Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2011/2012 - Physik 9f

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.
• Der Öltröpfchenversuch erlaubt herauszufinden, wie groß etwa ein Atom ist.
  
  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 11cm. Das Öl hatte ein geschätztes Volumen von der Größenordnung 0,1mm³.
  Die Kreisfläche besitzt dann den Flächeninahlt π·11²cm²≈380cm².
  Das Volumen des Öltröpfchens beträgt dann also 380cm²·h=0,1mm³.
  Daraus ergibt sich h zu h=0,1mm³/380cm²=0,1mm³/38000mm²=2,6·10^-6mm=2,6·10^-9m.
  Das ist tatsächlich die Größenordnung vom Durchmesser eines Atoms.
• Mit einem Messgerät haben wir gefunden, dass überall im Klassenraum Radioaktivität vorhanden ist.
  In den nächsten Stunden werden wir besprechen, woraus diese Strahlung besteht, wie man sie messen kann und wie sie auf Lebewesen wirkt.

• Rückgabe der Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]
• Eigenschaften der radioaktiven Strahlung im Überblick:
  

• Film zur Reaktorkatastrophe in Tschernobyl

• 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.
  
  
• Die Spuren von Alpha-Teilchen haben wir in einer Nebelkammer beobachtet.
  
  
• 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.
• Wir haben alle 10 s die Stromstärke am Messgerät abgelesen. Hier die Messwerte :
  
  Auswertung in der nächsten Stunde.

• Auswertung des Versuchs mit der Ionisationskammer
  
  Im Unterricht wurde die Auswertung in Handarbeit mit Papier und Bleistift erledigt, hier mit dem Programm Cassy der Firma Leybold, das kostenlos herunterzuladen ist und für Auswertungszwecke sehr gut einsetzbar ist.
  In der linken Spalte ist die Messzeit notiert, die auf der waagrechten Achse abgetragen wird.
  Die rechte Spalte enthält die Größe des Ionisationsstroms in beliebigen Einheiten (Skalenteile). Diese Werte werden auf der senkrechten Achse abgetragen.
  Für eine genauere Auswertung wird eine Ausgleichskurve (Exponenzialkurve) eingefügt.
• Nun werden waagerchte Linien bei 6, 3, 1.5 und 0.75 auf der senkrechten Achse eingezeichnet. Es liegen nun Markierungen vor für jeweils eine halbierte Stromstärke.
  Durch die entstehenden Schnittpunkte mit der Ausgleichskurve werden senkrechte Linien gezeichnet, die auf der waagrechten Achse markieren, zu welchen Zeitpunkten sich die Stromstärke jeweils wiederhalbiert hat.
  Die Abstände zwischen den senkrechten Linien werden ausgemessen und als "Differenz" notiert.
• Man sieht: Nach jeweils gleich großen Zeitintervallen halbiert sich jeweils die Ionisationsstromstärke. Diese Zeitdifferenz nennt man Halbwertszeit.
• Wir haben alle von Euch ermittelten Halbwertszeiten notiert
  59,8 | 52,0 | 55,3 | 58,0 | 58,0 | 55,3 | 63,0 | 63,7 | 50,6 | 55,0 | 60,0 | 58,7 | 59,3 | 58,7 | 61,3
  und daraus den Mittelwert bestimmt:
  868,7/15=57,9
  Das untersuchte radioaktive Gas Rn-220 hat also eine Halbwertszeit von etwa 58 Sekunden (in der Literatur wird 55,6 s angegeben).
• In einem ersten Kennenlernen der Nuklidkarte haben wir das Isotop Rn-220 gesucht und die Angabe zur Halbwertszeit mit unserem Ergebnis verglichen.

• 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.
• 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).
  
• 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 zu den radioaktiven Zerfällen.
• Wiederholung zur Halbwertszeit und Übertragung der Erkenntnisse auf den Begriff Halbwertsdicke.
  Entwicklung der Formeln
  
• Film über kontinuierliche Nebelkammer
  α-Strahlen: Dicke, gerade, kurze Spuren, die vom Magnetfeld fast nicht beeinflusst werden. Strahlen werden von Papier absorbiert.
  β-Strahlen: Dünne, lange Spuren, die durch ein Magnetfeld gekrümmt werden. Strahlen durchdringen Papier.
  Die Nebelkammer wird mit Trockeneis und Alkohol betrieben.
  Auch bei Awesenheit eines Präparats sieht man Spuren: Radioaktive Hintergrundstrahlung - Nulleffekt.

• 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.
• C-14-Methode zur Altersbestimmung

• Kernzerfall, Kernspaltung, Kernkraftwerk, Atombombe
• Beginn: Somatische und genetische Schäden bei Einwirkung von Radioaktivität.

• 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
• Link zur Strahlenbelastung
  

• Strahlenschutz-Regel mit den 5 A:
• Abstand: möglichst großen Abstand von der Strahlenquelle einhalten
• Abschirmung: geeignete Abschirmungen verwenden (α-Strahlen: Papier reicht, β-Strahlen: Metall, γ-Strahlen: Blei)
• Aufenthalt: nur kurze Zeit in der Nähe der Strahlenquelle verbringen
• Aktivität: wenn möglich, radioaktive Stoffe mit geringer Halbwertzeit verwenden
• Aufnahme: keine radioaktive Stoffe in den Körper gelangen lassen, also beim Umgang mit radioaktiven Stoffen nichts essen, trinken und (sowieso!) nicht rauchen

• Wiederholung zur Klassenarbeit 2

• Klassenarbeit 2

• Besprechung und Rückgabe der Klassenarbeit 2 [ Aufgaben | Lösungen ]
• Informationen zum Venustransit und zu Sonnenbeobachtungen
  Videos zum Venustransit