1. Atommodell nach Rutherford

Kernphysik
1. Atommodell nach Rutherford
Demokrit (460-370 v.Chr.): Nichts besteht als der leere Raum und die Atome. Alle Atome bestehen aus
derselben Ursubstanz. Ihre Form und gegenseitige Anordnung bestimmt die Verschiedenheit der Stoffe,
ebenso wie aus den nämlichen Buchstaben eine Tragödie oder Komödie wird.
Rutherford (1871-1937) führte 1911 seinen berühmt gewordenen Streuversuch durch:
Er schoss einen Strahl -Teilchen1 auf eine Goldfolie. Aus der Verteilung der durchgehenden und der
zurückgestreuten -Teilchen schloss er auf die Massenverteilung im Atom und die Größenordnung
der Kerne. Die Ergebnisse führten zu folgendem Modell des Atoms:
Ein Atom besteht aus dem Kern und der Hülle. Die Hülle wird aus den negativ
geladenen Elektronen gebildet. Im Kern befinden sich Protonen und (außer bei
Wasserstoff) Neutronen. Protonen und Neutronen sind Nukleonen
(Kernbausteine)
Weil der Kern so viele Protonen enthält, wie Elektronen in der Hülle sind, ist das
Atom nach außen elektrisch neutral. Die Zahl der Protonen bestimmt, zu
welchem Element die Atomsorte gehört2. Bei Ionen stimmt die aktuelle Zahl der
Elektronen nicht mit der Kernladungszahl überein.
Die Größe der Atome beträgt etwa ein zehnmilliardstel Meter (10-10m), der Kern
hat nur etwa ein hunderttausendstel dieser Größe (10-15m). Das ist auch
ungefähr die Größe eines Nukleons. Elektronen können dagegen als punktförmig
angesehen werden.
99,9% der Atommasse ist im Kern konzentriert. Der Rest ist praktisch leer.
Obwohl die Elektronen aufgrund ihrer elektrischen Ladung vom Kern angezogen
werden, fallen sie wegen ihrer hohen Energie nicht in den Kern hinein.
Größenverhältnisse
Hülle
Kern
Bemerkung
10-10m
10-15m
Realität
100 000
1
Proportion
TT-Ball
unsichtbar
In diesem Maßstab wäre ein Mensch so
groß wie die Entfernung Erde - Mond
Aufgabe: Welche Masse haben 1 mm 3 Atomkerne?
1
2
Erklärung folgt in späterem Kapitel.
Alchimisten wollten aus unedlen Stoffen Gold herstellen. Dazu hätten sie Atome eines Elements in Atome eines anderen Elements
umwandeln müssen.
Schiefer
Gymnasium Schönau
2012
Kernphysik
2. Nuklide
Atome desselben Elements haben alle die gleiche Protonenzahl, sie können aber
unterschiedliche Neutronenzahlen besitzen. Solche Atomarten nennt man Isotope. Nuklid ist der
allgemeine Begriff für eine Atomart.
Massenzahl = Nukleonenzahl A
Zahl der Pr ot .  Neutr .
Zahl der Pr otonen
Schreibweise
Kernladungszahl
Neutronenzahl
Elementsym bol
= Protonenzahl
Z
= Ordnungszahl
N= A-Z
Tritium kommt in der Natur praktisch nicht vor, die
gesamte Atmosphäre enthält nur ca 3g durch kosmische
Strahlung. Es entsteht u.a. bei Atombombenexplosionen
und dem Betrieb von KKWs.
Nukleonen
(ungefähre) Masse in u
Ladung in e
1
1p
1
0n
Nuklidkarte:
^Z
│
Isotope
│____________________
│
│
┼-----------------------------> A
Isotope lassen sich mit
herkömmlichen chemischen
Mitteln nicht voneinander
trennen.
In der Natur vorkommende Elemente enthalten oft mehrere Isotope. Zum Beispiel besteht
Chlor meist zu 25% aus dem Isotop Cl-37 und zu 75% aus dem Isotop Cl-35.
100 Cl-Atome enthalten also durchschnittlich:
75 Atome mit je 35 Nukleonen, also
2.625 Nukleonen.
25 Atome mit je 37 Nukleonen, also
925 Nukleonen.
insgesamt also
3.550 Nukleonen.
Dies bedeutet, dass ein Cl-Atom durchschnittlich 35,5 Nukleonen besitzt.
Diese Zahl findet sich (ungefähr) in der Periodentafel als Massenzahl.
Das Mengenverhältnis der Isotope einer Substanz ist oft vom Herkunftsort ab.
In der Natur kommen mehr als 300 Nuklide von 92 Elementen vor.
Davon sind etwa 250 Nuklide stabil, die übrigen können "zerfallen".
Zusammen mit den künstlich erzeugten sind über 3000 Nuklide bekannt.
Das Periodensystem wurde von Mendelejew 1871 nach chemischen Eigenschaften der
Elemente erstellt. Tatsächlich ist es aber nach der physikalischen Eigenschaft Z geordnet.
Aufgabe:
Schiefer
Sauerstoff kommt in der Luft in drei Isotopen vor:
zu
99,76%
als O-16
zu
0,04%
als O-17
zu
0,2%
als O-18
Welche Massenzahl ergibt sich aus diesen Angaben für Sauerstoff?
Gymnasium Schönau
2012
Kernphysik
3. Kernkraft
Übergang zum nächsten Element (Atombaukasten der Natur) erfordert, dass ein Proton dem
Kern angelagert wird. Dies scheint unmöglich, weil die elektrischen Abstoßungskräfte der
Protonenenge Annäherung verhindern.
^ abstoßende Kraft
|•
| •
|
•
Die abstoßende elektrische Kraft wird
| | •
bei Annäherung immer größer.
| |
•
| |
•
| |
•
+-+---------------------------->
2•10-15m
Abstand zweier Protonen
Bei Annäherung unter 2·10-15m tritt plötzlich eine anziehende Kraft zwischen Nukleonen auf.
Diese "Kernkraft" überwiegt gegen die elektrische Abstoßungskraft.
Vergleich mit einer Minigolfbahn, bei der ein Loch wie ein
Vulkankrater auf einem Berg sitzt.
Neutronen wirken wie Klebstoff, um die sich gegenseitig abstoßenden Protonen zu binden.
Zusammenstellung der bis hierher bekannten Naturkräfte3
… nach der Stärke geordnet
Gravitationskraft
nur anziehend
wirkt zwischen allen Körpern mit
Masse
Newton 1687
Einstein 1915
Reichweite ∞
elektrische Kraft
anziehend und abstoßend
wirkt zwischen allen Körpern mit
elektrischer Ladung
Coulomb 1785
Reichweite ∞
Kernkraft
nur anziehend
wirkt zwischen Nukleonen und
verwandten Teilchen
Yukawa
Reichweite ca.
2·10-15m
3
1935
"magnetische Kräfte" lassen sich auf elektrische Kräfte zurückführen.
Schiefer
Gymnasium Schönau
2012
Kernphysik
4*. Aufbau der Materie
Die gesamte Materie besteht aus Atomen. Meist sind diese aber unter Beteiligung der Hüllen
mit anderen Atomen verbunden und bilden Moleküle oder Kristalle. Die Chemie beschäftigt sich mit
den Atomhüllen.
Sind die bisher bekannten Bausteine der Materie elementar, oder selbst wieder
zusammengesetzt?
Antwort geben Streuversuche, bei denen z.B. Elektronen auf Elektronen oder Protonen
geschossen werden. Dies macht man in großen Beschleunigeranlagen (CERN Genf, DESY Hamburg,
...). Dabei erforscht man auch, was in Kernreaktoren und im Weltraum (zum Beispiel im Inneren von
Sternen und bei Sternexplosionen passiert.
Elektronen gehören zu einer Gruppe von 6 Elementarteilchen, die man
Leptonen nennt.
Protonen und Neutronen sind aus je 3 Quarks 4 zusammengesetzt.
Es gibt 6 verschiedene Quarks (up, down, strange, charm, bottom, top;
abgekürzt: u-, d-, s-, c-, b-, t-Quark).
Die gesamte gewöhnliche Materie wird aus zwei Leptonenarten (Elektron und Neutrino) und
zwei Quarkarten (up und down) gebildet.
Quarks kommen nicht einzeln vor, sondern nur in "Klumpen".
Das Neutron besteht aus 2 d- und einem u-Quark, das Proton enthält
ein d- und 2 u-Quarks.
In der Natur kommen nur ganzzahlige Vielfache der Elementarladung5 e vor. Ein Elektron
trägt die Ladung –e, ein Proton die Ladung +e. Quarks haben dagegen Ladungen, die ein oder zwei
Drittel der Elementarladung betragen.
4
Der Name "Quark" entstammt dem Satz Three Quarks for Master Mark aus dem experimentellen Roman Finnegan's Wake von James
Joyce, der den Begriff auf dem Freiburger Wochenmarkt aufgeschnappt haben soll. In seinem Roman ist die Bedeutung etwa mit
"Taugenichts" zu übersetzen.
5
Wenn in 1 Sekunde 6,24·1018 Elementarladungen durch einen Querschnitt fließen, herrscht die Stromstärke 1 Ampere.
Schiefer
Gymnasium Schönau
2012