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III. Der Aufbau der Atome
In der folgenden Zeitleiste sind die Fakten noch einmal zusammengestellt:
Veranschaulichung atomarer Größenordnungen:
Vom Molekül zum Quark:
Zur Bestimmung der Größe eines Atoms dient der Ölfleckversuch:
Um das Grundprinzip des Versuchs besser verstehen zu können, betrachten wir zunächst nicht
Moleküle sondern Erbsen. In einen Becher schütten wir gerade so viele Erbsen, dass sich eine
einlagige Schicht bildet. Um die durchschnittliche Höhe dieser Erbsenschicht zu ermitteln
könnte man den Durchmesser jeder einzelnen Erbse ausmessen (was uns messtechnisch möglich
wäre) und dann einen Mittelwert errechnen (Methode 1). Man kann aber auch wie folgt vorgehen
(Methode 2):
- Man bestimmt zunächst den Radius des Bechers und errechnet hieraus die Fläche A der
einlagigen Erbsenschicht.
- Man füllt die Erbsen in einen Messzylinder und ermittelt so das Volumen V der Erbsen.
- Die durchschnittliche Höhe der Erbsenschicht ergibt sich dann näherungsweise aus dem
Quotienten V/A.
Will man den Durchmesser eines Moleküls bestimmen, so ist für uns die Methode 1 nicht
möglich. Wenn es jedoch gelingt eine einlagige Molekülschicht (monomolekulare Schicht)
herzustellen, dann können wir nach Methode 2 vorgehen.
Beim Ölfleckversuch lässt man einen einzigen
Tropfen eines Ölsäure-Leichtbenzin-Gemisches
mittels einer Tropfbürette auf eine ruhige ebene
Wasseroberfläche auftropfen, die vorher mit
Lykopodium (Bärlappsporen) bestreut war. Der
Tropfen der Mischung breitet sich kreisförmig aus.
Nach dem Verdampfen des Leichtbenzins verringert
sich der Kreisdurchmesser auf den Wert d. Wenn
man nun davon ausgeht, dass sich auf dem Wasser
eine einmolekulare Schicht von Ölsäuremolekülen
ausgebildet hat, kann man - ähnlich wie bei den
Erbsen - den Durchmesser eines Moleküls
abschätzen.
Der Streuversuch von Rutherford
Um über die Struktur eines Mikroobjekts (Atom, Kern, Proton, Neutron) Näheres zu erfahren,
hat sich das sogenannte Streuexperiment hervorragend bewährt. Dabei wird das zu
untersuchende Objekt mit Teilchen bombardiert und die Verteilung der gestreuten Teilchen
beobachtet.
Grundaufbau eines Streuexperiments
Ein kollimierter Teilchenstrahl wird an einem Target
(engl.: Ziel) gestreut. Aus der Winkelverteilung der
gestreuten Teilchen schließt man auf die Struktur des
Targets und auf die Art der Kräfte zwischen den
Geschossen und den Bausteinen des Targets.
Aus der Streuverteilung der Geschosse und
mit einer sinnvollen Modellvorstellung
können dann Aussagen über die Struktur
des zu untersuchenden Objekts gemacht werden.
Nuklide und Isotope
Kernladungszahl und Massezahl
Der Kern eines Atoms besteht aus den positiv geladenen Protonen und den ungeladenen
Neutronen. Die Masse von Proton und Neutron ist ungefähr gleich. Ihre Masse ist jeweils etwa
1800-mal so groß wie die eines Elektrons der Hülle.
Teilchen
Masse
Ladung
-27
Proton
1,6727·10 kg ≈ u
+1,6022·10-19As = +e
Neutron
1,6750·10-27 kg ≈ u
---31
Elektron
9,109·10 kg
-1,6022·10-19As = -e
u: Atomare Masseneinheit (-unit); u = 1,6605·10-27 kg
Durchmesser
ca. 1·10-15 m
ca. 1·10-15 m
< 1·10-18 m
Kernladungszahl Z:
- Die Zahl der Protonen in einem Kern bestimmt die Kernladungszahl Z.
- Beim neutralen Atom stimmt die Elektronenzahl in der Hülle mit der Kernladungszahl überein.
- Die Struktur der Atomhülle (wesentlich bestimmt durch die Elektronenzahl) bestimmt das
chemische Verhalten eines Atoms.
- Weiß man die Kernladungszahl eines Atoms so liegt damit auch der Name des Elements fest
und umgekehrt.
- Die Kernladungszahl eines Elements kann in einer Periodentafel nachgeschlagen werden. Ein
Periodentafel findest du z.B. bei Wikipedia unter der Adresse:
http://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem
Massezahl A:
Die Summe aus Protonenzahl Z und Neutronenzahl N ergibt die Massezahl A.
A=Z+N
Will man die Masse eines Atoms ungefähr bestimmen, so muss man nur die Massezahl A mit
der atomaren Masseneinheit u multiplizieren:
matom ≈ A·u
Isotope:
Kerne mit gleicher Protonenzahl Z aber verschiedener Massezahl A (und damit
verschiedener Neutronenzahl N) bezeichnet man als Isotope. Aufgrund der gleichartigen
Hüllenstruktur (beim neutralen Atom gilt: Protonenzahl = Elektronenzahl) sind Isotope chemisch
nicht zu unterscheiden.
Elementschreibweise:
Ein Element X mit der Kernladungszahl Z und der Massezahl A wird
weltweit einheitlich in folgender Form geschrieben:
Elementsymbol:
Die N-Z-Karte (Nuklidkarte):
Man sieht, dass bei Atomen mit nicht zu großer Massezahl A die Zahl der Neutronen N und der
Protonen Z etwa gleich groß ist. Man erkennt dies auch daran, dass sich die Atome in der Karte
längs der Winkelhalbierenden im N-Z-System anordnen.
Die Karte zeigt alle stabilen Atome im N-Z-System als schwarze Punkte. Die Linie der stabilen
Kern weicht bei größerem Z von der Winkelhalbierenden ab, die Neutronenzahl überwiegt die
Protonenzahl
(vgl. hierzu auch die entsprechende Musteraufgabe:
In der nebenstehenden N-Z-Karte (N: Neutronenzahl; Z: Protonenzahl) sind die stabilen
Atomkerne als schwarze Punkte dargestellt.
Auf der Winkelhalbierenden des Diagramms gilt N = Z.
a) Wo liegen in diesem Diagramm isotope Kerne?
b) Versuche eine Begründung dafür zu geben, dass die "Linie der stabilen Kerne" bei
größeren Protonenzahlen von der Winkelhalbierenden nach unten abweicht.
Lösung:
a) Isotope Kerne haben gleiche Protonenzahl. Isotope Kerne liegen also im N-Z-System auf
einer parallelen zu N-Achse (vgl. Skizze).
Auf der oberen (roten) Parallelen liegen isotope Kerne mit Z = 40 (Zirconium).
Auf der unteren (roten) Parallelen liegen isotope Kerne mit Z = 20 (Calcium).
b) Die Ursachen für das Abweichen der "Linie der stabilen Kerne" von der Winkelhalbierenden
nach unten, sind die Kurzreichweitigkeit der Kernkraft und der Langreichweitigkeit der
Coulombkraft:
In größeren Kernen sitzen schon so viele Protonen, dass ein neu einzubauendes Proton die
abstoßende Coulombkraft von allen diesen Kernprotonen "spürt". Überwiegt diese
Coumlombkraft die anziehende Kernkraft der unmittelbaren Nachbarn, so kann das Proton
nicht stabil in den Kern integriert werden.)
Hinweis:
Die Kernladungszahl Z wird häufig auch als Ordnungszahl bezeichnet. Der Name
Ordnungszahl wird verständlich, wenn man weiß dass die Chemiker die verschiedenen Elemente
nach ihrer Protonenzahl anordnen.
Weitere Aufgaben S. 63, Nr. 2, 3, 5, 8, 11, 12, 13
IV. Aufnahme und Abgabe von Energie
1. Energie der Photonen – Prismenspektrum
Wenn Photonen auf Materie treffen und absorbiert werden, können die verschiedensten
Effekte eintreten. Hier einige Beispiele:
- Beim Auftreffen auf Materie können die Photonen eine Erwärmung des Körpers
hervorrufen (die Atome in dem Körper bewegen sich heftiger).
- Treffen die Photonen auf Pflanzen, so kann dort die Photosynthese in Gang kommen.
- Bestrahlt man eine Solarzelle mit Photonen so tritt an der Zelle eine elektrischen
Spannung auf.
- Treffen Photonen auf die Haut, so kann es zu Bräunungseffekten kommen.
Bei der Beleuchtung von bestimmten Substanzen tritt das Phänomen der Lumineszenz auf,
d.h. die bestrahlten Körper senden selbst Licht aus.
Den zuletzt genannten Effekt der Lumineszenz kann man benutzen, um eine qualitative Aussage
über den Zusammenhang zwischen der Farbe des Lichts und der Energie der zugehörigen
Photonen zu erhalten.
Versuch: Prismenspektrum und Zinksulfidschirm
Man entwirft im abgedunkelten Raum mit einem Geradsichtprisma ein kontinuierliches Spektrum
und hält in dieses Spektrum einen Zinksulfidschirm. Schaltet man die Lichtquelle ab, so leuchtet
dieser Schirm in dem Bereich, wo das blaue Licht auftraf und rechts davon grünlich auf.
Aus dem Versuchsergebnis kann man schließen, dass die Photonen des blauen und ultravioletten
Lichts in der Lage sind auf dem Zink-Sulfid-Schirm Phosphoreszenz auszulösen. Die Photonen
des roten, gelben und grünen Lichts dagegen nicht. Offensichtlich nimmt die Energie der
Photonen vom roten zum blauen Bereich des Spektrums zu.
Anstelle des Zink-Sulfid-Schirms kann man auch nur ein schmales phosphoreszierendes
Leuchtband in das Spektrum halten. Dann ergibt sich etwa die folgende Situation:
- Die Energie der Photonen hängt von der Farbe des entsprechenden Lichts ab.
- Die Photonenenergie nimmt vom roten zum blauen Rand des Spektrums zu.
Verschiedene Typen von Spektren:
Emissionsspektren und
Absorptionsspektren
Unter dem Emissionsspektrum versteht man das elektromagnetische Spektrum, das von
Körpern, Atomen oder Molekülen nach geeigneter Anregung (Erhitzung, Stoß durch Elektronen
usw.) ausgesandt wird. Die Körper, Atome oder Moleküle stellen hierbei die Strahlungssender
dar.
Heiße Materialien (z.B. eine Glühwendel oder die Sonne) senden in der Regel ein
kontinuierliches Spektrum aus, während Atome oder Moleküle eines verdünnten Gases
sogenannte Linienspektren emittieren, die charakteristisch für das jeweilige Atom bzw. Molekül
sind.
Durchstrahlt man mit weißem Licht (nicht zu heiße) Körper, Atome oder Moleküle so kann es
sein dass im an sich kontinuierlichen Spektrum des weißen Lichts nach der Durchstrahlung
Linien oder ganze Bereiche fehlen. In diesem Fall spricht man von einem Absorptionsspektrum.
Die Körper, Atome oder Moleküle stellen in diesem Fall Strahlungsabsorber dar.
Kontinuierliches Emissionsapektrum:
diskretes Emissionsspektrum:
diskretes Absorptionsspektrum:
Zusammenfassung:
Aufgaben S. 74 Nr. 1
Energiestufen im Atom
Die Emissionsspektren von verdünnten Gasen sind in der Regel Linienspektren. Im Photonenbild
bedeutet dies, dass die Gasatome Photonen mit ganz bestimmten (diskreten) Energien
aussenden. Dies lässt den Schluss zu, dass die Atome nur Zustände mit ganz bestimmten
Energiebeträgen einnehmen.
Beispiel:
Angeregte Wasserstoffatome senden u.a. rotes Licht aus. Die entsprechenden Photonen haben
die Energie von Eph,rot = 1,9 eV. Der Energiesatz führt uns zur Annahme, dass das
Wasserstoffatom bei der Emission dieser Photonen von einem angeregten Zustand (Energie E2)
in einen energieärmeren Zustand (Energie E1) übergeht, der energetisch exakt 1,9 eV unter
dem angeregten Zustand liegt.
Die Energieverhältnisse im Atom lassen sich durch ein sogenanntes Energie-Termschema
übersichtlich darstellen.
Ein Beispiel für ein mechanisches System, das drei Energiestufen einnehmen kann ist zum
Beispiel ein auf dem Boden liegender Quader, wie die hier fotografierte Zündholzschachtel.
niedrigster Energiezustand (Grundzustand)
erster Anregungszustand
* Aus den Anregungszuständen kann die Schachtel
umfallen und dabei Energie abgeben (man kann das
Umfallen hören).
* Aus dem ersten Anregungszustand kann es in
den Grundzustand umfallen, aus dem zweiten
Anregungszustand kann es in den ersten
Anregungszustand oder den Grundzustand umfallen.
* Zum Wiederaufrichten braucht man immer eine
bestimmte Energie von außen.
zweiter Anregungszustand
Deutung des diskreten Emissionsspektrums eines Atoms:
Angeregte Atome senden ein diskretes Linienspektrum aus. Dies
lässt sich mit der Annahme diskreter Energieniveaus im Atom
verstehen.
Beim Übergang von einem energetisch höheren (Energie E3) zu
einem energetisch niedrigerem Niveau (Energie E2) wird ein
Photon erzeugt, das Differenzenergie Ephoton = E3 - E2 besitzt
und das Atom verlässt.
Hinweise:
* Da die sich die betrachteten Energieübergänge in der
Atomhülle abspielen, kann man sich vorstellen dass bei der
Lichtemission ein Elektron von einem energetisch höheren Niveau auf ein energetisch
niedrigeres Niveau wechselt.
* Man darf den Wechsel im Niveauschema auf keinen Fall als Ortswechsel auffassen: Es ist
keineswegs so, dass z.B. beim Übergang von Niveau 3 auf das Niveau 2 ein Elektron von einer
Bahn die weiter vom Kern entfernt ist auf eine kernnähere Elektronenbahn wechselt (wir
werden später noch sehen, dass die Vorstellung von definierten Elektronenbahnen beim Atom
sowieso nicht zulässig ist). Bei dem Übergang handelt es sich um einen "energetischen Abstieg".
* In der Regel verharrt ein Atom nur eine extrem kurze Zeit (≈ 10-8 s) im angeregten
Zustand.
* Die Anregung eines Atoms kann z.B. durch die Absorption eines Photons, durch den Stoß mit
einem Nachbaratom oder durch Stöße mit Elektronen erfolgen.
* Wenn die lichtaussendenden Atome von ihren Nachbaratomen stark gestört werden (dies
ist z.B. bei hohem Druck in einem Gas oder bei Flüssigkeiten und Festkörpern der Fall), dann
senden diese Atome kein Linienspektrum, sondern ein kontinuierliches Spektrum aus.
Deutung des diskreten Absorptionsspektrums eines Atoms:
Befindet sich das oben betrachtete Atom im Grundzustand,
so kann es z.B. durch ein Photon mit der Energie Ephoton = E3
- E1 oder durch ein Photon mit der Energie E*photon = E2 - E1
angeregt werden, da die Photonenenergie genau einer
Energiestufe im Atom entspricht, die vom Grundzustand (in
dem befindet sich das Atom zu Beginn der Betrachtung) aus
erreichbar ist. Bei dem Anregungsprozess wird das Photon
vernichtet, es fehlt im Licht, welches die Atome durchstrahlt.
Die Energie des Photons steckt nun im Atom, das nach kurzer
Zeit unter Photonenemission wieder in den Grundzustand
übergeht.
Photonen deren Energien nicht dazu führen, dass das Atom
vom Grundzustand in einen möglichen höheren Energiezustand
übergeht, werden vom Atom nicht absorbiert.
Hinweise:
* Beträgt die Energiestufe in einem Atom z.B. 1,9 eV und bestrahlt man das Atom mit
Photonen der Energie 2,4 eV, so könnte man sich folgenden Prozess vorstellen: Die
eingestrahlten Photonen geben 1,9 eV an das Atom zur Anregung ab und die restliche Energie
von 2,4 eV - 1,9 eV = 0,5 eV bleibt in energieärmeren Photonen, welche die Atomschicht
durchdringen. Versuche zeigen jedoch, dass dieser Prozess nicht stattfindet. Die 2,4eVPhotonen durchdringen die Atomschicht ohne Anregung.
* Die obigen mechanischen Bilder können die Vorgänge im Atom nur teilweise illustrieren. Der
Energieträger "Kugel" existiert auch noch nachdem er seine Energie abgegeben hat. Dagegen
existiert ein Photon, das seine Energie an das Atom abgegeben hat, nicht mehr, es wird
vernichtet.
Aufgaben S. 74 Nr. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
Entstehung der Röntgenstrahlung
Geschichte:
Wilhelm Conrad Röntgen, einer der größten Physiker, den es je gab, wurde am 27.3.1845 in
Lennep im Bergischen Land (Rheinland) geboren. Kurz danach zog er mit seiner Familie nach
Apeldoorn in den Niederlanden. Dort verlebte er von 1848 bis 1862 seine Kindheit bzw. Jugend.
Im Jahre1862 folgte der Umzug seiner Familie nach Utrecht, wo er die Technische Schule
besuchte. Doch man halte sich fest: 1864 flog er ohne gültigen Abschluß von der Schule!!!! Er,
das Genie!? Einfach unfassbar. Doch muß dazu gesagt werden, daß der Grund ein ehrenwerter
war! Gerüchten zufolge jedenfalls.
Nachdem seine Klasse einem Lehrer einen Streich gespielt hatte, war dieser außer sich vor Wut
und wollte sich gar nicht mehr einkriegen. Da sich aber keiner schuldig bekannte, tat dies
Röntgen, um dem Theater ein Ende zu bereiten.
Er wird sich später wohl auch gefragt haben, ob es das wert war. In Deutschland und den
Niederlanden wurde er nämlich 1864 zunächst mangels eines Schulabschlusses nicht von
Universitäten angenommen und musste so erst einmal ein weniger spannendes Dasein als
Gasthörer führen.
Woran arbeitete Röntgen?
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts untersuchte man verstärkt den Transport
elektrischer Ladungen in Gasen. Man benutzte dafür sogenannte Entladungsröhren, in denen ein
Vakuum herrschte (so gut es halt ging) und die folgendermaßen aufgebaut waren.
Die Kathode bestand aus einem heißen Glühdraht, welcher Elektronen produzierte. Zwischen
Kathode und Anode wird eine sehr hohe Spannung angelegt, welche die Elektronen stark
beschleunigt. Dazu muss man wissen, dass man damals in der Physik die Elektronen noch nicht
kannte. Alles, was man sah, war, dass zwischen den beiden Elektroden ein schmaler Streifen
glühte. Es war nicht klar, ob dies Teilchen oder Wellen waren. Man nannte diese Art von
Strahlung "Kathodenstrahlen".
Röntgen, der eigentlich auf einem ganz anderen Gebiet arbeitete, wollte die gemachten
Experimente selber noch mal durchführen. Vielleicht wunderte es ihn, dass sich Fotoplatten
neben der Entladungsröhre leicht schwärzten und er untersuchte dies. Man führte damals die
Schwärzung auf UV-Licht zurück - aber Röntgen glaubte wohl nicht an diese Vorstellung.
Es gibt sonst nämlich auch keinen offensichtlichen Grund, weshalb Röntgen den folgenden,
entscheidenden Versuch gemacht haben sollte.
Der Versuch:
Also, egal ob er eine unsichtbare Strahlung
vermutete oder nicht, er nahm eine einfache
Änderung am bekannten Versuchsaufbau vor.
Er benutzte immer noch die gleiche Röhre,
die er mit einer Vakuumpumpe so luftleer wie
damals möglich machte. Die Spannung, die
zur Beschleunigung der Elektronen benötigt
wurde, erzeugte er mit einem
Funkeninduktor. Er bedeckte die Röhre nun
aber völlig mit schwarzer Pappe, so daß
weder normales noch UV-Licht durchkommen
konnte.
Als plötzlich der Schirm aus
fluoreszierendem Material aufleuchtete, war
Röntgen sofort klar, dass es eine neue Art von
unsichtbaren Strahlen gab, die durch Materie
(Stoffe) durchging. Es ist nicht überliefert, was
Röntgen in diesem Augenblick gedacht hat, ob er
sich der historischen Bedeutung bewusst war auf jeden Fall muss es unglaublich spannend und
aufregend gewesen sein!
Dadurch, dass er die Röhre mit schwarzer Pappe
abgedeckt hatte, konnte normales (für das
menschliche Auge sichtbares) Licht nicht
hinausdringen. Da nun trotzdem ein Schirm im
Raum aufblitzte, folgerte Röntgen richtig, dass
es eine unbekannte, unsichtbare Art von
Strahlen geben musste.
Doch hatte er ja noch keinen blassen Schimmer, wieso und wo diese Strahlen überhaupt
entstanden!! Diesen Fragen ging er in den nächsten 6 Wochen mit unbeschreiblicher
Gewissenhaftigkeit nach, ohne irgend jemandem davon zu erzählen. Seiner Frau sagte er nur:
"Die anderen würden denken, ich bin total durchgedreht!" Sogar sein Bett verlegte er in sein
Labor!!!
Seine Gründlichkeit ging so weit, dass er in diesen 6 Wochen so viel über diese neuen "XStrahlen" (so nannte er sie) herausfand, dass in dem folgenden Jahrzehnt, trotz massiven
Aufwandes vieler Physiker, kaum neue Erkenntnisse erzielt werden konnten.
Was sind Röntgenstrahlen?
Röntgenstrahlen werden generell
immer dann erzeugt, wenn
Elektronen bzw. ein
Kathodenstrahl auf Material
trifft. Es gibt jedoch zwei
verschiedene Möglichkeiten, wie
bei diesem Aufprall
Röntgenstrahlen entstehen
können. Deswegen unterscheidet
man zwischen charakteristischer
Strahlung und Bremsstrahlung.
Charakteristische Strahlung:
Die Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlung beginnt damit, dass Elektronen, die auf ein
Material geschossen werden, Elektronen aus den Bahnen der Atome herausschießen.
Wenn nun ein Elektron aus seiner Bahn rausgeschossen worden ist, hinterlässt es dort ein
"Loch". Dieses wird nun dadurch gefüllt, dass ein Elektron aus einer äußeren Schale in das Loch
hineinspringt. Dabei wird Energie frei, welche sich in Form von Licht, nämlich Röntgenlicht,
äußert. Dieses Licht, das immer dann auftritt, wenn ein Elektron von einer äußeren in eine innere
Bahn springt, wird charakteristische Röntgenstrahlung genannt.
Wichtig ist bei dem ganzen eben beschriebenen Vorgang, dass die heranfliegenden Elektronen
nur Elektronen mit gleicher oder niedrigerer Bindungsenergie herausschießen können. Auch ist
das Licht, das beim Nachfüllen eines Elektrons der inneren Schale erzeugt wird, energiereicher
als wenn ein Loch auf einer der äußeren Schalen gefüllt wird. Es gibt also immer anderes Licht
(in der Wellenlänge verschieden), abhängig davon, aus welcher Schale ein Elektron rausflog und
aus welcher Schale das nachfüllende kam.
Anhand dieser Strahlung kann der Physiker auf das
Material zurückschließen, auf das geschossen wurde. Das
liegt daran, dass jeder Stoff anders angeordnete Schalen
bzw. Energieniveaus hat und damit ein für ihn typisches
Spektrum charakteristischer Röntgenstrahlung aufweist.
Bremsstrahlung:
Das Material, auf das die Elektronen treffen,
besteht aus einem Atomgitter (klicke hier,
wenn Du vergessen hast, wie ein Atom mit
Kern und Hülle etc. aussieht). Das Verhalten
der Elektronen in Materie könnte man mit
dem eines Skiläufers vergleichen.
Der Skiläufer erkennt das/die Hindernis/se
rechtzeitig und fährt um sie rum. Übertragen
heißt das: das negative Elektron fliegt nah an
einem Atomkern (positiv) vorbei und erfährt
eine gewisse Anziehungskraft, da sich
ungleichnamige Ladungen ja anziehen. Diese
Kraft reicht jedoch nur dazu aus, die
Flugbahn des Elektrons zu krümmen.
In jeder Kurve wirbelt unser Skiläufer ein bisschen Schnee auf, d.h., seine Energie nimmt
langsam ab (er wird abgebremst). Diese Energie geht in den Schnee über, der in jeder Kurve
aufgewirbelt wird. Im Falle des Elektrons, das beim Vorbeifliegen an einem Atomkern ebenfalls
abgebremst wird (Krümmung der Flugbahn), wird die dabei frei werdende Energie in kleinen
Portionen von Röntgenlicht abgestrahlt.
Eigenschaften der Röntgenstrahlung:
- Röntgenstrahlen durchdringen Materie, d.h., sie werden nur selten von den Atomen absorbiert.
- Röntgenstrahlen sind unsichtbar für das menschliche Auge, da sie zu kurzwellig sind (nicht
mehr in dem von uns sehbaren Spektrum).
- Röntgenstrahlen ionisieren Luft und Gase.
- Röntgenstrahlen sind weder durch elektrische
noch magnetische Felder ablenkbar.
Reaktionen in der Gesellschaft:
In der Gesellschaft wurde diese naturwissenschaftliche Entdeckung wie keine vor ihr
aufgenommen. Das Gefühl, etwas sehen zu können, was bisher absolut verborgen war, nämlich
das Innere des eigenen Körpers, löste viele Emotionen aus. Normalerweise werden physikalische
Entdeckungen nur in einem kleinen Kreis Interessierter diskutiert, aber diesmal war jeder
verrückt nach Einzelheiten, weil es sie selber betraf.
Das Interesse der Bevölkerung ging bald so weit, dass selbst auf Partys Röntgenapparate als
Attraktion aufgestellt wurden. Zum Vergnügen wurden dann den ganzen Abend lang Fotos von
den eigenen Händen oder anderen Körperteilen gemacht und anschließend ausgiebig bestaunt.
Von Strahlenschutz hatte man damals offenbar keinen blassen Schimmer.
Es ging soweit, dass jeder Firlefanz geröntgt wurde. Röntgenstrahlung war plötzlich Bestandteil
der Öffentlichkeit und es wurden sogar etwas ironische Karikaturen wie die obige
(Abendgesellschaft der damaligen Zeit) in Zeitungen veröffentlicht. Selbst in Schuhgeschäften
fand die neue Entdeckung Anwendung - der Kunde konnte sich die Position seiner Füße in den
neuen Schuhen angucken!
Als Röntgen am 23.1. 1896 in Würzburg seinen einzigen öffentlichen Vortrag hielt, wurde er
mehrmals von stehenden Ovationen unterbrochen. Nachdem er dann während seines Vortrags
auch noch die Hand des Leiters der medizinischen Fakultät, Prof. von Kölliker, mit
Röntgenstrahlen fotografierte, kannte der Beifall keine Grenzen mehr. Auf den spontanen
Vorschlag von Kölliker hin wurden die "X-Strahlen" ab dann in Deutschland nur noch
Röntgenstrahlen genannt.
Am deutlichsten wird diese Welle der Begeisterung durch die Tatsache, dass selbst der Kaiser,
der sonst mit Physik nichts am Hut hatte, Röntgen schon 2 Wochen nach seiner Entdeckung zu
sich einlud, um ihn zu ehren. Viel wichtiger war dem Kaiser aber wohl eine sofortige persönliche
Vorführung der Strahlen.
Aufgaben S. 74 Nr. 9, 10
Strahlung radioaktiver Nuklide
Entdeckung der natürlichen Strahlung durch Becquerel:
Henri Becquerel entstammt einer Wissenschaftlerfamilie (schon sein Großvater und sein Vater
waren Physik-Professoren). Seine Entdeckung der radioaktiven Strahlung war einem glücklichen
Umstand zu verdanken.
* Becquerel beschäftigte sich zunächst mit optischen Phänomenen.
* Zusammen mit seinem Vater untersuchte er die Phosphoreszenzspektren erhitzter
Minerale sowie die Phosphoreszenz von Uransalzen.
Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen (Conrad Röntgen 1895) wurde das Interesse der
Physiker verstärkt auf ein Phänomen gelenkt, das anscheinend eng mit dieser Strahlung
zusammenhing: Viele von Röntgenstrahlung getroffene Körper fluoreszieren. So leuchtete z.B.
die Glaswand einer in Betrieb befindlichen Röntgenröhre in einem fahlen Licht auf. Aus dieser
Beobachtung entstand die Vermutung, dass die Fluoreszenz und die Emission der
Röntgenstrahlen in einem Zusammenhang stehen.
Becquerel verwendete als fluoreszierendes Material eine Uranverbindung. Zur Untersuchung
legte er eine Probe davon auf eine lichtdicht verpackte Fotoplatte und bestrahlte die Probe zur
Fluoreszenzanregung mit Sonnenlicht. Tatsächlich zeigte die Platte nach der Entwicklung die
Umrisse des fluoreszierenden Körpers. Wenige Tage nach diesem Versuch trat ein
entscheidender Zufall ein. Da mehrere Tage keine Sonne schien blieb ein Uranpräparat auf
einer Fotoplatte in einer Schublade liegen. Bei der Entwicklung dieser Platte stellte Becquerel
zu seiner Überraschung fest, dass die Platte trotzdem intensiv geschwärzt war.
Becquerel berichtet über seine Beobachtungen:
"Es kann leicht gezeigt werden, dass die Strahlung des Uran-Kalium-Doppelsulfats
(Kristallplättchen) emittiert wird, wenn es dem Sonnenlicht oder diffusem Licht ausgesetzt ist,
nicht nur einige Lagen schwarzes Papier, sondern auch Metalle durchdringt, z.B. eine Platte oder
dünne Schicht Aluminium.
Ich möchte aber folgende Tatsache betonen, der ich große Bedeutung beimesse und die
gänzlich außerhalb des Kreises jener Erscheinungen liegt, deren Beobachtung zu erwarten ist.
Die selben Kristallplättchen, unter den selben Versuchsbedingungen auf die photographische
Platte gelegt, abgeschirmt, aber selber von der Einwirkung äußerer Strahlung geschützt, also in
völliger Dunkelheit gehalten, ergeben genau die selben Wirkungen auf der photographischen
Platte.
Becquerel fand später noch, dass die entdeckte Strahlung Gase ionisieren, also leitend machen
und damit auch ein Elektroskop entladen kann. Im Jahre 1903 bekam er zusammen mit dem
Ehepaar Curie den Nobelpreis für seine Entdeckung.
Zu Ehren Becquerels verwendet man für die Einheit der Aktivität einer radioaktiven Probe das
Becquerel (1 Bq = 1 s-1)
Strahlungsarten:
- Strahlung:
Beim Alpha-Zerfall spucken große Atomkerne kleinere Atomkerne aus - nämlich die des
Elements Helium: Diese so genannten Alpha-Teilchen bestehen aus jeweils zwei positiv
geladenen Protonen und zwei neutralen Neutronen. Ein Beispiel für einen Alpha-Strahler ist
Radium-226. Es zerfällt in Radon-222.
Die Alpha-Teilchen haben eine ziemlich große Geschwindigkeit: Zwischen 15.000 bis 20.000
Kilometer pro Sekunde! Allerdings besitzt die Strahlung nur eine geringe Reichweite und lässt
sich schon durch ein Blatt Papier oder eine dünne Alu-Folie abschirmen.
Trotzdem gilt sie als ausgesprochen gesundheitsschädlich. Alphastrahlung steht zum Beispiel im
Verdacht, bei Rauchern für die Entstehung von Lungenkrebs mitverantwortlich zu sein.
Sie ist aber auch nützlich: Im täglichen Leben werden schwache Alpha-Strahler zum Beispiel in
Rauchmeldern eingesetzt.
* α-Teilchen können ein dickeres Blatt Papier bereits vollständig absorbiert werden.
* Die Reichweite der α-Teilchen in Luft beträgt nur wenige Zentimeter.
* α-Teilchen können durch starke Magnetfelder aufgrund ihrer positiven Ladung abgelenkt
werden.
- Strahlung:
Beim Beta-Zerfall werden in der Regel negativ geladene Elektronen aus dem Kern geschleudert.
Man spricht dann vom Beta-Minus-Zerfall. (Es gibt auch einen Beta-Plus-Zerfall, doch der ist
unter den natürlichen Radionukliden viel seltener.) Die Elektronen, die die Strahlung ausmachen,
kommen übrigens nicht aus dem Nichts: Sie entstehen dadurch, dass sich im Atomkern ein
Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt:
Zerfall eines Neutrons im Atomkern
Das Proton bleibt im Kern, das Elektron wird weggeschleudert. Das ist zum Beispiel beim
Cäsium-137 der Fall. Es entsteht Barium-137. Die Reichweite von Beta-Strahlung kann in Luft
mehrere Meter betragen, abschirmen lässt sie sich durch Aluminium- oder Kunststoffplatten
von einigen Millimetern Dicke. Die Geschwindigkeit der Teilchen kann dabei von nahezu null bis
zu Lichtgeschwindigkeit betragen.
Im täglichen Leben trifft man Beta-Strahler als strahlentherapeutische Maßnahme:
Krebsgeschwüre unter der Hautoberfläche können so bestrahlt werden. Bei der C14-Methode
spielt die Beta-Strahlung ebenfalls eine Rolle: Sie misst die C14-Reste, die über die
Jahrtausende beim Zerfall übrigbleiben. Mit ihnen kann man das Alter von archäologischen
Fundstücken bestimmen.
* β-Teilchen können durch Aluminium von wenigen Millimetern Wandstärke bereits vollständig
absorbiert werden.
* Die Reichweite der β-Teilchen in Luft beträgt wenige Meter.
* ß-Teilchen können bereits durch schwächere Magnetfelder aufgrund ihrer negativen Ladung
abgelenkt werden.
Beim Beta-Plus-Zerfall werden Positronen - so zusagen „positive Elektronen” - aus dem Kern
geschleudert.
Bei der Beta-Plus-Strahlung wird im Kern aus einem Proton ein Neutron sowie ein Positron:
Beta-Plus-Strahlung
Natrium-22 ist ein solcher Beta-Plus-Strahler.
- Strahlung:
Gamma-Strahlung kann als elektromagnetische Welle bezeichnet werden und gleicht daher vom
Wesen her der Röntgenstrahlung und dem sichtbaren Licht. Wesentlicher Unterschied:
Röntgenstrahlung hat ihren Ursprung in der Atomhülle, Gammastrahlung im Kern.
Gamma-Strahlung tritt oft auf, wenn beim Alpha- oder Beta-Zerfall überschüssige Energie in
Form von Strahlung abgegeben werden muss. Sehr oft entsteht sie, wenn ein Atomkern aus
einem energiereichen in einen energieärmeren Zustand zurückfällt, zum Beispiel beim Barium137m. Gammastrahlung tritt in Kernkraftwerken sowohl unmittelbar bei der Spaltung, als auch
durch Energieabgabe der bei der Spaltung entstandenen Spaltprodukte auf.
Genau wie Licht breitet sich Gamma-Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus. Sie hat eine viel
höhere Reichweite als Alpha- oder Beta-Strahlung: Um sie abzuschirmen, braucht man abhängig von ihrer Energie - Bleischilde mit einer Dicke von mindestens 20 Zentimetern oder
Betonwände von mindestens einem Meter Dicke.
Gammastrahlung wird zum Beispiel in der Krebstherapie eingesetzt. In vielen Ländern benutzt
man sie außerdem, um Lebensmittel haltbar zu machen.
* Die Reichweite der γ-Strahlung in Luft beträgt viele Meter.
* γ-Strahlung wird nur durch dicke Bleiplatten oder sehr dicke Betonschichten absorbiert.
* γ-Strahlung kann auch durch stärkste Magnetfelder nicht abgelenkt werden.
* Das Verhalten der γ-Strahlung ist dem der Röntgenstrahlung sehr ähnlich.
Gute Grafiken Buch S. 79
Aufgaben S. 90 Nr. 1, 2, 3, 6,
Eigenschaften der natürlichen radioaktiven Strahlung:
Nuklidkarte
In der Nuklidkarte sind alle Nuklide mit ihren mit ihren Zerfallsarten, Halbwertzeiten,
Zerfallsenergien u.ä. dargestellt. Die Kernladungszahl Z ist senkrecht und die Neutronenzahl N waagerecht aufgetragen.
Isotope des selben Elements liegen auf einer waagerechten, Isotone auf einer senkrechten und Isobare auf einer schrägen
Geraden. Die Farbe gibt die Zerfallsart des Kerns an. Die stabilen Kerne sind schwarz und liegen auf der Linie der Stabilität,
die für kleine Nuklidzahlen mit der Winkelhalbierenden des I. Quadranten etwa übereinstimmt, also N = Z. Für größere
Nuklidanzahl biegt sie nach unten ab, dort gilt N > Z.
Beim Alphazerfall sinkt die
Protonenzahl um 2 und sinkt die
Neutronenzahl um 2.
Beim Beta-Minus-Zerfall steigt die
Protonenzahl um 1 und sinkt die
Neutronenzahl um 1.
Beim Beta-Plus-Zerfall sinkt die
Protonenzahl um 1 und steigt die
Neutronenzahl um 1.
Nachweis radioaktiver Stahlung: Das Geiger-Müller-Zählrohr:
Das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein ziemlich einfaches Instrument - aber sehr wirkungsvoll zum
Messen der Aktivität. Es besteht aus einem Metallrohr, vorne und hinten verschlossen, in
dessen Inneren sich ein dünner Draht aus Wolfram befindet. Das Röhrchen enthält außerdem
Gas (zum Beispiel Luft) unter niedrigem Druck und etwas Alkoholdampf.
Die Halbwertszeit und das Zerfallsgesetz:
Das Zerfallsgesetz für radioaktive Atome lautet - ganz analog zum Zerfallsgesetz beim
Bierschaum:
Weil man meistens die Menge der noch vorhandenen radioaktiven Atome mit der
Ausgangsanzahl von Atomen ins Verhältnis setzt, findet man in Formelsammlungen in der Regel
folgende - gleichbedeutende - Formel:
Mit Hilfe dieser Formel lässt sich jetzt schon einiges über den Zerfall radioaktiver Stoffe
vorhersagen. Welchen der folgenden Aussagen kann man wohl zustimmen? (Mehrere Antworten
sind hier möglich.)
a) Am Anfang zerfallen extrem viele Atome, im Laufe der Zeit werden es immer weniger.
b) Wenn man lange genug wartet, ist kein Atom mehr da, das zerfallen könnte.
c) Das Verhältnis von ursprünglich vorhandenen und derzeit noch vorhandenen Atomen ist
konstant.
d) Die radioaktiven Atome nehmen exponentiell zu.
e) α ist eine Konstante, die bestimmt, wie schnell die Atome zerfallen.
Wie lange dauert es, bis radioaktive Atome zerfallen? Für ein einzelnes, ausgewähltes Atom
kann man nicht sagen, ob es in der nächsten Millisekunde zerfallen wird oder noch eine Woche
oder gar ein Jahrhundert „lebt”. Für eine große Anzahl von Atomen kann man dagegen mit Hilfe
des Zerfallsgesetzes sehr wohl statistische Aussagen machen.
Die Halbwertszeit:
Wie schnell die Atome im Mittel zerfallen,
gibt die Konstante α an. Sie ist typisch für
jedes Isotop; in ihr verbirgt sich die
Halbwertszeit, mit deren Hilfe man auch das
Zerfallsgesetz nochmal etwas anders
formulieren kann:
Die Zeit, in der die Hälfte der Kerne in einer
Menge von Radionukliden zerfällt. Die
Halbwertszeiten bei den verschiedenen
Radionukliden sind sehr unterschiedlich, z. B.
von 7,2 · 1024 Jahren bei Tellur-128 bis
herab zu 2 · 10-16 Sekunden bei Beryllium-8.
Beispiele für Halbwertszeiten auf S. 81 im Buch
Die C14- Methode:
Wie alt ist eigentlich der Neandertaler? Bei der Suche nach Antworten auf solche Fragen
macht man sich die Tatsache zunutze, dass instabile Elemente mit einer bestimmten
statistischen Wahrscheinlichkeit zerfallen.
Die Altersbestimmung geht so: Lebende Organismen, also Menschen, Tiere oder Pflanzen,
enthalten einen bestimmten Anteil des instabilen Kohlenstoff-14 (C14), der immer wieder neu
aus der Umwelt aufgenommen wird. Nach dem Tod oder dem Absterben kann kein neuer
Kohlenstoff-14 mehr aufgenommen werden, und der vorhandene Anteil zerfällt (Beta-MinusZerfall) zu Stickstoff-14. Allerdings ziemlich langsam: Man weiß, dass nach 5.730 Jahren genau
die Hälfte der ursprünglich vorhandenen C14-Atome noch vorhanden sind.
Wollen Wissenschaftler also bei einer Probe herausfinden, wie alt sie ist, dann reicht es aus, zu
bestimmen, welcher Anteil des C14 in ihr noch nicht zerfallen ist. Das Alter lässt sich daraus
zurückrechnen - und weil Kohlenstoff so langsam zerfällt, geht das bis zu einem Alter von etwa
50.000 Jahren.
Aufgabe: Auf einem Acker finden wir beim Spaziergang diesen Totenschädel. Die Analyse mit
unserem in unsere Computermaus eingebauten C14-Detektor zeigt an, wie viel Prozent C14 noch
im Fundstück übrig sind. Und es stellt sich die Frage: Wie alt ist der Schädel eigentlich?
Weitere Aufgaben S. 90-92 Nr. 9 (exp!), 10, 11, 15, 12, 20
Biologische Wirkungen und Strahlungseinheiten:
* Die Aktivität A
Zur Charakterisierung der "Stärke" einer Strahlungsquelle verwendet man den Begriff der
Aktivität. Sie beschreibt die Zahl der Zerfälle je Zeiteinheit.
Zur Beschreibung der Wirkung der radioaktiven Strahlung auf einen Körper bedient man sich
des Begriffs der Dosis. Dividiert man die Dosis durch die Zeit, so gelangt man zur Dosisleistung.
* Energiedosis DE
Je mehr Energie durch radioaktive Strahlung auf einen Körper übertragen wird, desto
größer ist die - meist schädliche - Wirkung. Die Energiedosis ist der Quotient aus der
absorbierten Energie ΔE und der Masse Δm des absorbierenden Körpers.
* Ionendosis DI
Die Ionendosis ist der Quotient aus der durch die Strahlung im Körper entstandenen
elektrischen Ladung ΔQ und der Masse Δm des absorbierenden Körpers.
* Äquivalentdosis H
Die Äquivalentdosis berücksichtigt neben der Energieabgabe an den Körper auch noch die
unterschiedliche Wirkung verschiedener Strahlenarten auf das Zellgewebe eines lebenden
Organismus, indem die Energiedosis mit einem Bewertungsfaktor q multipliziert wird.
H = q·DE
Nach den neueren Bestimmungen der
Strahlschutzverordnung ist eine
effektive Dosis zu berechnen, die sich
aus den summierten Äquivalentdosen
für jedes Organ zusammensetzt, wobei
die Organdosen noch jeweils mit einem
Gewebe-Wichtungsfaktor w zu
multiplizieren sind.
Man sieht, dass diejenigen Organe mit
schneller Zellbildung besonders
gefährdet sind.
Die Strahlenbelastung des Menschen:
Aufgaben dazu S. 92 Nr. 23, 25 (PC!)
Kernumwandlungen und Energiebilanzen
Einstein fand folgende Formel als Beziehung zwischen Masse und Energie:
E = m  c2 (c = Lichtgeschwindigkeit)
Zerlegt man einen Kern bestehend aus Z Protonen und N Neutronen in seine Bestandteile und
sind die Kernbausteine (Nukleonen) soweit voneinander entfernt, dass weder die elektrische
Abstoßungskraft zwischen den Protonen noch die starke Kernkraft zwischen den Nukleonen eine
Rolle spielen, so ist die Gesamtenergie Evor der Bausteine nach der Einsteinschen MasseEnergie-Beziehung zu berechnen:
Baut man die Nukleonen zu einem Kern X zusammen, so verliert das System aufgrund der
anziehenden Kräfte zwischen Nukleonen an Energie, die Gesamtenergie nach dem Zusammenbau
Enach wird nun kleiner sein. Wegen der Äquivalenz von Masse und Energie wird auch die Masse
mk der Kerns kleiner sein als die Summe der Massen der Einzelbaustein. Für Enach gilt:
Je stärker die Bindungskräfte zwischen den zum Kern zusammengefügten Nukleonen ist, desto
kleiner wird der Betrag von Enach ausfallen.
Die Energiedifferenz Ea - Ee wird als Bindungsenergie B des Kerns bezeichnet. Es gilt:
Wie du auf der Grundwissensseite zur Einsteinschen Beziehung gelernt hast, ist der Ausdruck
in der eckigen Klammer aber gerade der Massendefekt Δm. Somit gilt:
Bindungsenergie:
Die Bindungsenergie ist die beim Zusammenbau eines Kerns aus seinen Einzelbausteinen
freiwerdende Energie. Sie hat ein positives Vorzeichen (exothermer Vorgang).
Unter der mittleren Bindungsenergie pro Nukleon versteht man die Bindungsenergie bezogen
auf ein Nukleon. Die mittlere Bindungsenergie hat den Wert B/A. Dabei ist A die Nukleonenoder auch Massezahl.
Bei der Kernspaltung macht man sich diese Bindungsenergien zunutze:
Bei einer Kernspaltung wird z.B. ein U-235-Kern durch ein Neutron gespalten. Die
Reaktionsprodukte sind zwei leichtere Kerne und Neutronen. Wesentlich bei dieser exothermen
Reaktion ist, dass die Summe der kinetischen Energien der Endprodukte größer ist als die
Summe der kinetischen Energie der Anfangsprodukte.
Was auf den ersten Blick wie eine Verletzung des Energiesatzes aussieht, wird mit der aus der
Einsteinschen Relativitätstheorie gewonnen Erkenntnis, dass Masse und Energie gleichwertig
(äquivalent) sind, verständlich:
Untersucht man nämlich durch geeignete Apparate (Massenspektrometer) die Massen der
Reaktionsprodukte, so stellt man fest, dass die Summe der Massen der Endprodukte (m nach)
kleiner ist als die der Anfangsprodukte (mvor).
* Die Massenunterschiede bei einer Spaltreaktion sind natürlich nicht so hoch, dass man sie mit
einer auch noch so empfindlichen Balkenwaage feststellen könnte. Hierzu bedarf es
ausgefeilterer Techniken, welche du erst in der Oberstufe kennenlernen wirst.
* Wenn hier von Massen die Rede ist, so ist stets die sogenannte Ruhemasse eines Teilchens
gemeint (Masse des Teilchens bei der Geschwindigkeit Null). Einstein stellte nämlich in seiner
Relativitätstheorie fest, dass die Masse von Teilchen eine geschwindigkeitsabhängige Größe ist.
* In der Teilchenphysik gibt man die Masse von Teilchen meist als Vielfaches der atomaren
Masseneinheit u an.
* Die Differenz zwischen der Massensumme der Teilchen vor der Reaktion mvor und der
Massensumme der Teilchen nach der Reaktion mnach wird als Massendefekt Δm bezeichnet.
Δm = mvor - mnach
Die Einsteinsche Masse-Energie-Beziehung:
Enach - Evor = (mvor - mnach)·c2
Man sagt auch, dass die Beziehung ΔE = Δm·c2 die Äquivalenz von Masse und Energie beschreibt.
Energie und Masse sind nur zwei verschiedene "Währungen" des Gleichen. Der
Umrechnungsfaktor zwischen diesen "Währungen" ist das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit c
(c = 2,998·108m/s ≈ 3,0·108m/s).
1. Beispiel: Atomare Masseneinheit
Die atomare Masseneinheit 1 u = 1,6605·10-27 kg wird oft in Form einer Energie angegeben. Es
gilt:
2. Beispiel: Energie bei der Spaltung von U-235
geg.: Atommassen der Teilchen
Vernachlässigungen:
Um die kinetische Energie der Reaktionsprodukte abschätzen zu können, nehmen wir an, dass
das die Spaltung auslösende Neutron eine vernachlässigbare kinetische Energie besitzt.
Außerdem ignorieren wir, dass die Reaktionsprodukte angeregt sind.
Bestimmung des Massendefekts:
Abschätzung der kinetischen Energie der Reaktionsprodukte:
Bei der Kernfusion von Deuterium (Wasserstoffisotop mit einem Neutron und einem Proton im
Kern) und Tritium (Wasserstoffisotop mit zwei Neutronen und einem Proton im Kern) entsteht
(vereinfacht) ein Heliumkern und ein Neutron.
Aufgabe:
Bestätige durch Rechnung die Reaktionsenergie von ca. 17,6 MeV bei der oben dargestellten
Fusionsreaktion.
Warum ist die kinetische Energie der Reaktionsprodukte größer als 17,6 MeV?
Aufgaben Buch S. 105 Nr. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 19, 20(?)