Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2014/2015 - Physik 10e

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.
• Neben der Strahlung von 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.

2014-09-22

• 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.
• Simulation zum radioaktiven Zerfall
  Radioaktive Atome senden ein oder mehrere Teilchen aus und wandeln sich dabei in ein anderes Atom um.
  Der genaue Zeitpunkt dieses Zerfalls lässt sich nicht berechnen.
  Der Zerfall geschieht völlig zufällig ohne eine bestimmte Ursache.
  Zwar kann man feststellen, welche Atome zerfallen können und man kann auch sagen, wie der Zerfall abläuft, aber der genaue Zeitpunkt bleibt unbekannt.
  Als Simulation haben wir ein 10x10-Feld mit den Koordinaten (0,0) bis (9,9) bereitgestellt und dann "gewürfelt" (den Taschenrechner mit dem Befehl rand() Zufallszahlen mit 10 Nachkommastellen berechnen lassen). Der Reihe nach werden die Nachkommaziffern abwechselnd als x- und als y-Koordinate interpretiert:
  
  In diesem Beispiel sind die Punkte (9,4), (3,5), (9,7), (4,0) und (2,5) gewürfelt worden.
  Die 100 Felder stellen radioaktive Atome eines Elementes dar.
  Die Felder (also die Atome) mit diesen Koordinaten werden angekreuzt und sind zerfallen.
  Man zählt die zerfallenen Atome (Felder, die schon angekreuzt waren, zählen nicht mit) und subtrahiert diese Zahl von der Menge der vorhandenen Atome.
  Schließlich werden die Anzahlen der Atome in Abhängigkeit von der Nummer des zugehörigen Würfelwurfs in einem Diagramm abgetragen:
  
  
• Weitere Auswertung in der nächsten Stunde.

2014-09-29

• Die Versuchsauswertung des Würfel-Versuchs aus der letzten Stunde hat uns gezeigt, dass jeweils nach 12 bis 14 Würfen (alle haben separat gearbeitet und trotzdem das gleiche Ergbenis erhalten!) nur noch doe Hälfte der freien Felder vorhanden ist.
  Das ist unabhängig von der Wahl des Würfelwurfs und von der Ausgangsmenge der Felder!
  Für diesen Würfelversuch gilt: Die Halbwertwürfelmenge beträgt etwa 13 Würfe (d. h. nach jeweils etwa 13 Würfen ist nur noch die Hälfte der freien Felder vorhanden).
  Ein ähnliches Ergebnis erhalten wir beim folgenden Versuch:
• Gesetzmäßigkeit des radioaktiven Zerfalls
  In eine Ionisationskammer (außen Metall, positiv geladen - innen Draht, negative geladen) wird ein radioaktives Gas geleitet (Radon-220).
  Durch die 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.

2014-10-06

• 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.
• 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?
  Zwischen 2 unterschiedlich (+ und -) geladenen Metallplatten 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 2100 Zerfälle in 1 s
  mit Papier: etwa 1100 Zerfälle in 1 s
  mit Aluminium: 250 Zerfälle in 1 s
  mit Blei (dünne Folie): 80 Zerfälle in 1 s
  mit Blei (dickere Platte): 40 Zerfälle in 1 s
  mit Blei (sehr dicke Platte): 20 Zerfälle in 1 s
  mit Blei (5 cm dickes Blei)
  
• 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.
• In der Nuklidkarte kann man die Änderung des bei den Zerfällen betroffenen Atomkerns verfolgen:
   

2014-10-13

• 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 einer Elektronenablenkröhre haben wir gesehen, dass durch Magnetfelder Elektronen auf ihrer Bahn abgelenkt werden.
   
  Links fliegen die Elektronen nach ihrem Austritt aus einer Glühwendel und einer Beschleunigungsstrecke zwischen einer negativ und einer positiv geladenen Platte geradeaus zum Fluoreszenzschirm.
  Im Innern der Röhre kann man den Weg des Elektronenstrahls sehen, weil Neongas in der Röhre durch auftreffende Elektronen zum Leuchten angeregt wird.
  Wird von oben der Nordpol eines Stabmagnets genähert, so weicht der Elektronenstrahl nach rechts aus und trifft auf die Glasfläche des Kolbens. Dort wird das Glas zu einem grünen Leuchten angeregt.
• Die Richtung, in der negativ geladene Teilchen in einem Magntefeld abgelenkt werden, kann man mit der Linken-Hand-Regel feststellen:
  der Daumen zeigt in Richtung der Elektronenflugbahn
  der Zeigefinger zeigt in Richtung des Magnetfeldes (vom Nordpol weg bzw. zum Südpol hin)
  der Mittelfinger zeigt in die Richtung der wirkenden Kraft
  Die Finger müssen jeweils senkrecht zueinander stehen.
• Durch die ständige Kraft senkrecht zur Flugbahn werden die Elektronen auf eine Kreisbahn gelenkt.
  Auch die α-Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt, das sie aber eine vielfache Masse der Elektronen besitzen, ist die Ablenkung nur sehr schwach.
  Wir konnten an der Zählung des Messgerätes (jeweils 10s) ablesen, dass beim Vorhandensein eines Magnetfeldes die Zählrate bei Elektronen abnimmt, bei α-Strahlen aber nicht merkbar.

2014-10-20

• Wiederholung zur Mathematikarbeit (u. a. exponenzielles Wachstum)
• Anwendung von Exponenzialfunktionen in der Physik:
  
  Die von einem Radium-Präparat ausgesendeten β-Strahlen werden durch dünne Aluminiumplaten (Dicke 0,1 mm) teilweise absorbiert.
  Abhängig von der Anzahl der Aluplättchen wird die Zählrate gemessen:
  
  Auswertung mit dem Taschenrechner: exponenzielle Regression
         
  Nun wählt man mit dem Cursor einen ersten Punkt des Graphen aus und sucht einen zweiten Punkt, der den halben y-Wert besitzt:
     
  Die x-Werte der beiden Punkte unterscheiden sich um etwa 3,3.
  Diesen Wert erhält man, ganz gleich, wo man den ersten Punkt auch setzt.
  Die Halbierung der Zählrate tritt nach jeweils 3,3 Lagen Alufolie ein bzw. einer Dicke von 0,33 mm.
  Diese Dicke nennt man "Halbwertdicke". Sie ist charakteristisch für das jeweilige Nuklid und für den Absorber.
  Man könnte statt der Basis 0,81 in der Funktionsgleichung auch 0,5 schreiben, müsste dann aber im Exponenten die Halbwertdicke in den Nenner setzen:
  
  Die Funktionsgleichung kann man dann auf 2 Weisen schreiben, wobei x die Dicke der Aluscheiben und y die Zählrate angeben:
   

2014-11-24

• 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.
  Kernkraftwerke sind eine friedliche, wenn auch nicht unumstrittene, Anwendung der 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

2014-12-01 und 2014-12-08

• Wiederholung zur Klassenarbeit

2014-12-15

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]