Protokoll der Physikstunde vom 08.02.06 Themen: 1.Verbesserung
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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.
