Alphastrahlung

Alphateilchen ⓘ

Alphazerfall
Zusammensetzung	2 Protonen, 2 Neutronen
Statistik	Bosonisch
Familie	l
Symbol	α, α2+, He2+
Masse	6,644657230(82)×10-27 kg 4.001506179127(63) u 3,727379378(23) GeV/c2
Elektrische Ladung	+2 e
Spin	0

Alphateilchen, auch Alphastrahlen oder Alphastrahlung genannt, bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Helium-4-Kern identisch ist. Sie entstehen im Allgemeinen beim Alphazerfall, können aber auch auf andere Weise erzeugt werden. Alpha-Teilchen sind nach dem ersten Buchstaben des griechischen Alphabets, α, benannt. Das Symbol für das Alpha-Teilchen ist α oder α²⁺. Da sie mit Heliumkernen identisch sind, werden sie manchmal auch als He²⁺
oder ⁴
₂He²⁺
geschrieben, was auf ein Helium-Ion mit einer Ladung von +2 hinweist (dem seine beiden Elektronen fehlen). Sobald das Ion Elektronen aus seiner Umgebung erhält, wird das Alphateilchen zu einem normalen (elektrisch neutralen) Heliumatom ⁴
₂He. ⓘ

Alphateilchen haben einen Nettospin von Null. Aufgrund des Mechanismus ihrer Erzeugung beim radioaktiven Standard-Alpha-Zerfall haben Alphateilchen im Allgemeinen eine kinetische Energie von etwa 5 MeV und eine Geschwindigkeit in der Nähe von 4 % der Lichtgeschwindigkeit. (Zu den Grenzen dieser Werte beim Alphazerfall siehe unten.) Sie sind eine stark ionisierende Form der Teilchenstrahlung und haben (wenn sie aus dem radioaktiven Alphazerfall stammen) in der Regel eine geringe Eindringtiefe (sie werden von einigen Zentimetern Luft oder von der Haut aufgehalten). ⓘ

Die so genannten Langstrecken-Alpha-Teilchen aus der ternären Spaltung sind jedoch dreimal so energiereich und dringen dreimal so weit ein. Auch die Heliumkerne, die 10-12 % der kosmischen Strahlung ausmachen, haben in der Regel eine viel höhere Energie als die von Kernzerfallsprozessen erzeugten Teilchen und können daher je nach ihrer Energie den menschlichen Körper und auch viele Meter dichte feste Abschirmungen durchdringen. In geringerem Maße gilt dies auch für sehr energiereiche Heliumkerne, die von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. ⓘ

Emission eines Alphateilchens (Protonen rot, Neutronen blau) ⓘ

Der α-Zerfall tritt nur in Nukliden mit hoher Massenzahl auf. Das Formelzeichen für das Alphateilchen ist der kleine griechische Buchstabe α (alpha). ⓘ

Name

Einige wissenschaftliche Autoren verwenden doppelt ionisierte Heliumkerne (He²⁺
) und Alphateilchen als austauschbare Begriffe. Die Nomenklatur ist nicht genau definiert, und daher werden nicht alle Hochgeschwindigkeits-Heliumkerne von allen Autoren als Alphateilchen betrachtet. Wie bei den Beta- und Gammateilchen bzw. -strahlen ist der Name des Teilchens mit einigen milden Konnotationen bezüglich des Produktionsprozesses und der Energie verbunden, die jedoch nicht strikt angewendet werden. So wird der Begriff Alphateilchen locker verwendet, wenn es um stellare Heliumkernreaktionen geht (z. B. Alphaprozesse), und sogar, wenn sie als Bestandteile der kosmischen Strahlung auftreten. Eine energiereichere Version von Alphas als beim Alphazerfall ist ein häufiges Produkt einer ungewöhnlichen Kernspaltungsreaktion, der sogenannten ternären Spaltung. Heliumkerne, die in Teilchenbeschleunigern (Zyklotrons, Synchrotrons usw.) erzeugt werden, werden jedoch seltener als "Alphateilchen" bezeichnet. ⓘ

Quellen von Alphateilchen

Alphazerfall

Ein Physiker beobachtet Alphateilchen aus dem Zerfall einer Poloniumquelle in einer Nebelkammer

Alphastrahlung, die in einer Isopropanol-Nebelkammer (nach Injektion einer künstlichen Radon-220-Quelle) nachgewiesen wird. ⓘ

Die bekannteste Quelle von Alphateilchen ist der Alphazerfall von schwereren (> 106 u Atomgewicht) Atomen. Wenn ein Atom beim Alphazerfall ein Alphateilchen aussendet, verringert sich die Massenzahl des Atoms durch den Verlust der vier Nukleonen im Alphateilchen um vier. Die Ordnungszahl des Atoms verringert sich durch den Verlust von zwei Protonen um zwei - das Atom wird zu einem neuen Element. Beispiele für diese Art der Kernumwandlung durch Alphazerfall sind der Zerfall von Uran zu Thorium und der von Radium zu Radon. ⓘ

Alphateilchen werden üblicherweise von allen größeren radioaktiven Kernen wie Uran, Thorium, Actinium und Radium sowie von den Transuranen emittiert. Im Gegensatz zu anderen Zerfallsprozessen muss für den Alphazerfall ein Atomkern mit einer Mindestgröße vorhanden sein, der ihn unterstützen kann. Die kleinsten Atomkerne, die bisher gefunden wurden und zur Alpha-Emission fähig sind, sind Beryllium-8 und die leichtesten Nuklide von Tellur (Element 52) mit Massenzahlen zwischen 104 und 109. Der Alphazerfall lässt den Kern manchmal in einem angeregten Zustand zurück; die Emission einer Gammastrahlung beseitigt dann die überschüssige Energie. ⓘ

Mechanismus der Erzeugung beim Alphazerfall

Im Gegensatz zum Betazerfall sind die grundlegenden Wechselwirkungen, die für den Alphazerfall verantwortlich sind, ein Gleichgewicht zwischen der elektromagnetischen Kraft und der Kernkraft. Der Alphazerfall resultiert aus der Coulomb-Abstoßung zwischen dem Alphateilchen und dem Rest des Kerns, die beide eine positive elektrische Ladung haben, die aber durch die Kernkraft in Schach gehalten wird. In der klassischen Physik haben Alphateilchen nicht genug Energie, um dem Potentialtopf der starken Kraft im Kern zu entkommen (dieser Brunnen besteht darin, dass sie der starken Kraft entkommen, um auf einer Seite des Brunnens nach oben zu gehen, woraufhin die elektromagnetische Kraft einen Abstoß auf der anderen Seite verursacht). ⓘ

Der Quanten-Tunneleffekt ermöglicht es den Alphas jedoch, zu entkommen, obwohl sie nicht genug Energie haben, um die Kernkraft zu überwinden. Dies wird durch die Wellennatur der Materie ermöglicht, die es dem Alphateilchen erlaubt, einen Teil seiner Zeit in einer Region zu verbringen, die so weit vom Kern entfernt ist, dass das Potenzial der abstoßenden elektromagnetischen Kraft die Anziehung der Kernkraft vollständig kompensiert hat. Von diesem Punkt aus können die Alphateilchen entweichen. ⓘ

Ternäre Spaltung

Besonders energiereiche Alphateilchen, die aus einem Kernprozess stammen, entstehen bei der relativ seltenen (eine von einigen hundert) Kernspaltung, der ternären Spaltung. Bei diesem Prozess entstehen drei statt der üblichen zwei geladenen Teilchen, wobei das kleinste der geladenen Teilchen mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 % ein Alphateilchen ist. Solche Alphateilchen werden als "langreichweitige Alphateilchen" bezeichnet, da sie mit ihrer typischen Energie von 16 MeV eine weitaus höhere Energie haben, als jemals beim Alphazerfall erzeugt wird. Die ternäre Spaltung findet sowohl bei der neutroneninduzierten Spaltung (der Kernreaktion, die in einem Kernreaktor abläuft) als auch bei der spontanen Spaltung spaltbarer und spaltbarer Aktinidennuklide (d. h. spaltbarer schwerer Atome) als Form des radioaktiven Zerfalls statt. Sowohl bei der induzierten als auch bei der spontanen Spaltung führen die höheren Energien, die in schweren Kernen zur Verfügung stehen, zu weitreichenden Alphastrahlen mit höherer Energie als beim Alphazerfall. ⓘ

Beschleuniger

Energetische Heliumkerne (Heliumionen) können in Zyklotrons, Synchrotrons und anderen Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Normalerweise werden sie nicht als "Alphateilchen" bezeichnet. ⓘ

Sonnenkernreaktionen

Heliumkerne können an Kernreaktionen in Sternen teilnehmen, die gelegentlich und historisch gesehen als Alphareaktionen bezeichnet werden (siehe z. B. Triple-Alpha-Prozess). ⓘ

Kosmische Strahlung

Mit dem Ausdruck Alphateilchen bezeichnet man in der Physik üblicherweise jeden vollständig ionisierten Helium-4-Kern, auch wenn er nicht aus einem radioaktiven Zerfall stammt. Zum Beispiel sind etwa 12 % aller Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung solche Alphateilchen. Dies ist nicht überraschend, da Helium eines der häufigsten Elemente im Universum ist. Allerdings erreicht dieser Teil der kosmischen Strahlung nie den Erdboden. ⓘ

Alphateilchen können auch künstlich aus Heliumgas in einer Ionenquelle erzeugt werden. Werden sie in einem Teilchenbeschleuniger beschleunigt, wird dessen Strahlenbündel dementsprechend manchmal auch Alphastrahl genannt. ⓘ

Energie und Absorption

Beispielhafte Auswahl radioaktiver Nuklide mit den wichtigsten emittierten Alphateilchenenergien, aufgetragen gegen ihre Ordnungszahl. Man beachte, dass jedes Nuklid ein eigenes Alphaspektrum hat. ⓘ

Die Energie der beim Alphazerfall emittierten Alphateilchen hängt in geringem Maße von der Halbwertszeit des Emissionsprozesses ab, wobei Unterschiede in der Halbwertszeit von vielen Größenordnungen mit Energieänderungen von weniger als 50 % verbunden sind, wie das Geiger-Nuttall-Gesetz zeigt. ⓘ

Die Energie der emittierten Alphateilchen variiert, wobei Alphateilchen mit höherer Energie von größeren Kernen emittiert werden, aber die meisten Alphateilchen haben Energien zwischen 3 und 7 MeV (Mega-Elektronenvolt), was einer extrem langen bzw. extrem kurzen Halbwertszeit der Alphateilchen emittierenden Nuklide entspricht. Die Energien und Verhältnisse sind oft eindeutig und können zur Identifizierung bestimmter Nuklide wie in der Alphaspektrometrie verwendet werden. ⓘ

Mit einer typischen kinetischen Energie von 5 MeV beträgt die Geschwindigkeit der emittierten Alphateilchen 15.000 km/s, was 5 % der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Diese Energie ist eine beträchtliche Energiemenge für ein einzelnes Teilchen, aber ihre hohe Masse bedeutet, dass Alphateilchen eine geringere Geschwindigkeit haben als jede andere übliche Strahlungsart, z. B. β-Teilchen, Neutronen. ⓘ

Aufgrund ihrer Ladung und ihrer großen Masse werden Alphateilchen leicht von Materialien absorbiert und können in der Luft nur wenige Zentimeter weit fliegen. Sie können von Hygienepapier oder von den äußeren Schichten der menschlichen Haut absorbiert werden. Sie durchdringen die Haut in der Regel etwa 40 Mikrometer, was einer Tiefe von einigen Zellen entspricht. ⓘ

Die Reichweite ist neben der jeweiligen Energie wesentlich abhängig von der Dichte des jeweils umgebenden Mediums. Sie beträgt in Luft bei Normaldruck ungefähr 10 cm (bei 10 MeV) und ist umgekehrt proportional zum Luftdruck. In der Hochatmosphäre der Erde beträgt sie hunderte Kilometer. Ursache ist die Druckabhängigkeit der freien Weglänge der Alphateilchen, d. h. des Abstandes zwischen den Stoßpartnern (Moleküle), an die die Alphateilchen ihre kinetische Energie sukzessive abgeben. ⓘ

Die Ionisation von Alphateilchen ist dichter – d. h. die Anzahl Ionen, die das Teilchen pro Längeneinheit seiner Wegstrecke erzeugt, ist viel höher – als etwa bei Beta- oder Gammastrahlung. In einer Nebelkammer sehen deshalb die durch Alphastrahlung erzeugten Bahnspuren, verglichen mit denen von Betastrahlen ähnlicher Energie, kürzer und dicker aus. Die Eindringtiefe eines 5,5-MeV-Alphateilchens in Wasser oder organischem Material beträgt dementsprechend nur etwa 45 μm. Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen somit im Allgemeinen schon aus, um Alphastrahlung vollständig abzuschirmen. ⓘ

Geöffnetes Alphaspektrometer mit Präparat und Detektor (oben) ⓘ

Coulombwall. Modellpotential für ein Alphateilchen, das sich aus dem durch einen Potentialtopf angenäherten, kurzreichweitigen Kernpotential und dem langreichweitigen Coulombpotential zusammensetzt. ⓘ

Biologische Wirkungen

Aufgrund der kurzen Absorptionsreichweite und der Unfähigkeit, die äußeren Hautschichten zu durchdringen, sind Alphateilchen im Allgemeinen nicht lebensgefährlich, es sei denn, die Quelle wird eingenommen oder eingeatmet. Aufgrund der hohen Masse und der starken Absorption ist Alphastrahlung, wenn Alphastrahlen in den Körper gelangen (durch Einatmen, Verschlucken oder Injektion, wie bei der Verwendung von Thorotrast für hochwertige Röntgenbilder vor den 1950er Jahren), die zerstörerischste Form der ionisierenden Strahlung. Sie ist die am stärksten ionisierende Strahlung und kann bei ausreichend hohen Dosen alle oder einige der Symptome einer Strahlenvergiftung hervorrufen. Man schätzt, dass die durch Alphateilchen verursachten Chromosomenschäden 10- bis 1000-mal größer sind als die durch eine entsprechende Menge an Gamma- oder Betastrahlung verursachten Schäden, wobei der Durchschnitt bei 20-mal liegt. Eine Studie über europäische Nukleararbeiter, die interner Alphastrahlung aus Plutonium und Uran ausgesetzt waren, ergab, dass bei einer relativen biologischen Wirksamkeit von 20 das karzinogene Potenzial (in Bezug auf Lungenkrebs) der Alphastrahlung mit demjenigen übereinstimmt, das für Dosen externer Gammastrahlung angegeben wird, d. h. eine bestimmte Dosis inhalierter Alphateilchen birgt das gleiche Risiko wie eine 20-mal höhere Dosis Gammastrahlung. Der starke Alphastrahler Polonium-210 (ein Milligramm ²¹⁰Po emittiert so viele Alphateilchen pro Sekunde wie 4,215 Gramm ²²⁶Ra) steht im Verdacht, eine Rolle bei Lungen- und Blasenkrebs im Zusammenhang mit dem Tabakrauchen zu spielen. ²¹⁰Po wurde verwendet, um den russischen Dissidenten und Ex-FSB-Offizier Alexander V. Litvinenko 2006 zu töten. ⓘ

Wenn Isotope, die Alphateilchen emittieren, eingenommen werden, sind sie weitaus gefährlicher, als ihre Halbwertszeit oder Zerfallsrate vermuten lassen würde, da Alphastrahlung eine hohe relative biologische Wirksamkeit hat und biologische Schäden verursacht. Alphastrahlung ist im Durchschnitt etwa 20-mal gefährlicher und in Experimenten mit eingeatmeten Alphastrahlern bis zu 1000-mal gefährlicher als eine entsprechende Aktivität von Beta- oder Gammastrahlern. ⓘ

Geschichte der Entdeckung und Verwendung

Alphastrahlung besteht aus dem Helium-4-Kern und wird leicht von einem Blatt Papier aufgehalten. Betastrahlung, die aus Elektronen besteht, wird von einer Aluminiumplatte aufgehalten. Gammastrahlung wird schließlich absorbiert, wenn sie in ein dichtes Material eindringt. Blei kann aufgrund seiner Dichte Gammastrahlung gut absorbieren. ⓘ

Ein Alphateilchen wird durch ein Magnetfeld abgelenkt ⓘ

Streuung von Alphateilchen auf einer dünnen Metallplatte ⓘ

1899 unterteilten die Physiker Ernest Rutherford (McGill-Universität in Montreal, Kanada) und Paul Villard (Paris) die Strahlung in drei Arten: Rutherford nannte sie schließlich Alpha-, Beta- und Gammastrahlung, basierend auf der Durchdringung von Objekten und der Ablenkung durch ein Magnetfeld. Alphastrahlen wurden von Rutherford als die Strahlung mit der geringsten Durchdringung gewöhnlicher Objekte definiert. ⓘ

Zu Rutherfords Arbeiten gehörten auch Messungen des Verhältnisses zwischen der Masse eines Alphateilchens und seiner Ladung, was ihn zu der Hypothese führte, dass Alphateilchen doppelt geladene Heliumionen sind (die sich später als bloße Heliumkerne herausstellten). Im Jahr 1907 wiesen Ernest Rutherford und Thomas Royds schließlich nach, dass es sich bei den Alphateilchen tatsächlich um Helium-Ionen handelt. Zu diesem Zweck ließen sie Alphateilchen eine sehr dünne Glaswand einer evakuierten Röhre durchdringen und fingen so eine große Anzahl der vermuteten Heliumionen im Inneren der Röhre ein. Anschließend lösten sie einen elektrischen Funken im Inneren der Röhre aus. Die anschließende Untersuchung der Spektren des entstehenden Gases zeigte, dass es sich um Helium handelte und dass die Alphateilchen tatsächlich die vermuteten Heliumionen waren. ⓘ

Da Alphateilchen in der Natur vorkommen, aber eine so hohe Energie haben können, dass sie an einer Kernreaktion teilnehmen, führte ihre Untersuchung zu einem großen Teil der frühen Erkenntnisse der Kernphysik. Rutherford nutzte Alphateilchen, die von Radiumbromid emittiert wurden, um darauf zu schließen, dass J. J. Thomsons Plum-Pudding-Modell des Atoms grundlegend fehlerhaft war. In Rutherfords Goldfolienexperiment, das von seinen Schülern Hans Geiger und Ernest Marsden durchgeführt wurde, wurde ein schmaler Strahl von Alphateilchen erzeugt, der durch eine sehr dünne (einige hundert Atome dicke) Goldfolie hindurchging. Die Alphateilchen wurden mit einem Zinksulfidschirm nachgewiesen, der bei einem Zusammenstoß mit Alphateilchen einen Lichtblitz aussendet. Rutherford stellte die Hypothese auf, dass die positiv geladenen Alphateilchen - unter der Annahme, dass das "Plumpudding"-Modell des Atoms korrekt war - wenn überhaupt, nur geringfügig von der vorhergesagten verteilten positiven Ladung abgelenkt werden würden. ⓘ

Es wurde festgestellt, dass einige der Alphateilchen in viel größeren Winkeln abgelenkt wurden als erwartet (auf Vorschlag von Rutherford, um dies zu überprüfen) und einige sogar fast direkt zurückprallten. Obwohl die meisten Alphateilchen wie erwartet direkt hindurchgingen, kommentierte Rutherford, dass die wenigen Teilchen, die abgelenkt wurden, dem Beschuss von Seidenpapier mit einer 15-Zoll-Granate glichen, von der sie abprallten, wobei er wiederum davon ausging, dass die "Plum Pudding"-Theorie korrekt war. Es wurde festgestellt, dass die positive Ladung des Atoms in einem kleinen Bereich in seinem Zentrum konzentriert war, wodurch die positive Ladung dicht genug war, um alle positiv geladenen Alphateilchen abzulenken, die in die Nähe des später so genannten Kerns kamen. ⓘ

Vor dieser Entdeckung war weder bekannt, dass Alphateilchen selbst Atomkerne sind, noch, dass es Protonen oder Neutronen gibt. Nach dieser Entdeckung wurde das "Plum Pudding"-Modell von J.J. Thomson aufgegeben, und das Experiment von Rutherford führte zum Bohr-Modell und später zum modernen wellenmechanischen Modell des Atoms. ⓘ

Energieverlust (Bragg-Kurve) in Luft für ein typisches Alphateilchen, das durch radioaktiven Zerfall emittiert wird. ⓘ

Die Spur eines einzelnen Alphateilchens, die der Kernphysiker Wolfhart Willimczik mit seiner speziell für Alphateilchen gebauten Funkenkammer aufgenommen hat. ⓘ

1917 nutzte Rutherford Alphateilchen, um versehentlich etwas zu erzeugen, was er später als gerichtete Kerntransmutation von einem Element in ein anderes verstand. Die Transmutation von Elementen ineinander war seit 1901 als Folge des natürlichen radioaktiven Zerfalls bekannt, aber als Rutherford Alphateilchen aus dem Alphazerfall in die Luft schleuderte, entdeckte er, dass dies eine neue Art von Strahlung erzeugte, die sich als Wasserstoffkerne erwies (Rutherford nannte diese Protonen). Weitere Experimente zeigten, dass die Protonen von der Stickstoffkomponente der Luft stammten, und die Reaktion wurde auf eine Umwandlung von Stickstoff in Sauerstoff zurückgeführt, und zwar durch die Reaktion ⓘ

¹⁴N + α → ¹⁷O + p  ⓘ

Dies war die erste entdeckte Kernreaktion. ⓘ

Zu den nebenstehenden Bildern: Anhand der Energieverlustkurve von Bragg ist zu erkennen, dass das Alphateilchen am Ende der Spur tatsächlich mehr Energie verliert. ⓘ

Alphastrahlung war die erste nachgewiesene Form von Radioaktivität. Antoine Henri Becquerel entdeckte sie 1896 durch die Schwärzung von lichtdicht verpackten Fotoplatten durch Uransalze. Weitere Forschungen von Marie Curie und Pierre Curie führten unter anderem zur Isolation der Uran-Zerfallsprodukte Radium und Polonium und dem Nachweis, dass diese ebenfalls Alphastrahler sind. Die drei Forscher erhielten für diese Leistungen 1903 den Nobelpreis für Physik. ⓘ

Durch Beobachtung der Spektrallinien bei Gasentladung konnte Rutherford 1908 die Identität der Alphateilchen als Heliumkerne nachweisen. ⓘ

1911 benutzte Rutherford Alphastrahlen für seine Streuexperimente, die zur Aufstellung des Rutherfordschen Atommodells führten. ⓘ

1913 stellten Kasimir Fajans und Frederick Soddy die radioaktiven Verschiebungssätze auf, die das beim Alphazerfall entstehende Nuklid bestimmen. ⓘ

Mit Alphastrahlen, die auf Stickstoffatomkerne trafen, konnte Rutherford 1919 erstmals eine künstliche Elementumwandlung beobachten: es entstand Sauerstoff in der Kernreaktion ¹⁴N(α,p)¹⁷O oder, ausführlicher geschrieben,

$_{\ 7}^{14}\mathrm {N} +{}_{2}^{4}\alpha \to {}_{\ 8}^{17}\mathrm {O} +{}_{1}^{1}\mathrm {p}$. ⓘ

1928 fand George Gamow die quantenmechanische Erklärung des Alphazerfalls durch den Tunneleffekt, siehe dazu auch Gamow-Faktor. ⓘ

Anti-alpha-Teilchen

Im Jahr 2011 entdeckten Mitglieder der internationalen STAR-Kollaboration mit dem Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums den Antimaterie-Partner des Heliumkerns, das so genannte Anti-Alpha-Teilchen. Bei dem Experiment wurden Goldionen verwendet, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen und frontal aufeinander prallen, um das Antiteilchen zu erzeugen. ⓘ

Anwendungen

• Einige Rauchmelder enthalten eine geringe Menge des Alphastrahlers Americium-241. Die Alphateilchen ionisieren die Luft innerhalb eines kleinen Spalts. Durch diese ionisierte Luft wird ein kleiner Strom geleitet. Rauchpartikel aus dem Feuer, die in den Luftspalt eindringen, reduzieren den Stromfluss und lösen den Alarm aus. Das Isotop ist extrem gefährlich, wenn es eingeatmet oder verschluckt wird, aber die Gefahr ist minimal, wenn die Quelle versiegelt bleibt. Viele Gemeinden haben Programme zur Sammlung und Entsorgung alter Rauchmelder eingerichtet, damit diese nicht in den allgemeinen Abfallstrom gelangen.
• Der Alphazerfall kann eine sichere Energiequelle für thermoelektrische Generatoren aus Radioisotopen darstellen, die für Raumsonden und künstliche Herzschrittmacher verwendet werden. Der Alphazerfall lässt sich viel leichter abschirmen als andere Formen des radioaktiven Zerfalls. Plutonium-238, eine Quelle von Alphateilchen, erfordert nur eine 2,5 mm dicke Bleiabschirmung zum Schutz vor unerwünschter Strahlung.
• Statik-Eliminatoren verwenden in der Regel Polonium-210, einen Alphastrahler, um die Luft zu ionisieren, so dass sich die "statische Anhaftung" schneller auflöst.
• Forscher versuchen derzeit, die schädigende Wirkung von Alphastrahlern im Körper zu nutzen, indem sie kleine Mengen auf einen Tumor richten. ⓘ

Alphateilchen zur Behandlung von Krebs

Alphastrahlen emittierende Radionuklide werden derzeit auf drei verschiedene Arten zur Ausrottung von Krebstumoren eingesetzt: als infusionsfähige radioaktive Behandlung, die auf bestimmte Gewebe abzielt (Radium-223), als Strahlungsquelle, die direkt in feste Tumore eingebracht wird (Radium-224), und als Anhängsel an ein Molekül, das auf den Tumor abzielt, wie z. B. ein Antikörper gegen ein tumorassoziiertes Antigen. ⓘ

Radium-223

• Radium-223 ist ein Alphastrahler, der von Natur aus von den Knochen angezogen wird, da er ein Kalzium-Mimetikum ist. Radium-223 (in Form von Ra-Cl2) kann in die Venen eines Krebspatienten infundiert werden und wandert dann zu den Teilen des Knochens, in denen aufgrund der Anwesenheit von metastasierten Tumoren ein schneller Zellumsatz stattfindet.
• Im Knochen angekommen, sendet Ra-223 eine Alphastrahlung aus, die Tumorzellen innerhalb eines Abstands von 100 Mikrometern zerstören kann. Ein Medikament mit dem chemischen Namen Radium-223-Dichlorid und dem Handelsnamen Xofigo® wird seit 2013 zur Behandlung von Prostatakrebs eingesetzt, der in den Knochen metastasiert hat.
• In den Blutkreislauf infundierte Radionuklide sind in der Lage, Stellen zu erreichen, die für Blutgefäße zugänglich sind. Dies bedeutet jedoch, dass das Innere eines großen Tumors, der nicht vaskularisiert ist (d. h. nicht gut von Blutgefäßen durchzogen ist), durch die Radioaktivität möglicherweise nicht wirksam beseitigt wird. ⓘ

Radium-224

• Radium-224 ist ein radioaktives Atom, das als Quelle für Alphastrahlung in einem neu entwickelten Krebsbehandlungsgerät namens DaRT Diffusing alpha emitters radiation therapy mit dem Handelsnamen Alpha DaRT™ verwendet wird.
• Alpha DaRT-Seeds sind zylindrische Röhren aus rostfreiem Stahl, die mit Radium-224-Atomen imprägniert sind. Jedes Radium-224-Atom durchläuft einen Zerfallsprozess, bei dem 6 Tochteratome entstehen. Während dieses Prozesses werden 4 Alphateilchen emittiert. Die Reichweite eines Alphateilchens - bis zu 100 Mikrometer - reicht nicht aus, um die Breite vieler Tumore abzudecken. Die Tochteratome von Radium-224 können jedoch bis zu 2 bis 3 mm in das Gewebe diffundieren und so eine "Kill-Region" mit genügend Strahlung schaffen, um möglicherweise einen ganzen Tumor zu zerstören, wenn die Seeds richtig platziert werden.
• Die Halbwertszeit von Radium-224 ist mit 3,6 Tagen kurz genug, um eine rasche klinische Wirkung zu erzielen und gleichzeitig das Risiko von Strahlenschäden durch Überexposition zu vermeiden. Gleichzeitig ist die Halbwertszeit lang genug, um die Handhabung und den Transport der Seeds zu einem Krebsbehandlungszentrum an jedem beliebigen Ort der Welt zu ermöglichen. ⓘ

Gezielte Alpha-Therapie

• Bei der gezielten Alphatherapie für solide Tumore wird ein Alphateilchen emittierendes Radionuklid an ein auf den Tumor abzielendes Molekül wie einen Antikörper gebunden, das dem Krebspatienten intravenös verabreicht werden kann.
• Traditionell wurden für solche Antikörper-Radionuklid-Konjugate Betateilchen emittierende Radionuklide verwendet. So wird beispielsweise Jod-131 seit langem zur Behandlung von Schilddrüsenkrebs eingesetzt.
• Kürzlich wurde der Alphastrahler Actinium-225 in Studien als Krebsbehandlung für metastasierenden Prostatakrebs getestet. Ac-225 ist an das prostataspezifische Membran-Antigen (PSMA) gebunden und eignet sich für den klinischen Einsatz, da es eine kurze Halbwertszeit von etwa 10 Tagen hat und auf seinem Zerfallspfad zu Bismuth-209 vier Alpha-Emissionen erzeugt. ⓘ

Isotopenbatterie

Ein Plutonium-Pellet (²³⁸Pu) glüht durch seinen eigenen Zerfall ⓘ

Alphastrahler (hauptsächlich Transurane) mit relativ kurzer Halbwertszeit können sich durch ihren eigenen Alphazerfall bis zur Rotglut erhitzen. Dies ist möglich, weil nahezu alle bei ihrem Zerfall erzeugten energiereichen Alphateilchen von ihren schweren Atomen noch in ihrem Innern aufgehalten werden und ihre Bewegungsenergie als Wärme an sie abgeben. Wenn sie außerdem nur wenig Gammastrahlung erzeugen und ihre Halbwertszeit (meistens einige Jahre bis Jahrzehnte) lang genug ist, kann die abgegebene Wärme in Radionuklidbatterien zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden. ⓘ

Rauchmelder

Außerdem werden Alphastrahler in Ionisationsrauchmeldern verwendet. Diese erkennen den Rauch durch die Messung der Leitfähigkeit der durch Alphastrahlen ionisierten Luft, da Rauchpartikel die Leitfähigkeit verändern. ⓘ

Alphastrahlung und DRAM-Fehler

In der Computertechnik wurden 1978 in den DRAM-Chips von Intel "weiche Fehler" im dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) mit Alphateilchen in Verbindung gebracht. Die Entdeckung führte zu einer strengen Kontrolle der radioaktiven Elemente in der Verpackung von Halbleitermaterialien, und das Problem gilt weitgehend als gelöst. ⓘ

Nachweis

Zum Nachweis von Alphastrahlung, beispielsweise zu Strahlenschutzzwecken, eignen sich im Prinzip alle Teilchendetektoren. Allerdings muss die Strahlung das Innere des Detektors, das empfindliche Volumen, erreichen können; ein Zählrohr muss dazu ein genügend dünnes Folienfenster haben. Geeignet sind z. B. die üblichen Kontaminationsnachweisgeräte. Für genaue Messungen, etwa zur Bestimmung des Energiespektrums der Strahlung, müssen sich Strahlenquelle und Detektor in einem gemeinsamen Vakuum befinden. Dabei wird meist ein Halbleiterdetektor verwendet. ⓘ

Wechselwirkung mit Materie

Alphastrahlung ist die am leichtesten abzuschirmende ionisierende Strahlung. ⓘ