Unterrichts-Einsichten  -  Schuljahr 2007/2008  -  Physik 10c

Atom- und Kernphysik


2007-12-05

• Einführung in die Atom- und Kernphysik:
  In der Nuklidkarte oder Isotopentafel werden die Atome entsprechend ihrer Protonen- und Neutronenzahl dargestellt. Nach oben hin nimmt die Protonenzahl und nach rechts hin die Neutronenzahl zu.
  Schreibweise für die Nuklide: 

2007-12-06

• Bau und Funktionsweise eines Geiger-Müller-Zählrohres (sehr ausführlich auch hier)
• Radioaktivität in der Umwelt: Nulleffekt, Glühstrumpf, Leuchtziffern auf der Armbanduhr

2007-12-12

• Kennenlernen weiterer Mess- und Nachweisgeräte für radioaktive Strahlen:
  Nebelkammer (weitere gute Seite), Blasenkammer, Ionisationskammer, Dosimeter-Plaketten
• In der Nebelkammer haben wir die Spuren von α-Strahlen beobachtet:
  Alle Spuren waren etwa gleich lang und reichten nicht durch die Nebelkammer hindurch.
  Was man daraus schließen kann, werden wir in den nächsten Stunden besprechen.

2007-12-13

• Wir haben gelernt, was α-, β- und γ-Strahlen sind und wie man sich dagegen schützen kann:
  • α-Strahlen bestehen aus Helium-Kernen, die 2-fach positiv geladen sind. Schon Papier kann α-Strahlen aufhalten.
  • β-Strahlen bestehen aus Elektronen, die 1-fach negativ geladen sind. Man kann sie mit Metall aufhalten.
  • γ-Strahlen bestehen aus sehr energiereichem Licht und tragen keine Ladung. Man kann sich mit Blei vor ihnen schützen.
• In einem Magnetfeld werden die Strahlen/Teilchen unterschiedlich abgelenkt: α-Strahlen schwach zur einen Seite (da sie relativ schwer sind), β-Strahlen stark zur anderen Seite (da sie relativ leicht sind) und γ-Strahlen werden gar nicht abgelenkt, da sie nicht geladen sind.

2008-01-09

• Beim α-Zerfall wird aus einem Atomkern ein Heliumkern herausgeschleudert, der aus zwei positiv geladenen Protonen und zwei neutralen Neutronen besteht.
  In der Isotopentafel kann man gut erkennen, welche neue Identität der Atomkern dadurch annimmt:
  Man geht 2 Reihen tiefer (weil 2 Protonen weniger vorhanden sind) und 2 Spalten nach links (weil 2 Neutronen weniger vorhanden sind).
  Aus Rn-222 (Radon) ergibt sich so Po-218 (Polonium). Bitte nachvollziehen mit Hilfe einer Nuklidkarte.

2008-01-16

• Versuch mit der Ionisationskammer: Radon-220-Gas wird in die Kammer geleitet. Jeder Zerfall eines Radon-Atoms erzeugt einen minimalen Stromfluß. Zusammen ergeben diese aber eine mit Hilfe eines Verstärkers messbaren Strom.
• Mit dem Cassy-Interface wurde diese Stromstärke in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Hier die lab-Datei.
• Hausaufgabe: Wertet die Messung mit Cassy-Lab aus: Notiert die Zeiten, zu denen jeweils von der zuerst gemessenen Stromstärke nur noch 1/2, 1/4, 1/8 usw. gemessen wird.
  Vergleicht die Messzeiten. Gibt es da Gesetzmäßigkeiten?

2008-01-23

• Die Auswertung der Messung der letzten Stunde ergab mit Cassy-Lab:
  
  Man sieht: In immer gleichen Zeiträumen vermindert sich die gemessene Stromstärke auf die Hälfte.
  Diese Zeitdifferenz - hier knapp 60s - nennt man Halbwertzeit.
  Die Halbwertzeit eines radioaktiven Präparats gibt also an, wie lange es dauert, bis nur noch die Hälfte des zu Beginn vorhandenen Stoffs vorhanden ist, bzw. wie lange es dauert, bis die Hälfte des Stoffs zerfallen ist.
  Die Halbwertzeiten verschiedener radioaktiver Stoffe variieren zwischen Bruchteilen von Sekunden bis zu vielen tausend Jahren.
• Beobachtet wurde mit Hilfe der Ionisationskammer der α-Zerfall.
  Ein α-Teilchen ist ein Heliumkern (2 positiv geladene Protonen und 2 neutrale Neutronen), das sich in einem großen Atomkern als kleine Einheit gebildet hat und dann den Kern verlässt, ohne irgendeinen Grund, ohne dass man den Zerfall durch Hitze, Schläge oder andere Einflussnahme einleiten könnte, lediglich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, die durch die Halbwertzeit gegeben ist.
  Der nur durch den Zufall bedingte Zerfall wird deutlich durch die gezackte Messkurve. Wann genau ein einzelnes Atom zerfällt, kann man nicht sagen, aber bei vielen beobachteten Atomen wird die Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit deutlich.

2008-01-24

• Beim β^--Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino um: 
  
• Die Erhaltungssätze liefern eine Erklärung dafür, dass nicht nur ein Proton entsteht, sondern auch ein Elektron (Ladungserhaltung) und ein Antineutrino (Impulserhaltung)
• Treffen ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, aufeinander, so zerstrahlen diese beiden Teilchen in zwei oder mehr Lichtteilchen (Photonen).
  Umgekehrt können bei der Paarbildung aus genügend Energie auch ein Elektron und ein Positron entstehen.

2008-01-30

• Die Reaktionsgleichung vom β^--Zerfall kann man ähnlich wie bei einer mathematischen Gleichung umformen. 
  Beim Wechsel der Teilchen von einer zur anderen Seite ändert sich die Ladung und aus einem Teilchen wird das Antiteilchen und umgekehrt.
  So erhält man die Gleichung
  
  In manchen Atomen kann sich also ein Proton in ein Neutron, ein Positron (Antiteilchen zum Elektron) und in ein Neutrino umwandeln.
  Diesen Zerfall nennt man β⁺-Zerfall.
• In einer Nuklidkarte oder Isotopentafel  kann nachvollzogen werden, wie ein radioaktives Element über mehrere Zerfallsprozesse bis zu einem stabilen Element zerfällt.
  Dabei muss man beachten:
  α-Zerfall: -2p ; -2n
  β^--Zerfall: +1p ; -1n
  β⁺-Zerfall: -1p ; +1n
• "Bewegung" in der Nuklidkarte:
  

2008-02-06

• In sehr größen Höhen werden durch schnelle Teilchen aus dem Weltraum (kosmische Strahlung) in der Luft Neutronen freigesetzt. 
  Diese Neutronen können Stickstoffatome N-14 in radioaktiven Kohlenstoff C-14 umwandeln, indem das N-14 das Neutron aufnimmt und ein Proton verliert.
  C-14 wird zusammen mit nicht radioaktivem Kohlenstoff von Lebewesen (Tiere, Pflanzen) aufgenommen. Nach dem Tod zerfällt das C-14 und aus dem Verhältnis von noch vorhandenem C-14 zum anderen Kohlenstoff kann das Alter des Lebewesens ermittelt werden. Dieses Verfahren nennt man C-14-Methode.
• 1938 entdeckten Lise Meitner, Otto Hahn und Fritz Straßmann, dass Uran-Kerne gespalten werden können, wenn sie mit Neutronen beschossen werden:
  
  Da die Anzahl der Neutronen bei dieser Kernspaltung zunimmt, werden die durch den Neutronenbeschuss ausgelösten Spaltungen mit der Zeit immer mehr; man spricht von einer Kettenreaktion.
  Link zu einer schönen Simulation zur Kettenreaktion.

2008-02-08

• Bau und Funktionsweise eines Kernkraftwerks, Nutzen und Gefahren der Kernenergie: 
• Wikipedia  (neutral) 
• Kernenergie.de (pro Kernenergie)
• Umweltlexikon-online (kritisch)

2008-02-21

• Wir hatten schon gesehen, dass Energie frei wird, wenn Urankerne gespalten werden. Die Teile, die bei der Spaltung entstehen, haben weniger Masse als die Ausgangssubstanz. Die fehlende Masse wird nach der Einstinschen Gleichung E = m · c^₂ in Energie umgewandelt.
• Aber auch der umgekehrte Weg ist möglich: Fügt man leichte Atomkerne zusammen (Kernfusion), so wird auch Energie frei.
  Auch hier ist es so, dass die Summe der Einzelmassen größer ist als die Masse des Ergebnisses.
  Die entstehende Fusionsenergie könnte man in einem Fusionsreaktor nutzen. Es ist aber noch viel Forschungsarbeit notwendig, bis dieses Ziel erreicht ist.

2008-02-28

• Nach einer kurzen Wiederholung zur Kernspaltung haben wir Möglichkeiten und Gefahren bei der Kernspaltung besprochen: Nutzung der Kernkraft im Kernreaktor, Auswirkungen eines Atombombenabwurfs, Naturreaktor von Oklo
• Schutz vor Radioaktivität:
  Abschirmung, Abstand halten, kurze Kontaktzeit, nicht essen, trinken, rauchen

2008-03-05

• Zum Film-Ausschnitt, den wir uns angesehen haben, einige Links:
• Atombombe/Kernwaffen
• Entwicklung und Einsatz von Atombomben
• neu entwickelte Bombe (Herbst 2007) als Vergleich 
• McCarthy-Ära
• Ehepaar Rosenberg
• Verrat von Atomgeheimnissen
• Bikini-Atoll

2008-03-06

• Wir sprachen über den Film von gestern und sahen weitere Ausschnitte.
  Dazu noch folgende weiterführende Links:
• Wasserstoffbombe
• radioaktiver Niederschlag
• Atombunker in Ost und West
• neue Nutzung von Atombunkern 

2008-03-27

• Filmausschnitt zur Reaktorkatastrophe in Tschernobyl

2008-04-02

• 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)
• Ionendosis D_I = ΔQ / Δm
  Information über die Anzahl der Ladungen, die beim Auftreffen radioaktiver Strahlung auf eine bestimmte Masse in dieser Masse entsteht
  Maßeinheit: 1 C/kg
• 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
• Sehr umfassende Informationen zur Radioaktivität, unter anderem auch zur natürlichen Radioaktivität, zur Strahlenbelastung in Deutschland , zur Auswirkung der Tschernobyl-Katastrophe usw.
  Sehr lesenswert!

2008-04-03

• Wiederholung: Größen und Maßeinheiten für den Umgang mit radioaktiver Strahlung.
  Natürliche und künstliche Strahlenbelastng.

2008-04-09

• Wiederholung zur Arbeit

2008-04-10

• Wiederholung zur Arbeit, u.a.
• Nuklidkarte oder Isotopentafel
• Da der radioaktive Zerfall zufällig erfolgt, kann man nicht davon ausgehen, dass man immer dieselbe Zählrate erhält, auch wenn dasselbe Präparat benutzt und über ein gleichlanges Zeitintervall gemessen wird. Die Werte schwanken etwa mit der Quadrat-Wurzel der Zählrate.
  Hat man n Zerfälle in einer bestimmten Zeit gemessen, so kann man davon ausgehen, dass bei weiteren Messungen ein Wert zwischen und registriert wird.
  Für n=100 heißt das also, dass man mit Werten zwischen 100-10=90 und 100+10=110 rechnen muss.
• Nachtrag zur Stunde: Wir sprachen über die "Insel der Stabilität" bei Atomen mit sehr hoher Protonenzahl.
  Dazu gibt es zufällig gerade heute im Newsletter von Bild der Wissenschaft einen Artikel mit folgender Überschrift:
  Der Insel der Stabilität auf der Spur - Russischer Forscher vermutet stabile Elemente bei Kernladungszahl 164

2008-04-15

• Klassenarbeit 2

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weiter mit Arbeit und Energie