WIKI
Abituraufgaben
Referate
Fächer
FORUM
News
Ankündigungen
Schule
Nach der Schule
Freizeit und Miteinander
Computer & Internet
OffTopic
CHAT
IRC
Tutorial
TOOLS
html2wiki
GAMES
WIKISCHOOL
Impressum
LinksAtom- und Kernphysik
Aus WikiSchool
|
|
[Bearbeiten] Aufbau der Atome
[Bearbeiten] Schreibweise für Nuklide
In der Physik ist es üblich Nuklide in der Kurzschreibweise zu schreiben. Also Beispielsweise C-12. C bezeichnet hier das Element (Kohlenstoff), 12 bezeichnet die Nukleonenanzahl (= Protonen + Neutronen = Massenzahl). Aus dem chemischen Zeichen kann man wiederum auf die Kernprotonenzahl schließen, die bei Kohlenstoff 6 beträgt. Die chemische Bezeichnung ist demnach . Ein weiteres Beispiel anhand von Eisen:
- Fe-56 (ca. 96%)
- Fe-57 (ca. 2%)
- Fe-54 (ca. 6%)
[Bearbeiten] Isotope
Atome mit gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahlen nennt man Isotope. In der Regel besitzt jedes natürlich vorkommende Element ein oder wenige stabile Isotope, während die anderen Isotope radioaktiv (das heißt instabil) sind und früher oder später zerfallen. Es gibt jedoch auch Elemente, bei denen alle Isotope instabil sind und zerfallen (Uran, Plutonium o. A.). Dies wird aus der Isotopentafel ersichtlich.
[Bearbeiten] Natürliche Radioaktivität
[Bearbeiten] Arten der radioaktiven Strahlung
Unter Radioaktivität (von lat. radius, Strahl) oder radioaktivem Zerfall versteht man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende Energie wird in Form ionisierender Strahlung, nämlich energiereicher Teilchen und/oder Gammastrahlung, abgegeben.
Das heißt Radioaktivität ist die Eigenschaft unsichtbare Strahlung auszusenden. Entdeckt wurde die Radioaktivität übrigens von Henri Becquerel entdeckt und von Marie Curie bestätigt worden. Es gibt folgende Arten radioaktiver Strahlung:
[Bearbeiten] Alpha-Strahlung
Unter Alphastrahlung versteht man schnelle Heliumkerne
Bei einem Alphazerfall verringert sich die Atommasse des Ursprünglichen Atoms um 4, die Neutronenzahl verringert sich um 2.
Beispiel:
Radon ist mit einem Alphazerfall zu Polonium-218 zerfallen.
[Bearbeiten] Beta-Strahlung
Unter Beta Strahlung versteht man schnelle Elektronen
Beispiel:
Ein Jod-131 Atom ist unter Betazerfall entstanden - dabei wurde ein Neutron zu einem Proton umgewandelt.
[Bearbeiten] Gamma-Strahlung
Unter Gammastrahlung versteht man einen elektromagnetischen Wellenzug, d.h. ein Photon mit hoher Energie
Nur Gammastrahlung gibt es so gut wie gar nicht. Nur Technetikum (TC-99) kann in einen angeregten Zustand gebracht werden, so dass beim zurückfallen nur Gammastrahlung frei wird.
Jedoch wird bei vielen Alpha- und Beta- Zerfällen ein Gamma-Wellenzug freigesetzt ( Restenergieausgleich!). Im Allgemeinen gibt es daher
- und oder nur
- und oder nur
- oder nur
[Bearbeiten] Eigenschaften von radioaktiver Strahlung
| Eigenschaften | Positiv | Negativ | Reichweite | |
|---|---|---|---|---|
| -Strahlung |
|
|
|
|
| -Strahlung |
|
|
|
|
| -Strahlung |
| Anwendung zur...
|
|
|
[Bearbeiten] Nachweis und Messung radioaktiver Strahlung
[Bearbeiten] Fotopapier
Wenn eine radioaktive Probe auf ein Fotopapier oder auf einen Fotofilm (beispielsweise Polaroid-Film) gelegt wird, lässt sich nach dem Entwickeln eine Schwärzung feststellen. Für Beta und Gamma Strahlung kann man den Film in Aluminiumfolie einwickeln um ihn von Lichteinwirkung zu schützen. Mit dieser Methode kann man jedoch nur diese beiden Strahlungsarten feststellen, wenn auch Alpha Strahlung festgestellt werden soll, muss die Probe direkt mit dem Fotopapier in Kontakt sein, hierbei ist jedoch zu beachten, dass dies in Dunkelheit geschehen muss. Nach etwa 24h "belichten" kann man den Film entwickeln lassen um die Schwärzung zu erkennen. Auf diese Art wurde übrigens durch Zufall die Radioaktivität entdeckt.
[Bearbeiten] Geiger Müller Zähler
Der Geiger Müller Zähler zählt Impulse mit Hilfe eines Zählrohres. In diesem Zählrohr entstehen, sobald radioaktive Teilchen hineingeraten, elektrische Entladungen, die mithilfe eines Lautsprechers Hörbar gemacht oder mit Hilfe einer Zählschaltung gezählt werden können um die Aktivität festzustellen. Ein Geigerzähler kostet etwa 1500€
Funktionsprinzip: Wenn direkt vor dem Glimmerfenster ein Atom zerfällt, wird Alpha- (Beispiel) Beta- oder Gamma-Strahlung abgestrahlt, diese kann dann durch das Glimmerfenster ungehindert in das innere des Zählrohrs gelangen. Nur Glimmer hat die Eigenschaft Alpha- Strahlung ungehindert passieren zu lassen Glimmer ist übrigens sehr Selten und Teuer, dieses Glimmerfenster ist das teuerste Bauteil des Geigerzählers. In der Gasatmosphäre (Chlorgas unter einem Druck von etwa 0,002 pa) des Zählrohres wird durch die Ionisierung einzelner Molekühle dadurch ein Spannungsüberschlag ermöglicht, welcher im Lautsprecher als Knacken gehört werden kann. Der Lautsprecher oder die Zählvorrichtung wird zwischen A und B geschaltet und kann dadurch zählen, wie häufig es zu Spannungsüberschlägen kommt. Das Chlorgas hat hierbei, im Gegensatz zur Neonröhre, die Aufgabe wieder zu erlöschen um ein weiterzählen zu ermöglichen. Wenn 2 Alpha Teilchen gleichzeitig in das Zählrohr geraten, kann nur eines gezählt werden, dies wird mit der so genannten Ausbeute grob kompensiert. Bei Geigerzählern beträgt diese etwa 70%. Die Spannung beträgt etwa 200 - 300 V, der Widerstand hat einen Wert von etwa einem Mega Ohm.
[Bearbeiten] Detektion verschiedener Strahlungen
Um verschiedene Strahlungsarten unterscheiden zu können muss man beim Geigerzähler das Glimmerfenster in anderen Materialien ausführen oder im Versuchsaufbau verschiedene Abschirmungen verwenden:
| Fenstermaterial | Zu messende Strahlung | Abschirmung |
|---|---|---|
| Glimmer | Alpha, Beta, Gamma | keine |
| Glas | Beta, Gamma (Alpha wird abgeschirmt) | dickes Papier |
| Alu | Gamma (Alpha und Beta wird abgeschirmt) | Alu 2-3mm oder Acrylglas |
[Bearbeiten] Wilsonsche Nebelkammer
Alpha und Beta Teilchen ionisieren Molekühle an die sich Wassertröpfchen binden, innerhalb dieser Nebelkammer erzeugen sie dadurch einen Kondensstreifen, ähnlich derer von Flugzeugen. Dies ist Möglich, weil in der Nebelkammer eine unterkühlte und gesättigte Luft-Wasser-Methanol Atmosphäre besteht, die Luftfeuchtigkeit beträgt 99,9%, das Methanol ist dafür zuständig, dass sich kein Neben bildet aber Kondensstreifen möglich sind d.h. zu Stabilisieren. Alpha Strahlung erkennt man an kurzen aber dicken Kondensstreifen, Beta- Strahlung an längeren dünneren streifen, die auch an anderen Atomen abprallen und einen Zick Zack Kurs beschreiben.
[Bearbeiten] Gamma Spektrometer
Der Funktioniert mit einem Germanium Detektor, welcher Gammastrahlen je nach Intensität und "Wellenlänge" feststellen kann. Dieses Gerät wird aber vor allem in der Forschung benützt und hat kaum praktische Anwendungsmöglichkeit.
[Bearbeiten] Zerfallsreihe
Ist ein Atom nach dem Zerfall nicht Stabil, wird es solange weiter Zerfallen bis es eine stabile Atomstruktur erreicht. Dies kann bis etwa 20 Zerfälle dauern.
[Bearbeiten] Gesetze des Radioaktiven Zerfalls
[Bearbeiten] Grundlagen
Um diverse Aufgaben in diesem Themenbereich zu lösen ist es wichtig einige Grundlagen zur Stoffmenge, Molaren Masse, Navogadrokonstante etc. zu kennen.
| Gesuchte Größe | Benötigte Größen | Formel |
|---|---|---|
| Atomanzahl | Stoffmenge oder Masse und relative Atommasse | |
| Substanzmasse | Stoffmenge und Masse und relative Atommasse oder relative Atommasse und Atomanzahl |
|
|
[Bearbeiten] Zerfallswahrscheinlichkeit
Die Zerfallswahrscheinlichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom innerhalb eines bestimmten Zeitraums zerfällt. Praktische Ermittlung:
innerhalb eines bestimmten Betrachtungszeitraums.
[Bearbeiten] Halbwertszeit
Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, innerhalb dessen die Zerfallswahrscheinlichkeit eines radioaktiven Elements 50% beträgt.
"Innerhalb der Halbwertszeit ist die Hälfte des radioaktiven Stoffs zerfallen"
Vergleich zwischen Zerfallswahrscheinlichkeit und Halbwertszeit:
| Zerfallswahrscheinlichkeit | Halbwertszeit |
|---|---|
| 0 | |
| klein | groß |
| groß | klein |
Die Halbwertszeit kann von wenigen Millisekunden bis mehreren Milliarden Jahren dauern.
[Bearbeiten] Zerfallskurve
[Bearbeiten] Aktivität und spezifische Aktivität
[Bearbeiten] Aktivität
- Definition
- Unter der Aktivität eines Stoffes versteht man die Anzahl der Atomzerfälle, die pro Zeiteinheit in diesem Stoff statt finden.
Formelzeichen der Aktivität ist A, die Maßeinheit = 1 Bq ("Bequerel")
Beispiel: In einem Stoff zerfallen durchschnittlich in einer Sekunde 3 Atome. (Der Geigerzähler knackt pro Sekunde drei mal) A = 3 Bq
In der Zerfallskurve entspricht die Aktivität der negativen Steigung zum gesuchten Zeitpunkt. Somit gilt:
Daraus lässt sich wiederum folgende Formel herleiten:
Nach den mathematischen Grundregeln lassen sich zwei weitere nützliche Formeln finden. Dies sind die für die Anfangsaktivität:
Und durch einsetzen die Aktivität nach k Halbwertszeiten:
[Bearbeiten] Spezifische Aktivität
| Typ | Formel | Einheit | Anwendung, Prüfung von... |
|---|---|---|---|
| Volumenaktivität: |
| ||
| Massenaktivität: |
| ||
| Flächenaktivität: |
|
[Bearbeiten] Energiedosis
Definition:
Formel:
[Bearbeiten] Äquivalenzdosis
Alpha, Beta und Gamma-Strahlung wirkt sich im Körper unterschiedlich schädlich aus. Daher gibt es einen Qualitätsfaktor, der zusammen mit der Energiedosis einen realistischen Schadenswert an.
Formel:
Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem Qualitätsfaktor, der sog. Relativen biologischen Wirksamkeit, die von der Strahlungsart und -Energie abhängt.
Für - und -Strahlung ist der Qualitätsfaktor 1, das heißt 1 Sv = 1 Gy. Für -Strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt.
Einheit: Sievert (Sv) . SI-Einheit der Äquivalentdosis
[Bearbeiten] Siehe Auch
- Radioaktivität in der deutschen Wikipedia