Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2013/2014 - Physik 9d

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-Versuchgesehen:
  
  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.
  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.

2013-12-12

• Radioaktive Teilchen kommen aus dem Atomkern heraus.
  Man kann sie mit dem bloßen Auge nicht sehen und man kann sie nicht fühlen.
  Es wurden deshalb Nachweisgeräte gebaut, mit denen wir radioaktive Strahlen erkennen und messen können.
• Geiger-Müller-Zählrohr
  
  In einem Metallzylinder befindet sich isoliert ein Draht. Der Metallzylinder ist negativ, der Draht über einen Widerstand positiv geladen.
  Gelangen radioaktive Teilchen in den Zylinder, ionisieren sie die Luft, die Ionen wandern zum Zylinder und die Elektronen zum Draht.
  Solange die Elektronen noch nicht über den Widerstand abgeflossen sind, besteht eine Spannung am Widerstand, die dann in kurzer Zeit zurückgeht.
  Der angeschlossene Lautsprecher sendet ein Knackgeräusch aus.
  Diese Knacke kann man hören (und später s. u. auch zählen).
• Nebelkammer
  
  Die radioaktiven Teilchen ionisieren auf ihrem Weg die Luft.
  Die Ladungen wirken als Kondensationskeime, um die herum sich Wasser ansammeln kann.
  Der entstehende Nebel zeigt an, wo die Teilchen geflogen sind.
  Es gibt gleich lange kurze und gleich lange lange Bahnen.
  Die kurzen Bahnen gehören zu Teilchen geringerer Energie, die langen Bahnen zu Teilchen großer Energie.

2014-01-09

• Gesetzmäßigkeit des radioaktiven Zerfalls
  In eine Ionisationskammer (außen Metall, positiv geladen - innen Draht, negative geladen) wird ein radioaktives Gas geleitet (Radon-220).
  Durch die α-Teilchen, die beim Zerfall frei werden, wird die Luft ionisiert. Die geladenen Teilchen werden vom Draht und der äußeren Hülle angezogen und der dabei entstehende Strom wird gemessen. Die Stromstärke ist proportional zur Anzahl der Zerfälle.
  
  Im Laufe der Zeit nimmt die Stromstärke ab. Der Stromstärkenverlauf kann durch eine Ausgleichskurve angenähert werden:
  
  In den Graphen werden waagrechte Striche eingetragen, die jeweils die Hälfte der bisher vorhandenen Stromstärke angeben.
  Man sieht, dass die Hälfte einer Stromstärke immer nach derselben Zeitspanne erreicht wird: ca: 58 Sekunden.
  Man nennt diese Zeit "Halbwertzeit". Sie tritt immer dann auf, wenn ein Zerfall zufallsbedingt erfolgt, d, h. wenn zwar die Wahrscheinlichkeit für einen Zerfall konstant ist, man aber nicht sagen kann, wann genau ein einzelnes Atom zerfällt.
• Simulation eines radioaktiven Zerfalls:
  Wir haben ein 10x10-Feld erzeugt und mit x- und y-Koordinaten von jeweils 0 bis 9 bezeichnet. Die 100 freien Felder stellen 100 radioaktive Atome dar.
  Dann wird mit dem Taschenrechner "gewürfelt": MATH > PRB > RAND ergibt eine Zufallszahl der Form 0,xxxxxxxx , wobei die x für Ziffern zwischen 0 und 9 stehen.
  Teilt man diese Nachkommastellen in 2-er-Pakete auf, so erhält man zwei Koordinaten. Im Feld wird an diesen Koordinaten wird ein Kreuz eingetragen (das bedeutet, dass das Atom zerfallen ist), wenn dort noch keins steht. Dann wird notiert, wie viel Felder noch ohne Kreuz sind, also wie viele Atome noch übrig sind. Es ergab sich z. B. folgendes Ergebnis:
  
  Auch hier zeigt sich, dass jeweils nach gleich vielen Simulationen die Anzahl der noch nicht zerfallenden Atome halbiert wurde.

• α-, β- und γ-Strahlen
• Woraus bestehen diese "Strahlen"?
  α-Teilchen sind 2-fach positiv geladene Helium-Kerne,
  β-Teilchen sind 1-fach negativ geladene Elektronen und
  γ-Strahlen bestehen aus Licht hoher Energie.
• Wie kann man diese "Strahlen" voneinander trennen?
  Im Magnetfeld werden auf Grund ihrer Ladungen die α-Teilchen schwach (wegen der hohen Masse) zur einen Seite, die β-Teilchen stark (wegen der geringen Masse) zur anderen Seite und die γ-Strahlen gar nicht abgelenkt.
• Wie kann man sich vor den "Strahlen" schützen?
  Versuch:
  
  α-Teilchen werden schon durch Pappe oder Papier stark absorbiert,
  β-Teilchen werden von Metallen, z. B. Aluminium, stark absorbiert,
  γ-Strahlen benötigen Schutzmaterial aus Blei, damit sie merkbar geschwächt werden.
  Im Versuch haben wir gemessen:
  ohne Hindernis: etwa 3800 Zerfälle in 10 s
  mit Papier: etwa 3000 Zerfälle in 10 s
  mit Aluminium: 850 Zerfälle in 10 s
  mit Blei: 190 Zerfälle in 10 s
  Im Magnetfeld wurden 2800 Zerfälle in 10 s gemessen, weil geladene Teilchen zur Seite abgelenkt wurden und deshalb nicht das Zählgerät erreichten.
  Die Zählrate schwankt um plus/minus der Wurzel aus der Gesamtzählrate. Wir konnten das durch unsere Messungen bestätigen.
• α-Zerfall: 2 Protonen und 2 Neutronen schließen sich im Kern zu einem Heliumkern zusammen und verlassen den Kern.
• β-Zerfall: Im Atomkern wandelt sich 1 Neutron in 1 Proton, 1 Elektron (wegen der Ladungserhaltung) und 1 Antineutrino (wegen der Energie/Impuls-Erhaltung) um.
• γ-Zerfall: Beim α-Zerfall bleibt der ursprüngliche Atomkern oft in einem angeregten Zustand zurück. Diese überschüssige Energie wird dann als Gammateilchen ausgesendet.

2014-02-07

• Versuch zur Halbwertsdicke
  
  Zwischen das Radium-Präparat und das Zählrohr werden Aluminiumplatten gestellt, die einen Teil der Strahlung absorbieren.
  Es wird die Zählrate in Abhängigkeit von der Aluminiumdicke d (in mm) registriert.
  Die Messzeit betrug jeweils 10 s. Genauere Ergebnisse erhält man, wenn man länger misst oder mehrere Messungen zu einer einzigen zusammenführt.
  So haben wir hier jeweils 3-mal 10 s gemessen. Das bedeutet eine effektive Zählzeit von 30 s.
  Der besseren Übersichtlichkeit halber hier keine Taschenrechner-Screenshots.
  Auf dem Taschenrechner würde man folgendes eingeben bzw. berechnen lassen:
  L1: Dicke der Aluminiumplatten
  L2 bis L4: 3 Messzeiten zu je 10 s.
  L5: Mittelwert der Messzeiten
  
  Diagramm: Zählrate in Abhängigkeit von der Alu-Dicke
  
  Man sieht, dass nach einer sehr hohen Zählrate die weiteren Werte etwa um den Faktor 10 niedriger liegen.
  Das kommt daher, dass ohne Aluminium-Absorber auch α-Strahlen registriert werden.
  In der 1-mm-Aluschicht werden dann alle α-Strahlen absorbiert. Es bleiben nur noch β- und γ-Strahlen übrig.
  Zur besseren Untersuchung dieses Restes wird der Maßstab der senkrechten Achse neu eingestellt:
  
  Hier zeigt sich eine Abnahme der Zählrate, allerdings bleibt dann die Zählrate knapp unter 200 konstant.
  Das liegt daran, dass die γ-Strahlen fast ungehindert durch das Aluminium dringen können.
  Durch Subtraktion von 195 (dem Anteil der γ-Strahlen) bleibt der Einfluss der β-Strahlung übrig und kann untersucht werden.
  
  Trägt man nach jeweils der halben Zählrate senkrechte Linien in das Diagramm, so erkennt man, dass die Strahlung jeweils bei Anwachsen der Dicke um einen bestimmten Wert auf die Hälfte abnimmt.
  Diese sogenannte Halbwertsdicke beträgt bei unserem Versuch mit Aluminium und Radium etwa 2,5/4 mm, also etwa 0,6 mm.
• Gleichung zur Berechnung der Zählrate in Abhängigkeit von der Absorberdicke:
  
  Dabei bedeutet N(d) die Zählrate bei der Absorberdichte d, N(0) die Zählrate ohne Absorber, d die Absorberdicke und d_0,5 die Halbwertsdicke.

• 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 nachunten) 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).
  
• Nuklidkarte
  
• 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 weg fliegende 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 1/1800der 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.
• In der Nuklidkarte kann man die Änderung des bei den Zerfällen betroffenen Atomkerns verfolgen:
   

2014-02-21

• Kernzerfall, Kernspaltung, Kernkraftwerk, Atombombe

2014-02-28

• 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

2014-03-07

• Kernkraftwerksunfall in Tschernobyl (Dokumentar-Film)
  dazu: ausführliche Darstellung des Deutschen Atomforum e. V.

2014-03-14

• Kontrollfragen zum Thema Atom- und Kernphysik

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