Kernreaktionen

Kernreaktionen sind Wechselwirkungsprozesse von Atomkernen mit anderen Teilchen (wie z.B. Protonen, Neutronen, $\alpha$-Teilchen).

Als Beispiel wollen wir eine Kernreaktion anschauen, die sich für die Altersbestimmung von (organischen) Objekten bewährt hat.

Entstehung von radioaktivem C-14 (Beispiel einer Kernreaktion)

Das radioaktive Nuklid C-14 kann über eine in der Atmosphäre der Erde ablaufende Kernreaktion gebildet werden. Und zwar treten durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre gebildete Neutronen ($^1_0 n$) mit Stickstoffkernen ($^{14}_7 N$) der Luft in Wechselwirkung. Daraus entsteht C-14, wobei Protonen freigesetzt werden.

Als Reaktionsgleichung hat man

$^{14}_7 N + ^1_0 n \rightarrow ^{14}_6 C + ^1_1 p$

C-14 erweist sich als radioaktiver $\beta$-Strahler, der wieder in (stabiles) Stickstoff zerfällt.

$^{14}_6 C \rightarrow ^{14}_7 N + \beta$

• Gleichgewicht C-14/C-12: In der Erdatmospäre bildet sich ein Gleichgewicht von radioaktivem C-14 (da es ja ständig durch die ablaufende Kernreaktion nachproduziert wird) zum stabilen C-12.
  

Radiocarbonmethode

Auf dem Zerfallsprozess beruht nun die Altersbestimmung:

In der Luft bildet sich ein (fast) konstantes Verhältnis von radioaktivem C-14 und stabilem C-12 Kohlenstoff. Lebende Organismen tauschen aufgrund ihres Stoffwechsels ständig Kohlenstoff mit der Umgebung aus, wodurch sich in diesen Organismen das gleiche Verhältnis C-14/C-12 bildet. Nach dem Tod und damit ohne Stoffwechsel sinkt der Anteil des C-14 Kohlenstoffs, entsprechend dem Zerfallsgesetz, ab.

• Gleichgewicht von C-14/C-12 in lebenden Organismen: Der Anteil von C-14 zu C-12 ist konstant.
• Ungleichgewicht von C-14/C-12 in toten Organismen: Der Anteil von C-14 zu C-12 sinkt ab. Denn C-14 ist radioaktiv und zerfällt, wobei neues C-14 Kohlenstoff aufgrund des fehlenden Stoffwechsels nicht aufgenommen wird.

Verallgemeinerte Kernreaktionen

Das obige Beispiel verdeutlicht, wie sich durch eine Kernreaktion ein stabiles in ein radioaktives Nuklid umwandelt. Es gibt noch mehr verschiedene Kernreaktionen; auch solche bei denen radioaktive Nuklide entstehen, die so in der Natur nicht vorkommen.

Beispiele von weiteren Kernreaktionen sind:

Man spricht bei den drei Prozessen jeweils von $(\alpha,p)$, $(\alpha,n)$ und $(\gamma,\alpha)$-Reaktion.

Wir beobachten folgende Erhaltungssätze bei den Kernreaktionen: