EINFÜHRUNG IN DIE ATOM UND KERNPHYSIK
1.
1.1
Aufbau der Atomkerne
Das Atommodell
Ein Atom besteht aus einem Kern (positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale
Neutronen; Durchmesser: ca. 10-15 m; ungefähr gleiche Masse) und einer Elektronenhülle
(Durchmesser: ca. 10-10 m). Auf ihr bewegen sich negativ geladene Elektronen (Masse:
1
ca.
der Masse eines Protons; gleiche Ladung) auf kreisförmigen Bahnen um den
2000
Kern.
Jedes elektrisch neutrale Atom besitzt genauso viele Protonen wie Elektronen.
Beispiele für zweidimensionale Modelle der ersten 8 Elemente
Zwischen den Kernteilchen wirken die anziehenden Kernkräfte, die den Kern, also die
Nukleonen
zusammenhalten.
Sie
haben
nur
eine
sehr
geringe
Reichweite
(Wirkungsbereich: 10-15m). Diesen entgegen wirken die abstoßenden elektrischen Kräfte
zwischen den Protonen mit verhältnismäßig großer Reichweite. Die Energie, die den Kern
zusammenhält und somit in ihm gespeichert ist, bezeichnet man als Kernenergie oder
Bindungsenergie der Kernteilchen.
Beispiel für ein dreidimensionales Modell des Elements Natrium
Maße eines mittelgroßen Atoms im Original und in modellhafter Vergrößerung
1.2
Die Nuklidschreibweise
Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen bzw.
Elektronen an,
die Massenzahl die Summe der Anzahl der Protonen
und Neutronen.
Die Masse wird in der atomaren Einheit
1 u = 1,661· 10-27 kg angegeben.
2 von 15 (Atomphysik)
1.3
Isotope, Isobare, Isomere
Isotope
Besitzen Atome des gleichen chemischen Elements eine unterschiedliche Anzahl von
Neutronen, so bezeichnet man diese Atome als Isotope.
z. B
206
207
Pb ;
82
208
Pb ;
82
Pb
82
Isobare
Atome mit gleicher Massenzahl besitzen eine unterschiedliche Anzahl von Protonen. Es
handelt sich also um verschiedene chemische Elemente.
z. B
214
214
Pb ;
82
214
Bi ;
83
Po
84
Isomere
Sie unterscheiden sich weder in der Masse, noch in der Ordnungszahl. Ihre Atomkerne
befinden sich in energetisch verschieden angeregten Zuständen.
3 von 15 (Atomphysik)
2.
2.1
Radioaktive Strahlung
Die Entdeckung der natürlichen Radioaktivität
Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen beobachtete der Franzose
Becquerel 1896 eine Schwarzfärbung einer Photoplatte, die in der Nähe
von Uransalz lag. Marie und Pierre Curie erforschten die neue
Strahlung und entdeckten hierbei als strahlende Substanzen die Elemente
Polonium und Radium.
2.2.
Die Eigenschaften der natürlichen radioaktiven Strahlung
Radioaktive Strahlung wird nur vom Atomkern emittiert. Sie ist also unabhängig von der
chemischen Bindung des strahlenden Elements. Beim Zerfall von Atomen wandeln sich
diese spontan in andere Atomarten um. Man unterscheidet drei Arten der Strahlung.
Die Strahlenarten
 -Strahlen
Es sind Heliumkerne, also 2 Neutronen
verbunden mit 2 Protonen.
Beispiel:
226
4
222
88 Ra  2 He  86 Rn ( Radon)
Energiereiche  -Teilchen besitzen eine Reichweite
bis zu 8 cm in Luft und einen Bruchteil eines
Millimeters in Metallen. Sie erzeugen beim Aufprall
auf andere Atome Ionen.
4 von 15 (Atomphysik)
 -Strahlen
Es
sind
Geschwindigkeiten
Elektronen
bis
zu
mit
99%
der
Lichtgeschwindigkeit. Sie entstehen bei
der Umwandlung eines Neutrons in ein
Proton:
Beispiel:
214
0
214
82 Pb  1 e  83 Bi ( Bismut )
Die Reichweite der  -Strahlen beträgt in Luft bis zu 1 m. Eine mehrere Millimeter dicke
Aluminiumplatte schützt vor ihr.
 -Strahlen
Es sind hochenergetische, elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit
bewegen. Sie treten meistens in Begleitung von  - und  -Strahlen auf, um das hierbei,
von der Elektronenhülle erreichte erhöhte Energieniveau wieder auszugleichen.
 -Strahlen besitzen eine große Reichweite. Zu ihrer Abschirmung benötigt man dicke
Bleiplatten.
Die Reichweite der radioaktiven
Strahlenarten
5 von 15 (Atomphysik)
2.3
Nachweisgeräte für radioaktive Strahlung
Das Geiger-Müller-Zählrohr
Tritt eine Strahlung in die, mit einem Edelgas unter geringem Druck gefüllte Röhre, so
erzeugt sie Elektronen, welche wegen der Beschleunigung eine Ionenlawine auslösen,
deren Stromimpuls registriert werden kann.
Das Geiger-Müller-Zählrohr ist das am häufigsten benutzte Nachweisgerät für radioaktive
Strahlung.
Bei Messungen mit dem Zählrohr ist der sogenannte „Nulleffekt“ zu berücksichtigen. Er
gibt die Anzahl der Impulse an, die nur durch die ständig vorhandene natürliche Strahlung
verursacht werden.
Die Nebelkammer
Die
Nebelkammer
beinhaltet
ein
wasserdampftgesättigtes Gas (meist Luft).
Treten Strahlen in das Kammerinnere ein,
so erzeugen diese auf ihrer Bahn Ionen und
es kondensieren Nebeltröpfchen daran.
Somit lässt sich die Bahn eines radioaktiven
Teilchens fotographieren und aus ihrer
Bahnablenkung
können
wichtige
Erkenntnisse gewonnen werden.
6 von 15 (Atomphysik)
3.
3.1
Radioaktiver Zerfall
Die Halbwertszeit
Die Halbwertszeit gibt die Dauer an, in welcher die
Anzahl der am Anfang vorhandenen strahlenden Kerne
auf die Hälfte reduziert wurde.
Die Palette der Halbwertszeiten reicht von 10-7 sec bis
5·1014 a. Man nutzt sie zur Bestimmung extrem hoher
Alter von Gesteinen.
Beispiele für T1/2:
238 U : 4,5·109 a
92
Jod 131 : 8 d
Die Halbwertszeit lässt sich grafisch in einem ZerfallZeit-Diagramm bestimmen. Hierbei wird die zur Hälfte
der Zerfälle zugehörige Zeit T1/2 bestimmt.
Die C-14-Methode zur Altersbestimmung (Radiokarbonmethode)
Ein kleiner Anteil des Kohlenstoffs im Kohlendioxid der Luft, das C-14-Isotop, ist
radioaktiv und bleibt in seiner Konzentration durch Neubildung gleich. Es wird von allen
organischen Stoffen bis zu deren Ableben aufgenommen. Ab dann zerfällt es mit einer
Halbwertszeit von 5730 Jahren. Misst man die Radioaktivität von organischen
Fundstücken, so lässt sich dadurch deren Alter bestimmen.
Die Entstehung des C-14-Isotops aus Stickstoff: 147 N  01 n  146 C  11 p
Beispiel:
Bei 1 kg Kohlenstoff eines gerade gefällten Baumes beträgt die Aktivität 266 Bq.
Wie alt ist ein Baum, bei dem eine Aktivität von ca. 4 Bq (pro kg Kohlenstoff) gemessen
wurde.
7 von 15 (Atomphysik)
3.2
Die künstliche Radioaktivität
Die Kernspaltung
Beschießt man Uran 235 mit langsamen Neutronen, so spaltet sich der Kern in den von
Krypton 89 und Barium 144 und 3 schnellen Neutronen. Hierbei wird auch Energie frei.
235
92 U
144
1
 01 n  89
Kr

Ba

3
36
56
0 n E
Die Kettenreaktion
Die bei der Kernspaltung eines U-235-Kerns freigesetzten 2 bis 3 Neutronen können
sofort wieder die Spaltung von 2 bis 3 weiteren Urankernen verursachen (sofern sie auf
solche Kerne treffen), wobei dann _________ Neutronen freigesetzt werden, die
wiederum neue Urankerne spalten können usw.
Durch die von Generation zu Generation zunehmende Neutronenzahl setzt sich die
Kernspaltung lawinenartig durch die ganze Uranportion fort; es findet eine
___________________________ statt.
Dabei werden ungeheuere Mengen an Energie in kürzester Zeit freigesetzt (Atombombe)
(Die Erfahrung zeigte, dass für das Zustandekommen einer Kettenreaktion eine
Mindestmasse (______________________ ) an spaltbarem Material vorhanden sein
muss. Bei einer zu geringen Masse entweichen zu viele ___________________ durch die
_________________ , ohne dass sie eine Spaltung bewirkt haben.
8 von 15 (Atomphysik)
Erzeugung künstlicher radioaktiver Elemente
Durch den Beschuss von in der Natur vorkommenden Elementen mit hochenergetischen
Teilchen (Sie werden in Linearbeschleunigern, Zyklotronen und Synchrotronen oder bei
radioaktiver Strahlung erzeugt) lassen sich neue, sowohl kurz- als auch langlebige
Elemente (Transurane) erzeugen, die wegen ihrer Unbeständigkeit zu radioaktiven
Strahlern werden.
238
92 U
Beispiel:
1
241
0
 24 He  241
94 Pu  0 n  95 Am  1 e
Die Kernfusion
Neben der Aufspaltung eines großen Atomkerns in kleinere Bruchstücke ist umgekehrt
auch
die
Vereinigung
kleiner
Kerne
zu
einem
größeren
Kern
möglich
(Kernverschmelzung, Kernfusion)
Dieser Vorgang findet in der Sonne (und jedem anderen Stern) statt.
Voraussetzung für die Fusion von Kernen ist, dass die Kerne mit höchster
Geschwindigkeit aufeinander zurasen, damit die Abstoßungskräfte überwunden werden.
Diese Voraussetzung ist erfüllt bei sehr hohen Temperaturen und hohen Drücken, wie sie
z. B. im Inneren der Sonne herrschen (etwa 20 Millionen Grad Celsius; bei diesen
Temperaturen ist die Materie plasmaförmig, d. h. die Atome sind so schnell, dass sie sich
beim Zusammenprall gegenseitig die Elektronen aus der Hülle schlagen)
Auf Grund der sehr hohen Temperatur und des sehr hohen Drucks, der für die Kernfusion
erforderlich ist, kann man sie auf der Erde nur sehr schwierig „nachmachen“: es sind
Temperaturen von 100 000 000 oC erforderlich, damit die Kerne eine genügend hohe
kinetische Energie haben, um die abstoßenden Kräfte überwinden zu können.
An einer Nutzung für die Energieversorgung wird zwar gearbeitet, die Verwirklichung
liegt aber noch in weiter Ferne (Ob sie je in großem Stil zur Energie“gewinnung“ genutzt
werden
kann,
ist
fraglich.
Sollte
dies
gelingen,
so
wären
damit
die
Energieversorgungsprobleme der Erde für alle Zeit gelöst, da das Ausgangsmaterial für
die Fusion (leichte Kerne, z. B. Wasserstoff) unbegrenzt verfügbar sind )
9 von 15 (Atomphysik)
Tritiumkern
Deuteriumkern
fliegen mit hoher
Geschwindig-keit
aufeinander zu

Verschmelzung
= Fusion
4.
Gefahren und Nutzen der radioaktiven Strahlung
4.1
Strahlenquellen, -Belastung und -Schäden
Radioaktive Strahlung ist ständig präsent. Kosmische Strahlen erzeugen in der Lufthülle
 - und  -Strahlung, terrestrische Strahlung findet man u. a. in allen Gesteinen und
Pflanzen.
Treffen radioaktive Strahlen auf Materie, so werden einzelne Elektronen aus den
Atomhüllen herausgeschlagen, es entstehen somit Ionen. Diese ionisierende Strahlung
kann zu Veränderungen von Körperzellen und damit zu Erbschäden, Missbildungen oder
Krebs führen.
Bei der Wirkung der Strahlung auf den Menschen unterscheidet man zwischen der
inneren Strahlung, die durch die Nahrungsaufnahme oder die Atemluft in den Körper
gelangt und sich dort in den Organen oder Knochen ablagert, und der äußeren Strahlung,
die vor allem in Form von  -Strahlen tief in das Gewebe eindringt und dort  -Strahlen
erzeugt.
Die Wirkung der Strahlung auf den menschlichen Körper hängt ab von der Art und
Energie der Strahlung, der Dauer der Strahlung und ihre zeitliche Verteilung (eine
kurzzeitige Bestrahlung ist gefährlicher als die gleiche Strahlungsenergie über längere
Zeit verteilt) sowie der Empfindlichkeit des Organs (Organe sind anfälliger als Muskeln
und Knochen).
10 von 15 (Atomphysik)
4.2
Strahlenschutz
Beim Umgang mit radioaktiven Präparaten sollte auf den richtigen Abstand, eine
geeignete Abschirmung (dicke Bleiplatten sind am besten) und auf den Schutz der
Atemwege sowie der Haut geachtet werden. Die Dauer der Bestrahlung muss möglichst
gering sein.
4.3
Anwendungen radioaktiver Stoffe
In der Medizin benutzt man radioaktive Stoffe zur
Behandlung von Krankheiten und zur Diagnose. Krebszellen
werden durch ionisierende Strahlung zerstört. Durch Zufuhr
von radioaktiven Stoffen (z. B. Jod 131) in den Körper kann
von
einem
Organ
(z.
B.
Schilddrüse)
ein
Bild
(Szintigramm – siehe Bild) zur Krankheitserkennung
erstellt werden.
In Industrie und Technik nutzt man die Strahlung zur
gezielten Veränderung der Eigenschaften von Materialien
und zur Qualitätsprüfung (z. B. Schweißnähteüberprüfung).
Die umstrittene Konservierung von Lebensmitteln durch
Bestrahlung ist ein weiteres Anwendungsbeispiel.
4.4
Kernkraftwerke
Im Reaktorkern werden die, beim radioaktiven
Zerfall freiwerdenden schnellen Neutronen beim
Druckwasserreaktor von dem Moderator Wasser
abgebremst und die Anzahl der Neutronen, die
weitere Zerfälle verursachen, durch die Regelstäbe
gesteuert, so dass eine kontrollierte Kettenreaktion
stattfindet.
Das Wasser im Druckbehälter nimmt die, bei der Kettenreaktion entstehende Wärme
(300°C bei 150 bar) auf und gibt sie im Wärmetauscher an weiteres Wasser ab, welches
hierbei zu Wasserdampf wird und somit die Wärmeenergie über eine Turbine in
elektrische Energie im Generator umgewandelt werden kann. Der erzeugte Wasserdampf
kondensiert im Kondensator und das entstehende Wasser kann wieder erhitzt werden.
11 von 15 (Atomphysik)
Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor
Sicherheitsvorkehrungen im KKW
Bei der Kernspaltung entstehen auch stark radioaktive Spaltprodukte, welche auch das
umgebende Material bestrahlen und somit von all diesen Stoffen die große Gefahr der
Radioaktivität ausgeht. Aufwendige Sicherheitsmaßnahmen sind demnach notwendig, um
ein Austreten von radioaktiver Strahlung in die Umwelt zu verhindern.
12 von 15 (Atomphysik)
▪
▪
▪
▪
▪
▪
Die
Brennstoffhüllen
sollen
verhindern, dass Spaltprodukte
austreten.
Der Druckbehälter muss einem
Druck von mehr als 150 bar
standhalten.
Die Betonmauer schirmt das
weitere Gebäude vor Strahlung ab.
Der Sicherheitsbehälter aus Stahl,
der noch zusätzlich von einer
Blechhaut umgeben ist, schützt
zusätzlich vor dem Austritt von
Strahlung.
Das
Reaktorgebäude
aus
Stahlbeton bietet einen Schutz vor
Gefahren von außen.
Die Filter für Abwässer und
Abluft sondern radioaktive Partikel
aus.
Nutzanwendung radioativer Strahlung – weitere Beispiele
-
Altersbestimmung archäologischer Objekte mit der C-14-Methode
diagnostische Zwecke:
-
(_____________________________)
_______________________________
Medizin
therapeutische Zwecke: (________________________________)
_______________________________
-
Gentechnik:
_________________________________________________________
-
Messtechnik: _________________________________________________________
_________________________________________________________
-
Energieversorgung: ____________________________________________________
Beispiel: _________________________
radioaktives
Präparat
Zählrohr
Zählrohr
Die Intensität der durchgelassenen Gammastrahlung nimmt mit zunehmender Dicke des Prüfstücks
_____
13 von 15 (Atomphysik)
Beispiel: _________________________
Zählrohr
-
Veredelung von Kunststoffen durch ß-Strahlung: bewirkt ein __________________ von
Molekülketten; dadurch werden bestimmte Kunststoffe _____________________
_______________________________________________
-
Abtötung von Keimen (Bakterien, Viren usw.) = ________________________
z. B. ____________________________________________________________________
-
Konservierung von Lebensmitteln
5.
Aufgaben
1.
Die radioaktive Substanz Protactinium ist ein Zwischenprodukt der
Uran-Radium-Zerfallsreihe und entsteht nach folgendem Zerfallsschema:
238
92 U
234
234
 234
90 Th  91 Pa  92 U
Formuliere zu jedem der drei angegebenen Zerfallsschritte die zugehörige
Reaktionsgleichung, und gib jeweils die Art der dabei auftretenden Strahlung an.
2. 0
In einem Experiment wird für die radioaktive Substanz Protactinium mit einem
Zählrohr die Impulsrate in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Dabei werden
nach jeweils 20 Sekunden die für ein Zeitintervall von 10 Sekunden registrierten
Impulse abgelesen.
Es ergeben sich folgende Messwerte:
Zeit in s
Impulsrate in
0
1
10s
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
955 785 648 535 440 364 300 247 205 160 141
Der Nulleffekt beträgt am Ort des Experiments 30 Impulse/min.
3.
1
Erkläre, was man unter dem Nulleffekt versteht und warum dieser an
verschiedenen Orten unterschiedlich sein kann.
2
Stelle in einer Tabelle die um den Nulleffekt bereinigten Impulsraten in
Abhängigkeit von der Zeit t dar, und werte diese Tabelle graphisch aus.
3
Ermittle aus der graphischen Darstellung die Halbwertszeit des
Protactiniumpräparats.
Welche Arten von Schädigungen für den menschlichen Körper können bei der
radioaktiven Strahlung auftreten?
14 von 15 (Atomphysik)
4. 1
2
Der Zerfall eines radioaktiven Elements
ist im nebenstehendem Diagramm
dargestellt. Gib die zugehörige
Zerfallsgleichung an.
Welcher physikalische Vorgang spielt
sich im Atomkern bei der Aussendung
von  -Strahlung ab?
15 von 15 (Atomphysik)
Herunterladen

EInführung in die Atom und Kernphysik