Halbwertszeit

Radioaktive Nuklide, auch Radionuklide genannt, zerfallen im Laufe der Zeit. Dabei bilden sich andere Atomkerne, die ebenfalls wieder radioaktiv oder auch stabil sein können. Eine wichtige Größe, die die Schnelligkeit des Zerfalls der ursprünglich vorhandenen Atomkerne charakterisiert, ist Halbwertszeit.

Die Halbwertszeit eines Nuklids gibt an, in welcher Zeit sich jeweils die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Atomkerne in andere Atomkerne umwandeln.

Formelzeichen: Einheit:

eine Sekunde (1 s)

Eingeführt wurde der Begriff Halbwertszeit 1903 von dem französischen Kernphysiker PIERRE CURIE (1859 – 1906). Bild 1 zeigt als ein Beispiel Wasserstoff-3 (Tritium). Die Halbwertszeit beträgt 12,3 Jahre.

Beispiel: Caesium-137
Das Nuklid Caesium-137 ist ein Beta- und Gammastrahler. Es hat eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren. Das bedeutet:

• Geht man von einer bestimmten Anzahl von Atomkernen des Caesium-137 aus, die zum Zeitpunkt t = 0 vorhanden sind, dann hat sich im Verlaufe von 30 Jahren die Hälfte aller Caesium-Kerne umgewandelt. Aus diesen Caesiumkernen sind Bariumkerne entstanden.
• In weiteren 30 Jahren zerfällt wiederum die Hälfte der vorhandenen Caesiumkerne, sodass nach 60 Jahren nur noch 1/4 der ursprünglich vorhandenen Caesiumkerne vorhanden sind.
• Nach 90 Jahren wäre dann noch 1/8 der ursprünglich vorhandenen Caesiumkerne vorhanden.

Wie groß sind die Halbwertszeiten?
Die Halbwertszeiten liegen für die verschiedenen Nuklide zwischen Bruchteilen von Sekunden und Milliarden von Jahren.
Aus Bild 2 ist erkennbar: Radionuklide zerfallen unterschiedlich schnell. Das gilt auch für die Isotope eines Elements, wie die Beispiele Uran und Radium zeigen.

Diese unterschiedlichen Halbwertszeiten sind auch für Anwendungen von Bedeutung. So nutzt man z. B. im medizinischen Bereich Radionuklide mit kurzen Halbwertszeiten, um die Strahlenbelastung gering zu halten.

Die Halbwertszeit von Kohlenstoff-14 spielt eine entscheidende Rolle bei der Altersbestimmung von organischen Stoffen nach der C-14-Methode (Radiokarbonmethode).

Halbwertszeit von Zerfallsreihen
In der Natur existieren einige Zerfallsreihen. Radionuklide zerfallen über eine ganze Reihe von Folgekernen, die ihrerseits wieder radioaktiv sind, bis zu einem stabilen Nuklid. Auch für eine solche gesamte Zerfallsreihe lässt sich eine Halbwertszeit angeben. Die folgende Übersicht gibt die Halbwertszeiten für die vier Zerfallsreihen an.

Zerfallsreihe	Ausgangsnuklid (radioaktiv)	Halbwertszeit in Jahren	Endnuklid (stabil)
Thorium-Reihe	Thorium-232		Blei-208
Uran-Radium-Reihe	Uran-238		Blei-206
Uran-Actinium- Reihe	Uran-235		Blei-207
Neptunium-Reihe	Neptunium-237		Bismut-209

Für die Uran-Radium-Reihe bedeutet das:
Von einem Kilogramm Uran-238 ist nach einer Zeit von 4,51 Milliarden Jahren ein halbes Kilogramm zu stabilem Blei geworden.

Man beachte bei dieser Zeit:
Das Alter der Erde wird auf etwa 5 Milliarden Jahre geschätzt. Unsere Zeitrechnung begann vor etwa 2 000 Jahren. Das ist nur ein Bruchteil dieser Halbwertszeit, etwa 0,00004 % davon.

Die Neptunium-Reihe spielt in der Natur wegen der relativ kurzen Halbwertszeit keine Rolle mehr. Die in der Natur auftretenden Zerfallsreihen sind eine Ursache dafür, dass die Menschheit in ihrer Entwicklung ständig einer geringen radioaktiven Strahlung ausgesetzt war und es auch heute ist.