Zerfalls

Zerfall ist in der Physik der Prozess, bei dem ein instabiles System in einen stabileren Zustand übergeht, meist durch Umwandlung eines Nuklids in ein leichteres Nuklid mit Freisetzung von Teilchen und Energie. Am häufigsten bezieht sich der Begriff auf radioaktiven Zerfall von Atomkernen. Zerfälle können spontan auftreten und sind statistisch vorhersehbar, aber der genaue Zeitpunkt eines einzelnen Zerfalls lässt sich nicht bestimmen; die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kern in einer bestimmten Zeit zerfällt, ist konstant und charakterisiert durch die Zerfallskonstante.

Zu den gängigsten Zerfallsarten gehören der Alpha-Zerfall, bei dem ein Helium-4-Kern (Alpha-Teilchen) ausgestoßen wird; der Beta-Zerfall, bei dem Elektronen (Beta-minus) oder Positronen (Beta-plus) emittiert oder Elektroneneinfang erfolgt; und der Gamma-Zerfall, bei dem hochenergetische Photonen (Gammawellen) das System verlassen. Zerfälle können in Zerfallsreihen auftreten, bei denen aufeinanderfolgende Umwandlungen mehrere Nuklide betreffen, bis ein stabiles Endprodukt erreicht ist.

Die zeitliche Entwicklung der Anzahl verbleibender Kerne folgt meist einer Exponentialfunktion N(t) = N0 e^{-λ t}, wobei λ die Zerfallskonstante ist. Die Halbwertszeit t1/2 ist der Zeitraum, in dem die Hälfte der Kerne zerfallen, und gilt t1/2 = ln 2 / λ. Der Zerfall setzt Energie frei, die als Träger der Strahlung messbar ist und in Detektoren wie Geiger-Merrellt-Zählern oder Szintillationsdetektoren erfasst wird. Anwendungen finden sich in der radiometrischen Altersbestimmung, der medizinischen Bildgebung sowie der Strahlentherapie. Zerfallsreihen und deren Analyse liefern wichtige Informationen über natürliche und künstliche Nuklide sowie über Umweltprozesse.