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Physikepoche Klasse 11
Elektrizitätslehre & Struktur der Materie
Aufbau der Materie
Der griechische Atomismus
Leukipp und Demokrit
5. Jahrhundert vor Christus: Die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit stellten als erste die Theorie auf,
dass die Materie aus unteilbaren Grundbausteinen aufgebaut sein könnte. Nach ihrer Theorie sind die Atome
unteilbar und weisen bereits Eigenschaften der Materie auf, die aus ihnen aufgebaut ist. Glatte Gegenstände
sollten also aus runden Atomen, raue eher aus eckigen Atomen aufgebaut sein. Demokrit stützte seine Theorien
noch nicht auf Experimente, sondern auf Nachdenken. Demokrit prägte den Namen atomos, was heißt: „das
Unteilbare“
Platon und Aristoteles lehnten den Atomismus ab. Der Hauptgrund für diese Ablehnung war, dass sie die
Existenz des "nicht Seienden", also des leeren Raumes, für unvorstellbar hielten.
Laut Aristoteles waren Feuer, Luft, Wasser und Erde die 4 Elemente, aus denen die irdische Welt aufgebaut ist.
Verschiedene Mischungen dieser Elemente sollten die Fülle der Stoffe und den Reichtum der Chemikalien
ergeben, die in unserer Welt existieren.
Daltons Entdeckung
Erste experimentelle Hinweise, dass es Atome geben müsse kamen dann von den Chemikern
des 18. Jahrhunderts.
Es gelang Amadeo Avogadro (1776-1856) zu zeigen, dass bei Gasen die Reaktionspartner
stets in besonders einfachen Volumenverhältnissen stehen. Bei der Bildung von Wasser reagiert
beispielsweise stets ein Volumen Sauerstoff mit dem doppelten Volumen Wasserstoff. Er
vermutete, dass ein gegebenes Volumen eines Gases (bei konstanter Temperatur und
konstantem Druck) stets die gleiche Anzahl von Atomen aufweist.
J. Dalton stellte fest, dass es Verbindungen gibt, bei denen immer die vielfachen Verhältnisse
auftreten: 14 g Stickstoff gibt mit 32 g Sauerstoff 46 g Stickstoffdioxid. Hier verbindet sich
offenbar die doppelte Menge Sauerstoff mit der gleichen Stickstoffmenge. Eine Verbindung mit
der doppelten Menge Stickstoff existiert ebenfalls und ist als Lachgas bekannt. Dalton folgerte
daraus, dass Stickstoff und Sauerstoff aus Atomen bestehen. Durch Vergleiche mit
Wasserstoffverbindungen fand er heraus, dass Stickstoffatome 14 mal so schwer wie
Wasserstoffatome sind, während ein Sauerstoffatom die 16-fache Masse eines
Wasserstoffatoms hat. Dieser Befund ist bekannt als das Dalton'sche
multiplen Proportionen.
Gesetz der
Damit war die Idee geboren, chemische Verbindungen
könnten durch das Aneinanderhaften einzelner Atome zustande kommen. Dalton hat noch
keine Angaben über die Form der Atome gemacht.
Experiment zur Atomtheorie
Laut Platon und Aristoteles gibt es keinen leeren Raum. Der Raum ist also kontinuierlich mit Stoff ausgefüllt.
Es gibt also auch keine irgendwie geformten kleinsten Teile des Stoffes. Dies ist das Hauptargument gegen
die Atomtheorie. Wir versuchen im folgenden Experiment diese Behauptung zu widerlegen.
Versuch 1
Wir mischen 200cm³ des Stoffes Wasser mit 200cm³ des Stoffes Spiritus. Nach Platon müsste ein Stoffgemisch
von 400cm³ entstehen, da die beiden Stoffe ja keinerlei leeren Raum einschließen.
Als Ergebnis erhalten wir aber ca. 350cm³ Stoffgemisch.
Erklärung: Die Stoffe Wasser und/oder Spiritus schließen leeren Raum in sich ein, der beim Mischen beider
Stoffe von dem einen oder dem anderen ausgefüllt wird.
Die Entdeckung des Elektrons
Als Joseph J. Thomson 1897 entdeckte, dass die so genannte Kathodenstrahlung
aus geladenen Teilchen besteht, die aus den Atomen kommen, musste die Idee vom
unteilbaren Atom aufgegeben werden. Man kann offenbar Teilchen, die man
Elektronen nennt, aus dem Atom herauslösen. Diese Teilchen heißen Elektronen
und sind wesentlich kleiner als die Atome. Durch Vermessung des Einflusses von
elektrischen und magnetischen Feldern auf die Kathodenstrahlen konnte Thomson
die Masse des Elektrons zu 1/2000 der Masse eines Wasserstoffatoms bestimmen.
Für die Entdeckung des Elektrons erhielt er 1906 den Nobelpreis für Physik.
Thomson erklärte erstmals den elektrischen Strom als Strom geladener Elektronen.
Im Thomsonschen Atommodell ist die Masse des Atoms gleichmäßig auf das
kugelförmige Atom verteilt. Das Atom hat eine positive Ladung, die von den sehr
kleinen Elektronen ausgeglichen wird, die sich im Inneren der Atome aufhalten.
Das Rutherfordsche Streuexperiment
Lord Rutherford of Nelson (1871-1937) versuchte im Jahr 1911 in seinem berühmten Streuexperiment das
Thomsonsche Atommodell zu überprüfen. Er beschoss Goldfolie mit radioaktive Teilchenstrahlung und entdeckte, dass
die Masse in den Atomen nicht so gleichmäßig verteilt ist, wie Thomson annahm.
Die meisten Teilchen der radioaktiven Strahlung gingen ungehindert durch die Goldfolie durch, nur wenige wurden
(zum Teil sehr stark) abgelenkt. Die Teilchenstrahlung musste sich also nicht einen Weg durch harte Atomkugeln
bahnen, sondern hat zum größten Teil keinen Widerstand erfahren. Daraus schloss Rutherford, dass die Atome hohl
sein müssen. Die große Masse des Atoms muss sich auf einen kleinen Bereich konzentrieren. Auf diesen Bereich ist
auch die positive Ladung konzentriert, die das Atom hat, wenn es seine Elektronen verliert. Das Atom besteht also aus
einem sehr kleinen Kern, der aber fast die ganze Masse trägt und aus kleinen Elektronen, die ihn irgendwie umgeben.
Die Elektronen sind so leicht und so dünn verteilt, dass sie für Teilchenstrahlung kein Hindernis darstellen.
Mit Hilfe dieses Versuches,
entdeckte Rutherford 1911
den positiv geladenen
Atomkern bestehend aus
Protonen
Das Rutherfordsche Atommodell
Aus dem Rutherfordschen Streuversuch leitet sich das Rutherfordsche Atommodell ab:
1. Atome haben einen Durchmesser von ca 10-8m
2. Nahezu 99,9% der gesamten Masse ist jedoch im Atomkern mit einem Durchmesser von 10-12m
konzentriert
3. Die gesamte positive Ladung befindet sich in Form von Protonen im Kern.
4. Die negativen Ladungen befinden sich in Form von Elektronen im Raum um den Atomkern.
5. Dieser Raum wird als Atomhülle bezeichnet.
6. Die Elektronen umkreisen den Kern auf beliebigen Bahnen.
7. Diese Bahnen bestimmen die Größe des Atoms.
8. Zwischen den Elektronen ist leerer Raum.
9. Die Kraft zwischen den Elektronen und dem Kern ist die
elektrostatische Anziehungskraft.
Rutherford folgerte in seinem Atommodell, dass der Atomkern kein massives Gebilde ist, sondern aus Teilchen
zusammengesetzt ist. Da der Kern stets positiv geladen ist, nahm er an, dass sich jeder Kern aus Protonen
aufbaut. Weil aber bei allen Atomen (außer beim Wasserstoffatom) die Atommasse stets größer als die
Kernladungszahl ist, nahm Rutherford an, dass ein Teil der Kernprotonen durch Elektronen im Atomkern
neutralisiert wird. Der Heliumkern, dessen Atommasse rund 4 beträgt, sollte demnach aus 4 Protonen und zwei
Elektronen bestehen. Damit ergibt sich die Kernladungszahl des Heliums von +2.
Das Bohrsche Atommodell
Niels Bohr versuchte aus den verschiedenen experimentellen Beobachtungen seiner Zeit ein Atommodell
abzuleiten, dass auch das Vorhandensein von einzelnen Linien in den optischen Spektren von Atomen erklären
konnte. Schon 1885 hatte Johann Jakob Balmer (1825-1898) gezeigt, dass die Linien der optischen
Wasserstoffspektren einer einfachen Formel folgen. Diese Formel konnte das Bohrsche Modell reproduzieren. Im
Bohrschen Atommodel bewegen sich die negativ geladenen Elektronen auf bestimmten erlaubten Kreisbahnen um
den positiv geladenen Atomkern. Um die erlaubten Bahnen zu bestimmten, quantisierte Bohr zum ersten Mal den
Drehimpuls der Elektronen um den Kern. Für diese Quantisierung benutzte er dieselbe Konstante, mit der Max
Planck zuvor die Wärmestrahlung erfolgreich erklärt hatte. Er ebnete damit den Weg für die moderne
Quantenmechanik.
Niels Bohr wurde am 7. Oktober 1885 in Kopenhagen,
Dänemark geboren. Bohr leistete viele Beiträge zu
unserem heutigen Verständnis des Atomaufbaus und
der Quantenmechanik. 1922 wurde ihm der Nobelpreis
für Physik verliehen, hauptsächlich für seine Arbeit auf
dem Gebiet des Atomaufbaus. Er starb 1962.
Das Schalenmodell
Im Unterschied zum Bohrschen Atommodell bewegen sich die Elektronen im Schalenmodell nicht auf konkreten Bahnen,
sondern der genaue Aufenthaltsort des Elektrons wird ignoriert. Bekannt ist nur der ungefähre Abstand des Elektrons vom
Kern. Anwendung findet das Schalenmodell in der Chemie. An chemischen Bindungen können nämlich nur die äußeren
Schalen beteiligt sein. Diese nennt man Valenzschalen. Die Valenzschale ist in der Chemie von herausragender
Bedeutung, da die Zahl der Valenzelektronen über die Bindungsmöglichkeiten entscheidet.
Jede Schale kann maximale eine
Anzahl von 2n² (n = Nr. der Schale)
Elektronen aufnehmen. Damit sind
folgende maximale
Elektronenbelegungen definiert:
Nummer der Schale
Elektronenanzahl
n = 1, K-Schale
2 Elektronen
n = 2, L-Schale
8 Elektronen
n = 3, M-Schale
18 Elektronen
n = 4, N-Schale
32 Elektronen
n = 5, O-Schale
50 Elektronen
n = 6, P-Schale
72 Elektronen
n = 7, Q-Schale
98 Elektronen
Die Entdeckung des Neutrons
1932 entdeckte Chadwick das Neutron.
Die Entdeckung des Neutrons führte sehr bald zu einer neuen Vorstellung vom
Aufbau der Atomkerne. Werner Heisenberg hat 1932 kurz nach dieser
Entdeckung eine neue Theorie über den Aufbau der Atomkerne aufgestellt:
Unter Nukleonen versteht man die Bausteine der Atomkerne, das heißt
Protonen und Neutronen.
Die Grundgedanken der Heisenberg-Theorie über den Bau der Atomkerne
lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
1. Die Kernladungszahl Z eines Atoms ist gleich der Zahl der in dem Atomkern
befindlichen Protonen.
2. Die Massenzahl A eines Atoms ist gleich der Summe aus Protonenzahl Z
und Neutronenzahl N.
A=Z+N
Isotope
Durch Untersuchungen an Atomen der gleichen Sorte (also eines bestimmten Elements) hat man festgestellt, dass es
Atome dieses Elementes mit unterschiedlicher Atommasse gibt. Diesen experimentellen Befund konnte man erst durch
die Entdeckung des Neutrons richtig verstehen.
Es gibt also Atome eines Elementes mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen im Kern. Solche Atome nennt man
Isotope des Elements
Wasserstoff
Wasserstoffisotop
Deuterium
Elektron
Proton
Neutron
Der stoffliche Aufbau unserer Welt
Die Stoffe unserer Welt sind aus chemischen Elementen aufgebaut. Zu jedem chemischen Element
gehört ein bestimmtes Atom. Zur Zeit sind 118 chemische Elemente oder Atome entdeckt. Nur ein
Teil davon kommt natürlich vor. Die beiden einfachsten Elemente der Wasserstoff und das Helium
bilden 99,95% der Materie des uns bekannten Universums. Alle schwereren Elemente entstehen oder
entstanden bei Supernova-Explosionen.
Die Atome der Elemente können sich nach bestimmten chemischen Gesetzmäßigkeiten verbinden.
Dabei entstehen neue Moleküle. Diese Moleküle repräsentieren Stoffe mit neuen Eigenschaften.
Wasserstoff
Helium
Kohlenstoff
Natrium
Eisen
Blei
Supernova Explosion
Bei diesen kosmischen Vorgängen
entstehen aus dem Wasserstoff und
dem Helium der explodierenden
Sterne die schwereren Elemente, aus
denen zum Beispiel unsere Erde
besteht.
We are very literally
made of the ashes of
a star
Stoffliche Zusammensetzung der Erdkruste
Na
tr iu
m
m
l iu
Ka
l ziu
Ca
ium
es
gn
Ma
m
n
se
Ei
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um
um
Al
um
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Si
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rs t
o
ff
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Sa
H ä u fi g k e i t [% ]
Häufigkeit [%-Masse] der Elemente in der Erdkruste
Zusammensetzung der Lufthülle der Erde
m
liu
He
on
go
Ne
io x
Ko
h le
nd
ue
Sa
Ar
id
off
r st
ff
s to
n
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
St
ic k
V o lu m e n [% ]
Zusammensetzung der Lufthülle der Erde [Volumen-%]
Die ersten 36 Elemente
Die Atommasse
Wir haben zu unterscheiden zwischen der
absoluten Atomasse und der relativen Atommasse
eines Atoms
Wirkliche Masse des Atoms eines Elementes.
Diese Masse wird mit Massenspektrometern
bestimmt. Als Gewichtseinheit für die absolute
Masse wurde ein u (=unit) vereinbart. Ein „u“ ist
gleich 1,661* 10-27 kg (1/12 der Masse eines
Kohlenstoff-Atoms mit 12 Protonen und 12 Neutronen)
Die relative Masse eines Atoms erhält man
durch Vergleich der Masse des Atoms mit einer
Bezugsmasse. Als Bezugsmasse dient 1/12 der
Masse eines Kohlenstoff-Atoms mit 6 Protonen
und 6 Neutronen. Die relative Atommasse
ist eine dimensionslose Verhältniszahl.
Alle Protonen und Neutronen haben die Massenzahl „1“(Genauer Wert: Proton 1,00728 / Neutron 1,00867).
Die Massenzahl der Elektronen ist vernachlässigbar klein.
Das Periodensystem der Elemente von Mendelejew
Der schalenartige Aufbau der Elektronenhülle von Atomen sorgt dafür, dass die chemischen Eigenschaften von Elementen
große Regelmäßigkeiten zeigen. Da bei vielen chemischen Verbindungen nur die äußeren Elektronen - die Valenz-Elektronen
- an der Bindung teilnehmen, zeigen Elemente mit den gleichen äußeren Schalen auch ähnliche chemische Eigenschaften.
Ordnet man die Elemente also nach dem Auffüllungsgrad der einzelnen Schalen an, so entsteht ein System, aus dem man
auch die chemischen Eigenschaften ableiten kann. Dieses System ist das Periodensystem der Elemente (PSE). Historisch
ist das System aus chemischen Überlegungen entstanden, als von dem Atomaufbau noch nichts bekannt war. Als erster
ordnete der russische Chemiker Mendeleev 1869 die damals bekannten Elemente nach chemischer Ähnlichkeit und nach der
Massenzahl.
Mendeleev, Dmitri 1834-1907
Das moderne Periodensystem der Elemente
Haupt und Nebengruppen
Das Periodensystem der Elemente setzt sich aus acht Hauptgruppen, acht Nebengruppen (hellblau) und der Reihe der
Lanthanoiden und Actinoiden (gelb) zusammen. Innerhalb dieser Gruppen zeigen die Elemente eine mehr oder weniger
starke Ähnlichkeit der Eigenschaften.
Bei den ersten beiden Hauptgruppen handelt es sich um die Alkali- bzw. Erdalkalimetalle. Die Nichtmetalle (rot) und
die Metalle (blau) findet man in der 3.-6. Hauptgruppe. In der 7. Hauptgruppe sind Halogene und in der 8.Hauptgruppe
Die Edelgase.
Die Entdeckung der Elemente
Am Ende des 17. Jahrhunderts waren nur 14 Elemente bekannt und beschrieben. Die meisten Elemente wurden dann im
19. Jahrhundert entdeckt und die letzten 10 natürlichen Elemente am Anfang des 20. Jahrhunderts.
Säure/Base- Bildner
Arbeiten mit dem PSE
Relative
Atommasse
Ordnungszahl
Relative
Atommasse
Ordnungszahl
Das Periodensystem der Elemente ist ein unentbehrliches Hilfsmittel für den Chemiker. Aus der Stellung des
Elements im PSE kann man erste Rückschlüsse auf das chemische Verhalten eines Elementes ableiten. Die
Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen und Elektronen im Atom an. Die relative Atommasse benötigt man,
um die Mengenverhältnisse bei chemischen Reaktionen zu berechnen. Die Hauptgruppe in der das Element sich
befindet sagt etwas darüber aus, ob das Element eher Basen bildet oder Säuren und wie viel Elektronen sich auf
Der äußeren Schale befinden (Wertigkeit).
Atomradien der Alkalimetalle
Beryllium
Lithium
Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor
152
113
Natrium
Bor
83
77
71
60
71
154
Kalium
227
Rubidium
248
Cäsium
266
Innerhalb einer Hauptgruppe (Spalte)
steigt der Atomradius an. Das ist leicht
zu verstehen, da ja bei jedem Element
eine Elektronenschale dazukommt.
Innerhalb der Zeile nimmt der
Atomradius ab, da die Anzahl der
Schalen konstant bleibt und nur die
Zahl der Elektronen und Protonen
zunimmt. Die negativen Ladungen
werden von den größer werdenden
positiven Kern mehr angezogen.
Moleküle
Die relative Molekülmasse
eines Stoffes ergibt sich durch Addition der relativen Atommassen aller am
Aufbau des Moleküls beteiligter Atome.
NaOH + HCl → NaCl + H 2 O
(23 + 16 + 1)u + (1 + 35,5)u → (23 + 35,5)u + (2 ⋅ 1 + 16)u
40 g + 36,5 g → 58,5 g + 18 g
40g Natronlauge reagieren mit 36,5g Salzsäure zu 58,5g Kochsalz und 18g Wasser
2 Mg + O2 → 2 MgO
(2 ⋅ 24)u + (2 ⋅ 16)u → 2 ⋅ (24 + 16)u
48 g + 32 g → 80 g
48g Magnesium verbrennen mit 32g Sauerstoff zu 80g Magnesiumoxid
Chemische Reaktionen
Unter chemischen Reaktionen versteht man Vorgänge, bei denen die Elektronen auf der
äußeren Schale eines Atoms (Valenzelektronen) mit den Valenzelektronen eines anderen
Atoms wechselwirken und sich dabei zu einem Molekül - einem neuen Stoff mit neuen
Eigenschaften - zusammenschließen.
Bei einer chemischen Reaktion wechselwirken die Elektronen der äußere Elektronenschale
der Reaktionspartner derart, dass sie eine eigene oder gemeinsame Schale mit 8 Elektronen
erhalten (Edelgaskonfiguration).
Um eine chemische Reaktion auszulösen, müssen lediglich die elektromagnetischen Kräfte
überwunden werden.
Bei chemischen Reaktionen bleiben der Atomkern und die inneren Schalen unberührt.
Radioaktiver Zerfall
Der weitaus größte Teil der Atome ist stabil, nur ein kleiner Teil ist instabil.
Alle instabilen Atome versuchen, stabil zu werden und damit ins Gleichgewicht
zu kommen. Sie tun dies durch den sog. radioaktiven Zerfall. Der radioaktive
Zerfall wurde das erste Mal von Becquerel 1896 an Uran entdeckt. Beim
radioaktiven Zerfall senden die Atome bzw. deren Kerne Strahlung aus.
Diesen Umwandlungsvorgang der instabilen Atome unter Aussendung von
Strahlung bezeichnet man als Radioaktivität. Die verschiedenen
Strahlenarten, die aus der radioaktiven Umwandlung von Atomen stammen,
fasst man unter dem Oberbegriff radioaktive Strahlung zusammen.
Im Gegensatz zu den chemischen Reaktionen, bei denen sich die Atome
selbst nicht verändern, wandeln sich die Atome beim radioaktiven Zerfall in
andere Atome um.
Die verschiedenen Arten radioaktiver Strahlung
Im Wesentlichen sind es 3 verschiedene Strahlenarten, die bei der radioaktiven Umwandlung ausgesendet
werden. Sie werden durch die griechischen Buchstaben Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ) bezeichnet.
Marie Curie
1867
1883
1883
1991
1894
1895
1896
1897
1898
1900
1903
1904
1906
1908
1911
1914
1914
1918
1921
1922
1934
7. November: Marie Curie wird als Marya Sklodowska als Tochter eines Mathematik- und Physiklehrers in Warschau geboren.
Sie schließt das Lyzeum mit Auszeichnung ab.
Marie nimmt eine Stelle als Erzieherin an, um ihrer älteren Schwester das Medizinstudium in Paris zu finanzieren.
Marie folgt ihrer Schwester nach Frankreich, die sie nun ihrerseits finanziell unterstützt. Studium der Mathematik und Physik an der Sorbonne.
In der Abschlussprüfung für Physik belegt Marie den ersten Platz. Sie wird Doktorandin des Physikprofessors Antoine Henri Becquerel.
Heirat mit dem Physiker Pierre Curie (1859-1906). Sie arbeiten gemeinsam in einem Laboratorium unter äußerst unzulänglichen Bedingungen.
Marie ist überzeugt, dass die von Becquerel im gleichen Jahr entdeckte Strahlung des Elements Uranium sich auch bei anderen Elementen
nachweisen lässt. Gemeinsam mit ihrem Mann beschäftigt sich Marie mit dem Mineral Pechblende. Sie isoliert zwei bisher unbekannte Elemente,
Radium und Polonium. Marie Curie tauft das Element Polonium nach ihrer Heimat.
Geburt ihrer Tochter Irène, die 1935 gemeinsam mit ihrem Ehemann Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) den Nobelpreis für Chemie erhält.
Marie Curie entdeckt die Radioaktivität des Elements Thorium.
Sie unterrichtet Physik an der École Normale Supérieure für Mädchen in Sèvres. Marie führt dort im Unterricht die Methode der experimentellen
Demonstration ein.
Promotion in Physik. Gemeinsam mit Becquerel erhalten die Curies den Nobelpreis für Physik "für die Entwicklung und Pionierleistung auf dem
Gebiet der spontanen Radioaktivität und der Strahlungsphänomene".
Geburt ihrer Tochter Ève. Veröffentlichung ihrer Dissertation "Untersuchungen über die radioaktiven Substanzen".
Ihr Ehemann kommt bei einem Straßenbahnunfall ums Leben. Sie führt die Vorlesungen ihres Mannes an der Pariser Universität weiter.
Damit ist Curie die erste Frau, die an der Sorbonne lehrt.
Sie erhält die ordentliche Professur für Physik an der Sorbonne.
Curie wird für die Isolierung des Elements Radium mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Sie wird Leiterin des Radium-Instituts an der Pariser Universität.
Gemeinsam mit ihrer Tochter Irène entwickelt sie im Ersten Weltkrieg eine mobile Röntgenstation. Curie steuert selbst an der Front einen dieser
Röntgenwagen, der die Untersuchung verletzter Soldaten vor Ort ermöglicht.
Forschungstätigkeit mit ihrer Tochter am Radium-Institut in Paris. Unter Curies Leitung entwickelt sich das Institut zu einem Zentrum der
Nuklearphysik. Marie hält Vorlesungen in Brasilien, Spanien, Belgien und der Tschechoslowakei.
In Begleitung ihrer beiden Töchter bereist Curie die USA. Der Präsident der Vereinigten Staaten überreicht ihr als symbolische Anerkennung ihrer
Forschungen ein Gramm Radium, dessen Kauf durch die Spenden amerikanischer Frauen finanziert wurde.
Curie ist Mitglied der Akademie für Medizin. Sie stellt chemische Untersuchungen radioaktiver Substanzen an und sucht nach deren medizinischen
Nutzungsmöglichkeiten.
4. Juli: Marie Curie stirbt an Leukämie, einer Folge ihrer langjährigen Kontakte mit radioaktiven Elementen.
Alpha – Zerfall
Beim Alphazerfall eines instabilen (radioaktiven) Atoms wird ein positiv geladenes Alphateilchen, das heißt
ein Heliumkern, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, ausgesendet. Die α -Teilchen
verlassen den zerfallenden Kern mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 .107m/s Die Ordnungszahl des
zerfallenden Kerns verringert sich dabei um zwei, die Massenzahl um vier Einheiten. Diese
Alphastrahlung hat an der Luft nur eine Reichweite von wenigen Zentimetern. Sie durchdringt beim
Menschen kaum die Haut. Zur Abschirmung reicht deshalb schon ein Blatt Papier. Alphastrahler sind erst
dann gefährlich, wenn sie in den Körper gelangen (z.B. mit der Atemluft oder der Nahrung).
Der α-Zerfall tritt insbesondere bei schweren radioaktiven Nukliden mit einer Ordnungszahl >82 auf.
Als Beispiel soll hier der Zerfall von Radium in das Edelgas Radon gezeigt werden:
Die allgemeine Gleichung für den α-Zerfall
können wir folgendermaßen formulieren:
Beta – Zerfall
Beim Betazerfall wandelt sich ein Neutron n in ein Proton p(+) und ein Elektron e(-) um. Die Ordnungszahl
erhöht sich dabei um eine Einheit, während die Massenzahl gleich bleibt. Dieses Elektron (auch Betateilchen)
wird mit 95% der Lichtgeschwindigkeit ausgesendet. An der Luft haben diese Teilchen nur eine mittlere
Reichweite von einigen Metern. Beim Menschen können sie einige Millimeter ins Gewebe eindringen. Zur
Abschirmung von Betateilchen reicht zum Beispiel ein Buch mit ca. 5 cm Dicke.
214
82
Pb
214
83
Bi
+ e-
Gamma – Strahlung
Gammastrahlung:
Die Gammastrahlung entsteht als Begleiterscheinung beim Alpha- oder Betazerfall. Befinden sich
Atomkerne noch in einem "angeregten" Zustand, so wird beim Übergang zu einem energieärmeren Niveau
die Energiedifferenz in Form kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (Gammastrahlung) ausgesendet.
Ordnungszahl und Massenzahl bleiben hierbei unverändert. An der Luft besitzt sie eine Reichweite von
mehreren Kilometern. Sie durchdringt mühelos menschliches Gewebe und wird dort teilweise absorbiert. Zur
Abschirmung bzw. zur Schwächung sind metermächtige Betonmauern, oder massive Bleiplatten nötig.
Natürliche
Zerfallsreihen
Es gibt 3 natürliche Zerfallsreihen:
Die des Urans 238, Uran 235 und
Thorium 232. Alle drei Zerfallsreihen
Enden in den stabilen Bleiisotopen
Pb-206, Pb-207 und Pb-208
Die Thorium-Zerfallsreihe
Zerfallszeit oder Halbwertszeit
Die Halbwertszeit gibt an wie
lange es dauert bis die Hälfte
der Kerne eines radioaktiven
Elements zerfallen sind.
Halbwertszeiten einiger Nuklide
Kernspaltung
1938 gelang Lise Meitner und Otto Hahn die Spaltung von Urankernen.1939 veröffentliche Otto Hahn diese Entdeckung
und 1944 erhielt er für diese Entdeckung den Chemienobelpreis. Lise Meitner musste 1938 wegen ihrer jüdischen
Abstammung aus Deutschland fliehen.
Kernspaltungsreaktionen können durch Beschuss des Kerns mit
langsamen Neutronen realisiert werden. Nach dem
Neutroneneinfang verteilt sich die freiwerdende Energie schnell
auf den gesamten Kern, was eine Anregung des Kerns und auch
eine Deformation, zur Folge hat. Schließlich ,,bricht`` der Kern in
zwei Bruchstücke auseinander. Bei dieser Reaktion wird eine sehr
große Menge an Energie freigesetzt.
Entstehen bei dieser Reaktion gleichzeitig langsame Neutronen,
so kann es zu einer Kettenreaktion kommen.
1878-1968
1879-1968
Spaltung von
Uran
Die Kettenreaktion
Trifft mein keine geeigneten Maßnahmen zum Abfangen der
Spaltneutronen, tritt bei einer kritischen Masse des
Uranmaterials eine Kettenreaktion ein bei der enorme Energiemengen in
Form von Wärme und Strahlung frei werden – es entsteht eine
Atombombe.
Durch Steuern der Anzahl der Spaltneutronen versucht man diese
Kettenreaktion unter Kontrolle zu bekommen
um die frei werdende thermische Energie zur Stromerzeugung zu nutzen
– Kernkraftwerk. Der Erste Versuchsreaktor wurde unter der Leitung
des Italieners Enrico Fermi 1942 in Chicago erfolgreich getestet.
The first Nuclear Bomb in Trinity New Mexico
Fortsetzung
Diese Tafel steht etwa 30 Meilen von der Stelle der ersten Atombombenexplosion entfernt. Wir haben dort eine Nacht im Zelt
verbracht und die Ruhe und den Frieden der herrlichen Landschaft auf uns wirken lassen. An dieser Stelle hatte ich das
Gefühl, das die Natur uns Menschen verziehen hat. Jedenfalls plagten uns keine Alpträume.
Kernkraftwerke
In normalen Siede- und Druckwasserreaktoren kann von den in der Natur vorhandenen Uranisotopen nur das Uran-235
gespalten werden. Es ist im natürlichen Uran mit 0,7% enthalten und in den Brennelementen auf bis zu 4,5% angereichert.
Das Uran-238 ist in diesen Reaktortypen als Spaltstoff nicht zu verwenden. Der Kern des Uran-238 kann aber ein Neutron
aufnehmen und sich in mehreren Stufen zu Plutonium-239 umwandeln. Dies wird am effektivsten durch schnelle Neutronen
gespalten und ist deshalb als Spaltstoff in Reaktoren geeignet, in denen Neutronen nicht moderiert (abgebremst) werden, so
z.B. im Schnellen Brüter.
In Schnellen Brutreaktoren werden beide Vorgänge gezielt herbeigeführt. Es finden Kernspaltungen statt, wodurch Neutronen
für weitere Spaltungen und den Brutvorgang erzeugt werden und Energie freigesetzt wird. Ein Teil des Uran-238 wird in
spaltbares Plutonium-239 umgewandelt (Brutvorgang).
Der Brüter kann also die 99,3 % des Natururans,
die aus bisher nicht spaltbarem U-238 bestehen
noch nutzbar machen. Es wird im Reaktor in
Plutonium-239 umgewandelt und so mehr
Spaltmaterial erzeugt, als verbraucht wird. Zur
Herstellung der Brenn- und Brutelemente eines
schnellen Brüters ist der schwierige und teils
auch sehr energieaufwändige Vorgang der
Urananreicherung nicht erforderlich.
Das in der Brutzone erzeugte Plutonium wird in Wiederaufbereitungsanlagen aus den Brutelementen herausgelöst, kann
erneut mit Uran vermengt werden und sind Leichtwasserreaktoren oder der Spaltzone des Brüters als Spaltmaterial
eingesetzt werden.
Der Schnelle Brüter
Da Brutreaktoren nur mit schnellen Neutronen betrieben werden, darf kein Moderator vorhanden sein. Als Kühlmittel kommt
deshalb kein Stoff in Frage, der die Neutronen zu schnell abbremst (moderiert). Dies wären insbesondere Stoffe, die ein relativ
geringes Atomgewicht aufweisen. Man nutzt im Schnellen Brüter flüssiges Natrium. Dieses Metall hat einen Schmelzpunkt von
98 °C, sein Siedepunkt liegt bei 883 °C. Es hat bessere Wärmeübergangseigenschaften zu den Brennelementen als Wasser,
einen kleinen Einfangquerschnitt und eignet sich deshalb besonders als Kühlmittel. Mit einer Temperatur von 395 °C tritt es
von unten in den Reaktorkern ein und verlässt ihn wieder mit 545 °C. Da das Natrium dabei nicht siedet, liegt der Druck im
Primärkreis nur bei etwa 10 bar, was die Bauweise des Reaktordruckbehälters im Vergleich zu den Leichtwasserreaktoren
deutlich vereinfacht. .Da das Natrium direkten Kontakt zu den Brennelementen hat, wird es durch eine Einfangreaktion von Na23 und einem Neutron zu Natrium-24, welches mit einer Halbwertszeit von 14,96 Stunden zu Magnesium-24 zerfällt. Dabei
wird Betastrahlung frei. Ein zweiter Natrium-Kühlkreislauf soll verhindern, dass bei Störfällen das radioaktive Natrium des
Primärkreislaufs mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf in Berührung kommt, da Natrium mit Wasser heftig unter Bildung von
Natronlauge und Wasserstoff chemisch reagiert.
Der Massendefekt
Die Summe der Masse aller Protonen und Neutronen eines Atoms ist immer größer als die Atommasse des Kerns im Ganzen.
Diese Differenz wird als Massendefekt bezeichnet. Diese Beobachtung erschütterte die Grundfeiler der Physik des 20.
Jahrhunderts. Denn Masse kann nicht verloren gehen und nicht aus dem Nichts gewonnen werden. Erst Albert Einstein
konnte zeigen, dass Masse und Energie äquivalent sind (oder zwei Seiten ein und derselben Sache). Die Verschwundene
Masse wird als Energie frei wenn sich die Kernbausteine zu einem Kern zusammensetzen. Auf der anderen Seite, muss diese
Energie aufgebracht werde , um den Kern in seine Bestandteile aufzubrechen. Man nennt diese Energie auch
Bindungsenergie.
Man kann den Massendefekt mit der von Albert Einstein gefundenen Beziehung in eine Energie umrechnen.
E = m⋅c
2
m = Masse,
E = Energie,
c = Lichtgeschwindigkeit
Diese Entdeckung war die Voraussetzung für das Verständnis der Vorgange auf unserer Sonne und auf allen anderen Fixsternen.
Kernfusion
Die Sonne und alle anderen Fixsterne gewinnen die von ihnen ausgestrahlte Energie durch die Verschmelzung von
jeweils 4 Wasserstoffatomen zu einem Heliumkern. Bei dieser Kehrfusion wird eine Energie von ~2x108kWh je kg
entstehendes Helium frei. Der Prozess der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen läuft nur bei
Temperaturen ab, bei denen die Atome vollständig in Kern und Elektronen zerfallen sind (mehrere Millionen Grad
Kelvin). Diesen Zustand der Materie nennt man Plasma.
4 1H
4He
+ 2 e+
Bis jetzt ist es dem Menschen noch nicht gelungen diese Kernfusion auf der Erde kontrolliert ablaufen zu lassen.
Am 1. November 1952 zündeten die USA auf einem Atoll der Marshall-Inseln im Pazifik die erste
Wasserstoffbombe. Die Bombe war 700 Mal so stark wie die Atombombe von Hiroshima. Die Insel Elugelab
verschwand spurlos, an ihrer Stelle klafft unter Wasser ein kilometerbreiter Krater.
Energiefreisetzung bei der Kernfusion
Bei der Kernfusion verschmelzen 4 Wasserstoffkerne unter Abgabe von 2 Elektronen zu einem Heliumkern
Massenbilanz:
Masse Wasserstoff 1,00794u
Masse Helium
4,03176u
∆m = 4 ⋅ m H − m He
∆m = 4,03176u − 4,002602u
∆m = 0,029158u
Beziehen wir unsere Berechnung auf die Ausgangsmasse von 4,0317kg Wasserstoff, so erhalten wir 4,002602kg Helium
und 29,159g Masse in Form von Energie. Mit Einsteins Formel können wir nun die Energiemenge ausrechnen.
E = 0,029148kg ⋅ (299792000m / s ) 2
2,9148 ⋅ 10 − 2 ⋅ 8,9875 ⋅ 1016 ⋅ kg ⋅ m 2
E=
s2
E = 26,1968 ⋅ 1014 ⋅ J
E = 7,277 ⋅ 10 8 ⋅ kWh
1,818 ⋅ 10 8 ⋅ kWh
E=
kg _ Helium
Bei der Fusion von 1kg Helium wird eine Energie
1,818 ⋅ 10 8 ⋅ kWh frei.
Die Sonne verliert in 1Sekunde 420.000.000kg Masse
auf Grund der Kernfusion. Das entspricht ca. 58Millarden
Kilogramm Helium die in 1 Sekunde entstehen.
Das Alter der Sonne wird auf 4,6 Milliarden Jahre geschätzt.
Und sie wird voraussichtlich noch 4 Milliarden Jahre brennen.
Ihre heutige Masse beträgt 2*1030kg