Die Entdeckung der Radioaktivität verdanken wir dem schlechten Wetter. Der französische Physiker Henri Becquerel versuchte, die Fluoreszenz zu untersuchen, ein Phänomen, bei dem bestimmte Stoffe bei Sonneneinstrahlung leuchten, aber bewölkte Tage vereitelten seine Experimente, und so wickelte er seine fluoreszierenden Uransalze in ein Tuch und ließ sie zusammen mit einer fotografischen Platte und einem Kupferkreuz in einer Schublade liegen. Dieser einfache, zufällige Zufall enthüllte 1896 die Existenz der Radioaktivität, ein Phänomen, das ein Fenster in die subatomare Welt öffnete und die nukleare Revolution in Gang setzte.
Radioaktivität verstehen
Als er die Salze schließlich holte, stellte Becquerel fest, dass auf der Fotoplatte ein Bild des Kreuzes erschienen war – obwohl die Salze keinem Licht ausgesetzt worden waren.
„Ich bin jetzt überzeugt, dass Uransalze unsichtbare Strahlung erzeugen, selbst wenn sie im Dunkeln aufbewahrt wurden“, schrieb er nach weiteren Experimenten.
Becquerels Doktorandin Marie Curie untersuchte die Angelegenheit zusammen mit ihrem Mann Pierre und sie stellten fest, dass der Effekt nichts mit Fluoreszenz zu tun hatte, sondern dass bestimmte Materialien von Natur aus einen konstanten Energiefluss ausstrahlen. Sie prägten den Begriff „Radioaktivität“ und entdeckten außerdem zwei neue radioaktive Elemente: Polonium und Radium. Für diese tiefgreifende und aufregende Arbeit erhielten Becquerel und die Curies 1903 den Nobelpreis für Physik.
Die Physiker Ernest Rutherford und Frederick Soddy gingen noch weiter in die Tiefe und fanden heraus, dass winzige Mengen von Materie riesige Energiereserven enthalten. Sie erkannten auch, dass sich beim radioaktiven Zerfall ein Element in ein anderes verwandeln kann – ein Uranatom kann sich (über einige Zwischenschritte) in ein Atom Blei umwandeln.
Auf der ganzen Welt ging man davon aus, dass diese wundersam energiereichen Materialien sinnvoll genutzt werden könnten. Bis in die 1920er Jahre füllten viele Hersteller von Abführmitteln und Zahnpasta ihre Produkte stolz mit radioaktivem Thorium, und erst 1938 wurden radioaktive Stoffe in Konsumgütern in den USA verboten.
Wie funktioniert Radioaktivität?
Heute haben wir ein viel umfassenderes Verständnis davon, was Radioaktivität ist, wie sie gefährlich sein kann und wie wir sie nutzen können.
Stellen Sie sich ein Atom vor, das aus einer Elektronenwolke um einen zentralen Kern besteht, in dem Teilchen, die Neutronen und Protonen genannt werden, zusammengepfercht sind. Einige Anordnungen von Protonen und Neutronen sind stabiler als andere; wenn es zu viele Neutronen im Vergleich zu den Protonen gibt, wird der Kern instabil und zerfällt. Bei diesem Zerfall wird Kernstrahlung in Form von Alphateilchen, Betateilchen und Gammastrahlung freigesetzt.
Ein Alphateilchen nimmt zwei Protonen und zwei Neutronen mit, und da ein Element durch die Anzahl seiner Protonen definiert ist, wird aus dem Ausgangsatom ein ganz neues Element, wenn ein Alphateilchen emittiert wird. Beim Betazerfall verwandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron, und das Elektron rast davon, wobei es ein zusätzliches Proton zurücklässt und wieder ein Atom eines anderen Elements entsteht. Neben den beiden oben genannten Teilchen können zerfallende Kerne auch Gammastrahlen erzeugen: hochenergetische elektromagnetische Strahlung.
Welche Auswirkungen hat das auf die Gesundheit?
Wie Becquerel und die Curies entdeckten, ist Radioaktivität ein natürliches Phänomen. Viele Mineralien in der Erde geben langsam und stetig Strahlung ab, die Luft, die wir atmen, enthält radioaktive Gase, und sogar Lebensmittel und unser Körper enthalten einen kleinen Prozentsatz an radioaktiven Atomen wie Kalium-40 und Kohlenstoff-14. Die Erde erhält auch Strahlung von der Sonne und in Form hochenergetischer kosmischer Strahlung. Diese Quellen erzeugen ein natürliches, aber unvermeidliches Maß an Hintergrundstrahlung. Viele künstliche Quellen tragen dazu bei, darunter medizinische Verfahren wie Röntgenstrahlen, Rauchdetektoren, Baumaterialien und brennbare Brennstoffe.
Im Allgemeinen werden wir von schwachen Hintergrundstrahlungsquellen nicht geschädigt, da das Ausmaß der Schädigung von der Dauer und Höhe der Exposition abhängt. Strahlung kann die körpereigene Chemie schädigen, indem sie chemische Bindungen in unserem Gewebe aufbricht, Zellen abtötet und die DNA beschädigt, was zu Krebs führen kann. In sehr hohen Dosen kann die Strahlung innerhalb von Stunden zu Krankheit und Tod führen.
Nutzung der Kernenergie
Die Auswirkungen der Radioaktivität sind durch die Kernschmelze von Kernkraftwerken im Laufe der Geschichte in einem noch größeren Ausmaß spürbar geworden. Der radioaktive Prozess der Kernspaltung wird seit mehreren Jahrzehnten zur Stromerzeugung genutzt: Der Kern eines Atoms wird gespalten, wobei mindestens zwei „Tochterkerne“ entstehen und Energie in Form von Wärme freigesetzt wird. Die Wärme wird genutzt, um Wasser zu kochen und Dampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt und Strom erzeugt. Leider ist dies kein sauberer Prozess – es entstehen radioaktive Abfälle, die nur schwer sicher entsorgt werden können, und in extremen Fällen können die Reaktionen außer Kontrolle geraten, wie bei der durch ein Erdbeben ausgelösten Katastrophe im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi im Jahr 2011.
Ein anderer radioaktiver Prozess könnte einen sicheren Weg zur Erzeugung sauberer Energie bieten: die Kernfusion. Im Gegensatz zur Kernspaltung werden bei der Kernfusion zwei Atomkerne miteinander verbunden. Auch bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt – es ist genau der Prozess, der in der Sonne und anderen Sternen abläuft -, aber die Fusion erfordert extrem hohe Temperaturen und Drücke, die teuer und auf der Erde schwer nachzubilden sind.
Ein langer Weg liegt vor uns
Becquerel starb 12 Jahre nach seiner ersten Entdeckung im Alter von 54 Jahren an Verbrennungen und Narben, die wahrscheinlich vom Umgang mit radioaktivem Material herrührten, und Marie Curie starb einige Jahrzehnte später an Leukämie. Die Strahlung tötete wahrscheinlich auch Pierre Curie langsam, obwohl es schwer zu sagen ist, da er 1906 tödlich von einer Kutsche überfahren wurde.
Heute erlaubt uns unser besseres Verständnis der Radioaktivität, sie viel sicherer zu nutzen. Die Häufigkeit von Unfällen mit radioaktiven Stoffen ist zurückgegangen, und dank strenger Sicherheitsmaßnahmen und gründlicher Notfallmaßnahmen gibt es weniger Todesopfer. Bei der jüngsten Nuklearkatastrophe in Fukushima gab es keine Todesopfer durch Strahlenbelastung – aber es ist noch ein weiter Weg, bis wir die immense Kraft der Radioaktivität sicher nutzen können.