Zerfallsprozesse

Zerfallsprozesse sind natürliche Umwandlungen instabiler Atomkerne oder Elementarteilchen in stabilere Zustände. Dabei wird Energie freigesetzt und häufig werden Teilchen oder Strahlung ausgesendet. Zerfälle sind spontane, probabilistische Ereignisse, deren Rate durch eine charakteristische Lebensdauer bestimmt wird.

Jeder Zerfall folgt einer Exponentialgesetzmäßigkeit. Die Zahl der verbleibenden unstableen Kerne N(t) nimmt ab nach N(t) = N0 e^{-λ t}, wobei λ die Zerfallskonstante ist. Die Halbwertszeit T1/2 ergibt sich aus T1/2 = ln 2 / λ. In vielen Fällen zerfallen Kerne auch über mehrere Kanäle; die Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen Kanäle nennt man Verzweigungsquotienten oder Verzweigungen.

Zu den wichtigsten Zerfallsarten gehören

- Alpha-Zerfall: Abgabe eines Heliumkerns (2 Protonen, 2 Neutronen), typisch bei schweren Nukliden.

- Beta-Zerfall (β−): Neutron wandelt sich in Proton um, wobei ein Elektron und ein Antineutrino emittiert werden; β+-Zerfall emitierte Positron und Neutrino.

- Gamma-Zerfall: Absenkung eines angeregten Kernzustands durch Emission eines Gammaphoton.

- Elektroneneinfang (K-Einfang): Kern fängt ein orbitales Elektron und emittiert ein Neutrino.

- Spontane Spaltung (Spontanfission): Schwerere Kerne teilen sich in zwei oder mehr Bruchstücke.

- Clusterzerfall: Emission eines größeren Kerndipfers, seltener als Alpha- oder Beta-Zerfälle.

Die Vorgänge werden durch fundamentale Wechselwirkungen bestimmt: stark und elektromagnetisch dominieren bei Alpha- und Spontanfission, schwache Wechselwirkung bei Beta-Zerfällen und elektromagnetische Prozesse bei Gamma-Zerfällen. Energie- und Impulserhaltung govern die Resultate.

Wichtige Anwendungen sind radiometrische Datierung (z. B. Kohlenstoff-14, Uran-Bleichverfahren), medizinische Bildgebung und Therapie sowie Strahlenschutz. Beispiele: Uran-238 zerfällt durch Alpha-Zerfall zu Thorium-234; Kohlenstoff-14 zerfällt zu Stickstoff-14 via β−.