Thema Radioaktivität Teil II
Das Bauprinzip, um die Elemente zu „erzeugen“ ist recht einfach … Das „kleinste“ Element ist der Wasserstoff: 1 Proton im Kern.
Durch Hinzufügen eines weiteren Protons erhält man Helium, jedoch muss man jetzt schon Neutronen hinzufügen, um einen stabilen Kern zu erhalten. Wird jetzt noch ein Proton zum Kern hinzugefügt, erhält man das Element Lithium. Auch hier müssen für einen stabilen Kern mehrere Neutronen dazu gefügt werden.
Spiele doch selbst einmal „Baumeister“ und erzeuge die Elemente bis zur
Ordnungszahl=Kernladungszahl 14. Welche Isotope dieses Elements sind stabil?
Probiere und notiere in
Isotopenschreibweise:___________________________________________
https://phet.colorado.edu/de/simulation/build-an-atom
(Das Programm kann sowohl im Browser als auch, nach dem Herunterladen, eigenständig gestartet werden.)
Die Herkunft der Elemente
Während die Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium sind schon kurz nach dem Urknall vorhanden waren, werden alle Elemente oberhalb dieser Elemente bis zu dem Element Eisen in Sternen durch Kernfusionen „hergestellt. Also liegt der Ursprung der Elemente, aus denen wir Menschen bestehen, in den Sternen!
Für diese „Geschichte“ kommt Harald Lesch ins Spiel! Zu diesem Thema hat er eine informationsreiche Sendung aufgezeichnet:
https://www.youtube.com/watch?v=WMBreAX5t4Q
Die natürlichen radioaktiven Elemente
Elemente, die in ihren Isotopenvariationen, keinen stabilen Kern besitzen, bezeichnet man als „natürlich radioaktive Elemente“. Bei diesen Elementen ist nicht mehr möglich, im Kern durch Hinzugabe von Neutronen die Abstoßungskräfte der Protonen zu kompensieren, der Kern zerfällt! Ein Modell dafür ist das sogenannte „Tröpfchenmodell“.
Ein instabiler Kern (Mutterkern genannt) beginnt durch die Abstoßungskräfte in seinem Inneren an zu schwingen (wie eine riesige Seifenblase). Mit zunehmender Zeit wird das Ausmaß der Schwingung immer größer. Als Folge schnüren sich zwei Kerne ab – die Tochterkerne, die aber auch wieder instabil sein können!
Die Zerfallsarten
Die Kerne der radioaktiven Elemente zerfallen eigenständig, nicht durch äußere Einwirkungen beeinflussbar, auf zweierlei Art:
1. Alpha-Zerfall (α-Zerfall)
Der Kern sendet einen Helium-Kern (2 Protonen+2 Neutronen) aus, der den Kern verlässt (α-Strahlung). Dadurch verringert sich seine Massen-/Nuleonenzahl um 4 (eben 4 Kernbauteile „verschwinden“: 2 Protonen + 2 Neutronen), die
Kernladungs/Protonenzahl verringert sich um 2 (2 Protonen verlassen den Kern).
Es findet also eine Elementumwandlung statt!
Beispiel:
Radium-Isotop-226:
→
Das Element Radium (Ra) geht also durch α-Zerfall in das Element Radon (Rn) über.
2. Der Beta-Zerfall (β-Zerfall)
Im Kern wandelt sich ein Neutron um in ein Proton und ein Elektron. Das Proton verbleibt im Kern, das Elektron verlässt den Kern (β-Strahlung). Dadurch bleibt die Massen-/Nuleonenzahl gleich groß (die Anzahl der Kernbauteile ändert sich bei dieser Umwandlung ja nicht), die Kernladungs/Protonenzahl erhöht sich um 1 (es kommt ja eine positive Ladung (ein Proton) dazu.
Beispiel:
Der Cäsium-Kern (Cä) sendet ein Elektron aus (dabei ist die Geschwindigkeit des Elektrons variabel) und wandelt sich dabei im Kern in das Element Barium (Ba) um.
→
Das Element Cäsium geht also durch β-Zerfall in das Element Barium über.
Die Gamma-Strahlung (γ-Strahlung)
Bei Kernumwandlungen (α- und β-Strahlung) und angeregten Atomkernen kann es zum Abstrahlen hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung kommen. Allein durch das Aussenden der Strahlung findet keine Kernumwandlung statt! Der Kern geht dadurch in einen niedrigeren und damit gleichzeitig stabileren Energiezustand über.
Für die Zerfälle gibt es in der Natur einen genau festgelegten „Fahrplan“, die
sogenannten Zerfallsreihen. In ihnen ist festgelegt, auf welche Art und Weise und in welcher Reihenfolge die einzelnen Umwandlungen stattfinden.
Es gibt vier Zerfalls-Reihen (dabei ist jeweils das ausgehende Isotop/Element sowie das stabile Endelement/Isotop angegeben):
1. Neptunium 237 -> Thallium 205 2. Uran 235 -> Blei 207
3. Uran 238 -> Blei 206 4. Thorium 232-> Blei 208
Hier die Zerfallsreihe für das Uran-238
Übungen zum radioaktiven Zerfall
Aufgabe: "Konstruiere" und benenne die bei den Zerfällen entstehenden Isotope!
