Radioaktivitt Starke Kernkraft Wie ihr bereits gelernt habt

Radioaktivität

Starke Kernkraft Wie ihr bereits gelernt habt, besteht ALLES um uns herum aus nur drei Bausteine: Protonen, Neutronen und Elektronen. Beim Wasserstoff ist es noch einfach. . . H: Wasserstoff

Starke Kernkraft …. doch was fällt euch bei den folgenden Elementen auf? He: Helium

Starke Kernkraft …. doch was fällt euch bei den folgenden Elementen auf? Li: Lithium

Starke Kernkraft Unser Physiklehrer hat uns doch gesagt, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen! Die Protonen im Atomkern müssten doch auseinanderfliegen.

Starke Kernkraft Das ist richtig!!! Doch die Protonen bleiben beim Lithium schön an ihrem Ort. Dafür sorgt eine gewaltige Kraft.

Starke Kernkraft Ich fang mal so an. . legt man zwei Stabmagnete so zusammen, dass Nordpol neben Nordpol liegt, fliegen die Stabmagnete auch auseinander.

Starke Kernkraft Gibt man an die Stabenden einen starken Kleber, so haften die Stabmagnete aneinander, obwohl sich die Nordpole weiterhin versuchen abzustoßen. Der Kleber ist stärker. Erst wenn man einen Stabmagnet ein wenig entfernt, fliegen die Stabmagnete wieder auseinander, da der Kleber ohne Kontakt nicht mehr wirken kann.

Starke Kernkraft Also sind die Protonen und Neutronen mit einem Kleber überzogen? ? ? Natürlich nicht, aber man kann es sich ruhig so vorstellen.

Starke Kernkraft Verstehe. Also sind die Neutronen quasi reiner Klebestoff. Quasi. Zumindest wird so die Bedeutung der Neutronen erkennbar. Sie sind elektrisch neutral und haben keine abstoßenden Effekte, sondern nur Haftungseffekte.

Starke Kernkraft Also sind Atomkerne mit zu wenigen Neutronen im Verhältnis zu den Protonen instabil. Das sieht man besonders gut, wenn man sich einmal anschaut, was passiert, wenn man Protonen und Neutronen zusammenbringt und sie dann leicht voneinander entfernt, sodass sie sich nicht mehr berühren. Die Neutronen bleiben an ihrem Platz!

Starke Kernkraft Also kommt es nur auf die abstoßenden Kräfte unter den Protonen an, ob ein Kern zusammenhält. Das sieht man besonders gut, wenn man sich einmal anschaut, was passiert, wenn man Protonen und Neutronen zusammenbringt und sie dann leicht voneinander entfernt, sodass sie sich nicht mehr berühren. Sowohl das Neutron als auch das Proton bleibt an seinem Platz!

Starke Kernkraft Also kommt es nur auf die abstoßenden Kräfte unter den Protonen an, ob ein Kern zusammenhält. Das sieht man besonders gut, wenn man sich einmal anschaut, was passiert, wenn man Protonen und Neutronen zusammenbringt und sie dann leicht voneinander entfernt, sodass sie sich nicht mehr berühren. Die Protonen fliegen auseinander!

Nuklidkarte Ein Atomkern mit zu vielen Protonen und zu wenigen Neutronen fliegt also auseinander, wie ein Böller an Silvester. So einfach ist es nicht. Dazu kommen wir aber später. Zuerst möchte ich dir eine Karte vorstellen, in der alle bekannten Atomkerne aufgelistet sind.

Nuklidkarte Aber ich kenne doch schon das Periodensystem. Reicht das nicht? Im Periodensystem sind alle chemischen Elemente nach ihrem Gewicht und der periodischen Wiederholung ihrer chemischen Eigenschaften sortiert. Man kann sich allerdings auch nur auf den Aufbau der jeweiligen Atomkerne (Nuklide) von Elementen konzentrieren; also nur die Anzahl der Protonen und Neutronen. Diese Atomkernkarte nennt man Nuklidkarte.

Nuklidkarte Es kommt übrigens nur auf die Anzahl der Protonen an, zu welchem Element ein Atom gehört. Wasserstoff ist im Periodensystem auf dem ersten Platz. Das bedeutet, dass Wasserstoff nur Ein Proton (und ein Elektron) besitzt. Am häufigsten kommt der Wasserstoffatomkern H 1 vor (also ohne ein Neutron). Wasserstoff 1 (die Zahl gibt die Summe aus Protonen und Neutronen an)

Nuklidkarte Es gibt aber auch Wasserstoffkerne mit einem Neutron und einem Proton. Wie gesagt. . die Anzahl der Protonen gibt an, zu welchemischen Element der Atomkern zählt. 1 Proton bedeutet immer noch Wasserstoff. Um die einzelnen Sorten (Isotope) des Wasserstoffs zu unterscheiden, gibt man die Summe aus der Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern an: 1 P + 1 N = 2. Wasserstoff 2 (die Zahl gibt die Summe aus Protonen und Neutronen an)

Nuklidkarte Wasserstoff 3 besitzt 1 Proton und 2 Neutronen. Wasserstoff 3 (die Zahl gibt die Summe aus Protonen und Neutronen an)

Nuklidkarte Kommt nun zum Atomkern ein Proton hinzu, handelt es sich um ein anderes chemisches Element. 2 Protonen im Kern hat Helium 3 hat zusätzlich nur 1 Neutron. Helium 3 (die Zahl gibt die Summe aus Protonen und Neutronen an)

Nuklidkarte Helium 4 hat neben den beiden Protonen 2 Neutronen. Helium 4 (die Zahl gibt die Summe aus Protonen und Neutronen an)

Nuklidkarte Setzen wir nun mal beispielhaft ein paar Atomkerne zusammen und tragen sie in die Nuklidkarte ein.

Nuklidkarte Wasserstoff 1

Nuklidkarte Wasserstoff 2

Nuklidkarte Wasserstoff 3

Nuklidkarte Helium 3

Nuklidkarte Helium 4

Nuklidkarte Wenn man das für alle jemals nachgewiesenen chemischen Elemente macht erhält man die Nuklidkarte. Hier aus Platzgründen nur ein Ausschnitt. .

Nuklidkarte

Nuklidkarte Legt man die Nuklidkarte neben das Periodensystem sieht man, dass im Periodensystem nur die am häufigsten vorkommenden Isotope eines Elements aufgelistet sind.

Nuklidkarte

Radioaktivität Wenn jetzt gleich noch eine Karte kommt, schlaf ich ein. Keine Sorge. Jetzt komme ich zu deiner Frage, ob ein Kern „auseinanderfliegt“ wie ein Böller. Erinner dich, dass nur zwischen Protonen eine abstoßende Kraft wirkt (Coulombkraft). Folglich ist ein Kern mit zu vielen Protonen und zu wenigen Neutronen instabil.

Radioaktivität Das ist ja noch einfach! Stimmt. Was glaubst du denn, was passier, wenn ein Atomkern zu viele Neutronen hat? Je mehr Neutronen, desto mehr „Kleber“ und damit immer stabiler. So einfach ist es leider nicht!

Radioaktivität Um zu erklären, was passiert, wenn ein Kern einen Überschuss- oder einen Mangel an Neutronen hat hilft es sich einen Topf vorzustellen. Auf der linken Seite kommen die Neutronen und auf die rechte Seite die Protonen hin. Maximal zwei Neutronen und Protonen können nebeneinander sein.

Radioaktivität Füllen wir nun beispielhaft diesen Topf mit Neutronen und Protonen.

Radioaktivität Wasserstoff 3 hat einen Neutronenüberschuss. .

Radioaktivität Wasserstoff 3 hat den ersten instabilen Atomkern. Schau dir an was passiert. . Das ist ja Zauberei!!!

Radioaktivität Füllen wir den Topf mal weiter. .

Radioaktivität Helium 6 ist wieder instabil. .

Radioaktivität Helium 6 ist wieder instabil. . Oh!!! Schon wieder hat sich ein Neutron in ein Proton umgewandelt.

Schwache Kernkraft Diese Zauberei, wie du sie nennst, bewirkt die Schwache Kernkraft. Schaut man sich die Protonen und Neutronen genauer an, stellt man fest, dass sie aus noch kleineren Teilchen bestehen; den Quarks.

Schwache Kernkraft Es gibt verschiedene Sorten von Quarks. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Ein Neutron besteht aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark. Die schwache Kernkraft bewirkt, dass sich z. B. bei einem Proton ein Up-Quark in ein Down-Quark verwandelt und das Proton ein Neutron wird. . .

Schwache Kernkraft …. oder sich bei einem Neutron ein Down-Quark in ein Up-Quark verwandelt und das Neutron ein Proton wird. . .

Schwache Kernkraft OK. Aber was sind das für Teilchen die dabei entstehen und wegfliegen? Dazu kommen wir später. . .

Radioaktivität Ich zeig dir mal eine Tabelle aus der hervorgeht, wie Atomkerne zerfallen können. . Naja. . . wenigstens keine weitere Karte.

Radioaktivität

Radioaktivität Aber warum können die Kerne nicht belieb viele Neutronen haben? ? ? Wenn man sich die stabilen Atomkerne (grau hinterlegt) sieht man, dass die Anzahl der Neutronen und Protonen relativ ausgeglichen ist. Das ändert sich erst bei schwereren stabilen Atomkernen. Da überwiegt die Anzahl der Neutronen immer mehr. Das ist nicht so leicht zu erklären. Es reicht, wenn du dir merkst, dass die Natur nicht verschwenderisch ist. Wenn wir uns die Neutronen als „Klebstoff“ für die Protonen sehen, dann geht die Natur damit spendabel um, also verwendet sie nur so viel, wie es sein muss, damit der Atomkern zusammenhält (oder nur ein wenig mehr).

Radioaktivität OK. Verstehe. In der Tabelle steht was von Beta-Plus, Beta-Minus und Alpha-Zerfall. Was ist das? Gute Frage! Dazu komme ich jetzt. Ein Atomkern kann auf unterschiedliche Art und Weise zerfallen (bzw. umgewandelt werden). Dabei verlassen Teilchen den Atomkern. Dieses nennt man radioaktive Strahlung. Es Alpha-; Beta- und Gammastrahlung. Fangen wir mit dem Alpha-Zerfall an. .

Alpha-Strahlung Als Beispiel nehmen wir mal einen Beryllium 8 Kern. Ein Blick auf die Nuklidkarte verrät uns, dass dieser Kern nicht Stabil ist (nicht grau hinterlegt).

Alpha-Strahlung Und laut dieser Karte sieht man, dass Be 8 in 2 mal He 4 -Atomkerne zerfällt.

Alpha-Strahlung Dieser Zerfall sieht dann so aus. . .

Alpha-Strahlung Natürlich gibt es den Alpha-Zerfall auch bei schwereren Atomkernen z. B. beim Thorium 232. . .

Alpha-Strahlung Erinnert euch an das Goldfolienexperiment von Rutherford. Hier wurden Alphateilchen (He 4) auf eine extrem dünne Goldfolie geschossen.

Beta-Strahlung Bei der Beta-Strahlung gibt es zwei unterschiedliche Arten von Beta-Strahlung. 1. Bei der Beta-Minus-Strahlung wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt. 2. Bei der Beta-Plus-Strahlung ein Proton in ein Neutron.

Beta-Strahlung Als Beispiel für einen Beta-Minus-Zerfall nehmen wir mal einen Helium 6 Kern. Ein Blick auf die Nuklidkarte verrät uns, dass dieser Kern nicht stabil ist (nicht grau hinterlegt).

Beta-Strahlung Für alle instabilen Elemente unterhalb der grauen Achse aus stabilen Elementen liegt ein Neutronenüberschuss vor.

Beta-Strahlung Und laut dieser Karte sieht man, dass Helium 6 in 2 per Beta-Minus-Zerfall in Lithium 6 zerfällt.

Beta-Strahlung Dieser Zerfall sieht dann so aus. . .

Beta-Strahlung Und nun zu deiner Frage bezüglich der wegfliegenden Teilchen. Das ist die Beta-Minus-Strahlung: Ein Elektron und ein Elektron-Anti-Neutrino. Diese Teilchen entstehen während der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton.

Beta-Strahlung Als Beispiel für einen Beta-Plus-Zerfall nehmen wir mal einen Beryllium 7 Kern. Ein Blick auf die Nuklidkarte verrät uns, dass dieser Kern nicht Stabil ist (nicht grau hinterlegt).

Beta-Strahlung Für alle instabilen Elemente oberhalb der grauen Achse aus stabilen Elementen liegt ein Neutronenmangel vor.

Beta-Strahlung Und laut dieser Karte sieht man, dass Helium 6 in 2 per Beta-Minus-Zerfall in Lithium 6 zerfällt.

Beta-Strahlung Dieser Zerfall sieht dann so aus. . .

Beta-Strahlung Das ist die Beta-Plus-Strahlung: Ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Diese Teilchen entstehen während der Umwandlung eines Protons in ein Neutron.

Gamma-Strahlung Gut. Fehlt nur noch diese dritte Strahlung, Hammerstrahlung oder so. Welche Teilchen fliegen denn dort umher? Gammastrahlung. . obwohl Hammerstrahlung auch irgendwie passt, dass es eine sehr energiereiche Strahlung ist. Das bedeutet, dass keine Teilchen, sondern Licht herumfliegt. Ich erkläre es dir am besten an unserem bekanntem Topf.

Gamma-Strahlung Gammastrahlung entsteht meist als Folge eines vorhergehenden radioaktiven Zerfalls (z. B. beim Alpha- oder Betazerfall) eines Atomkerns. Der nach dem Zerfall zurückbleibende Kern, der Tochterkern, befindet sich in der Regel in einem angeregten Zustand.

Gamma-Strahlung Bezogen auf unser „Topfmodell“ kann man sich das so vorstellen, als sei z. B. ein Neutron in ein Proton umgewandelt worden. Das entstandene Proton befindet sich jedoch nach dem Zerfall oberhalb seines Platzes und hat somit noch eine bestimmte Lageenergie (wie ein Stein der vom Boden angehoben wurde).

Gamma-Strahlung Nun fällt das Proton runter auf seinen Platz. Dabei gibt es seine zusätzliche Energie ab. Diese Energie verlässt in Form von Gamma-Strahlen den Atomkern. Gamma-Strahlen verhalten sich wie Lichtstrahlen von extrem hoher Energie (hohe Frequenz). Eine Emission (Aussendung) von Gamma-Strahlen bedeutet keine Veränderung der Neutronen- oder Protonenzahl. Sie stellt jedoch eine Energieänderung des Kerns dar.

Zerfallsreihe Es gibt neben einzelnen Zerfällen auch ganze Zerfallsreihen, d. h. mehrere Zerfälle hintereinander, bis ein stabiles Element entsteht. Schauen wir uns mal eine Zerfallskette an. .

Zerfallsreihe Beginnen wir bei Thorium 232. Es ist ganz schön weit weg vom stabilen Element blei 208.

Zerfallsreihe Zunächst zerfällt Thorium 232 per Alphazerfall in Radium 228.

Zerfallsreihe Radium 228 zerfällt per Beta-Minus-Zerfall in Actium 228.

Zerfallsreihe Actium 228 zerfällt per Beta-Minus-Zerfall in Thorium 228.

Zerfallsreihe Dann zerfällt Radium 224 per Alphazerfall in Radon 220.

Zerfallsreihe Dann zerfällt Radon 220 per Alphazerfall in Polonium 216.

Zerfallsreihe Dann zerfällt Polonium 216 per Alphazerfall in Blei 212.

Zerfallsreihe Blei 212 zerfällt per Beta-Minus-Zerfall in Bismut 212.

Zerfallsreihe Bismut 212 zerfällt per Beta-Minus-Zerfall in Polonium 212.

Zerfallsreihe Als letztes zerfällt Polonium 212 per Alphazerfall ins stabile Blei 208.

Halbwertszeit Wie lange dauert denn jeweils so ein Zerfall? Ich hab nur mal gehört, dass man Endlager für radioaktiven Abfall sucht und dieser Abfall dann Millionen Jahre dort liegen soll. Das ist immer unterschiedlich. Man kann aber bei einem Zerfall von einem instabilen Element zum nächsten eine sogenannte Halbwertszeit bestimmen. Hmmm. . . du hast doch sicherlich schon mal daneben gesessen, während deine Eltern ein Bier getrunken haben. .

Halbwertszeit Ja das habe ich, aber was hat das mit meiner Frage zu tun? Ich erkläre es dir. Man kann die Dauer des Zerfalls eines radioaktiven Elements mit der Dauer des Zerfalls des Bierschaumes im Bierglas vergleichen. Stell dir vor aus dem Zapfhahn kommt lediglich Bierschaum und du füllst ein Bierglas damit. Zu Beginn zerfällt viel Bierschaum und mit der Zeit wird der Zerfall immer weniger.

Halbwertszeit Man kann nun die Zeit messen, in der die Hälfe des zum Startpunkt der Messung vorhandenen Stoffes noch vorhanden ist. beim Bierschaum wären das 90 Sekunden.

Halbwertszeit Die Halbwertszeit von Thalium 208 beträgt 3: 05 Minuten. Nach der Zeit ist die Hälfte des beim Startpunkt vorhandenen Thalium 208 in Blei 208 zerfallen.

Halbwertszeit Hier die Halbwertszeiten einiger radioaktiver Elemente. .

Geigerzähler Wie misst man denn überhaupt Radioaktivität. Man sieht ja nix! Das kann man mit einem Geigerzähler machen.

Geigerzähler Das ist der Aufbau eines Geigerzählers.

Geigerzähler Radioaktive Strahlung kann durch das dünner Fenster eintreten.

Geigerzähler Die Strahlung (in dem Fall ein Elektron) trifft auf die äußere Hülle eines Argonatoms und schlägt dort ein Elektron raus. . .

Geigerzähler Diese freien Elektronen treffen dann auf weitere Argonatome und schießen auch dort Elektronen raus. Dieses passiert nun sehr oft bis Elektronen auf den positiven Draht treffen. . .

Geigerzähler Die Elektronen verlaufen durch einen Widerstand. Vor dem Widerstand haben die Elektronen mehr Energie als dahinter. Dadurch herrscht vor und hinter dem Widerstand eine Spannung.

Geigerzähler Wenn man vor und hinter dem Widerstand mit einem Kabel einen Zähler oder Lautsprecher anschließt, kann man die radioaktive Strahlung sehen bzw. hören.

C-14 -Methode Mithilfe eines Geigerzählers kann man sogar das Alter von Fossilien bestimmen. Ihr Alter steht doch im Ausweis. Jetzt werd mal nicht frech Kleiner. Die Methode der Altersbestimmung nennt man C-14 -Methode.

C-14 -Methode Kosmische Strahlung (z. B. Protonen) trifft auf Atome in der Atmosphäre und es entstehen freie Neutronen.

C-14 -Methode Ein Neutron trifft auf ein Stickstoffatom. Das Neutron wird eingefangen und ein Proton „rausgeschossen“.

C-14 -Methode Ein Blick auf das Periodensystem zeigt, dass ein Proton weniger aus Stickstoff N Kohlenstoff C macht.

C-14 -Methode Ein Blick auf die Nuklidkarte zeigt, dass ein Proton weniger und ein Neutron mehr aus Stickstoff 14 das radioaktive Kohlenstoff 14 macht.

C-14 -Methode Ein radioaktive C 14 -Atom verbindet sich mit 2 Sauerstoffatomen zu Kohlenstoffdioxid.

C-14 -Methode Ein C 14 -Atom verbindet sich mit 2 Sauerstoffatomen zu Kohlenstoffdioxid (auch Kohlendioxid genannt).

C-14 -Methode Eine Pflanze nimmt Kohlenstoffdioxid und Wasser auf (Photosynthese).

C-14 -Methode Daraus stellt die Pflanze mithilfe von Sonneneinstrahlung Sauerstoff und Zucker her. Den Zucker speichert sie in ihren Zellen. In diesem Zucker ist nun das radioaktive C-14.

C-14 -Methode Ein Schwein isst die Pflanze mit dem radioaktivem Zucker.

C-14 -Methode Ein Mensch isst das Schwein mit radioaktivem Zucker.

C-14 -Methode Der Mensch nimmt nun immer wieder radioaktives C-14 auf und gibt es aber auch ab. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein.

C-14 -Methode Stirbt der Mensch nimmt er kein Radioaktives C-14 mehr auf. Die bis dahin aufgenommenen Kerne zerfallen.

C-14 -Methode Und diese Strahlung kann man messen. Je länger der Organismus tot ist, desto geringer die Strahlung. So kann man das Alter des Organismus bestimmen.