Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2015/2016 - Physik 10c

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 20cm. Das Öl hatte ein geschätztes Volumen von wesentlich weniger als 1mm³.
  Die Kreisfläche besitzt dann den Flächeninahlt π·10²cm²≈314cm².
  Das Volumen des Öltröpfchens beträgt dann also 314cm²·h<=1mm³.
  Daraus ergibt sich h zu höchstens h=1mm³/314cm²=1mm³/31400mm²=3,2·10^-5mm=32·10^-9m.
  Damit ist man tatsächlich schon fast bei der Größenordnung einiger Atome (Literaturwert: 10^-10m).

2015-09-14

• 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 und den Wikipedia-Artikel zu den Radium-Girls.

2015-09-21

• 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.
• 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
• Messung: Wie ändert sich die Zählrate, wenn sich der Abstand des Präparates vom Messgerät ändert?
  Für verschiedene Abstände wurde die Zählrate pro 1 Sekunde gemessen.
  Messwerte:
  
  Hausaufgabe: Auswertung der Messreihe.

2015-09-28

• Auswertung der Messreihe aus der letzten Stunde:
  
  Der Graph deutet auf eine Potenzfunktion hin. Eine entsprechende Regression liefert
  
  Für kleine Abstände ist die Übereinstimmung mit der Regressionskurve nicht so gut (wir werden später sehen, warum).
  Deshalb werden nun nur Werte ab 3cm Abstand berücksichtigt:
  
  Es ergibt sich eine Abhängigkeit Zerfälle~1/Abstand².
  Die Anzahl der Zerfälle nimmt also quadratisch mit dem Abstand ab.
  Das ist auch gut zu verstehen, wenn man davon ausgeht, dass die radioaktive Strahlung von einer zentralen Stelle in alle Richtungen ausgesandt wird.
  Beim Tageslichtprojektor ist es genau so: Bei doppeltem Abstand wird eine 4-mal so große Fläche bestrahlt. Die Intensität nimmt also auf 1/2²=1/4 ab.
  

2015-10-05

• 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.
• 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:
  
• 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.

2015-10-12

• Mündliche Note (parallel dazu Literatur über Elementarteilchen und Film über Kernkraftwerkskatastrophe in Tschernobyl)

2015-11-17

• 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 (Exponentialfunktion) angenähert werden:
  
  Auf Grund eines Fehlers im Verstärker konnte der Nullpunkt nicht korrigiet werden und liegt bei -4V.
  
  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.
• Themen für die Klassenarbeit:
• Atom- und Kernphysik
• Öltröpfchenversuch - Größenordnung eines Atoms
• Atomaufbau (Elektronen, Protonen, Neutronen, Quarks)
• Radioaktivität (Uhr, Glühstrumpf)
• Art der α-, β-, γ-Teilchen
• Ablenkung von α-, β-, γ-Teilchen im elektrischen Feld
• Schutz vor Radioaktivität - Abschirmung
• Nebelkammer
• Geiger-Müller-Zählrohr
• Nuklidkarte
• Messung: Abnahme der Zählrate mit dem Abstand
• Messung mit der Ionisationskammer: Halbwertzeit eines radioaktiven Präparates

2015-11-24

• Wiederholung zur Klassenarbeit

2015-12-01

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]

2015-12-08

• 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

2015-12-15

• Kurzer Einblick in die Fusionsforschung (siehe auch bei Scilogs und Max-Planck-Institut und Forschungszentrum Jülich und Wikipedia)
  Aktuell: Wendelstein 7-X in Greifswald hat seine erste Betriebsphase aufgenommen.
• Bezugssysteme
• In der Kinematik beschäftigt man sich mit der Beschreibung von Bewegungen.
  Wichtig ist, dass dabei ganz klar wird, aus welchem Bezugssystem heraus man diese Beschreibung vornimmt.
  Dass dabei Unterschiede in der Beobachtung auftreten, haben wir an mehreren Beispielen gesehen.
• Die Bahnen der Planeten sehen vom Standpunkt der Sonne aus betrachtet näherungsweise aus wie Kreise, von der Erde aus bewegen sich die Planeten eher auf Schleifenbahnen.
• Der Mars wird von 2 Monden umrundet, die sich in die gleiche Richtung wie der Mars selbst drehen.
  Da aber der eine Mond sich schneller als der Mars und der andere langsamer als der Mars dreht, sieht es vom Mars so aus, als würden sich die Monde in entgegengesetzte Richtung drehen.
• Fällt in einem Zug ein Gegenstand herunter, so sieht es im Zug so aus, als würde er (fast) senkrecht nach unten fallen. Vom Bahnsteig aus würde man aber den fallenden Gegenstand auf einer gekrümmten Kurve fallen sehen.
• Von der Erde aus gesehen scheint sich der Mond nicht zu drehen, da wir immer dieselbe Seite des Mondes sehen. Vom Standpunkt außerhalb der Erde, z. B. seitlich des Sonnensystems, wird klaar, dass der Mond sich doch dreht, nämlich 1-mal in 1 Monat. 
• Vom Mond aus gesehen scheint die Erde einen festen Platz am Himmel zu haben. Lediglich das Aussehen der Erde ändert sich, da sie sich in 24 einmal um sich selbst dreht.