Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2011/2012 - Physik 9c

Atom- und Kernphysik

• Die Überlegung, ob es beim Zerteilen von Materie ein kleinstes Teil geben könnte, was nicht mehr weiter zerteilt werden kann und die Vorstellung davon, wie solche kleinsten Teile aussehen könnten, haben sich seit Jahrtausenden entwickelt.
  Demokrit nahm vor über 200 Jahren an, Atome (ατομος = unteilbar) könnten glatte ode raue, kugel- oder würfelförmige Körper sein.
  Nach der Entdeckung von Ladungen im Atom änderte man das Atommodell seit etwas über 100 Jahren mehrfach ab. Dazu in den nächsten Stunden.
• Wie kann man einzelne Atome nachweisen oder abbilden?
  Mit dem Auge sehen kann man Atome nicht, weil sie zu klein sind.
  Wir haben das Rasterkraftelektronenmikroskop kennengelernt.
  
  An einem fest eingespannten Arm befindet sich eine Messspitze, die an der Spitze idealerweise aus einem einzigen Atom besteht.
  Wird der zu untersuchende Kristall unter der Spitze seitlich hin- und herbewegt und regelt man die Lage der Messspitze so, dass sie immer den gleichen Abstand zu den (hier gelb gezeichneten) Atomen des untersuchten Körper besitzt, so bewegt sich der Arm nach oben und unten, wodurch der reflektierte Laserstrahl am Beobachtungsschirm an unterschiedlichen Stellen zu sehen ist.
• Auf der CD aus Eurem Physikbuch sind gute Simulationen zu solch einem Rasterkraftelektronenmiskroskop zu sehen. Bitte unbedingt ausprobieren!
• Die Überlegung, wie klein ein Atom wohl sei (Durchmesser etwa 0,1nm) führte uns zur Betrachtung der Einheitenvorsätze.
  Diese könnt Ihr hier beim Punkt 3.2 finden.
• Hausaufgabe: Würde man alle Atome aus einem Mol (darin sind 6·10²³ Atome) eines Gases (22,4 Liter) nebeneinanderlegen, ergäbe sich eine sehr lange Strecke.
  Berechnet die Länge dieser Strecke und die Zeit, die ein Lichtstrahl (Lichtgeschwindigkeit c=300.000km/s) benötigt, um diese Strecke zurückzulegen.
  
  

• Lösung der Hausaufgabe:
  0,1nm sind 0,1·10^-9m oder 1·10^-10m.
  6·10²³ Atome haben dann hintereinandergelegt eine Länge von 6·10²³·1·10^-10m=6·10¹³m=6·10¹⁰km=60.000.000.000km=60 Milliarden Kilometer.
  Das Licht hat die Geschwindigkeit v=c=3·10⁵km/s.
  Wegen s=v·t gilt , d.h. das Licht benötigt mehr als 2 Tage.
  Wenn man sich klar macht, dass das Licht vom Mond zur Erde nur 1s gebraucht, kann man einen Eindruck davon bekommen, wie unermesslich hoch die Zahl der Atome in der Materie ist und man kann nur staunen, dass man sogar einzelne Atome mit einem Rasterkraftelektronenmikroskop abbilden kann.
• Hausaufgabe: Seite 12-13 lesen und den Link unter dem Code 011-1 ansehen.
  

• Zu Beginn der Stunde haben wir die Brechung des Lichts und das Zustandekommen der Totalreflexion wiederholt.
  Ihr findet dazu Unterlagen auf dieser Seite. Bitte unter den Daten 2009-05-18, 2009-05-25 und 2009-06-05 nachlesen.
• Öltröpfchenversuch
  
  Auf eine mit mit Lycopodium bestreute Wasseroberfläche wird eine mit Öl benetzte Nadelspitze gebracht.
  Unmittelbar nach der Berührung der Wasseroberfläche bildet sich ein kreisförmiges freies Gebiet aus.
  Deutung: Das Öl breitet sich auf der Wasseroberfläche aus und drängt dabei das Lycopodium an den Rand.
  Geht man davon aus, dass das Öl sich solange ausbreitet, bis es nur noch eine Dicke von 1 Atom hat, so kann man den Durchmesser eines Atoms abschätzen:
  Die Kreisfläche hat einen Radius von etwa 15cm. Das Öl hatte ein geschätztes Volumen von der Größenordnung 0,1mm³.
  Die Kreisfläche besitzt dann den Flächeninahlt π·15²cm²≈700cm².
  Das Volumen des Öltröpfchens beträgt dann also 700cm²·h=0,1mm³.
  Daraus ergibt sich h zu h=0,1mm³/700cm²=0,1mm³/70000mm²=1,4·10^-7mm=1,4·10^-10m.
  Das ist tatsächlich die Größenordnung von Atomen.
• Hausaufgabe: Auf der Buch-CD die Informationen zu den Atommodellen anschauen.

• Wir haben uns noch einmal veranschaulicht, wie der Unterschied zwischen Atomkern-Radius und Atom-Radius ist. Sehr anschaulich ist das in folgendem Link zum Wasserstoffatom zu sehen.
  
• Es gibt 4 Grundkräfte in der Natur, die elektromagnetische Kraft, die Gravitation, die starke Kraft und die schwache Kraft.
  
• Zwischen den Bausteinen des Atomkerns, den Protonen und den Neutronen, wirkt die Kernkraft (die "starke Kraft"), die sehr stark ist, aber deren Reichweite nur sehr klein ist.
  Sie hält den Atomkern zusammen, obwohl dieser wegen der gleichen Ladungen der Protonen eigentlich auseinanderfliegen müsste.
  Da die Neutronen keine Ladung haben, aber durch sie auch die Kernkraft wirkt, werden Atomkerne stabiler, wenn Neutronen eingebaut werden.
• Die Protonen und Neutronen bestehen aus jeweils 3 Quarks, die durch die Gluonen zusammengehalten werden.
  Die Ladungen der Quarks (up-Quark: +2/3, down-Quark: -1/3) addieren sich bei Protonen (2 up, 1 down) zu 1 und bei Neutronen (1 up, 2 down) zu 0.
• Die Geschichte des Universums, das sich von einem Zustand, bei dem alle Energie an (fast) einem Punkt vereinigt war, bis zum heutigen weit ausgedehnten Weltall entwickelte, zeigt uns, dass wir aus "Sternenasche" bestehen: Die schweren Elemente, die auf der Erde zu finden sind und die auch in den Lebewesen eingebaut sind, sind wohl erst durch die Explosion eines ausgebrannten Sterns entstanden.

• Radioaktive Strahlen kann man nicht sehen und nicht unmittelbar fühlen.
  Nachweisen kann man die radioaktiven Strahlen aber z.B. mit einem Geiger-Müller-Zählrohr.
• Radiaktive Strahler senden α-, β- und γ-Starhlen aus (dazu später mehr).
  Wann ein bestimmter radioaktiver Zerfall stattfindet, weiß man nicht. Nur die Wahrscheinlichkeit für einen Zerfall kann man feststellen.
• Wenn Abnahmeprozesse (von einer Menge ursprünglich vorhandener Atome sind durch Zerfall im Lauf der Zeit immer weniger Atome da) durch reinen Zufall stattfinden, folgt die Menge der Atome in Abhängigkeit von der Zeit bestimmten Gesetzmäßigkeiten.
  Wir haben das mit Hilfe eines Simulationsprogramms gesehen:
  
• Beim Beta-Zerfall ändert sich in einem Atom die Anzahl der Protonen und Neutronen: Die Anzahl der Neutronen nimmt um 1 ab und die Zahl der Protonen wächst um 1 an.
  Da keine Ladungen entstehen oder vergehen können, muss zusätzlich zum Proton noch ein anderes Teilchen entstehen, das negativ geladen ist. Es handelt sich dabei um ein Elektron.
  Zusätzlich muss noch ein weiteres Teilchen entstehen, das man Antineutrino nennt:
  

• Nach dem Versuch mit den radioaktiven Glühstrümpfen in einer der vorigen Stunden haben wir eine Uhr untersucht, die 12 Leuchtpunkte besitzt, die ihre Lichtenergie aus radioaktiver Strahlung nehmen.
  
  Zur Gefährlichkeit des bei der Uhr verwendeten Radiums siehe diese Seite.
• Neben dem in der letzten Stunde behandelten Beta-Zerfalls gibt es auch den
  
• Alpha-Zerfall, bei dem 2 Protonen und 2 Neutronen aus einem Atomkern kommen und als Element Helium (gasförmig) nachgewiesen werden können und den
• Gamma-Zerfall, bei dem ein angeregter Atomkern (er besitzt zu viel Energie) durch Aussenden eines Gamma-Teilchens seine Energie abgibt. Die Anzahl der Protonen und Neutronen ändert sich dabei nicht.
• Die Spuren von Alpha-Teilchen haben wir in einer Nebelkammer beobachtet.

• Am Ende der letzten Stunde haben wir eine Messung zum Nulleffekt durchgeführt.
  Dazu haben wir ohne Präparat immer wieder fortlaufend für 10s die Zählrate mit einem Geiger-Müller-Zählrohr gemessen.
  Ihr hattet die Aufgabe, die Messung auszuwerten, indem ihr
  1. die Zählraten einzeln graphisch darstellen solltet,
  2. jeweils 5 Messwerte summiert graphisch darstellen solltet,
  3. jeweils 10 Messwerte summiert graphisch darstellen solltet.
  Hier die Auswertung von Leon:
  
• Im oberen Diagramm (Messwerte einzeln dargestellt) erkennt man die Zufälligkeit der radioaktiven Hintergrundstrahlung (1 bis 7 Zerfälle pro 10s).
  Mittelwerte über 5 benachbarte Messwerte ergeben ein gleichmäßigeres Ergebnis (3 bis 5 Zerfälle pro 10s [die angezeigten Werte müssen durch 5 dividiert werden, da 5 Messwerte jeweils zusammengefasst werden]).
  Bei den Mittelwerten über 10 benachbarte Messwerte zeigt sich eine Schwankung von 3,6 bis 4,2 Zerfällen pro 10s.
  Obwohl die Zerfälle zufällig erfolgen, zeigt sich über längere Zeitabschnitte eine fast konstante Zerfallsrate.
• Der Versuch zur Absorption von α-, β- und γ-Strahlung zeigte:
• α-Strahlung wird schon durch Papier absorbiert,
• β-Strahlung benötigt z.B. Plastik oder Metall zur Absorption,
• γ-Strahlung wird erst durch Blei nennenswert absorbiert.
• Wie kann man sich vor radioaktiver Strahlung schützen?
  Ein Versuch zur Schwächung der Strahlung bei zunehmendem Abstand von der Strahlenquelle zeigte folgendes Ergebnis:
  

• Im Versuch wurde untersucht, wie der Bestand eines radioaktiven Gases mit der Zeit abnimmt.
  
  Ist ein Bestand an radioaktiven Teilchen vorhanden, so verringert sich die Anzahl der radioaktiven Teilchen durch den zufälligen Zerfall.
  Wir haben das am Zerfall von Radon-Gas (genauer Radon-220) in der Ionisationskammer gesehen:
  Beim radioaktiven Zerfall werden durch die vom Radon ausgesandten alpha-Teilchen die Luftteilchen in der Ionisationskammer ionisiert.
  Die entstehenden geladenen Teilchen wandern zur Kammerwand und zur Elektrode in der Mitte der Kammer und erzeugen dadurch einen Stromfluss, der gemessen wird.
  Je mehr Teilchen pro Zeiteinheit zerfallen, desto größer ist die Stromstärke und desto größer ist die Anzahl der noch vorhandenen radioaktiven Teilchen.
• Hier das Versuchsergebnis in der Cassy-Lab-Datei (zum Herunterladen "Speichern unter..." und dann mit Cassy-Lab öffnen):
  
  Zum nächsten Mal bitte in der besprochenen Weise die Messung auswerten.

• Ergebnis der Auswertung: In gleichen Zeitabständen halbiert sich jeweils der Bestand an radioaktivem Gas.
  Diesen Zeitraum nennt man Halbwertzeit.
• Schutz vor Radioaktivität:
  Abschirmung, Abstand halten, kurze Kontaktzeit, nicht essen, trinken, rauchen (das sowieso nicht...)
  
• Abhängig davon, worauf es bei der Messung radioaktiver Strahlung ankommt, benutzt man verschiedene Größen und Maßeinheiten:
• Aktivität  A = ΔN / Δt
  Information über die Anzahl der Zerfälle einer bestimmten radioaktiven Substanz pro Zeiteinheit
  Maßeinheit: Becquerel; 1 Bq = 1 1/s (also 1 Teilchen pro Sekunde)
• Energiedosis D_E = ΔE / Δm
  Information über die Energie, die beim Auftreffen radioaktiver Strahlung auf eine bestimmte Masse von dieser Masse aufgenommen wird.
  Maßeinheit: Gray; 1Gy = 1 J/kg
• Äquivalentdosis D_q = q · D_E   q hat einen für die auftreffende Teilchenart typischen Wert
  Information über die biologische Wirkung der absorbierten Energie eines radioaktiven Stoffes
  Maßeinheit: Sievert; 1Sv = 1 J/kg
• Wiederholung zur Klassenarbeit.
  

• Wiederholung zur Klassenarbeit

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]
  

• Funktionsweise eines Kernkraftwerks
• Film zur Atomkatastrophe in Tschernobyl (weiterer Film (Teil 1))

• Rückgabe der Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]
• Natürliche Radioaktivität
  Kernfusion