Beispielaufgaben

–1–
BE
Ph 11 – 1
1. Massenbestimmung von Elektronen
L1
L3
L2
Elektronenquelle
Die Elektronenquelle EQ sendet Elektronen
mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus.
Die Elektronen treten durch die Lochblenden L1 und L2, wie abgebildet, in ein homogenes Magnetfeld mit der Flussdichte
B = 4,0 mT ein. Das magnetische Feld
herrscht im schattierten Bereich, das elektrische nur im Plattenkondensator.
EQ
Schirm
Magnetfeld
6
a) Erläutern Sie eingehend, warum man durch geeignete Wahl der beiden Felder erreichen
kann, dass nur Elektronen einer bestimmten Geschwindigkeit den Kondensator geradlinig passieren und danach nach unten abgelenkt werden. Zeichnen Sie dazu die Orientierung des magnetischen Feldes und die Polung des Kondensators in die Abbildung ein.
4
b) Leiten Sie die Beziehung v =
7
c) Erläutern Sie, wie mithilfe obiger Anordnung bei bekannter Elektronenladung die
Elektronenmasse me bestimmt werden kann. Geben Sie hierzu alle relevanten Messgrößen an und beziehen Sie diese in eine Formel zur Berechnung von me ein.
5
d) Bei großen Geschwindigkeiten ergeben sich merkliche Abweichungen von der
Ruhemasse eines Elektrons. Berechnen Sie, bei welcher Geschwindigkeit diese Abweichung 10 % beträgt.
E
für die Geschwindigkeit der Elektronen nach L3 her und
B
berechnen Sie die elektrische Feldstärke E im Kondensator für Elektronen mit 5,0 % der
Vakuumlichtgeschwindigkeit.
2. Bewegung im Magnetfeld
Auf einem Laborwagen aus Kunststoff liegt eine quaderförmige Spule. Der Wagen rollt eine
schiefe Ebene hinunter und durchquert dabei ein Magnetfeld, das senkrecht zur schiefen
Ebene gerichtet ist. Für die folgenden Betrachtungen kann davon ausgegangen werden, dass
das Magnetfeld ausschließlich zwischen den beiden Polen existiert und homogen ist. Die
Reibung kann vernachlässigt werden.
3
a) Begründen Sie kurz, bei welcher Orientierung der Spule sich Induktionseffekte ergeben.
–2–
BE
8
b) Die Anschlüsse der Spule sind nicht verbunden. Die folgenden Diagramme zeigen die
Geschwindigkeit v des Wagens bzw. die induzierte Spannung U, die an den Anschlüssen
abgegriffen werden kann, in Abhängigkeit von der Zeit t.
U
v
0
0
t
t
Beschreiben und erklären Sie das Zustandekommen der Diagramme.
5
c) Jetzt wird an die Anschlüsse der Spule ein Strommessgerät angeschlossen und der
Vorgang wiederholt. Beschreiben Sie qualitativ, was sich an der der Bewegung des Wagens gegenüber Teilaufgabe b ändert. Für welche Zeitbereiche erwarten Sie einen Ausschlag des Strommessgeräts?
3. Gestörter Rundfunkempfang
Ein Sportplatz ist einseitig von einem Zaun begrenzt, der vollständig mit Blech beschlagen ist. In größerer Entfernung vom Zaun befindet sich der Sendedipol eines UKW-Senders.
zum
Sender
c
d
d
d
Zaun
Auf beiden Seiten des Zauns steht jeweils ein Sportler c bzw. d
mit einem tragbaren Radio in einem bestimmten Abstand d vom
Zaun. Trotz optimal eingestellter Empfänger haben beide sehr
schlechten Radioempfang, doch kann einer der beiden Sportler
durch eine geringfügige Veränderung seines Abstands vom Zaun die Empfangssituation
deutlich verbessern, der andere nicht.
8
a) Erläutern Sie, warum anfangs beide Personen schlechten Radioempfang haben konnten
und warum die Abstandsänderung nur bei einem der beiden zu einer Empfangsverbesserung führt.
Im Metallzaun sind zwei Türen T1 und T2. Wenn beide offen sind,
hat man hinter dem Zaun auf den skizzierten sechs Linien prakP
tisch keinen Empfang. Der Abstand der Türmitten ist 10 m.
T
11
b) Berechnen Sie die Wellenlänge und die Frequenz f des Senders
unter Zuhilfenahme von Punkt P. Die Breite eines Kästchens in
der Zeichnung entspricht 2 m in der Natur. Beschreiben Sie, an
welchen Orten besonders guter Empfang herrscht.
1
[zur Kontrolle: f = 8 · 107 Hz]
3
60
c) Bestimmen Sie eine mögliche Länge eines optimal abgestimmten Sendedipols.
T2
–3–
BE
Ph 11 – 2
1. Elektrische Feldstrukturen
Zwei geladene Kugeln c und d sind 20 cm voneinander entfernt. Der Punkt A befindet
sich genau in der Mitte zwischen den beiden Kugeln. Kugel c trägt die Ladung
Q1 = + 3,2 · 10-9 As, der Betrag der Ladung auf Kugel d ist halb so groß.
B
C
1
A
2
7
a) Bestimmen Sie Betrag und Richtung der elektrischen Feldstärke im Punkt A.
7
b) Ergänzen Sie in der obigen Abbildung die Richtungen der Feldlinien. Zeichnen Sie Äquipotentiallinien durch die Punkte A, B und C ein.
3
c) Wie stellt sich das elektrische Feld für einen Beobachter in sehr großer Entfernung dar?
6
d) Beschreiben Sie ein selbst gewähltes Phänomen aus der Natur oder aus der Technik
(z. B. Gewitterentstehung oder Funktionsprinzip der Xerographie), bei dem elektrische
Felder eine entscheidende Rolle spielen.
2. Gold-Cap-Kondensatoren
Ein „Gold Cap“ ist ein Kondensator mit sehr hoher Kapazität, der sich durch eine kleine
Baugröße auszeichnet. Auf einem handelsüblichen Exemplar findet man die Aufschrift:
„Gold Cap 2,3 V 10 F“.
3
a) Berechnen Sie die Plattenfläche, die ein Plattenkondensator bei einem Plattenabstand von
10 μm und einer Kapazität von 10 F hat?
Zwei Gold Caps sind in der nachfolgenden Schaltung eingebaut. Der Schalter befindet sich
zunächst in der Stellung „A“.
–4–
BE
A
B
R
U0
10 F
10 F
Gold Cap 1
Gold Cap 2
5
b) Die Spannung U0 wird auf 2,0 V eingestellt. Bestimmen Sie die Ladung QA des Gold
Cap 1 und die Energie EA, die in seinem elektrischen Feld gespeichert ist.
Nun wird der Schalter von der Position „A“ in die Position „B“ umgelegt.
8
c) Berechnen Sie die Spannung, die sich lange Zeit nach Umlegen des Schalters an den
beiden Kondensatoren einstellt, und die Gesamtenergie in beiden Feldern. Erläutern Sie,
warum nun weniger Energie in den Feldern „steckt“ als bei Teilaufgabe b.
6
d) Statt des Gold Cap 2 soll nun eine Spule verwendet werden. Wieder wird zuerst der
Schalter in Stellung „A“ gebracht und dann auf „B“ umgelegt. Skizzieren Sie qualitativ
den zeitlichen Verlauf der Spannung am Gold Cap 1 und die Stromstärke durch den Widerstand ab dem Zeitpunkt des Umschaltens.
3. CD als Beugungsgitter
Auf einer CD werden Informationen digital durch Vertiefungen in spiralförmigen Spurlinien
gespeichert, die sich mit einem Laser im CD-Player auslesen lassen. Der Abstand g der nebeneinander liegenden Spurlinien beträgt 1,6 μm. Wenn man die Etikettbeschichtung der
CD ablöst, kann man die CD als Beugungsgitter verwenden.
Schirm
Laser
a
5
a) Der abgebildete Versuch soll zur Bestimmung der Wellenlänge des Lasers dienen.
Skizzieren Sie das Interferenzbild auf dem Schirm und das Vorgehen zur Bestimmung
der Wellenlänge.
6
b) Bei einem Versuch ergibt sich für den Abstand zwischen dem nullten und dem ersten
Maximum 8,6 cm. Der Abstand zwischen CD und Schirm beträgt a = 20 cm.
Berechnen Sie die Wellenlänge des verwendeten Lasers.
4
60
c) Beschreiben Sie die zu erwartenden Änderungen des Interferenzbildes, wenn der
zunächst verwendete rote Laser durch einen grünen ersetzt wird und danach statt einer
CD eine DVD verwendet wird, deren Spurlinien enger liegen.
–1–
BE
Ph 12 - Astrophysik 1
1.
Die Sonne
Die Sonne ist für Astronomen von großer Bedeutung, da sie der nächstliegende Stern ist
und der einzige, den wir im Detail untersuchen können. Wichtige Erkenntnisse über die
Eigenschaften der Sonne erhält man durch die Untersuchung ihres Spektrums. Im Sonnenspektrum befindet sich bei der Wellenlänge λ = 656 nm eine starke Absorptionslinie, die
sogenannte Hα-Linie.
5
a)
Erläutern Sie das Zustandekommen von Absorptionslinien im Sonnenspektrum.
4
b)
Mithilfe der Serienformel des Wasserstoffatoms
7
c)
4
d)
Beschreiben Sie eine weitere Möglichkeit, mithilfe derer man Aussagen über die
Rotationsgeschwindigkeit der Sonne erhalten kann.
5
e)
Im Spektrum eines Hauptreihensterns vom Spektraltyp M5, dessen Temperatur
niedriger ist als die der Sonne, erscheint die Hα-Linie nur sehr schwach. Worauf ist
dieser Effekt zurückzuführen?
⎛ 1
1
1 ⎞
= R H ⎜ 2 − 2 ⎟ kann die
λ
⎝ n1 n 2 ⎠
Wellenlänge eines Photons berechnet werden, das beim Übergang eines angeregten
Wasserstoffatoms im Zustand n2 in einen energetisch niedrigeren Zustand n1 ausgesandt wird. Dabei ist RH = 1,0967758 · 107 m-1 die Rydbergkonstante für Wasserstoff.
Die Hα-Linie entsteht bei einem Übergang in den ersten angeregten Zustand (n1 = 2).
Welches ist das Ausgangsniveau? Begründen Sie Ihre Behauptung.
Am Äquator braucht die Sonne für eine Rotation 24,4 Tage, was durch die
Verschiebung der Hα-Linie bestimmt werden kann: Nimmt man von verschiedenen
Stellen der sichtbaren Sonnenscheibe ein Spektrum auf, so erscheint die Hα-Linie bei
unterschiedlichen Wellenlängen. Geben Sie hierfür eine Erklärung und bestimmen
Sie die maximale Verschiebung der Hα-Linie. Der Sonnenradius r beträgt
6,96 · 108 m.
Im Zentrum der Sonne wird Energie durch die Fusion von vier Wasserstoffkernen zu
einem Heliumkern freigesetzt.
6
f)
Geben Sie die vollständige Reaktionsgleichung des Fusionsprozesses an und
berechnen Sie die bei diesem Prozess freiwerdende Energie. Die Angabe von Zwischenprodukten ist nicht verlangt.
4
g) Warum findet das Wasserstoffbrennen nur im innersten Zentralbereich der Sonne
statt?
–2–
BE
2.
Beobachtungen im Virgohaufen
Die massereiche elliptische Galaxie M 87 im Zentrum des Virgohaufens ist 15 Mpc von
uns entfernt. Ihre scheinbare Helligkeit beträgt 8,2.
7
a) Ermitteln Sie die Leuchtkraft von M 87 als Vielfaches der Sonnenleuchtkraft.
6
b) Bei spektroskopischen Untersuchungen stellte man im Jahr 2004 fest, dass sich
mehrere planetarische Nebel auf annähernd kreisförmigen Bahnen um den Kern
von M 87 bewegen. Der Bahnradius beträgt 65 kpc, die Geschwindigkeit
m
1,25 · 106 . Berechnen Sie daraus die eingeschlossene Masse von M 87 als
s
Vielfaches der Sonnenmasse.
7
c) Da die auf der Erde gemessene Bestrahlungsstärke der am stärksten ausgeprägten
W
Sauerstoffemissionslinie eines planetarischen Nebels nur maximal 1,0 · 10-19 2
m
beträgt, braucht man für die Beobachtungen riesige Spiegel, wie z. B. die der ESO mit
einem Durchmesser von 8 m. Berechnen Sie, in welcher Entfernung zur Erde eine
Glühbirne mit der Leistung 100 W dieselbe Bestrahlungsstärke hätte. Vergleichen Sie
mit der Entfernung Erde-Mond.
Am 1. März 2007 wurde im Virgohaufen ein sehr helles Objekt entdeckt, die Supernova
SN 2007af.
5
60
d) Erläutern Sie die Vorgänge im Zentrum eines Sterns, die zur Supernova (Typ II) führen.
Gehen Sie dabei auch kurz auf die Entstehung schwerer Elemente ein.
–3–
BE
Ph 12 - Astrophysik 2
1.
Kollisionen im Sonnensystem
Von Clyde W. Tombaugh wurde im Jahr 1930 Pluto entdeckt, der lange Zeit als neunter
Planet geführt wurde. Etwa siebzig Jahre später fand man ein weiteres Objekt in unserem
Sonnensystem, das sich als größer und massereicher als Pluto erwies. Dies führte dazu,
dass im August 2006 Pluto „degradiert“ wurde und man die neue Klasse der Zwergplaneten einführte.
3
a) Erläutern Sie kurz den Begriff „Ekliptik“.
7
b) Der Zwergplanet Pluto bewegt sich auf einer stark exzentrischen Bahn um die Sonne.
Berechnen Sie den Perihelabstand rP Plutos.
[zur Kontrolle: rP = 30 AE]
Vergleichen Sie das Ergebnis mit der Neptunbahn und begründen Sie, warum Neptun
und Pluto in absehbarer Zeit nicht zusammenstoßen werden.
4
c) Geben Sie zwei typische Unterschiede zwischen Planeten und Zwergplaneten an.
2.
Sirius als Doppelstern
Im Sternbild Großer Hund findet man das Objekt Sirius, das als hellster Fixstern am
Firmament erscheint. Sirius ist jedoch ein Doppelstern in einer Entfernung von 8,6 Lj von
der Erde. Die hellere Komponente, genannt Sirius A, hat eine Temperatur von 9900 K, die
weniger helle – Sirius B – eine solche von 25200 K. Für die weiteren Betrachtungen soll
vereinfachend angenommen werden, dass die beiden Komponenten sich auf kreisförmigen
Bahnen mit einer Umlaufzeit von 50 Jahren um den gemeinsamen Schwerpunkt bewegen;
ihr gegenseitiger Abstand beträgt 3,0 · 1012 m.
7
a) Berechnen Sie mithilfe der gegebenen Daten die Gesamtmasse der beiden Sterne.
[zur Kontrolle: mgesamt = 3,2 m]
Sirius A ist ein Hauptreihenstern mit der Leuchtkraft LSirius A = 25 L.
6
b) Schätzen Sie hieraus die Massen von Sirius A und Sirius B ab.
[zur Kontrolle: mSirius A = 2,9 m]
4
c) Begründen Sie, warum es sich bei Sirius B um einen Weißen Zwerg handelt.
5
d) Erstellen Sie ein Hertzsprung-Russell-Diagramm und tragen Sie Sirius A, Sirius B
sowie die Sonne ein.
–4–
BE
3.
Galaxien im Sternbild „Andromeda“
Im Sternbild „Andromeda“
kann man mit bloßem Auge
einen Nebel erkennen. Erst als
E. Hubble in ihm δ-CepheiSterne entdeckte, wurde klar,
dass es sich dabei um eine Galaxie handelt. Die Schwankung der scheinbaren
Helligkeit eines δ-CepheiSterns in der AndromedaGalaxie ist durch die nebenstehende Graphik wiedergegeben.
10
a) Ermitteln Sie mithilfe der Graphik die Entfernung der Andromeda-Galaxie.
6
b) Im Spektrum der Andromeda-Galaxie befindet sich die Hα-Linie (Laborwellenlänge:
λα = 656,28 nm) bei 656,14 nm.
Bestimmen Sie daraus die Radialgeschwindigkeit der Andromeda-Galaxie und
begründen Sie, ob sich die Andromeda-Galaxie auf uns zu oder von uns wegbewegt.
Ebenfalls im Sternbild „Andromeda“ findet man die Galaxie TEX 0145+336, ein Quasar
mit einer Entfernung von 3,7 · 109 Lichtjahren.
4
c) Beschreiben Sie, wie die Entfernung eines solchen Quasars bestimmt werden kann.
4
d) Für die Andromeda-Galaxie gilt offensichtlich das Hubble-Gesetz nicht. Geben Sie
hierfür einen Grund an.
Daten ausgewählter Objekte im Sonnensystem
60
Objekt
Venus
Erde
Jupiter
Neptun
Pluto
Große Halbachse a
0,723 AE
1,000 AE
5,20 AE
30,1 AE
39,5 AE
Umlaufszeit T
0,615 a
1,000 a
11,86 a
164,8 a
247,7 a
Exzentrizität ε
0,007
0,017
0,048
0,009
0,25
–1–
BE
Ph 12 - 1
1.
Neutron
Im Jahr 1930 bestrahlten Walther Bothe und sein Assistent Herbert Becker Beryllium mit
Alphateilchen der Energie 4,5 MeV. Neben einem Restkern entstand dabei eine damals
noch unbekannte Art von Strahlung. Zwei Jahre später fand Chadwick heraus, dass diese
Strahlung aus elektrisch neutralen Teilchen besteht, die etwa die gleiche Masse wie
Protonen besitzen – den Neutronen.
3
a) Geben Sie die Reaktionsgleichung zu obigem Experiment an. Gehen Sie
vereinfachend davon aus, dass Beryllium ausschließlich aus dem Isotop 9Be besteht.
7
b) Zeigen Sie durch Berechnung der freiwerdenden Bindungsenergie, dass diese
Reaktion prinzipiell möglich ist.
3
c) Wenn man α-Teilchen verwendet, deren kinetische Energie erheblich kleiner ist, dann
tritt diese Reaktion nicht mehr auf, obwohl sie nach dem Energieerhaltungssatz immer
noch ablaufen könnte. Warum ist das so?
Wie alle Quantenobjekte besitzen auch Neutronen Welleneigenschaften und sind deshalb für
die Untersuchung einiger Eigenschaften von Festkörpern geeignet, zum Beispiel für die
Analyse der Kristallstruktur. Die Wellenlänge der verwendeten Neutronen muss dabei in der
Größenordnung der Abmessung der zu untersuchenden Struktur liegen. Andernfalls erhält man
keine verwertbaren Ergebnisse.
7
d) Leiten Sie aus der Formel von de Broglie her, dass für nichtrelativistische Neutronen
folgender Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie E und der Wellenlänge λ
h²
gilt: E =
2mλ ²
5
e) Die kinetische Energie der in obigem Versuch erzeugten Neutronen liegt über
4,5 MeV. Zeigen Sie, dass diese Neutronen zu energiereich sind, um Strukturen von
Atomgröße, also etwa 10-10 m, untersuchen zu können.
7
f)
6
g) Von der Neutronenquelle bis zum Experimentierlabor legen die Neutronen einen
250 m langen Weg zurück. Freie Neutronen zerfallen mit einer Halbwertszeit von 11,7
Minuten. Begründen Sie, dass für die Strahlungsintensität bei Neutronen der
Wellenlänge 0,1 nm der Zerfall auf diesem Weg keine nennenswerte Rolle spielt.
Die Neutronen müssen daher vor ihrer Verwendung erheblich abgebremst werden.
Zur Verfügung stehen folgende drei Möglichkeiten:
1. Die Neutronen werden durch einige Bleiplatten geleitet.
2. Die Neutronen werden durch Wasser geleitet.
3. Die Neutronen werden durch ein starkes Magnetfeld geleitet.
Begründen Sie, welche der drei Varianten hierfür gut geeignet sind und welche nicht.
–2–
BE
2.
Wellenfunktionen
Im Diagramm ist der Verlauf eines eindimensionalen, endlich tiefen Potentialtopfs
skizziert; darunter sind die Wellenfunktionen des Grundzustands und der ersten drei
angeregten Zustände für ein gebundenes Elektron gezeichnet.
3
a) Begründen Sie, dass die Funktionen Φe und Φf keine Wellenfunktionen eines
gebundenen Elektrons sein können.
-r
r
5
b) Die Werte der Wellenfunktionen Ψa, Ψb, Ψc und Ψd
am Rand und außerhalb des Potentialtopfs sind nicht
Null. Was bedeutet das für das betreffende Elektron?
Inwiefern unterscheidet sich hier das quantenmechanische Weltbild von unserer klassischen
Vorstellung?
4
c) Nun wird das Potential so verändert, dass der
Potentialtopf tiefer ist. Wie verändern sich dadurch die
Werte der Wellenfunktionen außerhalb des Potentialtopfs? Begründen Sie Ihre Antwort!
5
d) Sortieren Sie die Wellenfunktionen Ψa, Ψb, Ψc und Ψd
nach der zugehörigen Energie.
Begründen Sie die Wahl Ihrer Reihenfolge.
5
e) Das Elektron befinde sich in dem Zustand, der durch
Ψa beschrieben wird. Kennzeichnen Sie in der
Zeichnung die Stellen zwischen -r und r eindeutig, an
denen die Wahrscheinlichkeit, das Elektron
anzutreffen, am größten bzw. am kleinsten ist.
Begründen Sie jeweils kurz.
Atommassen:
Nuklid
1
n
1
H
4
He
6
Li
7
Li
9
Be
10
B
60
Atommasse / u
1, 008 665
1, 007 825
4, 002 603
6, 015 126
7, 016 005
9, 012 182
10, 012 938
Nuklid
11
B
12
C
13
C
14
N
16
O
17
O
18
O
Atommasse / u
11, 009 305
12, 000 000
13, 003 354
14, 003 074
15, 994 914
16, 999 133
17, 999 159
–3–
BE
Ph 12 - 2
1.
Spektren
Für die Identifikation der chemischen Zusammensetzung unterschiedlicher Objekte
werden seit über 150 Jahren Absorptions- und Emissionsspektren verwendet. Jedes
Element und jedes Molekül hat sein charakteristisches Spektrum, an dem es eindeutig
identifiziert werden kann. In der Abbildung ist ein Ausschnitt aus dem Spektrum von
atomarem Wasserstoff skizziert.
Wasserstoff
100
200
300
400
500
600
λ/nm
6
a) Beschreiben Sie ein Experiment, mit dem man den Teil des Spektrums eines Gases
darstellen kann, der im Bereich des sichtbaren Lichts liegt. Wie kann durch geeignete
Messungen die Wellenlänge einer Spektrallinie bestimmt werden?
Für die Energiewerte En der einzelnen Energieniveaus eines Wasserstoffatoms gilt:
1
E n = −13, 6 eV ⋅ 2 mit n = 1, 2, 3, 4, 5, ...
n
4
b) Berechnen Sie die Energiewerte der fünf niedrigsten Niveaus und geben Sie die
Ionisierungsenergie an. Zeichnen Sie damit ein Energieniveauschema.
4
c) Die folgenden Bilder zeigen Querschnitte durch die Orbitale zu den drei niedrigsten
Energieniveaus. Die Dichte der Punkte (Grad der Schwärzung) ist ein Maß für den
Betrag des Wertes der Wellenfunktion am jeweiligen Ort. Ordnen Sie jedem dieser
Bilder das entsprechende Energieniveau zu. Geben Sie eine kurze Begründung für
Ihre Entscheidung an.
4
d) Ein Elektron der kinetischen Energie 2,7 eV trifft auf ein Wasserstoffatom im ersten
angeregten Zustand. Welche Übergänge in einen Zustand höherer Anregung können
dabei auftreten? Zeichnen Sie diese Übergänge in das bei Teilaufgabe b gezeichnete
Energieniveauschema ein.
3
e) Beurteilen Sie, welche der in Teilaufgabe d ermittelten Übergänge möglich sind, wenn
das angeregte Wasserstoffatom von einem Photon der Energie 2,7 eV und nicht von
einem Elektron getroffen wird.
–4–
BE
4
f)
2.
5
Zeigen Sie, dass ein angeregtes Wasserstoffatom, das sich im Zustand n = 3 befindet,
sichtbares Licht beliebiger Wellenlänge absorbieren kann.
Atomkerne
Die „Energiegewinnung“ aus
Atomkernen ist durch zwei
verschiedene Prozesse möglich
– durch Kernspaltung und durch
Kernfusion. Im nebenstehenden
Diagramm ist die mittlere
Bindungsenergie pro Nukleon
über der Nukleonenzahl
angetragen.
|EB|/A in MeV
9
a) Erklären Sie anhand dieses
Diagramms, warum
Energiegewinnung sowohl
durch Kernspaltung als
auch durch Kernfusion
möglich ist.
3
8
7
6
5
4
2
1
10 20 30 40
56 80100
150
200
250
7
b) Schätzen Sie mithilfe des Diagramms ab, wie viel Energie aus der Spaltung eines
Gramms 235U gewonnen werden kann. Gehen Sie vereinfachend davon aus, dass der
Urankern in zwei etwa gleich große Bruchstücke gespalten wird.
Bei dem Reaktorunfall von Tschernobyl wurden große Mengen radioaktiven Materials
freigesetzt und zum Teil durch den Wind auch nach Deutschland transportiert, wo sie sich
durch Regenfälle auf die Oberfläche niederschlugen. Zur radioaktiven Kontamination trug
unter anderem der Betastrahler 137Cs (T1/2 = 30 a) bei.
4
c) Bei vielen Atomkernen, die „zu viele“ Neutronen enthalten, wird dieses
Missverhältnis durch einen Betazerfall korrigiert. Beschreiben Sie diesen Vorgang im
Quarkmodell.
6
d) Beschreiben Sie die Wirkung von radioaktiver Strahlung auf die Zellen des
menschlichen Körpers. Gehen Sie dabei auch auf mögliche Spätfolgen ein.
5
e) Der 137Cs-Kern zerfällt in einen stabilen 137Ba-Kern, der aus 56 Protonen und 81
Neutronen besteht. Begründen Sie unter Verwendung eines Potentialmodells für
Atomkerne, warum ein solcher Kern stabil sein kann, obwohl er immer noch erheblich
mehr Neutronen als Protonen enthält.
8
f)
60
Geben Sie für jede der folgenden Aussagen an, ob sie richtig oder falsch ist und
begründen Sie jeweils kurz Ihre Antwort.
(1)
Eine einige Meter entfernte radioaktive Quelle, die nur α-Strahlung abgibt, ruft
keine körperlichen Schäden hervor.
(2)
Bei radioaktiv belasteten Lebensmitteln kann durch starkes Erhitzen die
radioaktive Strahlung auf ein unbedenkliches Maß reduziert werden.
(3)
Bei jedem radioaktiven Zerfall entsteht ein Neutrino.
(4)
Radioaktivität hat an der Evolution einen maßgeblichen Beitrag.
A