Radionuklid


Radionuklid

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Als Radionuklide oder radioaktive Nuklide bezeichnet man instabile Atomsorten, deren Kerne radioaktiv zerfallen.

Definitionen und Sprachgebrauch

Eine Atomsorte oder Atomkernsorte (ein Nuklid) ist durch seine Kernladungszahl (Ordnungszahl) Z und seine Massenzahl (Nukleonenzahl) A bestimmt:

Nukleonen (A) = Protonen (Z) plus Neutronen (N), also A = Z + N.

Ein Nuklid X wird daher formelmäßig wie folgt geschrieben:

$ {}^A_ZX_N $, z. B.:
$ {}^{60}_{27}\mathrm{Co}_{33} $,
vereinfacht: 60Co oder Co-60. Hier sind Kernladungszahl und Neutronenzahl fortgelassen; die Kernladungszahl ist durch das Elementsymbol und die Neutronenzahl als Differenz Massenzahl minus Kernladungszahl festgelegt.

Jedes Radionuklid hat seine charakteristischen Zerfallseigenschaften wie Halbwertszeit, Zerfallsart und Zerfallsenergie.

Atomarten mit gleicher Kernladungszahl (nicht aber Massenzahl), die damit demselben Element zugehören, heißen Isotope. So haben 31P, 32P, 33P, die Isotope des Phosphors, unterschiedliche Kernmassen (Massenzahlen), verhalten sich jedoch chemisch praktisch gleich.

Der früher übliche Begriff „Radioisotop“ anstelle von Radionuklid sollte nur noch dann verwendet werden, wenn neben der Radioaktivität auch die Zugehörigkeit zu einem bestimmten Element von Bedeutung ist. Allerdings ist die Bezeichnung Isotop anstelle von Nuklid oder speziell Radionuklid als Bestandteil vieler Fachbezeichnungen wie „Isotopenlabor“, „Isotopenmethode“ oder „Radioisotopengenerator“ nach wie vor anzutreffen.

Zerfallsereignisse

Beim spontanen Zerfall eines Radionuklids entsteht Alpha-, Beta- und/oder Gammastrahlung. Die Geschwindigkeit dieses Zerfalls steht als Halbwertszeit (T½) fest: Nach einer Halbwertszeit ist die Hälfte aller anfangs vorhandenen Atome noch nicht zerfallen, nach zwei Halbwertszeiten nur noch ein Viertel usw.

Man unterscheidet natürliche und künstliche Radionuklide.
Grundsätzlich sind alle Radionuklide auch künstlich erzeugbar. Deshalb ist das Vorkommen mancher natürlicher Radionuklide seit Beginn des kerntechnischen Zeitalters erhöht. Beispiele sind Kohlenstoff-14 (14C) und das Wasserstoff-Isotop Tritium (3H).

Einteilungen

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. Siehe Radiokohlenstoffmethode.

Der Rest der natürlichen Radionuklide wird von den wiederum radioaktiven Zerfallsprodukten der ersten Gattung gebildet. Man nennt diese Radionuklide radiogen.

Künstliche Radionuklide

Unter künstlichen Radionukliden versteht man solche, die über Kernreaktionen hergestellt werden. Viele künstliche Radionuklide kommen aufgrund ihrer geringen Halbwertszeiten in der Natur nicht in merklichen Mengen vor.

Herstellung:

  • durch Neutronenbestrahlung im Kernreaktor oder mit Neutronenquellen, z.B.
    • C-14 durch die Reaktion 14N(n,p)14C,
    • P-32 durch die Reaktion 35Cl(n,α)32P;
  • durch Bestrahlung mit geladenen Teilchen in Beschleunigern, sogenannte Zyklotron-Radionuklide.

Viele künstliche Radionuklide besitzen so kurze Halbwertszeiten, dass sie von ihrem längerlebigen Mutternuklid in einem Nuklidgenerator erst kurz vor ihrer Verwendung abgetrennt werden. Hierbei werden die benötigten Radionuklide durch geeignete Lösungsmittel oder Bindemittel eluiert. Ein häufig benutzter Generator ist der 99Mo-99mTc-Generator.

Einteilung der Radionuklide
Primordial Kosmogen Radiogen Künstlich
  • Tritium (auch natürlich vorkommendes Isotop des Wasserstoffes)
  • Technetium, alle Isotope
  • Plutonium 239 (alpha-Strahler, spaltbar, f. Kernwaffen und Kernspaltungs-Reaktoren geeignet)
  • Plutonium 238 (alpha-Strahler, Einsatz in Isotopenbatterien)
  • Strontium 90 (Spaltprodukt aus Kernreaktoren)
  • Caesium 137 (Spaltprodukt aus Kernreaktoren)
  • Promethium, alle Isotope (Spaltprodukte aus Kernreaktoren)

Anwendung

Medizinisch angewandte Radionuklide und Halbwertszeiten
Nuklid Halbwertszeit
Sauerstoff-15 2 min
Kohlenstoff-11 20 min
Fluor-18 110 min
Technetium-99m 6 h
Iod-123 13 h
Iod-124 4 d
Iod-131 8 d
Indium-111[1] 2,80  d
Indium-113m[1] 99,49  min
Phosphor-32 14,26 d
Cobalt-60 5,27 a
Chrom-51 28 d
Kupfer-64 0,5 d
Quecksilber-197 2,7 d
Ytterbium-169 30 d
Selen-75 127 d

Radionuklide werden in vielen Bereichen der Technik und Naturwissenschaft sowie in der Medizin verwendet. Beim Umgang ist darauf zu achten, dass alle notwendigen Maßnahmen zum Strahlenschutz beachtet und eingehalten werden (vgl. Strahlenschutzverordnung).

In der Chemie (genauer Radiochemie) werden Radionuklide beispielsweise als Radioindikatoren eingesetzt. Dabei werden Verbindungen mit Radionukliden markiert, das heißt, es werden Radionuklide in die Verbindung eingebaut (Leitisotope), um zeitliche oder örtliche Veränderungen (beispielsweise Mengenbestimmungen) durchzuführen. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass die radioaktiv markierten Verbindungen die gleichen chemischen Reaktionen wie ihre nicht radioaktiven Äquivalente erfahren, aber deutlich besser zu unterscheiden und aufzufinden sind (auch bei niedrigen Konzentrationen).

Analog dazu nutzt die Biologie und Medizin ähnliche Verfahren, um Stoffwechselprozesse im lebenden Organismus sichtbar zu machen und zu untersuchen (Autoradiographie, Radiochromatographie). In der Strahlentherapie kommen umschlossene Radionuklide zur Anwendung, beispielsweise 60Co („Kobaltkanone“); vgl. Nuklearmedizin. Des Weiteren bietet die Radionuklidtherapie eine Vielzahl von Behandlungsmöglichkeiten. Die nebenstehende Tabelle zeigt exemplarisch eine Auswahl einiger Radionuklide und ihre Halbwertszeiten, die u.a. auch in der Strahlentherapie von Krebs angewendet werden. Für Untersuchungen in vivo sollten die Halbwertszeiten möglichst klein sein, um das Gefährdungspotential für den Körper zu minimieren.

In der Technik werden Radionuklide beispielsweise als Energiequelle eingesetzt (vgl. Kernkraftwerk, Radionuklidbatterie).

Gefahrenklassen

Die deutsche Strahlenschutzverordnung teilt Radionuklide je nach Gefährdungspotential in vier Klassen ein.

Siehe auch

Literatur

  • H.Götte, G.Kloss: Nuklearmedizin und Radiochemie, Angew. Chem. 85. Jahrg. 1973, Nr. 18, S. 793
  • C. Keller: Grundlagen der Radiochemie, Salle & Sauerländer 3. Auflage 1993, ISBN 3-7935-5487-2
  • C. Keller (Hrsg.): Experimente zur Radiochemie, Diesterweg & Salle & Sauerländer 1. Auflage 1980, ISBN 3-425-05453-8

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Chemistry Explained - Indium (Englisch). Abgerufen am 31. August 2011. „Indium-113 is used to examine the liver, spleen, brain, pulmonary („breathing“) system, and heart and blood system. Indium-111 is used to search for tumors, internal bleeding, abscesses, and infections and to study the gastric (stomach) and blood systems.“