Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2009/2010 - Physik 9a

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.
• Während Demokrit vor über 200 Jahren annahm, Atome (ατομος = unteilbar) könnten glatte ode raue, kugel- oder würfelförmige Körper sein, änderte man nach Entdeckung von Ladunegn im Atom das Atommodell seit etwas über 100 Jahren mehrfach ab. 
• Im Rosinenkuchenmodell von Thomson waren die Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen in einem kugelförmigen und ausgefüllten Atom verteilt.
• Rutherford zeigt dann in dem von ihm entwickelten Modell, dass das Atom im Wesentlichen leer ist, bestehend aus einem sehr kleinen Atomkern und Elektronen in einer sonst leeren kugelförmigen Hülle.
• Im Modell nach Bohr laufen die Elektronen auf genau bestimmten Kreisbahnen wie Planeten um eine Sonne um den Atomkern herum.
• Im Bohr-Sommerfeldschen Atommodell wird diese Vorstellung dahin erweitert, dass auch Ellipsenbahnen zugelassen sind.
• Weitere Atommodelle, z.B. das Kugelwolkenmodell, lassen die Elektronen nicht auf festen Bahnen umlaufen, sondern geben nur Wahrscheinlichkeiten an, mit denen Elektronen in bestimmten Bereichen des Atoms gefunden werden können.
• Eine Abschätzung, wie groß wohl ein Atom sein könnte, gelingt mit dem Öltröpfchenversuch:
     
  In einem Aquarium wird die Wasseroberfläche mit Lycopodium-Pulver leicht bestreut.
  Wird ein sehr kleiner Öltropfen (in unserem Versuch eine mit sehr wenig Öl benetzte Stecknadelspitze) in das Wasser gebracht, so breitet er sich (geringere Dichte als Wasser und wasserabstoßend) auf der Wasseroberfläche aus und drückt das Pulver zur Seite.
  Da mindestens eine Schichtdicke von 1 Atomlage im freien Bereich vorhanden sein muss, kann man aus dem Volumen des Öltropfens und der Fläche des lycopodium-freien Wassers die Dicke eines Atoms nach oben hin abschätzen.
  In unserem Versuch ergab sich ein maximaler Atomdurchmesser von 6·10^-9m (Tabellenwert: etwa 10^-10m).
• Weitere Informationen zu Atomen:
• Der Atomkern besitzt fast die ganze Masse des Atoms, hat aber nur einen Durchmesser von etwa 10^-14m (d.h. der Durchmesser des ganzen Atoms ist 10000-mal so groß wie der Durchmesser des Atomkerns).
  Wir haben Atomkern und Atom mit der Kugel auf einer Stecknadel (3mm) und dem naturwissenschaftlichen Gebäude (30m) verglichen.
• Der Atomkern besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (nicht geladen).
• Protonen und Neutronen bestehen wiederum aus jeweils 3 Teilchen, den Quarks.
• Weitere Informationen findet Ihr in der "Welt der Physik" und bei kworkquark.
• Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen aber mit verschiedener Anzahl an Neutronen gehören zum selben Element und werden als Isotope eines Elements bezeichnet. Doch dazu später mehr.

• Manche Atome senden zufällig Teilchen aus, die aus ihrem Kern kommen.
  Man sagt dann, diese Atome seien radioaktiv.
  Die Bezeichnung kommt vom Element Radium, an dem man diese Eigenschaft zuerst festgestellt hat.
• Der Mensch hat keine Sinnesorgane, um radioaktive Strahlung feststellen zu können.
  Man muss sich deshalb Geräte bauen, die diese Strahlung bzw. diese Teilchen feststellen können.
• Im Unterricht haben wir eine Nebelkammer kennen gelernt.
  Wie die elektrisch geladenen Abgase eines Flugzeuges am Himmel einen Kondensstreifen entstehen lassen, wird in einer Nebelkammer die Spur eines radioaktiven Teilchens durch eine Nebelspur sichtbar gemacht. Hier einige Nebelkammeraufnahmen.
• Ist man nicht an den Bahnen dieser Teilchen interessiert, sondern daran, wie viele Teilchen an einem bestimmten Ort auftreffen, so kann man ein Geiger-Müller-Zählrohr benutzen.
  Das Auftreffen eines radioaktiven Teilchens wird durch einen Piepton gemeldet. Gleichzeitig kann eine Anzeige auch noch die Anzahl der Teilchen pro Zeit anzeigen.

• Im Zusammenhang mit der Wiederholung des Atomaufbaus haben wir das Rasterkraftmikroskop besprochen.
  Einen sehr guten Einblick in die Größenverhältnisse beim Atom gibt es bei Microcosm.

• Die radioaktive Strahlung besteht zum größten Teil aus 3 Komponenten:
• α-Strahlung - lässt sich schon durch Papier abschirmen - besteht aus 2-fach positiv geladenen Heliumatomkernen (2 Protonen und 2 Neutronen)
• β-Strahlung - lässt sich durch dickere Kunststoffplatten oder Aluminiumbleche abschirmen - besteht aus schnellen Elektronen
• γ-Strahlung - lässt sich nur durch dickere Bleiplatten abschirmen - besteht aus Energie
• In unserer Umwelt ist ständig radioaktive Strahlung zu registrieren. Sie kommt aus der Erde, aus dem Himmel und aus Gegenständen.
  Diese gemessene Strahlung nennt man Nulleffekt.
  Durch Kernwaffenversuche und den Kernreaktor-Unfall in Tschernobyl ist die Belastung der Umwelt durch Radioaktivität jahrelang stark überhöht gewesen (siehe z. B. Grafik im digitalen Umweltatlas Berlin).
• Auch Gegenstände in unserer Umgebung sind radioaktiv, z.B. diese Uhr:
  
  Die Uhr besitzt 12 Leuchtpunkte, die ihre Lichtenergie aus radioaktiver Strahlung nehmen.
• Der radioaktive Zerfall geschieht völlig zufällig. Es gibt keine Ursache dafür, dass ein Atom zu einem bestimmten Zeitpunkt zerfällt.
  Man kann aber mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung Regeln für den Zerfall aufstellen, die sich auf eine große Anzahl von Atomen beziehen.
  So kann man zum Beispiel vorhersagen, dass von einer großen Anzahl freier Neutronen nach etwa 13 Minuten nur noch die Hälfte vorhanden sein wird.
  Wann aber ein einzelnes Neutron zerfällt, kann man nicht sagen.
• Zur Simulation haben wir mit dem Taschenrechner mit Hilfe der Funktion INT(100*RAND) Zufallszahlen zwischen 00 und 99 erzeugt und aus einem 10x10-Feld jeweils das zu der gezogenen Zahl gehörige Feld markiert.
  Hausaufgabe ist, den "Zerfall" des Feldes (ein angekreuztes Feld gilt als zerfallen) in Abhängigkeit von der Nummer der Ziehung grafisch darzustellen.
• Nach Erstellen des von Hand durchgeführten Graphen könnt Ihr ja mal den Computer weitere Simulationen (Delphi-Programm) eines radioaktiven Zerfalls durchführen lassen:
  
  Besprechung des Ergebnisses in der nächsten Stunde.

• Die Auswertung des Versuchs aus der letzten Stunde haben wir per Hand durchgeführt und dann gesehen, wie man mit einer Tabellenkalkulation zum Ergebnis kommen kann:
   OOo-Calc-Datei zum downloaden
• Ergebnis: Da von den ursprünglich 100 verschiedenen Feldern im Lauf der Versuche immer mehr Felder schon angekreuzt sind, haben wir immer weniger Treffer bei 10 Versuchen.
  Den aktuellen Bestand kann man sich sehr einfach ausrechnen lassen.
  Z.B. steht im Feld C3 die Formel "=C2-B3".
  Diese Formal kann man nach unten kopieren, sodass man sie nur einmal eingeben muss.
• Wenn man untersucht, wie viele Versuche man machen muss, damit von einer ursprünglich vorhandenen Anzahl nur noch die Hälfte vorhanden ist, erkennt man, dass die Anzahl der Versuche dazu konstant ist.
  Also ganz gleich, mit welcher Anzahl von Kästchen/Zahlen man beginnt, immer dauert es ca. 8 bis 9 Versuche, damit nur noch die Hälfte der Kästchen/Zahlen übrigbleibt.
  Diese Anzahl Versuche könnte man also "Halbwerts-Versuchs-Anzahl" nennen.
  
• Ist ein Bestand an radioaktiven Teilchen vorhanden, so verringert sich die Anzahl der radioaktiven Teilchen durch den zufälligen Zerfall ganz ähnlich wie in der Simulation.
  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.
• Hier das Versuchsergebnis in der Cassy-Lab-Datei (zum Herunterladen "Speichern unter..." und dann mit Cassy-Lab öffnen):
  
  Zur Halbierung der Teilchenzahl ist immer dieselbe Zeitdifferenz notwendig.
  Der Versuch ergibt dafür etwa den Wert 65s. (Tabellenwert: 55,6s)
  Diese Zeitdifferenz nennt man Halbwertszeit, weil nach dieser Zeit immer nur noch die Hälfte des ursprünglichen Radons vorhanden ist.
  

• Wiederholung und Ergänzung zum Thema "Nachweisgeräte für radioaktive Strahlen/Teilchen"
  Geiger-Müller-Zählrohr, Nebelkammer, Ionisationskammer, Fotofilm, Dosimeterplakette
• radioaktive Strahlung
• Ablenkung von radioaktiven Strahlen im Magnetfeld
  
  Im Magnetfeld werden α-Strahlen schwach zur einen Seite abgelenkt, β-Strahlen stark zur anderen Seite und γ-Strahlen werden gar nicht abgelenkt.
  Die Bahnen von α- und β-Strahlen sind Kreisbahnen.
  Die Ablenkungsrichtung ergibt sich aus der 3-Finger-Regel der rechten bzw. der linken Hand.
• γ-Strahlen werden nicht abgelenkt, weil sie elektrisch neutral sind
• β-Strahlen sind Elektronen (also negativ geladen) und sehr leicht. Deshalb werden sie stark abgelenkt.
  Im Versuch haben wir gesehen, dass die Zählrate abnimmt, wenn man den geradlinigen Verlauf der Elektronen durch ein Magnetfeld beeinflusst.
  
  Exkurs:
• Bei der Versuchsauswertung sahen wir, dass man genau auf die äußeren Bedingungen bei einem Versuch achten muss: Vor der Pause hatten wir nur jeweils einen Wert für den Fall mit und ohne Magnetfeld durchgeführt.
  In der Pause wurde der α-Strahler aus Sicherheitsgründen aus der Apparatur entfernt.
  Nach der Pause gab es durchgehend kleinere Messwerte. 
  Anscheinend stimmte die Position des Strahlers nicht mehr genau mit der Position vor der Pause überein.
• Beim Auswerten der Messwerte wurde die Vermutung geäußert, dass die Größe der Zählraten mit und ohne Magnetfeld gekoppelt sind (obern jeweils die größten Werte, unten jeweils der zweitgrößte Wert und in der Mitte der kleinste Wert).
  Hier spielt uns unsere Fähigkeit zur Mustererkennung einen Streich (wie es uns z.B. auch bei optischen Täuschungen passiert). Wir erkennen Regelmäßigkeriten, wo es gar keine gibt.
  Ein Zusammenhang hätte hier nur bestehen können, wenn wir abwechselnd mit und ohne Magnetfeld gemessen hätten. Die Messungen wurden aber in der angegebenen Reihenfolge (kleine Zahlen) durchgeführt. Es liegt hier also ein zufälliger Effekt vor.
• α-Strahlen sind doppelt positiv geladene Heliumkerne und im Vergleich zu Elektronen sehr schwer. Deshalb werden sie zur anderen Seite und nur schwach abgelenkt.
• α-Zerfall
  
  Atomkerne können nur zusammen halten, weil neben den elektrisch positiv geladenen Protonen auch neutrale Neutronen vorhanden sind.
  Die Abstoßungskräfte der positiv geladenen Teilchen können nur überwunden werden durch die Anziehungskräfte (starke Kraft oder Kernkraft) der Protonen und Neutronen. Die Anziehungskräfte der Protonen allein würde nicht ausreichen.
  Aus energetischen Gründen ist es günstig, wenn sich 2 Protonen und 2 Neutronen zu einer Einheit zusammen finden. Diese Viererkombination kann dann als Heliumkern einen größeren Atomkern verlassen (bei uns z.B. einen Uran-238-Kern).
  Da dem ursprünglichen Atomkern nun die 4 Kernteilchen fehlen, wird er zu einem anderen Element.
  In der Nuklidkarte kann man ablesen: 2 Protonen weniger (2 Reihen nach unten) und 2 Neutronen weniger (2 Spalten nach links). So wird aus U-238 das Nuklid Th-234 (oder auch aus Th232 das Nuklid Ra-228).
• β-Zerfall
  Es kann vorkommen (wenn zusätzliche Neutronen im Kern sind, die für den Zusammenhalt des Atomkerns nicht unbedingt gebraucht werden), dass sich ein Neutron in ein Proton umwandelt.
  Da aber nicht einfach eine positive Ladung entstehen kann, entsteht gleichzeitig auch noch ein negatives Teilchen von geringer Masse, ein Elektron.
  Dazu kommt noch ein Anti-Neutrino (elektrisch neutral mit eine Masse von praktisch 0), womit die Bedingungen vor und nach der Umwandlung ausgeglichen werden.
  
  Das Elektron ist vor der Umwandlung noch nicht im Atom vorhanden (also nicht in der Atomhülle), sondern wird erst bei der Umwandlung erzeugt und verlässt den Kern mit großer Energie (d.h. mit großer Geschwindigkeit).
  Die Auswirkung (Nuklidkarte) werden wir in der näöchsten Stunde betrachten.

• Wiederholungen und Ergänzungen zum radioaktiven Zerfall:
  
• Veranschaulichung zum α-Zerfall:
   
  In größeren Atomkernen ist es manchmal von der Energiebilanz her günstig, wenn sich vier Kernteilchen - 2 Protonen und 2 Neutronen - zu einem Heliumkern zusammenfinden und den Kern verlassen.
  Dieser wegfliegende Heliumkern (auch α-Teilchen genannt) ist sehr schnell und besitzt deshalb eine hohe Energie, die ausreicht, um Luft zu ionisieren oder Schäden an Lebewesen zu verursachen.
• Veranschaulichung zum β-Zerfall:
   
  In Atomkernen mit zu vielen Neutronen (hier gelbe Kugeln) kann sich ein Neutron in ein Proton (rote Kugel) umwandeln. Wegen der Ladungserhaltung muss zusätzlich ein negatives Teilchen entstehen, ein Elektron, auch beta-Teilchen genannt, das sich mit großer Geschwindigkeit aus dem Kern entfernt. Da das Elektron nur etwa 1/1800 der Masse eines Protons bzw. Neutrons besitzt und sehr schnell ist, ist es auf dem rechten Bild nicht mehr zu sehen ;-)  Wer findet das neue Proton?
• γ-Strahlung : Beim α- und β-Zerfall bleibt der Kern in einem angeregten Zustand zurück; er besítzt Energie, die er nicht benötigt. Diese Energie kann in Form eines Energieklumpens abgegeben werden. Diese abgestrahlte Energiemenge wirkt wie ein Teilchen und wird γ-Teilchen genannt.

• Wiederholung zur Arbeit
• Kernzerfall
  
  Als Beispiel haben wir den Zerfall des Uran-235-Kerns in einen Barium- und einen Krypton-Kern kennengelernt.
• Der Zerfall wird ausgelöst durch ein Neutron, das auf den U-235-Kern trifft.
• Modell: Der Kern gerät in Schwingungen (wie eine "Wasserbombe" [mit Wasser gefüllter Luftballon]) und wird so instabil, dass er in zwei Kerne auseinanderbricht.
• Durch Nachrechnen der Protonen- und Neutronenanzahl haben wir gesehen, dass die Summe der Neutronen beim Barium- und Kryptonkern kleiner ist als beim Urankern.
  Daraus folgerten wir, dass zusammen mit dem einfallenden Neutron 3 Neutronen neben den größeren Bruchstücken frei werden.
• Da im Prinzip jedes auf einen Urankern treffende Neutron diesen Kern spalten kann, werden bei jeder Spaltung so viel Neutronen frei, dass danach 3 Kerne gespalten werden können.
  Diese Kettenreaktion kann in kurzer Zeit sehr viele Urankerne spalten: Zu Beginn 1 Neutron, dann 3, danach 9, danach 27, danach 81, danach 243, danach 729, danach 2187 usw.
  Im Mausefallen-Modell kann man erahnen, wie eine solche Kettenreaktion abläuft.

• Klassenarbeit 2

• Funktionsweise eines Kernkraftwerkes
• Schutz vor Radioaktivität:
  Abschirmung, Abstand halten, kurze Kontaktzeit, nicht essen, trinken, rauchen
• 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
• Links zum Thema natürliche und künstliche Radioaktivität: Kosmische Strahlung, terrestrische Strahlung, Eigenstrahlung, medizinische Anwendungen