Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2012/2013 - Physik 9e

Atom- und Kernphysik

• Eure Vorstellungen, die Ihr von Atomen mit in den Unterricht gebracht habt, waren schon in weiten Bereichen richtig.
  Wie klein Atome sind, haben wir im Öltröpfchen-Versuch gesehen:
  
  Auf eine mit Lycopodium bestreute Wasserfläche wird ein Öltröpfchen gesetzt.
  Sofort bildet sich eine etwa kreisförmige freie Fläche aus.
  Das Öltröpfchen dehnt sich aus und drängt dabei das Lycopodium zurück.
  Dass die Fläche nicht unbegrenzt groß wird, erklärt man sich so, dass die Höhe nicht kleiner sein kann als ein Ölmolekül.
  Ein Modell dazu waren die Bälle in einem Aquarium, die ausgeschüttet keine beliebig große Fläche bedecken können, da der Durchmesser einer Kugel die kleinste Erhebungsein muss.
  
  Rechnung zum Versuch:
  Die Kreisfläche hat einen Durchmesser von etwa 15cm. Das Öl hatte ein geschätztes Volumen von der Größenordnung 0,1mm³.
  Die Kreisfläche besitzt dann den Flächeninahlt π·7,5²cm²≈177cm².
  Das Volumen des Öltröpfchens beträgt dann also 177cm²·h=0,1mm³.
  Daraus ergibt sich h zu h=0,1mm³/177cm²=0,1mm³/17700mm²=5,6·10^-6mm=5,6·10^-9m.
  Das ist tatsächlich die Größenordnung einiger Atome.

• 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.
• Neben dem Versuch mit den radioaktiven Glühstrümpfen 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.

• Bei Messungen der Radioaktivität haben wir bemerkt, dass der radioaktive Zerfall anscheinden völlig zufällig passiert.
  Es lässt sich auch bei sorgfältiger Beobachtung über längere Zeit nicht vorhersagen, wann der nächste Atomkern zerfällt.
  Wie bei einem zufälligen Zerfall die Abnahme der Atome erfolgt, die noch zerfallen können, haben wir in einem Modell simuliert:
  Es wird jeweils eine Zahl zwischen 00 und 99 gewürfelt
  [mit dem Taschenrechner: MATH > PRB > 5:randInt( > randInt(0,99) und dann immer wieder ENTER]
  und dann auf einem 10x10-Feld die gewürfelte Zahl angekreuzt.
  Falls eine "angekreuzte" Zahl gewürfelt wird, wird nichts notiert.
  Nach jedem Würfeln wird die noch vorhandene Anzahl freier Felder notiert.
  Das Ergebnis sah in allen Gruppen etwa gleich aus. Hier ein Beispiel:
  
  Die Kurve fällt erst stark ab und dann schwächer, weil dann weniger Felder vorhanden sind, die noch angekreuzt werden können.
  Einen ähnlichen Kurvenverlauf werden wir demnächst bei einem Versuch mit radiooaktiver Strahlung sehen.
• Beim Versuch mit einem Radium-Präparat haben wir gesehen, wie man sich vor radioaktiver Starhlung schützen kann.
  
  α-Zerfall: Papier/Pappe
  β-Zerfall: Metall
  γ-Zerfall: Blei
  Wir haben die Zerfallsbezeichnungen α, β und γ einfach so zur Unterscheidung benutzt und werden demnächst sehen, was man genau darunter versteht.

• α-Teilchen sind Heliumkerne, die aus 2 Protonen und aus 2 Neutronen bestehen.
  Die vier Teilchen bilden einen festen Zusammenschluss und verlassen gemeinsam einen Atomkern wie z. B. Uran.
• β-Teilchen sind Elektronen.
  In einem Atomkern kann sich ein Neutron in ein Proton umwandeln.
  Da das Neutron neutral ist, das Proton aber positiv geladen, muss gleichzeitig ein Teilchen entstehen, das negativ geladen ist, damit sich nach dem Vorgang die Ladung nicht geändert hat. Außerdem entsteht zusätzlich noch ein Antineutrino.
  
  
• γ-Teilchen sind Photonen (Licht) sehr hoher Energie.
• In der Nuklidkarte kann man die Änderung des bei den Zerfällen betroffenen Atomkerns verfolgen:
  
• Radioaktiver Zerfall geschieht zufällig, aber nicht ohne bestimmte Regeln.
  Im Versuch haben wir immer wieder 10 s lang die Zerfälle eines Radium-Präparates gemessen.
  
  Erster Schritt der Auswertung: Graphische Darstellung aller 10s-Ergebnisse:
  
  Man sieht, dass die Messpunkte um einen Mittelwert herum streuen.
  Um diesen Sachverhalt deutlicher zu machen, werden für jeden Zeitpunkt die Mittelwerte aller bis zu diesem Zeitpunkt ermittelten Messergebnisse berechnet und graphisch dargestellt:
  
  Formeln in den Spalten C und D:
  
  Der Graph zeigt, dass die Mittelwerte sich im Lauf der Zeit immer mehr angleichen und anscheinend einem festen Wert zustreben.
  Man sieht: Den einzelnen radioaktiven Zerfall kann man nicht vorhersagen, aber man kann die durchschnittliche Zerfallsanzahl pro Zeitraum vorhersagen.

• Physikalische Aufarbeitung des Stratosphären-Rekordsprungs von Felix Baumgartner.
• Temperaturprofil
  
• Form des Ballons in unterschiedlichen Höhen
• Gewichtskraft, Luft-Reibungskraft, Geschwindigkeitsdiagramm
• Siehe auch folgende Links: Text , Text+Video , Video , Video , Leifi-Artikel
• Anleitung zur Simulation des Falls mit einer Tabellenkalkulation:
  auf dieser Seite "500-13126 Excel_Tabellenblatt_Fallschirmsprung" anklicken.
  
• Absorption radioaktiver Strahlung in Materie
  
  Die Strahlung eines Radium-Präparates wird registriert, indem Aluminiumplättchen unterschiedlicher Dicke zwischen Präparat und Zählrohr gehalten werden.
  Für jede Absorberdicke werden 5 Messungen durchgeführt und dann der Mittelwert dieser Messergebnisse als Messgröße benutzt:
  
  Man erkennt, dass bei zunehmender Dicke die Zählrate abnimmt.
             
  Die Auswertung werden wir nach den Ferien durchführen.

• Auswertung des Versuchs vom 2012-10-19:
• Die Kurve zeigt erwartungsgemäß ein Abfallen der Zählrate bei dicker werdendem Absorber.
• Der große Unterschied in der Zählrate zwischen d=0,0 und d=0,5 (im Gegensatz z. B. zu d=0,5 und d=1,0) fällt auf.
  Deutung: Da Radium α-, β- und γ-Strahlung aussendet, könnte der hohe Wert bei d=0 daher kommen, dass der Anteil der α-Strahlen noch mitgemessen wird.
  Schon durch eine dünne Platte der Stärke 0,5 mm wird aber dieser Anteil dann restlos weggefiltert.
• Ab d=4mm ändert sich die Zählrate nicht mehr nennenswert. Der "Grenzwert" liegt aber eindeutig über 0.
  Deutung: Mit einem Aluplättchen der Stärke 4mm wird praktisch der gesamte β-Anteil herausgefiltert.
  Übrig bleiben γ-Strahlen, die durch Aluminium nicht nennenswert geschwächt werden.
• Untersuchung des Bereichs zwischen d=0,5 und d=4,0:
  Die Messwerte werden dazu um 100 verringert (Anteil der γ-Strahlung):
  
  Eingetragen sind sind eine Ausgleichsgerade und rote senkrechte Striche, zunächst an der Stelle, an der die Zählrate 200 beträgt, dann dort, wo sie 100 beträgt, dann bei 50, 25, 12,5, also immer wieder jeweils nach der Hälfte der Zählrate.
  Man kann gut erkennen, dass die roten Linien (fast alle) den gleichen Abstand voneinander haben.
  Man nennt diesen Abstand "Halbwertdicke". Das ist die Dicke eines Stoffs, die die Hälfte der Strahlung absorbiert, ganz gleich, von welcher Intensität man ausgeht.
• Die Auswertung des Versuchs mit der Ionisationskammer zeigt ein ähnliches Ergebnis:
  
  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.
• Das untersuchte radioaktive Gas Rn-220 hat also eine Halbwertszeit von etwa 58 Sekunden (in der Literatur wird 55,6 s angegeben).

• Wiederholung (vor allem für die Frankreichfahrer) vom 2012-10-12 zum Thema α-, β- und γ-Zerfall.
  Sehr gut der Artikel über Nuklidkarten!
  
• Manchmal bildet sich nicht nur ein Kernteilchen um oder es treten einzelne Teilchen aus dem Kern aus, sondern der ganze Kern zerbricht in 2 etwa gleich große Teile. Man spricht dann von Kernspaltung.

• 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 1

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]
  

• Möglichkeiten und Gefahren der Kernenergie
• Film zur Reaktorkatastrophe in Tschernobyl