Die Isotope + + + + + Der Aufbau der Atomkerne

(1)

Georg-Herwegh-Gymnasium Physik/ Kadner

/1/ Radioaktivität. Henri Becquerel. Marie und Pierre Curie: https://www.youtube.com/watch?v=66SG-JXzAvc

Der Aufbau der Atomkerne

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Beide Teilchen haben et- wa die gleiche Masse. (Sie ist ca. 1800 mal größer als die der Elektronen) Die Anzahl der Protonen und damit der positiven Ladungen heißt Kernladungszahl Z. Die Anzahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen) heißt Massenzahl A.

Sie ergibt sich als Summe der Protonen und Neutronen.

Beispiel:

So besitzt Beryllium-8 bei- spielsweise 4 Protonen und 4 Neutronen, während der Kohlenstoffkern

¹³₆

C _bei- spielsweise 6 Protonen und 7 Neutronen hat.

Die Isotope

Es gibt Atomkerne ein und desselben Elements, also gleicher Protonenzahl, mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Derartige Kerne werden als Isotope be- zeichnet. Sie sind chemisch nicht unterscheidbar.

Element Isotope Häufigkeit

Wasserstoff 1. normaler Wasserstoff:

¹₁

H 2. Deuterium:

²₁

H

3. Tritium:

³₁

H

99.984 % 0.016 %

10

^-10

% Uran 1. Uran-238:

²³⁸₉₂

U

2. Uran-235:

²³⁵₉₂

U 3. Uran-234:

²³⁴₉₂

U

99.274 % 0.72 % 0.006 % Kern von Beryllium-8

Neutronen Protonen

+

+ +

(2)

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Der Spontanzerfall

Es gibt Atomkerne, die von selbst Kernstrahlung emittieren. Dieser Vorgang wird als Spontanzerfall bezeichnet. Die betreffenden Kerne sind instabil. Das trifft für die Mehrzahl der Atomkerne mit einer Kernladungszahl größer als 82 zu. Denn mit wachsender Kernladungszahl steigen auch die elektrischen Ab- stoßungskräfte zwischen den Protonen. (Im Gegensatz zu den abstoßenden Kräften zwischen den Protonen wirkt zwischen den Protonen und Neutronen eine anziehende Kraft, die als Kernkraft bezeichnet wird. Sie ist stärker als die elektrische Abstoßungskraft zwischen den Protonen und bewirkt den Zusam- menhalt des Kerns.)

Beispiel:

Radium 226 zerfällt unter Emission von Alpha-Strahlung in Radon 222. Es gilt fol- gende Zerfallsgleichung:

Die Kernumwandlungen

Radioaktive Strahlung entsteht im Atomkern. Beim Spontanzerfall entsteht sie zufällig, ohne äußeres Zutun. Die entstandenen Kerne sind meist wiederum radioaktiv. Der Zerfall geht weiter. Eine solche Abfolge wird als Zerfallsreihe bezeichnet. Erst wenn die Ordnungszahl 82 erreicht ist, liegt ein stabiler Atom- kern vor. Die neuen Teilchen sind das Ergebnis von Kernumwandlungen:

So hat sich bei der Emission von β

^-

-Teilchen (Elektronen) ein Neutron in ein Proton umgewan- delt und die Kernladungszahl um 1 zugenommen:

Beispiel: Krypton-85 zerfällt unter Emission von ß

^-

-Strahlung in Rubidium 85.

Bei der Emission von β

⁺

-Teilchen (Positronen) hat sich ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Die Kernladungszahl hat um 1 abgenommen.

Beispiel: Natrium-22 zerfällt unter Emission von ß

⁺

-Strahlung in Neon-22.

226

Ra

88

222

Rn

86

α

4 2

α Rn

Ra

²²²₈₆ ⁴₂

226

88

 

e p

n

¹₁ _-⁰₁

1

0

 

e n

p

₀¹ ⁰₁

1

 



e Rb

Kr

₃₇⁸⁵ _-⁰₁

85

36

 

e Ne

Na

²²₁₀ ⁰₁

22

11

 



(3)

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Radioaktivität und Kernumwandlungen

Folgende Aufgaben bearbeiten: Nr. 1, 2 b; 3, 4

1. Im Laufe der Jahrhunderte änderten sich unsere Vorstellungen vom Aufbau der Stoffe und Atome.

a) Beschreibe anhand einer Skizze die modellhaften Vorstellungen vom Aufbau der Atome nach dem Bohrschen Atommodell. Gehe dabei insbe- sondere auf Ladung, Größen- und Massenverhältnisse sowie auf die Kraftwirkungen zwischen den Elementarteilchen ein. /1/ (LB S. 108) b) Erläutere die Darstellung der Elemente (in Symbolschreibweise) im Pe-

riodensystem am Beispiel des Radium-Atoms. (LB S. 113 Nr. A1) c) Erläutere anhand eines Beispiels, was man unter einem Isotop versteht.

2. Strahlungen, die wir als Menschen nicht wahrnehmen können, blieben Zeit unentdeckt. Dazu zählt neben u.a. die radioaktive Strahlung.

a) Notiere drei Stichworte, die dir zum Begriff Radioaktivität einfallen.

b) Erläutere historisch Hintergründe und Zusammenhänge der Entdeckung der Radioaktivität. Gehe insbesondere darauf ein, wann, wo und unter welchen Umständen sie entdeckt worden ist. Notiere Stichworte. /1/

c) Erläutere, worin die Verdienste der Kernphysikerin M ^ARIE C ^URIE be- standen.

3. Erläutere die unterschiedlichen Arten und Eigenschaften der Kernstrahlung.

Gehe dabei insbesondere auf die Strahlungsart, ihr Ionisations- und Durch- dringungsvermögen sowie die Ablenkbarkeit in Feldern ein.

4. Beschreibe den Aufbau und erkläre die Wirkungsweise eines G ^EIGER - M ^ÜLLER -Zählrohres (Geigerzähler). Gehe dabei vor allem auf die Ionisation des Füllgases ein. (LB S. 116) 5. Bei jedem radioaktiven Stoff nimmt die Anzahl der Ausgangskerne im Lau-

fe der Zeit ab und die Anzahl der Folgekerne entsprechend zu. Die Schnel-

ligkeit des radioaktiven Zerfalls ändert sich im Lauf der Zeit und ist über-

dies stoffabhängig. Beobachte anhand eines computergestützten Experi-

ments wie schnell Atomkerne im Laufe der Zeit zerfallen. Nutze dabei fol-

gende Quelle: http://www.walter-fendt.de/ph14d/zerfallsgesetz.htm). Ver-

gleiche die Abnahme der Ausgangskerne am Anfang, im weiteren Verlauf

sowie am Ende der Messung. Skizziere den grafischen Verlauf des Zerfalls

von 1000 Atomkernen mit einer Halbwertszeit von 20 s. Erläutere anhand

dieses Beispiels, was man unter der Halbwertszeit versteht.

(4)

Georg-Herwegh-Gymnasium Physik/ Kadner

Das Geiger-Müller-Zählrohr

Der "Geigerzähler" ist das gebräuchlichste Nachweismittel radioaktiver Strahlung und wurde im Jahre 1928 von den Physikern H ÂNS G ÊIGER (1882- 1945, Prof. in Kiel) und W ÂLTHER M ^ÜLLER entwickelt.

Aufbau:

Der Geigerzähler be- steht aus einem edelgas- gefüllten (meist Argon) Metallrohr mit Innene- lektrode (Anode) und Außenelektrode (Katho- de). Zwischen Kathode und Anode wird eine Gleichspannung von 500 V gelegt.

Die Isotope + + + + + Der Aufbau der Atomkerne

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Der Aufbau der Atomkerne

Sie ergibt sich als Summe der Protonen und Neutronen.

Beispiel:

So besitzt Beryllium-8 bei- spielsweise 4 Protonen und 4 Neutronen, während der Kohlenstoffkern

C bei- spielsweise 6 Protonen und 7 Neutronen hat.

Die Isotope

Es gibt Atomkerne ein und desselben Elements, also gleicher Protonenzahl, mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Derartige Kerne werden als Isotope be- zeichnet. Sie sind chemisch nicht unterscheidbar.

Element Isotope Häufigkeit

Wasserstoff 1. normaler Wasserstoff:

H 2. Deuterium:

H

3. Tritium:

H

99.984 % 0.016 %

10

% Uran 1. Uran-238:

U

2. Uran-235:

U 3. Uran-234:

U

99.274 % 0.72 % 0.006 % Kern von Beryllium-8

Neutronen Protonen

+

+ +

+ +

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Der Spontanzerfall

Beispiel:

Radium 226 zerfällt unter Emission von Alpha-Strahlung in Radon 222. Es gilt fol- gende Zerfallsgleichung:

Die Kernumwandlungen

So hat sich bei der Emission von β

-Teilchen (Elektronen) ein Neutron in ein Proton umgewan- delt und die Kernladungszahl um 1 zugenommen:

Beispiel: Krypton-85 zerfällt unter Emission von ß

-Strahlung in Rubidium 85.

Bei der Emission von β

-Teilchen (Positronen) hat sich ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Die Kernladungszahl hat um 1 abgenommen.

Beispiel: Natrium-22 zerfällt unter Emission von ß

-Strahlung in Neon-22.

Ra

Rn

α

α Rn

Ra

 

e p

n

 

e n

p

 

e Rb

Kr

 

e Ne

Na

 

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Radioaktivität und Kernumwandlungen

Folgende Aufgaben bearbeiten: Nr. 1, 2 b; 3, 4

1. Im Laufe der Jahrhunderte änderten sich unsere Vorstellungen vom Aufbau der Stoffe und Atome.

riodensystem am Beispiel des Radium-Atoms. (LB S. 113 Nr. A1) c) Erläutere anhand eines Beispiels, was man unter einem Isotop versteht.

2. Strahlungen, die wir als Menschen nicht wahrnehmen können, blieben Zeit unentdeckt. Dazu zählt neben u.a. die radioaktive Strahlung.

a) Notiere drei Stichworte, die dir zum Begriff Radioaktivität einfallen.

b) Erläutere historisch Hintergründe und Zusammenhänge der Entdeckung der Radioaktivität. Gehe insbesondere darauf ein, wann, wo und unter welchen Umständen sie entdeckt worden ist. Notiere Stichworte. /1/

c) Erläutere, worin die Verdienste der Kernphysikerin M ARIE C URIE be- standen.

3. Erläutere die unterschiedlichen Arten und Eigenschaften der Kernstrahlung.

Gehe dabei insbesondere auf die Strahlungsart, ihr Ionisations- und Durch- dringungsvermögen sowie die Ablenkbarkeit in Feldern ein.

4. Beschreibe den Aufbau und erkläre die Wirkungsweise eines G EIGER - M ÜLLER -Zählrohres (Geigerzähler). Gehe dabei vor allem auf die Ionisation des Füllgases ein. (LB S. 116) 5. Bei jedem radioaktiven Stoff nimmt die Anzahl der Ausgangskerne im Lau-

fe der Zeit ab und die Anzahl der Folgekerne entsprechend zu. Die Schnel-

ligkeit des radioaktiven Zerfalls ändert sich im Lauf der Zeit und ist über-

dies stoffabhängig. Beobachte anhand eines computergestützten Experi-

ments wie schnell Atomkerne im Laufe der Zeit zerfallen. Nutze dabei fol-

gende Quelle: http://www.walter-fendt.de/ph14d/zerfallsgesetz.htm). Ver-

gleiche die Abnahme der Ausgangskerne am Anfang, im weiteren Verlauf

sowie am Ende der Messung. Skizziere den grafischen Verlauf des Zerfalls

von 1000 Atomkernen mit einer Halbwertszeit von 20 s. Erläutere anhand

dieses Beispiels, was man unter der Halbwertszeit versteht.

Georg-Herwegh-Gymnasium Physik/ Kadner

C _bei- spielsweise 6 Protonen und 7 Neutronen hat.

c) Erläutere, worin die Verdienste der Kernphysikerin M ^ARIE C ^URIE be- standen.

4. Beschreibe den Aufbau und erkläre die Wirkungsweise eines G ^EIGER - M ^ÜLLER -Zählrohres (Geigerzähler). Gehe dabei vor allem auf die Ionisation des Füllgases ein. (LB S. 116) 5. Bei jedem radioaktiven Stoff nimmt die Anzahl der Ausgangskerne im Lau-

Der "Geigerzähler" ist das gebräuchlichste Nachweismittel radioaktiver Strahlung und wurde im Jahre 1928 von den Physikern H ÂNS G ÊIGER (1882- 1945, Prof. in Kiel) und W ÂLTHER M ^ÜLLER entwickelt.