeit darstellt, ist eine charakteristische Größe für jedes Nuklid.
Aufgrund der statistischen Natur des radioaktiven Zerfalls kann man zwar berechnen, welcher Bruchteil einer großen Anzahl von Atomen in einer bestimmten Zeit zerfällt, man kann aber nichts über die Lebensdauer eines einzelnen Atoms voraussagen.
Es kann in der nächsten Sekunde oder erst in Tausenden von Jahren zerfallen.
Bei einer hinreichen großen Anzahl von Atomen lässt sich lediglich eine Wahrscheinlichkeitsaussage über den zeitlichen Ablauf des Zerfalls machen.
Oft wird zur Charakterisierung der Zerfallswahrscheinlichkeit nicht die Zerfallskonstante angegeben, sondern die Halbwertszeit.

Natürliche Zerfallsreihen:

Häufig entsteht beim Zerfall eines Atomkerns ein neuer Atomkern, der wiederum instabil ist, also eine begrenzte mittlere Lebensdauer hat.
Der Tochterkern zerfällt ebenfalls, usw.
Damit ergibt sich eine so genannte „Zerfallsreihe“, die erst beendet ist, wenn ein stabiles Nuklid entsteht.
Da sich in jeder Zerfallsreihe nur bei Alpha Zerfällen die Massenzahl ändert, gibt es nur vier verschiedene Zerfallsreihen, deren die Massenzahlen 4n. 4n+1, 4n+2 und 4n+3 besitzen.
In der Natur sind nur drei Zerfallsreihen von Bedeutung – siehe oben.




Natürliche und künstliche Radioaktivität:
Radionuklide entstehen sowohl bei technischen Anwendungen, wie etwa der Nutzung der Kernenergie als auch durch natürliche Vorgänge.
Einige Radionuklide, z.B. Uran-238, Thorium-232 oder Kalium-40 sind aufgrund ihrer langen Halbwertszeit seit Entstehung der Erde existent. Unter der Halbwertszeit eines Nuklides versteht man die Zeit, nach der die Hälfte der radioaktiven Atome durch Zerfall umgewandelt ist. Die Zeitspanne kann von Bruchteilen einer Sekunde bis zu Milliarden von Jahren reichen.
Uran-238 und Thorium-232 sind u.a. Ausgangsnuklide von Zerfallsreihen, die zahlreiche weitere natürliche Radionuklide erzeugen. Von diesen Radionukliden gelangen die Edelgase Radon (Radon-222) bzw. Thoron (Radon-220) und ihre Folgeprodukte zum Teil auch in die Atmosphäre.
Radionuklide, die aus irdischen Gesteinsschichten stammen, werden aufgrund ihrer Herkunft als geogen bezeichnet.
Als Bestandteile der Erdkruste können sie auch in Baumaterialien auftreten.
Demgegenüber stehen kosmogene Radionuklide, die durch die energiereiche Weltraumstrahlung in der Atmosphäre gebildet werden. Beispiele hierfür wären Kohlenstoff-14, Beryllium-7 oder Tritium.
Natürliche Radionuklide
Natürliche Radionuklide kommen in der Biosphäre oder in der Erde vor.
Sie stammen zum Teil aus dem Reservoir der bei der stellaren Nukleosynthese gebildeten Nuklide, insbesondere die schweren mineralischen Radionuklide wie Uran-235.
Diese sogenannten primordialen Radionuklide müssen entsprechend lange Halbwertszeiten haben. Da sich der Anteil der bei der Nukleosynthese gebildeten Nuklide modellieren lässt, und die Radionuklide unter diesen gemäß ihren Halbwertszeiten zerfallen, lässt sich aus ihren heute gemessenen Anteilen auf das Alter der die Erde bildenden Materie schließen.
Ein anderer Teil der natürlichen Radionuklide wird kontinuierlich durch die Wechselwirkung hochenergetischer kosmischer Strahlung (Höhenstrahlung) mit der Atmosphäre gebildet. Diese Radionuklide nennt man kosmogen.
Das radioaktive Kohlenstoffisotop 14C (Halbwertszeit ca. 5730 Jahre) ist der bekannteste Vertreter dieser Gattung.
Der Rest der natürlichen Radionuklide wird von den wiederum radioaktiven Zerfallsprodukten der ersten Gattung gebildet. Man nennt diese Radionuklide radiogen.

Künstliche Radionuklide

entstehen durch Aktivitäten des Menschen, unterliegen aber samt ihren Strahlungen denselben Gesetzmäßigkeiten wie die natürlich vorkommenden Radionuklide.

Unter künstlichen Radionukliden versteht man solche, die durch Kernreaktionen (Neutronenbestrahlung), z.B. im Kernreaktor entstehen.





Praktische Bedeutung für die Belastung von Mensch und Umwelt haben jedoch nur wenige Nuklide, die entweder große Halbwertszeiten besitzen oder wegen ihres physiologischen Verhaltens eine hohe effektive Äquivalentdosis erzeugen.
Allen bekannt ist das längerlebige Cäsium-137 als heute noch nachweisbare Folge des Reaktorunfalls von Tschernobyl im April 1986, das fast in jedem am Stoffkreislauf beteiligten Umweltmedium in unterschiedlichen Konzentrationen zu finden ist.
Daneben sind auch die Auswirkungen der früheren oberirdischen Kernwaffentest-Explosionen aus den 50er und 60er Jahren noch nachweisbar. Hierher stammt ein Teil des heute in der Umwelt vorhandenen Cäsium-137 sowie des vorhandenen Strontium-90.
Auch in Medizin, Technik und Forschung finden Strahlenquellen Anwendung, z.B. bei der medizinischen Diagnose, der Tumortherapie oder zum Nachweis bestimmter Stoffwechselprodukte in der biochemischen Grundlagenforschung wie auch auf dem Gebiet der Werkstoffprüfung.






Kernspaltung:
Entdeckt wurde die Kernspaltung von Otto Hahn.
Er sagte 1938: „Möchten die ungeheuren Möglichkeiten, die mit der Verwertung der Kernumwandlungen verbunden sind, zum Segen der Menschheit und nicht zu ihrer Vernichtung führen“.

Vorgang der Kernspaltung
Unter Kernspaltung versteht man die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwere Kerne und zwei oder drei Neutronen.
Zur Kernspaltung ist die Zufuhr einer gewissen Energie, der Aktivierungsenergie, erforderlich, die für die einzelnen Kernarten verschieden groß ist.
Sie kann durch Beschuss mit Neutronen, Protonen, Deuteronen, Alphateilchen oder Gammaquanten zugeführt werden.
Als besonders geeignet haben sich Neutronen erwiesen, weil sie durch die Coulombschen Kräfte des Atomkernes nicht abgestoßen werden und deshalb leichter in den Kern eindringen können, als Geschosse mit positiver Ladung.

Betrachten wir den Kern 235 U als einen kugelförmigen Tropfen, so ist es diejenige Gestalt, die die kleinstmögliche Oberflächenenergie hat.
Um ihn in die Länge zu ziehen oder gar in zwei Hälften zu teilen, muss Arbeit aufgewandt werden, weil dies auf eine Vergrößerung seiner Oberfläche hinausläuft. Ein in den Kern eindringendes Neutron bringt nun so viel Energie mit, dass sich dieser verformt und wie eine elastische Masse Deformationsschwingungen ausführt.
Dabei nimmt der Zwischenkern 236 U vorübergehend eine hantelförmige Gestalt an. Weil aber der Kern als Ganzes positiv geladen ist, entstehen dadurch zwei getrennte Ladungsschwerpunkte, die sich wegen ihrer gleichnamigen Ladung gegenseitig abstoßen.
Der Kern schnürt sich ein, zerreißt in zwei Teile, und die z.B. neugebildeten Ba-143- und Kr-90-Kerne fliegen unter Abgabe von drei Neutronen auseinander.

Ein Kern zerfällt bei einer Spaltung im allgemeinen nicht in zwei gleich schwere, sondern in zwei verschieden schwere Spaltfragmente, die meist radioaktiv sind; sie besitze einen erheblichen Neutronenüberschuss, den die durch mehrfachen Betazerfall abgeben

Energiefreisetzung durch Kernspaltung

Diese Bruchstücke stoßen so oft mit anderen Atomen zusammen, bis sie ihre gesamte Bewegungsenergie abgegeben haben.
Die Atome schwingen dafür heftiger, d.h. die Materie bekommt eine größere innere Energie und damit eine höhere Temperatur.
Man erkennt, welch ungeheure Energiemengen im Vergleich zu chemischen Prozessen bei Kernspaltungen umgesetzt werden.
Diese Energie nennt man Kernenergie.
Die bei der Kernspaltung frei werdenden hohen Energiebeträge werden im Kernreaktor in Wärmeenergie oder elektrische Energie umgewandelt.

Masse und Energie sind im Grund ein und dasselbe, nur dass sie sich unter bestimmten Umständen wechselseitig ineinander verwandeln können:
E = mc2 Dies ist die berühmte Gleichung von Albert Einstein, die besagt, dass man eine bestimmte Masse m mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multiplizieren muss, um den
Betrag an Energie zu erhalten, der in dieser Masse steckt und befreit wird, wenn sich diese Masse durch irgendeinen physikalischen Prozess in Energie verwandelt.




Für die Energiegewinnung durch Kernspaltung steht in der Natur nur das Uran-235 zu Verfügung.
Der Anteil des spaltbaren Uran-235 am natürlichen Uran beträgt jedoch nur 0,7%. Dies reicht nicht aus.
Deshalb verwendet man als Brennstoff Uran, bei dem der Anteil des spaltbaren Uran-235 auf 3% angereichert wurde.

Wie kommt es zur Kettenreaktion?

Die Kettenreaktion ist eine Folge von Kernspaltungen, die immer dann zustande kommt, wenn bei einer durch ein Neutron hervorgerufenen Kernspaltung wieder ein oder mehrere Neuronen frei werden, die ihrerseits mindestens eine weitere Kernspaltung bewirken.
Die Kettenreaktion kann bei ausreichender Größe der reaktionsfähigen Masse infolge stets vorhandener Neutronen von selbst ausgelöst werden (Spontanspaltung).
Es müssen in der zu spaltenden Masse mehr Neutronen erzeugt werden, als in der gleichen Zeit verlorengehen.
Die bei der Kernspaltung freiwerdenden Neutronen bewegen sich zu schnell um wiederum genügend weitere U-235-Kerne spalten zu können. Damit kann keine Kettenreaktion zustande kommen.
Die Neutronen müssen deshalb auf eine niedrigere Geschwindigkeit abgebremst werden. Dazu benutzt man einen Moderator:
Moderatoren – zum Beispiel Graphit oder Wasser – bewirken, dass die Neutronen durch Zusammenstöße mit den Atomkernen ihre Bewegungsenergie verlieren, aber nicht absorbiert werden. So können sie weitere Spaltungen auslösen.

weitere Bedingungen für einen Kettenreaktion:
Eine ausreichen große Menge Uran-235 muss vorhanden sein, sonst entweichen zu viele Neutronen durch die Oberfläche der Kernbrennstoffmenge, ohne auf spaltbare Kerne zu treffen

Das im Natururan überwiegende U-238 fängt zwar Neutronen ein, spaltet sich aber selbst in nur ganz geringer Menge. Nur eine ausreichende Anzahl von Kernen U-235 bzw. Pu-239 oder U-233 gewährleistet den Fortgang der Reaktion.

Wie kann man die Kettenreaktion kontrollieren?

Bei einer Atombombe läuft der Prozess der Kettenreaktion explosionsartig ab, während man beim Reaktor dafür sorgt, dass die Zahl der Urankerne, die in jeder Sekunde gespalten werden, in Grenzen bleibt, so dass die Energie langsam ausströmt, nicht zerstörerisch wirkt und daher genutzt werden kann.
Man muss die Zahl der Neutronen, welche die Reaktion von Atom zu Atom weiterreichen verringern, um die Kettenreaktion abzubremsen.
Das geschieht dadurch, dass man den Uranblock mit solchen Stoffen versetzt, welche Neutronen absorbieren.
Das Metall Cadmium zum Beispiel ist ein solcher Stoff (Absorber), den man in Form von langen Stäben in die Brennkammer eines Reaktors einführt. Wenn man sie langsam herauszieht werden immer weniger Neutronen absorbiert, und die Ergiebigkeit der Kettenreaktion steigt an.









Reaktor:

Ein Kernreaktor ist eine Anlage, in der eine Kernspaltungsreaktion kontinuierlich im makroskopischen, technischen Maßstab abläuft.
Weltweit verbreitet sind Kernreaktoranlagen, die durch die Spaltung (Fission) von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus meist elektrische Energie gewinnen.
Andere Anwendungen sind beispielsweise die Erzeugung von freien Neutronen, etwa für Zwecke der Materialforschung, oder von bestimmten radioaktiven Nukliden, etwa zu medizinischen Zwecken.

Reaktortypen

Die ersten Versuchsreaktoren waren simple Aufschichtungen von spaltbarem Material, siehe Chicago Pile.
Moderne Reaktoren werden nach der Art der Kühlung, der Moderation und der Bauweise unterteilt.

Druckwasserreaktoren (DWR) gehören zur Baulinie der Leichtwasserreaktoren.
„Leichtes“ Wasser (H2O) dient als Moderator (Neutronenbremsmittel) und Kühlmittel, das die durch die Kernspaltung erzeugte Wärme aufnimmt und weiterleitet.
Der Reaktordruckbehälter steht unter einem Druck von 150 bis 160 bar. Dieser hohe Druck verhindert das Sieden des Wassers – trotz der Temperatur von etwa 320 °C.
Ein in sich geschlossener Hauptkühlmittelkreislauf, der Primärkreislauf, überträgt die im Reaktor erzeugte Wärme an die Dampferzeuger, wo das Wasser wegen des niedrigen Drucks von etwa 60 bar zum Sieden kommt.
An den Wasser-Dampf-Kreislauf (Sekundärkreislauf) ist die Turbine angeschlossen, die mit dem Generator auf einer Welle angeordnet ist. Die Trennung von Hauptkühlmittel- und Dampf-Wasser-Kreislauf mittels Dampferzeuger verhindert, dass radioaktive Stoffe den Primärkreislauf verlassen.
Der "abgearbeitete" Wasserdampf wird durch einen dritten Kreislauf, den Kondensator-Kühlkreislauf wieder zu Wasser kondensiert.

Auch Siedewasserreaktoren (SWR) sind Leichtwasserreaktoren.
„Leichtes“, normales Wasser dient als Moderator und Kühlmittel, das die durch die Kernspaltung erzeugte Wärme aufnimmt und weiterleitet.
Der Reaktordruckbehälter, in dem das Waser bei der verwendeten Temperatur von etwa 290 °C zum Sieden kommt, steht unter einem Druck von etwa 70 bar.
Der Wasserdampf wird direkt auf die Turbine geleitet, die mit dem Generator gekoppelt ist.
Der "verbrauchte" Dampf, der einen großen Teil seiner Energie an die Turbinen übergeben hat, wird durch einen zweiten, den Kondesatorkreislauf wieder zu Wasser kondensiert, das in den primären Kühlkreislauf zurückgespeist wird.
Im Maschinenhaus der Siedewasserreaktoren sind besondere Schutzvorrichtungen installiert, weil die Dampfleitungen, die Turbine, der Kondensator und die Kondensatleitungen des SWR aufgrund des schwach radioaktiven Dampfes Ablagerungen enthalten können.






Atombombe:

Mit dem Begriff „Atombombe“ im engeren Sinne wurden allgemein die auf der Kernspaltung (Fission) beruhenden Kernwaffen bezeichnet.
Im Gegensatz dazu wurden die Fusionswaffen mit dem Begriff „Wasserstoffbombe“ belegt. Daneben gibt es Spezialentwicklungen wie die „Kobaltbombe“ und die „Neutronenbombe“. Heute werden alle Arten von Waffen, die Kernumwandlungen benutzen, unter der Bezeichnung nukleare beziehungsweise Kernwaffe zusammengefasst.

Atomwaffen sind Waffen, deren Wirkung auf kernphysikalischen Prozessen beruht, insbesondere der Kernspaltung und Kernfusion.

Konventionelle Waffen beziehen dagegen ihre Explosionsmenge aus chemischen Reaktionen, bei denen die Atomkerne unverändert bleiben.

Wie gewaltig die bei Kernspaltungen frei werdende Energie tatsächlich ist, wenn nur die Anzahl der Spaltung genügend groß ist, wurde spätestens sieben Jahre nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahre 1938 durch Hahn, Meitner und Staßmann auf schreckliche Art und Weise deutlich:

Am 16. Juli 1945 wurde die erste Atombombe in der Wüste von New Mexico bei Los Alamos gezündet.
Ihre Sprengkraft entsprach der von 18 600 Tonnen TNT.

Bereits wenige Tage später, am 6. August 1945 wurde die erste Atomwaffe in einer kriegerischen Auseinandersetzung eingesetzt.
Um Japan zur Kapitulation zu zwingen, gab der amerikanische Präsident Truman den Befehl, eine Atombombe auf die Stadt Hiroshima abzuwerfen.

Am 9. August 1945 fiel eine weitere Atombombe auf die Stadt Nagasaki.

In Hiroshima wurden allein 2000 000 Menschen getötet und rund 100 000 verletzt.
Die Explosion zerstörte eine Fläche von mehr als zehn Quadratkilometern.
Die eingesetzte Bombe besaß eine Sprengkraft, die der von 20 000 Tonnen TNT entsprach, die Explosion war dabei von nur einer tennisballgroßen Menge Plutonium ausgelöst worden.
Nach dem zweiten Weltkrieg wurden Bombentypen entwickelt, die sich diejenige Energie nutzbar machten, die bei der Fusion leichter Kerne frei werden.

Als Ergebnis dieser Waffenforschung wurden Wasserstoffbomben hergestellt, bei denen die Kerne der Wasserstoffisotope zu schweren Heliumkernen verschmolzen.
Damit wurde die Sprengkraft vieler Megatonnen TNT erreicht.





Halbwertzeit:
Beim Zerfall eines Atomkerns (Mutterkern) geht dieser über einen oder mehrere Zwischenschritte in einen stabilen Kern (Tochterkern) über.
., der radioaktive Zerfall erfolgt spontan (zufällig) und kann weder durch physikalische noch
durch chemische Veränderungen beeinflusst werden
., Für ein einzelnes radioaktives Atom kann man nicht vorhersagen, ob es in der nächsten
Sekunde oder erst nach Tausenden von Jahren zerfallen wird.
Wenn eine große Anzahl von Atomkernen vorliegt, lässt sich jedoch eine
Wahrscheinlichkeitsaussage machen. Dann kann man die Anzahl von Atomkernen vorhersagen,
die in einer bestimmten Zeitspanne zerfallen.
Unter der Halbwertzeit versteht man die Zeitspanne, in der die Hälfte der Atome einer radioaktiven Substanz zerfallen ist.
Dabei sinken die Menge und die Aktivität eines radioaktiven Stoffes auf den halben Wert.




Nuklidkarte:
Die Nuklidkarte oder Isotopentabelle ist eine grafische Darstellung aller bekannter Nuklide (Atomsorten).
Sie ist für die Kernphysik von ähnlicher Bedeutung wie das Periodensystem der Elemente für die Chemie.
Da ein Nuklid durch die Anzahl seiner Protonen und Neuronen bestimmt ist, bietet sich eine zweidimensionale Darstellung an.
Die Anzahl der Protonen wird konventionsgemäß nach oben, die der Neuronen nach rechts aufgetragen.
Damit sind: in den Zeilen die Nuklide mit gleichen chemischen Eigenschaften (Isotope) angeordnet, in den Spalten die Nuklide mit konstanter Neutronenzahl (Isotone), von links oben nach rechts unten diagonal mit konstanter Nukleonenzahl (Isobare) und von links unten nach rechts oben diagonal die Nuklide mit konstantem Neutronenüberschuss (Isodiaphere) angeordnet.

Die Nuklidkarte listet die wichtigsten Eigenschaften auf, wie die Atommasse, Halbwertszeit, Zerfallsarten, Zerfallsenergie und Isomere.
Oft werden die Nuklide nach ihren Zerfallseigenschaften (stabil, radioaktiv, Zerfallsart, Halbwertszeit) farblich markiert.





Chemie und Physik der Atmosphäre

Ozonloch

Als Ozonloch wird eine ungewöhnlich starke, geographisch abgegrenzte Abnahme der Ozonschicht bezeichnet, die auf chemischen Abbauprozessen beruht.
Das Ozonloch wurde Ende der 1970er Jahre zunächst nur über der Südpolarregion, später (1992) auch über der Nordpolarregion beobachtet.
Natürliche geringfügige Schwankungen in der Ozonschicht, die vermutlich durch die Sonnenaktivität hervorgerufen werden, sind schon länger bekannt.

Der Abbau des Ozons wird durch gasförmige Halogenverbindungen verursacht.
Es gibt zwar auch natürliche Quellen, doch wird das gegenwärtige Ozonloch nach heutigem Wissensstand durch die vom Menschen zusätzlich in die Atmosphäre gebrachten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verursacht.

Der Abbau der Ozonschicht hat negative Folgen für Mensch und Umwelt, da UV-Strahlung nicht mehr in vollem Umfang absorbiert wird.

Ursachen
Bereits 1974 warnten Mario J. Molina und Frank Sherwood Rowland vor den negativen Auswirkungen von anthropogenen Fluorchlorkohlenwasserstoffen auf die Ozonschicht, was 1985 durch die Entdeckung des Ozonlochs bestätigt wurde.
1995 bekamen die beiden Forscher dafür zusammen mit Paul J. Crutzen den Nobelpreis für Chemie[2].

In der oberhalb der Troposphäre liegenden Stratosphäre (ab ca. 8 km über den Polen) sammeln sich ozonschädigende Gase.
Wegen getrennter Temperaturverhältnisse und Strömungskreisläufe in beiden Schichten können in die Stratosphäre gelangte Stoffe nicht mehr verschwinden. Die Grenzregion zwischen Stratosphäre und Troposphäre bildet eine Barriere (Tropopause).

Die in die Stratosphäre eingetragenen Stoffe reagieren mit dort befindlichem Ozon. Dieses wird aufgespalten, wobei verschiedene chemische Verbindungen entstehen.
Dadurch nimmt die Menge des Ozons in der Stratosphäre ab, und damit kann die Ozonschicht ihre schützende Funktion zunehmend weniger erfüllen.
Ein einzelnes Chloratom kann bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören.

Das Ozon der Stratosphäre entsteht in einer durch Ultraviolettstrahlung hervorgerufenen Gleichgewichtsreaktion, die als Ozon-Sauerstoff-Zyklus bezeichnet wird.
Radikale greifen in diese Gleichgewichtsreaktion ein, indem sie katalytisch alternative Reaktionspfade zugänglich machen, welche vorwiegend den Ozonabbau begünstigen.

Erscheinungsbild an Südpol und Nordpol:
Der Grund, warum das Ozonloch am Südpol so viel ausgeprägter ist als am Nordpol, liegt in der Form des Antarktischen Kontinents begründet.
In der Polarnacht, wenn keine Sonnenstrahlung auf die Erde fällt, bildet sich ein Kaltluftgebiet, der so genannte Polarwirbel.

Da der Antarktische Kontinent im Wesentlichen rund ist und kaum höhere Gebirge aufweist, wird der Polarwirbel an seinen Rändern auch nur wenig gestört, und in seinem Inneren können sehr tiefe Temperaturen erreicht werden (bis unter 188 K, das entspricht −85 °C).
Am Nordpol sind die Verhältnisse insofern anders, als der entstehende Polarwirbel durch die Überströmung der Gebirge der hohen nördlichen Breiten gestört wird.



Wärmere Luft wird eingemischt, und die Temperaturen können nie soweit absinken, wie für die Entstehung von polaren Stratosphärenwolken nötig wäre. Ohne PSC können aber die Stickstoffverbindungen nicht aus der Luft entfernt werden, und der Ozonabbau bei Sonnenaufgang wird wesentlich gedämpft.

Folgen für Mensch und Umwelt
Wegen der Zerstörung der Ozonschicht gelangt mehr UV-Licht auf die Erdoberfläche, was beim Menschen zu Hautschäden bis hin zum Hautkrebs führen kann. Bei fehlender Ozonschicht droht sogar Erblindung innerhalb weniger Stunden.

Niedrigere Ernteerträge werden ebenfalls erwartet.


Treibhauseffekt

Durch die Wirkung des Treibhauseffektes ist die Oberflächentemperatur eines Planeten höher als die Temperatur wäre, wenn keine strahlungsaktiven Gase (Treibhausgase einschließlich Wasserdampf) in der Atmosphäre vorhanden wären.
Wegen der Ähnlichkeit der Wirkungsweise wurde der Begriffsumfang, der ursprünglich nur die Erwärmung im Gewächshaus bei Sonnenbestrahlung benannte, auf die Atmosphäre erweitert.

Die kurzwelligen Strahlen der Sonne durchdringen die Erdatmosphäre weit gehend ungehindert.
Wenn sie auf die Erde treffen, werden sie absorbiert (aufgenommen) oder als langwellige Strahlen reflektiert. Langwellige Strahlung nehmen wir als Wärme wahr.
Die Wärme verlässt die Erdatmosphäre wieder und entweicht in den kalten Weltraum.
Ein Teil der Stoffe (unter anderem Wasserdampf und CO2), die unsere Atmosphäre ausmachen, nehmen Wärme auf.
Sie verhindern die sofortige Abstrahlung und sind damit für den so genannten natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich, der das Leben auf der Erde überhaupt erst möglich macht.

Der Treibhauseffekt - Das globale Problem des 21. Jahrhunderts
Die Luft kennt weder Staatsgrenzen noch Wirtschaftsräume, sie verteilt sich gleichmäßig über die gesamte Erdoberfläche.
Kohlendioxid (CO2), das bei Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht, ist nur ein Spurengas in unserer Luft. Und doch stellt es uns vor DIE Herausforderung des 21. Jahrhunderts.
Temperaturschwankungen begleiten die Erde seit ihrem Bestehen.
Schon immer wechselten einander Wärmeperioden und Eiszeiten ab.
Doch zu keiner Zeit vollzog sich die Klimaveränderung in einer so kurzen Zeitspanne wie heute.

In den letzten 200 Jahren seit der Industrialisierung wurde die Zusammensetzung der Atmosphäre stark vom Menschen beeinflusst.
Derzeit verbrauchen wir an einem einzigen Tag mehr fossile Brennstoffe, als die Erde in 1000 Jahren erzeugt hat.
Damit wird auch an einem einzigen Tag mehr Kohlendioxid freigesetzt, als zuvor in 1000 Jahren aus der Atmosphäre gebunden wurde. So lag der Kohlendioxid-Anteil der Luft vor der Industrialisierung bei etwa 0,028 %.

Heute beträgt er bereits etwa 0,037 %. Grund für den kontinuierlichen CO2-Anstieg ist der verschwenderische Umgang mit den fossilen Brennstoffen - Kohle, Erdöl, Erdgas - und die Abholzung der letzten großen Urwälder. Der menschliche Anteil am gesamten CO2-Haushalt der Erde liegt gegenwärtig aber bei "nur" 4%. Und doch reichte dieses zusätzliche "Schäuflein CO2" aus, um seit 1800 den CO2-Gehalt um 33 % zu erhöhen!

Es sind nur wenige Länder, die den Großteil dieses CO2-Anstiegs verursachen.

Zwischen 1800 und 2000 geht der Anstieg der globalen CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre zu 80 % auf das Konto der Industriestaaten.
Allein Deutschland verbraucht eineinhalb Mal soviel Energie wie ganz Afrika.
Unter der Prämisse, dass grundsätzlich jeder Mensch das gleiche Recht hat, die Atmosphäre zu benutzen, ist das große Ungleichgewicht zwischen dem reichen Norden und dem armen Süden bedenklich:


Würden alle 6 Milliarden Menschen so viel CO2-Emissionen verursachen wie der österreichische Durchschnittsbürger, würden sich die weltweiten CO2-Emissionen mit 40 Milliarden Tonnen pro Jahr nahezu verdoppeln. Einsparungspotentiale wären reichlich in den reichen Industriestaaten vorhanden. Durch Einsatz erneuerbarer Energien und ressourcenschonender Geräte wäre dies technisch kein Problem.
Solange wir nicht vom Weg abweichen, auf dem wir gehen, kommen wir dort an, wo der Weg hinführt. Dieser Weg führt uns im Moment zu einer erwarteten Treibhausgas-Konzentration von 0,060 % in weniger als fünfzig Jahren. Klimatologen sagen für diesen Fall einen so rasanten, globalen Temperaturanstieg voraus, wie ihn die Menschheit noch nicht erlebt hat. Klimamodelle errechnen einen Temperaturanstieg von 1,5°C bis 4,5°C in den nächsten 100 Jahren.

Merkbare Klimaveränderungen konnten schon heute festgestellt werden:
Die Durchschnittstemperatur der Erdoberfläche stieg in den letzten 100 Jahren um etwa 0,6° C an.
Die ungewöhnlich lange 'El Nino' - Warmphase von 1990 bis 1995, der Anstieg des Meeresspiegels um 10 bis 25 Zentimeter innerhalb der letzten 100 Jahre, sowie der Anstieg der Oberflächentemperatur in Alaska um 2 - 4° C sowie der Rückgang der Schneedecke in den Alpen werden dieser Temperaturerhöhung zugeschrieben.
Bei noch höheren Temperaturen drohen ein weiterer Anstieg des Meeresspiegels durch das Abschmelzen der Polkappen, die Zunahme von Extremereignissen wie Trockenheit und Überschwemmungen und Verschiebungen von Meeresströmungen mit den dadurch verbundenen extremen regionalen Klimaveränderungen.




Strahlungsbilanz der Atmosphäre

Jeder Ort hat eine andere Strahlungsbilanz.
Die polaren Regionen haben im langjährigen Mittel ein Strahlungsdefizit, weil sie ein halbes Jahr lang gar keine Einstrahlung haben (Polarnacht).
Die tropischen Regionen haben ein Strahlungs- und Energieüberschuss, weil sie das ganze Jahr über gleichmäßig stark beschienen werden.

Um die ungleiche Energieverteilung auf der Erde auszugleichen, muss Energie von den niederen Breiten in die hohen Breiten transportiert werden.
Dies erfolgt durch globale Windsysteme der atmosphärischen Zirkulation aber auch durch Meeresströmungen.
Insgesamt nimmt das System Erde - Atmosphäre also genauso viel Energie von der Sonne auf wie es wieder abgibt. Im langjährigen Mittel ist die Strahlungsbilanz der Erde somit ausgeglichen.
Innerhalb des Systems zeigt sich aber, dass die Erdoberfläche einen Energieüberschuss von 30% und die Atmosphäre ein Defizit von 30% hat.
Um dieses Verhältnis auszugleichen wird Energie von der Erdoberfläche in die Atmosphäre transportiert.

Strahlungshaushalt

Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt die Albedo der gesamten Erde ist 0,30).

Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde alle diese Energie wieder vollständig in den Weltraum abgestrahlt werden, läge die mittlere Lufttemperatur bei -18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt.

Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre.
Die sogenannten Treibhausgase in der erwärmten Atmosphäre (vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid) emittieren Infrarotstrahlung - auch in Richtung Erde.
Der Nachschub für die abgestrahlte Energie erfolgt durch Konvektion und Absorption (ein Teil der Abstrahlung von der Erdoberfläche im Infraroten wird absorbiert).
Die von der Atmosphäre emittierte Infrarotstrahlung führt zu einer Erwärmung der Erdoberfläche um durchschnittlich 33 °C.

Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes.

Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:
., von der Albedo der Erdoberfläche, die vom 30 %-Mittel stark abweichen kann (beispielsweise Schnee 40 bis 90 %, Wüste 20 bis 45 %, Wald 5 bis 20 %)
vom oben erwähnten Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
.,von Bewölkung und Luftfeuchtigkeit
.,vom Wärmetransport durch Wind, von Luftschichtungen usw.

Theoretisch sind diese Faktoren weitgehend modellierbar, doch nicht in allen Details wie Staueffekten an Gebirgen oder unregelmäßiger Bewegung von Tiefdruckgebieten. Für gute Vorhersagen benötigt die Meteorologie außer enormen EDV-Kapazitäten auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.