Aufbau der Atome und Atomkerne Atome bestehen aus dem Atomkern (d ≈ 10-15 m) und der Elektronenhülle (d ≈ 10-10 m). Der Raum dazwischen ist leer. (Rutherfordscher Streuversuch (1911): Ernest Rutherford beschoss in seinem berühmten Experiment eine dünne Goldfolie mit Helium-Kernen, wobei die meisten dieser Kerne nahezu unabgelenkt hindurch flogen)

Der Atomkern ist elektrisch positiv geladen. Er wird von elektrisch positiv geladenen Protonen (Qp = +1,6022.10-19C) und elektrisch neutralen Neutronen aufgebaut. Die Protonen und Neutronen im Kern werden durch die sehr starke Kernkraft zusammengehalten. Diese Kraft wirkt aber erst, wenn sich die Teilchen sehr nahe sind: Abstand < 10-15 m. Die anziehende Kernkraft ist dann viel größer als die elektrische Abstoßung. In der Atomhülle kreisen Elektronen (Qe = -1,6022.10-19C) auf bestimmten Bahnen um den Kern. Atome sind elektrisch neutral und enthalten deshalb immer die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt die Stellung des Atoms im PSE. Sie heißt Ordnungszahl oder Kernladungszahl. Die Nukleonenzahl eines Atoms gibt an, wie viele Protonen und Neutronen ein Atom enthält. Schreibweise im PSE: Nukleonenzahl

A

Ordnungszahl

Z

Symbol des chemischen Elements

X

Isotope sind Atome eines bestimmten chemischen Elements, die gleiche Protonenzahl, aber verschiedene Neutronenzahl besitzen. Die chemischen Eigenschaften verschiedener Isotope sind gleich (gleiche Elektronenkonfiguration), die physikalischen Eigenschaften sind verschieden (z.B. die Masse). Eine durch die Angabe von X und A festgelegte Atomart heißt Nuklid. Die Schreibweise z.B. Po 213 bedeutet A = 213, Z = 84 Name Polonium (siehe PSE).

Radioaktive Strahlung Entdeckung der radioaktiven Strahlung Im Jahre 1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel, dass Uranerz von sich aus ohne äußeres Zutun eine bis dahin unbekannte Strahlung aussendet. Diese Strahlung schwärzt Fotoplatten und ionisiert Gase, sodass diese elektrischen Strom leiten. Seine Mitarbeiter Marie und Pierre Curie konnten aus dem Uranerz „Pechblende“ zwei besonders stark strahlende Elemente isolieren. Sie nannten sie Polonium und Radium (radiare = lat. strahlen). Die drei erhielten 1903 den Nobelpreis für Physik, Marie Curie 1914 nochmalig den Nobelpreis für Chemie. Nachweis radioaktiver Strahlung 1. Radioaktive Strahlung schwärzt Fotoplatten (↑ Henrie Becquerel) und ionisiert Gase. Experiment 4kV Bringt man das radioaktive Präparat zwischen die zwei Nägel, so springen Funken über. Durch die radioaktive Strahlung wird die Luft zwischen den Nägeln ionisiert und leitet den elektrischen Strom.

Präparat Nägel

2. Nebelkammer Trifft in einem mit Wasserdampf (gasförmiges Wasser) übersättigten Gas (das Volumen des Gases wird schnell vergrößert, woraufhin sich das Gas abkühlt) ein schnelles Teilchen auf ein Gasmolekül, so ionisiert es dieses, indem es ein Elektron herausschlägt. An das positiv geladene Ion lagern sich in kugelförmigen Schalen die in der Nähe befindlichen Wasserdipole an. Diese Zusammenballungen von Wassermolekülen kann man als Kondensstreifen (wie bei einem Düsenflugzeug) beobachten.

Beobachtungsvorrichtung

Beleuchtung radioaktives Präparat

Kolben

Spur eines α-Strahlers in einer Nebelkammer

3. Geiger-Müller-Zähler (Zählrohr) Radioaktive Strahlung dringt durch das für sie durchlässige Glimmerfenster in das Zählrohr ein. Sie ionisiert einzelne Moleküle des Gases im Zählrohr. Diese werden durch die außen anliegende Spannung beschleunigt und ionisieren dadurch weitere Gasmoleküle. Es entsteht eine Ladungsträgerlawine, die einen messbaren Strom fließen lässt. Dieser wird vom Lautsprecher als Knacken wiedergegeben oder vom Zählgerät registriert. _

Strahlung

Isolator Lautsprecher

+ + _

R

>

Glimmerfenster ≈ 500V _

Zählgerät +

Verstärker

Während dieses Stromflusses ist der Widerstand des Zählrohres klein, die große Spannung fällt dann zum größten Teil am Widerstand R (Reihenschaltung) ab. Die ionisierten Gasmoleküle werden nicht mehr beschleunigt, die Ladungsträgerlawine erlischt und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Die Zeit, bis die Ladungslawine aufhört, heißt Totzeit. In dieser Zeit kann das Zählrohr keine neue Strahlung registrieren. Die Totzeit kann durch geeignete Gasfüllungen bis auf 10-5 s gesenkt werden. Auch wenn kein radioaktives Präparat in die Nähe des Zählrohres gebracht wird, zeigt es eine kleine Strahlung an. Diese so genannte Nullrate wird durch die natürliche auf der Erde vorhandene Radioaktivität (terrestrische und kosmische) verursacht. 4. Ionisationskammer In einen mit Gas (z.B. Luft) gefüllten Behälter wird ein radioaktives Präparat gebracht. Es ionisiert die Gasmoleküle, wodurch diese elektrischen Strom leiten. Der dann fließende Strom, ist ein Maß für die Ionisationswirkung (Aktivität des Präparats).

(siehe auch Experiment Zerfallsgesetz)

Radioaktivität Die Atome, aus denen jede Materie besteht, sind normalerweise stabil. Einige Atomarten verändern sich aber plötzlich und ohne äußere Einwirkung (spontan) wobei sie Strahlung aussenden. Dieses Phänomen nennt man Radioaktivität. Von natürlicher Radioaktivität spricht man, wenn das radioaktive Atom in der Natur vorkommt. Es gibt 51 Elemente, die eine natürliche Radioaktivität besitzen (z.B. Uran, Radium, C 14). Als Bestandteil von Gestein kommen diese Elemente abhängig von der Gesteinsart mehr oder weniger häufig in der Natur vor. Wir sind also ständig einer radioaktiven Strahlung ausgesetzt. Werden radioaktive Atome künstlich hergestellt spricht man von künstlicher Radioaktivität.

Radioaktive Strahlung Es gibt 3 Arten radioaktiver Strahlung

α - Strahlung Ein Atomkern sendet einen Heliumkern 42 He aus. Ein solches Teilchen heißt α - Teilchen. Die Ordnungszahl Z des Atoms nimmt dabei um 2 ab, die Nukleonenzahl A um 4. Das Atom wandelt sich in ein anderes Element um. A Z

z.B.

X→

226 88

Ra →

A− 4

222 86

Y + He 4

Z− 2

2

Rn+ He 4

2

β - Strahlung Bei der β - Strahlung handelt es sich um Elektronen (β - Teilchen), die den Kern mit hoher Geschwindigkeit verlassen. Im Kern wandelt sich dabei ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um. Das Elektron verlässt den Kern, das Proton bleibt zurück, sodass sich die Ordnungszahl Z des Atoms um 1 erhöht. Die Nukleonenzahl A bleibt gleich. A Z

z.B.

X→

14 6

A

Y+ e

Z+ 1

0

−1

C → N+ e 14

0

7

−1

γ - Strahlung Als Begleiterscheinung eines α - oder β - Zerfalls tritt die γ - Strahlung auf. Sie hat die selben Eigenschaften wie das sichtbare Licht oder die Röntgenstrahlung, besitzt jedoch mehr Energie. Bei der Emission von Gammastrahlung ändert sich die Ordnungszahl und die Nukleonenzahl des Atoms nicht. Der Kern gibt nur überschüssige Energie ab und geht dabei von einem angeregten Zustand in einen Zustand geringerer Energie über.

Radioaktive Strahlung im Magnetfeld α - Strahlung ist elektrisch positiv, β - Strahlung elektrisch negativ geladen. Demgegenüber weist die γ - Strahlung keine elektrische Ladung auf. In einem Magnetfeld (Lorentzkraft) werden die einzelnen Strahlungsarten deshalb getrennt.

α-Strahlung wird weniger stark abgelenkt als β-Strahlung, da α-Teilchen eine wesentlich größere Masse besitzen als Elektronen.

Spuren von α-Teilchen in der Nebelkammer mit überlagertem starken Magnetfeld. Aus dem Radius kann man die Energie der α-Teilchen berechnen. Energie der radioaktiven Strahlung Die α - und β - Teilchen verlassen den Atomkern mit sehr großen Geschwindigkeiten. Sie besitzen also eine große kinetische Energie. Diese wird in der Kernphysik meist in der Einheit Elektronenvolt eV. angegeben. 1 eV ist die kinetische Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1V aufnimmt. 1eV = 1,6022 ⋅ 10 − 19 C ⋅ 1 V = 1,6022 ⋅ 10 − 19 J (e ist die Elementarladung eines Elektrons oder Protons: e =  1,6022 ⋅ 10 − 19 C ) Beobachtungen zeigen, dass die α - Strahlung eines Elements eine konstante Energie (konstante Geschwindigkeit) besitzt. Manchmal findet man auch mehrere Gruppen von α - Strahlung. In jeder Gruppe ist die Energie konstant. Man spricht von einem Gruppenzerfall.

z.B.

226 88

Ra→

4

He +

2 ( 4,60MeV )

222 86

Rn +

γ

( 0,186MeV )

(Gruppe1)

Der Kern befindet sich nach der Emission des α - Teilchens in einem angeregten Zustand. Durch Aussenden der γ - Strahlung geht er in Grundzustand über. 226 88

Ra→ 4

He

2 ( 4,78 MeV )

+ 222 86 Rn

(Gruppe2)

Das α - Teilchen hat die maximale Energie erhalten. Der Kern geht gleich in den Grundzustand über.

In der untenstehenden Nebelkammer-Aufnahme werden von einem radioaktiven Präparat zwei verschiedene α-Strahlungen ausgesandt. Alle Spuren einer Energie sind gleich lang wie die Haare bei einem Rasierpinsel, da die Heliumkerne bei jeder Ionisation im Mittel etwa gleich viel Energie abgeben und so nach einer definierten Wegstrecke ihre gesamte Energie abgegeben haben.

Die kinetische Energie der beim β - Zerfall eines Nuklids ausgesandten Elektronen ist nicht konstant. α -Strahlung gibt seine gesamte Energie beim Stoß mit anderen Teilchen ab. Sie hat deshalb nach einer kurzen Strecke ihre Energie verloren. β - Strahlung gibt ihre Energie ebenfalls größtenteils durch Stoßionisation ab. Gleichzeitig entsteht beim Abbremsen der Elektronen aber γ - Strahlung, die man hier Bremsstrahlung nennt. γ - Strahlung ionisiert nur sekundär, indem sie Elektronen erzeugt, die dann ionisierend wirken.

Übersicht

α - Strahlung einige cm

β - Strahlung bis 10 m

Durchdringungsvermögen Möglichkeit der Abschirmung

gering Blatt Papier

Ionisationswirkung

sehr groß (in Luft pro cm 2 – 4.104 Moleküle)

groß Aluminiumplatte von einigen Millimetern Dicke groß, aber nur 0,01 bis 0,001 von α

Reichweite in Luft

β-γ Strahlen α- β-γ - Strahlen

γ-Strahlen

γ - Strahlung sehr groß (viele Meter) sehr groß dicke Bleiplatten oder noch dickere Betonwände unterschiedlich, aber oft groß

γ-Strahlen