Grundwissen Atome und radioaktiver Zerfall
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Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Arbeitsblatt 6 – 1 Grundwissen Atome und radioaktiver Zerfall Repetition zum Atombau Die Anzahl der ......................................... geladenen Protonen bestimmt die chemischen Eigenschaften des Atoms (dunkle Bausteine). Die Atomhülle besteht aus .......................................................... geladenen Elektronen (Anzahl Protonen ist gleich Anzahl der Elektronen; Elektronen sind 2000-mal leichter). Der Atomkern wird durch .............................................. Neutronen (hell) zusammengehalten. Die Masse des Atoms wird durch die Anzahl der Kernbausteine bestimmt. Betrachte die beiden «Atome» und ergänze: Name: ........................................... Atom (4He) ........................................... Atom (14N) Hülle: ............... Elektronen .............. Elektronen Kern: .............. Protonen ............ Neutronen ............... Protonen ............ Neutronen Das 12C Kohlenstoffatom hat 6 Protonen, 6 Neutronen. Frage 1 Was ist die Atommasse des dargestellten Atoms? Frage 2 Welche Vor- und Nachteile hat das Kugelmodell? Version 3 Herbst 2013 Arbeitsblatt 6 – 2 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Kohlenstoff und seine verschiedenen Atomarten (Isotope, Nuklide) In der oberen Reihe sind die drei Isotope von Kohlenstoff (12C, 13C, 14C) in der üblichen vereinfachten Form dargestellt. Kohlenstoff hat immer 6 Protonen (dunkel) und 6 Elektronen; die Isotope unterscheiden sich durch die Anzahl der Neutronen (hell). C Kohlenstoff-12 Frage 3 Wie viele Protonen und wie viele Neutronen haben die drei Isotope? Aufgabe Ergänze in der unteren Reihe die Anzahl der dunklen und hellen Bausteine! Frage 4 Was passiert beim «Zerfall» eines instabilen Atomkerns? 12 C Kohlenstoff-13 13 C Kohlenstoff-14 14 Instabile Atomkerne können sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit umwandeln, dieser Vorgang heisst radioaktiver «Zerfall». Ergänze zum obigen Bild: Es wandelt sich ein ..................................... Baustein in einen ............................................ um; aus einem ............................................... wird ein .................................................. dabei wird ............................................... ausgesandt. Das Atom verändert dabei seine ..................................................... Eigenschaften Frage 5 Wird das Gewicht des Atoms verändert? Version 3 Herbst 2013 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Arbeitsblatt 7 – 1 Grundwissen Radioaktive Strahlen und Reichweiten Radioaktivität ist eine normale Eigenschaft von Materie. Die natürliche Radioaktivität heizt das Innere unseres Planeten und schaffte Bedingungen, die Leben auf der Oberfläche erst möglich machten. Strahlenarten: Bei der Umwandlung instabiler Atomkerne, beim sogenannten «Zerfall», werden entweder α- oder β-Strahlen ausgesandt. Beide sind fast immer begleitet von γ-Strahlen. Man kennt etwa 2500 verschiedene Atom­ arten oder Nuklide. Nur etwa ein Zehntel davon ist stabil. Diese Strahlenarten unterscheiden sich in Ihrer Fähigkeit, Materie zu durchdringen: Alphastrahlen: Die Teilchen bleiben in Papier oder wenigen cm Luft stecken. Sie vermögen die Hornschicht der Haut nicht zu durchdringen. Betastrahlen: Die Teilchen werden von 1–2 Millimeter Glas oder Aluminium blockiert; die Reichweite in Luft beträgt wenige Meter, sie dringen wenige mm in Körpergewebe ein. Gammastrahlen: Diese Strahlen sind ein ­unsichtbares, energiereiches «Licht» (Photonen); sie werden in den meisten Fällen bei a- und b-Zerfällen ausgesandt. Gammastrahlen typischer Energien werden in 7 mm Blei oder 80 mm Wasser – und damit auch im Körpergewebe – auf die Hälfte abgeschwächt und dabei gleichzeitig «gestreut». Die Reichweite in Luft beträgt ­mehrere hundert Meter. Frage 1 Welche Strahlen werden in Papier oder im «toten» Gewebe der Haut vollständig blockiert? Frage 2 Welche Strahlen bleiben in Brillengläsern stecken und dringen wenige Millimeter in Körpergewebe ein? Frage 3 Welche Strahlen sind sehr durchdringend und werden beim «Abschwächen» gestreut? Version 3 Herbst 2013 Arbeitsblatt 7 – 2 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Fragen über die Eigenschaften radioaktiver Strahlung Frage 4 Eine dickwandige Plastikflasche enthält eine radioaktive Substanz, einen sogenannten Betastrahler. Welche Art von Strahlen könnte Dich treffen? Frage 5 Auf dem Tisch liegt ein alter Glühstrumpf einer Campinglampe. Diese enthielten früher Thorium, einen Alphastrahler. Welche Art von Strahlen könnte Dich treffen? Frage 6 Auf dem Tisch liegt eine Substanz, die offenbar leicht radioaktiv ist, wie Geigerzähler aus etwa einem halben Meter Abstand zeigen. Wie nahe musst Du mit einem Geigerzähler hingehen, um abzuklären, ob es ein Alphastrahler ist? Knifflige Fragen für Wissbegierige: Frage 7 Genügt eine solche Abschirmung aus Bleiziegeln, um eine starke Strahlenquelle abzuschirmen? und warum? Frage 8 Auf welche Art würde die Strahlung besser abgeschirmt und damit die Sicherheit erhöht? Version 3 Herbst 2013 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Arbeitsblatt 8 – 1 Grundwissen Halbwertszeiten Definition Eine Halbwertszeit bezeichnet den Zeitraum, über den eine gewisse Anzahl radioaktiver Kerne auf die Hälfte zerfällt. Diese Zerfalls- oder Halbwertszeiten sind charakteristisch und verschieden für jedes Radionuklid; sie können Bruchteile von Sekunden bis Milliarden von Jahren umfassen. Radioaktiver Abfall besteht aus einer sehr grossen Zahl stabiler Atome und einem Gemisch instabiler Atomarten, die unterschiedlich schnell zerfallen. Aufgabe 1 Die Säulenhöhe repräsentiert die Anzahl «aktiver» Atome eines einzelnen Nuklids; zeichne die Anzahl der aktiven Atomkerne (Säulenhöhe) nach 1, 2, 3, bis 11 Halbwertszeiten in jede Säule und schreibe dazu die Anzahl der «aktiven» Atome, falls in der ersten Säule 512 Atome wären: Frage 1a Was fällt auf? Frage 1b Wieso ist das gezeigte Beispiel sehr einfach und auch unrealistisch? Version 3 Herbst 2013 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Arbeitsblatt 8 – 2 Halbwertszeiten Aufgabe 2 Stelle den radioaktiven Zerfall grafisch dar und zeichne den Verlauf einer Aktivitätsmenge über einige Halbwertszeiten als Kurve und beschrifte die Achsen. Frage 2 Was könnte man zur Darstellung bemerken? Für Wissbegierige – Aufgaben mit dem Taschenrechner: Aufgabe 3 Mit dem Taschenrechner lassen sich mit den Tasten xy oder yx von einer Ausgangs­menge M0 (in Gramm, Bq etc.) für beliebige Zeiten t die Mengen (Mt) gemäss folgender Geleichung errechnen: Mt = M0 . 0.5a wobei a = Zeit t/Halbwertszeit = Anzahl Halbwertszeiten, a muss keine ganze Zahl sein. Frage 3 Benutze den Taschenrechner und berechne die verbleibende Aktivität nach 10 Halb­wertzeiten bei der in Aufgabe 1 benutzten Menge (M0 = 512). Version 3 Herbst 2013 Arbeitsblatt 8 – 3 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Thema Halbwertszeiten Für Wissbegierige – weitere Aufgaben mit dem Taschenrechner Verwende weiter die Tasten xy oder yx und rechne gemäss folgender Beziehung: Mt = M0 . 0.5a wobei a die Anzahl Halbwertszeiten ist (a = Zeit t / Halbwertszeit) Aufgabe 4 Aus einem kg gespaltenem Uran entstehen im Reaktor neben andern Spaltprodukten 65 g 135Cs : 2.8 x 109 Bq (Halbwertszeit = 2 x 106 Jahre) 62 g 137Cs: 2.0 x 1014 Bq (Halbwertszeit = 30.2 Jahre). Berechne in der Tabelle die verbleibenden Anteile und Mengen für alle Zeiten: Zeit nach... (in Jahren) 135 Cs verbleibender Anteil 135 Cs verbleibende Aktivität (in Bq) 137 Cs verbleibender Anteil 137 Cs verbleibende Aktivität (in Bq) 10 100 1000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 100 000 000 Frage 4 Was fällt auf? Aufgabe 5 Ein hypothetischer Abfall besteht aus einer gleichen Anzahl Atome für 3 verschiedene Nuklide (A, B, C). Diese haben folgende Halbwertszeiten: A = 1 Jahr, B = 100 und C = 100 000 Jahre. Tatsache: Für gleiche Anzahl Atome ist deren Radioaktivität indirekt proportional zur Halbwertszeit. Kurze Halbwertszeiten = hohe Aktivität, lange Halbwertszeiten = geringe Aktivität. Frage 5a Wieviel mehr «strahlen» A und B anfänglich gegenüber dem dritten Nuklid C? Frage 5b Wie gross ist der Anteil jedes Nuklids in der hypothetischen Abfallmischung nach 20, 2000 und 2 000 000 Jahren (zur Zeit 0: A = 1, B = 1, C = 1)? nach... 20 Jahren 2000 Jahren 2 000 000 Jahren Version 3 Herbst 2013 A (HWZ = 1 a) B (HWZ = 100 a) C (HWZ = 100 000 a) Lösungen 6 – 1 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Grundwissen Atome und radioaktiver Zerfall Repetition zum Atombau Die Anzahl der (elektrisch) positiv geladenen Protonen chemischen Eigenschaften des Atoms (dunkle Bausteine). bestimmt die Die Atomhülle besteht aus (elektrisch) negativ geladenen Elektronen (Anzahl Protonen ist gleich Anzahl der Elektronen; Elektronen sind 2000-mal leichter). Der Atomkern wird durch elektrisch neutrale, ungeladene Neutronen (hell) zusammengehalten. Die Masse des Atoms wird durch die Anzahl der Kernbausteine bestimmt. Betrachte die beiden «Atome» und ergänze: Name: Helium Atom (4He) Stickstoff Atom (14N) Hülle: zwei Elektronen sieben Elektronen Kern: zwei Protonen zwei Neutronen sieben Protonen sieben Neutronen Das 12C Kohlenstoffatom hat 6 Protonen, 6 Neutronen. Frage 1 Was ist die Atommasse des dargestellten Atoms? Frage 2 Welche Vor- und Nachteile hat das Kugelmodell? 12 (6 p + 6 n) Die Anzahl der Kernbausteine sind bei grösseren Atomen kaum mehr sichtbar; anschauliches Modell, das dennoch viel über den Atombau erklärt. Version 3 Herbst 2013 Lösungen 6 – 2 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Kohlenstoff und seine verschiedenen Atomarten (Isotope, Nuklide) In der oberen Reihe sind die drei Isotope von Kohlenstoff (12C, 13C, 14C) in der üblichen vereinfachten Form dargestellt. Kohlenstoff hat immer 6 Protonen (dunkel) und 6 Elektronen; die Isotope unterscheiden sich durch die Anzahl der Neutronen (hell). Frage 3 Wie viele Protonen und wie viele Neutronen haben die drei Isotope? Frage 4 Was passiert beim «Zerfall» eines instabilen Atomkerns? Instabile Atomkerne können sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit umwandeln, dieser Vorgang heisst radioaktiver «Zerfall». Ergänze zum obigen Bild: Es wandelt sich ein heller Baustein in einen dunklen aus einem Neutron dabei wird Strahlung (hier ein Elektron oder Betateilchen) wird ein Das Atom verändert dabei seine Frage 5 Proton chemischen ausgesandt. Eigenschaften. Wird das Gewicht des Atoms verändert? nein Version 3 Herbst 2013 um; Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Lösungen 7 – 1 Grundwissen Radioaktive Strahlen und Reichweiten Radioaktivität ist eine normale Eigenschaft von Materie. Die natürliche Radioaktivität heizt das Innere unseres Planeten und schaffte Bedingungen, die Leben auf der Oberfläche erst möglich machten. Strahlenarten: Bei der Umwandlung instabiler Atomkerne, beim sogenannten «Zerfall», werden entweder α- oder β-Strahlen ausgesandt. Beide sind fast immer begleitet von γ-Strahlen. Man kennt etwa 2500 verschiedene Atomarten oder Nuklide. Nur etwa ein Zehntel davon ist stabil. Diese Strahlenarten unterscheiden sich in Ihrer Fähigkeit, Materie zu durchdringen: Alphastrahlen: Die Teilchen bleiben in Papier oder wenigen cm Luft stecken. Sie vermögen die Hornschicht der Haut nicht zu durchdringen. Betastrahlen: Die Teilchen werden von 1 – 2 mm Glas oder Aluminium blockiert; die Reichweite in Luft beträgt wenige Meter, sie dringen wenige mm in Körpergewebe ein. Gammastrahlen: Diese Strahlen sind ein unsichtbares, energiereiches «Licht» (Photonen); sie werden in den meisten Fällen bei a- und b-Zerfällen ausgesandt. Gammastrahlen ­typischer Energien werden in 7 mm Blei oder 80 mm Wasser – und damit auch im Körpergewebe – auf die Hälfte abgeschwächt und dabei gleichzeitig «gestreut». Die Reichweite in Luft beträgt mehrere hundert Meter. Frage 1 Welche Strahlen werden in Papier oder im «toten» Gewebe der Haut voll­ ständig blockiert? Alphastrahlen, a-Teilchen Achtung: Der Alphazerfall kommt nur bei sehr schweren Atomen vor! Frage 2 Welche Strahlen bleiben in Brillengläsern stecken und dringen wenige Millimeter in Körpergewebe ein? Betastrahlen, b-Teilchen Achtung: Der Betazerfall kommt bei allen Atomgrössen vor. Frage 3 Welche Strahlen sind sehr durchdringend und werden beim «Abschwächen» gestreut? Gamma- oder g-Strahlen, aber auch Röntgenstrahlen (X-Rays). Version 3 Herbst 2013 Lösungen 7 – 2 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Fragen über die Eigenschaften radioaktiver Strahlung Frage 4 Eine dickwandige Plastikflasche enthält eine radioaktive Substanz, einen sogenannten Betastrahler. Welche Art von Strahlen könnte Dich treffen? Höchstens Gammastrahlung, falls diese beim Zerfall überhaupt vorkommt; Betastrahlen bleiben in dickem Plastik weitgehend stecken. Frage 5 Auf dem Tisch liegt ein alter Glühstrumpf einer Campinglampe. Diese enthielten früher Thorium, einen Alphastrahler. Welche Art von Strahlen könnte Dich treffen? Höchstens Gammastrahlung, falls diese beim Zerfall überhaupt vorkommt (232Th sendet nur wenige und schwache g-Strahlen aus); Alphastrahlen bleiben in wenigen cm Luft stecken und treffen dann kaum jemanden, der daneben steht oder sitzt. Frage 6 Auf dem Tisch liegt eine Substanz, die offenbar leicht radioaktiv ist, wie Geigerzähler aus etwa einem halben Meter Abstand zeigen. Wie nahe musst Du mit einem ­Geigerzähler hingehen, um abzuklären, ob es ein Alphastrahler ist? a-Strahlen haben in Luft eine Reichweite von etwa 5 cm (die Membran eines Ein Papier würde diese Strahlen in nächster Nähe wiederum blockieren. ­ eigerzählers hat aber etwa die Masse von 3 cm Luft, man muss also noch näher G rangehen. Knifflige Fragen für Wissbegierige: Frage 7 Genügt eine solche ­Abschirmung aus Bleiziegeln, um eine starke Strahlenquelle abzuschirmen? nein und warum? g-Strahlen streuen an Wänden und Abschirmung. Frage 8 Auf welche Art würde die Strahlung besser abgeschirmt und damit die Sicherheit erhöht? Entweder rundum abschirmen oder in einer Vertiefung im Boden durch einen dicken Deckel abgeschirmt lagern. Version 3 Herbst 2013 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Lösungen 8 – 1 Grundwissen Halbwertszeiten Definition Eine Halbwertszeit bezeichnet den Zeitraum, über den eine gewisse Anzahl radioaktiver Kerne auf die Hälfte zerfällt. Diese Zerfalls- oder Halbwertszeiten sind charakteristisch und verschieden für jedes Radionuklid; sie können Bruchteile von Sekunden bis Milliarden von Jahren umfassen. Radioaktiver Abfall besteht aus einer sehr grossen Zahl stabiler Atome und einem Gemisch instabiler Atomarten, die unterschiedlich schnell zerfallen. Aufgabe 1 Die Säulenhöhe repräsentiert die Anzahl «aktiver» Atome eines einzelnen Nuklids; zeichne die Anzahl der aktiven Atomkerne (Säulenhöhe) nach 1, 2, 3, bis 11 Halbwertszeiten in jede Säule und schreibe dazu die Anzahl der «aktiven» Atome, falls in der ersten Säule 512 Atome wären: * nach 10 Halbwertzeiten wären es noch 0.5 Atome, aber es gibt nur entweder 0 oder 1 Atom. Frage 1a Was fällt auf? Die Höhe der Felder fällt rasch unter die Strichdicke! Frage 1b Wieso ist das gezeigte Beispiel sehr einfach und auch unrealistisch? Das hier gezeigte Beispiel ist einfach, weil mit einer Anzahl Atome begonnen wird, die 2n entspricht. Weiter sind 512 Atome (= 29) eine unrealistisch kleine Menge, die selbst für grosse Atome weder sichtbar noch wägbar ist. Version 3 Herbst 2013 Lösungen 8 – 2 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Halbwertszeiten Aufgabe 2 Stelle den radioaktiven Zerfall grafisch dar und zeichne den Verlauf einer Akti- vitätsmenge über einige Halbwertszeiten als Kurve und beschrifte die Achsen. 1 8 Menge 0.5 4 1 0.25 2 0.125 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 n (Anzahl Halbwertszeiten als Zeit) 0 Dazu ist Folgendes zu bemerken: 1 Eine Achse – bevorzugt die horizontale – soll die «Zeit» oder die «Anzahl Halbwertszeiten» markieren, die andere Achse soll eine «Menge», die «Aktivität» oder die «Anzahl verbleibender Atome» darstellen. 2 Hier wurde vertikal ein 8er-Raster vorgegeben, was das Einzeichnen für die ersten paar Halbwertszeiten erleichtert. Frage 2 Was könnte man zur Darstellung bemerken? – Ab etwa 8 Halbwertzeiten wird es schwierig, beim linearen Massstab die Kurve «genau» zu zeichnen. Zeit Anzahl HWZ – Im Prinzip könnte man in der Grafik die Achsen auch vertauschen – es wäre nicht falsch – aber obige Darstellung hat sich eingebürgert. Menge Für Wissbegierige – Aufgaben mit dem Taschenrechner: Aufgabe 3 Mit dem Taschenrechner lassen sich mit den Tasten xy oder yx von einer Ausgangsmenge M0 (in Gramm, Bq etc.) für beliebige Zeiten t die Mengen (Mt) gemäss folgender Geleichung errechnen: Mt = M0 . 0.5a wobei a = Zeit t/Halbwertszeit = Anzahl Halbwertszeiten, a muss keine ganze Zahl sein. Version 3 Herbst 2013 Lösungen 8 – 3 Atome, Radioaktivität und radioaktive Abfälle Für Wissbegierige – weitere Aufgaben mit dem Taschenrechner: Frage 3 Benutze den Taschenrechner und berechne die verbleibende Aktivität nach 10 Halbwertzeiten bei der in Aufgabe 1 benutzten Menge (M0 = 512): 512 x 0.510 = 0.5 (nur gibt es keine halben Atome). Verwende weiter die Tasten xy oder yx und rechne gemäss folgender Beziehung: Mt = M0 . 0.5a wobei a die Anzahl Halbwertszeiten ist (a = Zeit t / Halbwertszeit) Aufgabe 4 Aus einem kg gespaltenem Uran entstehen im Reaktor neben andern Spalt­ produkten. 65 g 135Cs :2.8 x 109 Bq (Halbwertszeit = 2 x 106 Jahre) 62 g 137Cs :2.0 x 1014 Bq (Halbwertszeit = 30.2 Jahre). Berechne in der folgenden Tabelle die verbleibenden Anteile und Mengen für alle Zeiten: Zeit nach... (in Jahren) 135 Cs verbleibende Aktivität (in Bq) 135 Cs verbleibender Anteil 137 Cs verbleibende Aktivität (in Bq) 137 Cs verbleibender Anteil 10 ≈1 ≈ 2.8 x 109 0.79 1.6 x 1014 100 ≈1 ≈ 2.8 x 109 0.10 2.0 x 1013 1000 ≈1 ≈ 2.8 x 109 1 x 10-10 2.2 x 104 10 000 0.997 ≈ 2.8 x 109 < 1 x 10-99 < 1 x 10-85 100 000 0.966 2.7 x 109 – – 1 000 000 0.707 2.0 x 10 – – 10 000 000 0.031 7 8.8 x 10 – – 100 000 000 8.9 x 10-16 2.5 x 10-6 – – Frage 4 9 Was fällt auf? kurze Halbwertszeit = hohe Aktivität, lange Halbwertszeit= geringe Aktivität Zum Vergleich: 1 Kubikmeter Schweizer Granit enthält etwa 107 Bq totale Aktivität. Aufgabe 5 Ein hypothetischer Abfall besteht aus einer gleichen Anzahl Atome für 3 verschiedene Nuklide (A, B, C). Diese haben folgende Halbwertszeiten: A = 1 Jahr, B = 100 und C = 100 000 Jahre. Tatsache: für gleiche Anzahl Atome ist deren Radioaktivität indirekt proportional zur Halbwertszeit: Kurze Halbwertszeiten = hohe Aktivität, lange Halbwertszeiten = geringe Aktivität. Frage 5a Wieviel mehr «strahlen» A und B anfänglich gegenüber dem dritten Nuklid C? A = 100 000-mal mehr, B = 1000-mal mehr aktiv als C. Frage 5b Wie gross ist der Anteil jedes Nuklids in der hypothetischen Abfallmischung nach 20, 2000 und 2 000 000 Jahren (zur Zeit 0: A = 1, B = 1, C = 1)? nach... A (HWZ = 1 a) B (HWZ = 100 a) C (HWZ = 100 000 a) 1 x 10-6 0.87 1 2000 Jahren – 1 x 10 2 000 000 Jahren – – 20 Jahren Version 3 Herbst 2013 -6 0.99 1 x 10-6
