Physikepoche Klasse 11

Elektrizitätslehre & Struktur der Materie

Aufbau der Materie

Der griechische AtomismusLeukipp 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

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 Gesetz der multiplen Proportionen. 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.

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.

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 1Wir 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 ElektronsAls 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 StreuexperimentLord 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 1911den positiv geladenenAtomkern bestehend aus Protonen

Das Rutherfordsche AtommodellAus 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 AtommodellNiels 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 SchalenmodellIm 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:

98 Elektronenn = 7, Q-Schale

72 Elektronenn = 6, P-Schale

50 Elektronenn = 5, O-Schale

32 Elektronenn = 4, N-Schale

18 Elektronenn = 3, M-Schale

8 Elektronenn = 2, L-Schale

2 Elektronenn = 1, K-Schale

ElektronenanzahlNummer der Schale

Die Entdeckung des Neutrons1932 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 esAtome 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 WasserstoffisotopDeuterium

Elektron

Proton

Neutron

Der stoffliche Aufbau unserer WeltDie 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 oderentstanden 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.

KohlenstoffNatrium

Blei

Wasserstoff Helium

Eisen

Supernova Explosion

We are very literally made of the ashes of a star

Bei diesen kosmischen Vorgängenentstehen aus dem Wasserstoff und dem Helium der explodierenden Sterne die schwereren Elemente, ausdenen zum Beispiel unsere Erde besteht.

Stoffliche Zusammensetzung der Erdkruste

Häufigkeit [%-Masse] der Elemente in der Erdkruste

05

101520253035404550

Sau ers toffSi lizi

umAluminium

Eisen

Magn esium

Calzium

Kal ium

Natrium

Häuf

igke

it [%

]

Zusammensetzung der Lufthülle der Erde

Zusammensetzung der Lufthülle der Erde [Volumen-%]

0102030405060708090

Sticks to ffS auersto

ffK ohlen dioxid A rgo n

Ne on

He lium

Volu

men

[%]

Die ersten 36 Elemente

Die AtommasseWir haben zu unterscheiden zwischen der

absoluten Atomasse und der relativen Atommasseeines Atoms

Wirkliche Masse des Atoms eines Elementes.Diese Masse wird mit Massenspektrometernbestimmt. Als Gewichtseinheit für die absoluteMasse wurde ein u (=unit) vereinbart. Ein „u“ istgleich 1,661* 10-27 kg (1/12 der Masse eines Kohlenstoff-Atoms mit 12 Protonen und 12 Neutronen)

Die relative Masse eines Atoms erhält mandurch Vergleich der Masse des Atoms mit einerBezugsmasse. Als Bezugsmasse dient 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-Atoms mit 6 Protonenund 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 MendelejewDer schalenartige Aufbau der Elektronenhülle von Atomen sorgt dafür, dass die chemischen Eigenschaften von Elementengroße 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 NebengruppenDas Periodensystem der Elemente setzt sich aus acht Hauptgruppen, acht Nebengruppen (hellblau) und der Reihe derLanthanoiden und Actinoiden (gelb) zusammen. Innerhalb dieser Gruppen zeigen die Elemente eine mehr oder wenigerstarke Ähnlichkeit der Eigenschaften.

Bei den ersten beiden Hauptgruppen handelt es sich um die Alkali- bzw. Erdalkalimetalle. Die Nichtmetalle (rot) unddie Metalle (blau) findet man in der 3.-6. Hauptgruppe. In der 7. Hauptgruppe sind Halogene und in der 8.HauptgruppeDie 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

Ordnungszahl Ordnungszahl

Relative Atommasse

Relative Atommasse

Das Periodensystem der Elemente ist ein unentbehrliches Hilfsmittel für den Chemiker. Aus der Stellung desElements 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 aufDer äußeren Schale befinden (Wertigkeit).

Atomradien der Alkalimetalle

Lithium 152

Natrium 154

Kalium 227

Rubidium 248

Cäsium 266

Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor

113 83 77 71 60 71

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

OHNaClHClNaOH 2+→+

MgOOMg 22 2 →+

gggguuuu

185,585,3640)1612()5,3523()5,351()11623(

+→++⋅++→++++

Die relative Molekülmasse eines Stoffes ergibt sich durch Addition der relativen Atommassen aller amAufbau des Moleküls beteiligter Atome.

40g Natronlauge reagieren mit 36,5g Salzsäure zu 58,5g Kochsalz und 18g Wasser

ggguuu

803248)1624(2)162()242(

→++⋅→⋅+⋅

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 Elektronenschaleder Reaktionspartner derart, dass sie eine eigene oder gemeinsame Schale mit 8 Elektronenerhalten (Edelgaskonfiguration).

Um eine chemische Reaktion auszulösen, müssen lediglich die elektromagnetischen Kräfteüberwunden werden.

Bei chemischen Reaktionen bleiben der Atomkern und die inneren Schalen unberührt.

Radioaktiver ZerfallDer 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 StrahlungIm 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.

1867 7. November: Marie Curie wird als Marya Sklodowska als Tochter eines Mathematik- und Physiklehrers in Warschau geboren. 1883 Sie schließt das Lyzeum mit Auszeichnung ab. 1883 Marie nimmt eine Stelle als Erzieherin an, um ihrer älteren Schwester das Medizinstudium in Paris zu finanzieren. 1991 Marie folgt ihrer Schwester nach Frankreich, die sie nun ihrerseits finanziell unterstützt. Studium der Mathematik und Physik an der Sorbonne. 1894 In der Abschlussprüfung für Physik belegt Marie den ersten Platz. Sie wird Doktorandin des Physikprofessors Antoine Henri Becquerel. 1895 Heirat mit dem Physiker Pierre Curie (1859-1906). Sie arbeiten gemeinsam in einem Laboratorium unter äußerst unzulänglichen Bedingungen. 1896 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.

1897 Geburt ihrer Tochter Irène, die 1935 gemeinsam mit ihrem Ehemann Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) den Nobelpreis für Chemie erhält. 1898 Marie Curie entdeckt die Radioaktivität des Elements Thorium. 1900 Sie unterrichtet Physik an der École Normale Supérieure für Mädchen in Sèvres. Marie führt dort im Unterricht die Methode der experimentellen

Demonstration ein. 1903 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".

Marie Curie

1904 Geburt ihrer Tochter Ève. Veröffentlichung ihrer Dissertation "Untersuchungen über die radioaktiven Substanzen". 1906 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. 1908 Sie erhält die ordentliche Professur für Physik an der Sorbonne. 1911 Curie wird für die Isolierung des Elements Radium mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.1914 Sie wird Leiterin des Radium-Instituts an der Pariser Universität. 1914 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. 1918 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. 1921 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. 1922 Curie ist Mitglied der Akademie für Medizin. Sie stellt chemische Untersuchungen radioaktiver Substanzen an und sucht nach deren medizinischen

Nutzungsmöglichkeiten. 1934 4. Juli: Marie Curie stirbt an Leukämie, einer Folge ihrer langjährigen Kontakte mit radioaktiven Elementen.

Alpha – Zerfall

Die allgemeine Gleichung für den α-Zerfallkönnen wir folgendermaßen formulieren:

Als Beispiel soll hier der Zerfall von Radium in das Edelgas Radon gezeigt werden:

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 -Teilchenverlassen 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.

Beta – ZerfallBeim 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.

Pb21482

214Bi83 + e-

Gamma – StrahlungGammastrahlung: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 undThorium 232. Alle drei Zerfallsreihen Enden in den stabilen BleiisotopenPb-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

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 sehrgroße Menge an Energie freigesetzt. Entstehen bei dieser Reaktion gleichzeitig langsame Neutronen, so kann es zu einer Kettenreaktion kommen.

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.

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 bekommenum 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

FortsetzungDiese 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.

KernkraftwerkeIn 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 Na-23 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

2cmE ⋅=

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.

m = Masse, E = Energie, c = Lichtgeschwindigkeit

Diese Entdeckung war die Voraussetzung für das Verständnis der Vorgange auf unserer Sonne und auf allen anderen Fixsternen.

KernfusionDie 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 Elugelabverschwand spurlos, an ihrer Stelle klafft unter Wasser ein kilometerbreiter Krater.

Energiefreisetzung bei der Kernfusion

umuum

mmm HeH

029158,0002602,403176,4

4

=∆−=∆

−⋅=∆

HeliumkgkWhE

kWhEJE

smkgE

smkgE

_10818,110277,7

101968,26

109875,8109148,2)/299792000(029148,0

8

8

14

2

2162

2

⋅⋅=

⋅⋅=

⋅⋅=

⋅⋅⋅⋅⋅=

⋅=−

Bei der Kernfusion verschmelzen 4 Wasserstoffkerne unter Abgabe von 2 Elektronen zu einem Heliumkern

Massenbilanz:

Masse Wasserstoff � 1,00794uMasse Helium � 4,03176u

Beziehen wir unsere Berechnung auf die Ausgangsmasse von 4,0317kg Wasserstoff, so erhalten wir 4,002602kg Heliumund 29,159g Masse in Form von Energie. Mit Einsteins Formel können wir nun die Energiemenge ausrechnen.

Bei der Fusion von 1kg Helium wird eine Energie frei.kWh⋅⋅ 810818,1

Die Sonne verliert in 1Sekunde 420.000.000kg Masseauf Grund der Kernfusion. Das entspricht ca. 58MillardenKilogramm 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