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Zielformeln:

N(t)=N0⋅2−t/T1/2=N0⋅e−λt,λ=ln⁡2T1/2

Gültigkeit/Annahmen:

  • Große Kernanzahl (N≫1): Wann ein einzelner Kern zerfällt, ist quantenmechanisch zufällig; das Gesetz gilt nur für den statistischen Mittelwert.
  • Die Zerfallswahrscheinlichkeit jedes Kerns ist konstant und geschichtsunabhängig („Kerne haben kein Gedächtnis") — genau daraus folgt das „Halbieren pro T1/2".
  • Der Zerfall ist unabhängig von Temperatur, Druck und chemischer Umgebung (Kernenergien im MeV-Bereich ≫ chemische eV).

Verwendete Formeln ​

FormelNameFormelnheft
T1/2: pro Halbwertszeit bleibt die HälfteDefinition der Halbwertszeit❌ nicht im Formelnheft — Definition, selbst anschreiben
N=N0⋅e−λtRadioaktiver Zerfall (e-Form)✅ S. 5 („Radioaktiver Zerfall N=N0⋅e−λt")
ax=exln⁡aBasiswechsel (mathematische Identität)❌ Mathematik, nicht im Formelnheft
λ=ln⁡2T1/2Zerfallskonstante ↔ Halbwertszeit❌ nicht im Formelnheft — wird hier hergeleitet, muss man können

Herleitung (Schritt für Schritt) ​

Schritt 1 — vom „Halbieren in gleichen Zeitabständen" zur Zweierpotenz ​

Definition der Halbwertszeit T1/2: Nach jeder Zeitspanne T1/2 ist noch die Hälfte der Kerne übrig. Wir zählen die Halbierungen einfach ab:

  1. Nach 0⋅T1/2: N=N0 (alle noch da).
  2. Nach 1⋅T1/2: N=12N0=N0⋅2−1.
  3. Nach 2⋅T1/2: N=12⋅12N0=N0⋅2−2.
  4. Nach n⋅T1/2 (n Halbierungen):N=N0⋅2−n
  5. Wie viele Halbwertszeiten stecken in der Zeit t? n=tT1/2. Einsetzen:N(t)=N0⋅2−t/T1/2✎ Anmerkung zur Näherung: Die Schritte 1–4 sind nur für ganzzahliges n wörtliches „Abzählen"; weil die Zerfallswahrscheinlichkeit konstant ist, fällt der Bestand in jedem noch so kleinen Zeitabschnitt um denselben Faktor (glatter Exponentialprozess) — die Potenz gilt daher auch für nicht-ganzzahliges n.

Schritt 2 — Basiswechsel zu e: Anschluss an das Formelnheft ​

Das Formelnheft S. 5 gibt N=N0e−λt. Beide Schreibweisen müssen dieselbe Funktion sein — Basis 2 in e umrechnen:

  1. Mathematische Identität: 2=eln⁡2 (Definition von ln).
  2. In die Potenz einsetzen:2−t/T1/2=(eln⁡2)−t/T1/2=e−ln⁡2T1/2t(Potenzregel (ea)b=eab.)
  3. Exponentenvergleich mit e−λt liefert:λ=ln⁡2T1/2
  4. Physikalische Bedeutung: λ ist die Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit (Zerfallskonstante). Kürzeres T1/2 ↔ größeres λ ↔ instabileres Isotop — umgekehrt proportional, wie im Skriptum §12.7.

Schritt 3 — Rechenbeispiel Cs-137 (mit Probe) ​

Cs-137: T1/2=30,2 a; wie viel bleibt nach t=36 a?

  1. Anzahl Halbwertszeiten: n=tT1/2=3630,2≈1,19 (etwas mehr als eine Halbierung).
  2. Zweierpotenz-Form: 2−1,19=121,19≈12,28≈0,438.
  3. Unabhängige Probe mit der e-Form: λ=ln⁡230,2 a=0,693130,2≈0,02295 a−1; λt=0,02295⋅36≈0,826; e−0,826≈0,438. ✓ Beide Wege stimmen überein.
  4. Ergebnis: Nach 36 Jahren sind noch ca. 43,8% übrig — identisch mit Beispiel 2 im Skriptum §12.7.

Aktivität (ein Satz) ​

Die Aktivität A=λN ist die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde (Einheit Bq = 1/s); da N(t) exponentiell fällt, gilt ebenso A(t)=A0e−λt (❌ nicht im Formelnheft).

Variablentabelle ​

SymbolBedeutungSI-Einheit
N(t)Anzahl der zur Zeit t noch nicht zerfallenen Kerne— (Anzahl)
N0Anfangsanzahl (t=0)— (Anzahl)
tverstrichene Zeits (im Beispiel a = Jahre; das Verhältnis t/T1/2 ist dimensionslos, Einheiten müssen nur konsistent sein)
T1/2Halbwertszeits (Cs-137: 30,2 a)
nAnzahl der Halbwertszeiten =t/T1/2— (dimensionslos)
λZerfallskonstante = Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeit1/s
AAktivität =λNBq = 1/s

Verknüpfungen ​