Protokoll der Physikstunde vom 08.02.06 Themen: 1.Verbesserung

Protokoll der Physikstunde vom 08.02.06
Themen: 1.Verbesserung des Tests zum Kernmodell
2. Das Potentialtopfmodell des Atomkerns
Protokollant: Mady Fofana
1. Verbesserung des Tests zum Kernmodell
Aufgabe 1: Erläutere folgende Begriffe mit jeweils einem Satz.
Lösung: a) Massendefekt: Differenz der Summe der Kernteilchen und der Kernmasse
b) Bindungsenergie: Umwandlung des Massendefekts in Energie
c) Kernkräfte: Starke Nahkräfte zwischen den Nukleonen
f
h
j
P
Aufgabe 2: Tröpfchenmodell
a) Skizziere und beschrifte den Aufbau eines Atomkerns im Tröpfchenmodell
Lösung:
Atomkern
Legende:
= Proton
= Neutron
= starke Kernkraft
b) Erläutere den Zusammenhalt der Nukleonen in einer „dicht gepackten Kugel“.
Lösung: Zwischen benachbarten Nukleonen wirkt eine starke Kernkraft. Diese ist
größer als die abstoßende Wirkung der Coulombkraft von den Protonen. Somit wird
der Kern stabilisiert und die Nukleonen erfahren eine resultierende Kernkraft nach
innen.
c) Begründe mit Hilfe dieses Modells, warum Kerne mit der Massenzahl bei A =58
die größte Bindungsenergie besitzen.
Lösung: Kleine Kerne haben eine relativ große Zahl von Außenteilchen, die folglich
auch an weniger Nukleonen angrenzen. Dies führt zu geringeren
Wechselwirkungskräften.
Große Kerne haben eine relativ große Zahl von Protonen. Dadurch wirken insgesamt
auch mehr abstoßende Kräfte und der Zustand des Kerns wird instabiler.
d) Skizziere qualitativ den Verlauf des Bindungsenergiegraphen
E/A in MeV
Minimum bei A=58
A
-8,8
Aufgabe 3: Kernreaktion
Erläutere die Begriffe Kernfusion und Kernspaltung (allgemein) anhand des
Kernbindungsgraphen. Warum macht die Kernfusion technisch mehr Probleme als die
Kernspaltung?
Lösung: Kernfusion: Zwei Leichte Kerne werden zu einem schweren zusammengefügt.
Die Differenz der Bindungsenergien wird frei.
Kernspaltung: Ein schwerer Kern (235U) wird in zwei kleinere gespalten. Die
Differenzenergien werden frei.
Die Energie zum Starten der Kernfusion ist sehr hoch, was sie technisch schwerer
realisierbar macht als die Kernspaltung.
2. Das Potentialtopfmodell des Atomkerns
a) Energiestufen
Wie im Atom die Elektronen, besitzen die Kernteilchen gequantelte Energiestufen. Jede
Stufe ist mit zwei Nukleonen besetzt. => Pauli Prinzip. Dies ist ein Unterschied zum
Termschema der Atomhülle, bei dem die Energiestufen von mehreren Elektronen besetzt
werden konnten .Daher sind Kerne mit gerader Nukleonenzahl besonders stabil. Beim
Übergang von einer höheren zu einer niedrigeren Energiestufe emittiert der Kern die
überschüssige Energie in Form eines γ-Quants (siehe Grafik) .
W= Bindungsenergie
0
γ-Quant
b)“Potentialtöpfe“ für Neutronen und Protonen
Protonen besitzen eine geringere Bindungsenergie, da sie sich gegenseitig abstoßen. Ihre
Energieniveaus liegen daher etwas höher.
Die Töpfe werden etwa gleich gefüllt. Deshalb gibt es bei stabilen Kernen mehr Neutronen als
Protonen
Neutronen
W Protonen
Erläuterungen:
1.Klärung des Begriffes „Potentialtopf“: Um die Nukleonen aus dem Kern zu befreien, muss
man die Kernkraft überwinden, also ihre potenzielle Energie erhöhen. Deshalb spricht man
vom Potentialtopf
2.Hinweis zur Grafik: Da sich die Protonen im Gegensatz zu den Neutronen gegenseitig
abstoßen, ist es einfacher, ein Proton aus dem Kern zu entfernen als ein Neutron. Man
braucht weniger Energie, um es auf das Niveau freier Nukleonen zu heben. Deshalb ist der
Protonentop weniger tief als der Neutronentopf.
c) β-Zerfall
Ist der Protonentopf höher besetzt als der Neutronentopf, dann wird ein Neutron unter
Aussendung eine Elektrons in ein Proton verwandelt.
W
-
e
n
+
n
+
+
Erläuterung zum β-Zerfall : Die Massenzahl bleibt gleich, die Kernladungszahl erhöht sich
um 1, da sich jetzt ein Neutron weniger, dafür aber ein Proton mehr im Kern befindet
Das Element geht durch β--Strahlung immer in den Nachfolger im Periodensystem über.
d) α-Zerfall
Bei einem Protonenüberschuss wird ein α-Teilchen (2 Neutronen+2 Protonen) emittiert. Da
die Energiestufen der Neutronen dichter liegen ist somit ein Ausgleich möglich
Erläuterung zum α-Zerfall: Das Alphateilchen kann zwar klassisch das Potential der starken
Wechselwirkung nicht überwinden, verlässt den Mutterkern jedoch mittels des Tunneleffekts.
Dadurch nimmt die Massenzahl um 4 Einheiten ab, und die Kernladungszahl verringert sich
um 2 Einheiten.