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Atome
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| Zusammenfassung | ||
| Fachbereich: | Physik | |
| Woerter | 2900 | |
| Kurzbeschreibung | Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 - Atome 1.1 Atome 1.2 Quarks 1.3 Isotope Kapitel 2 - Ra... | |
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AtomeInhaltsverzeichnis Kapitel 1 - Atome 1.1 Atome 1.2 Quarks 1.3 Isotope Kapitel 2 - Radioaktivität 2.1 Strahlungsarten 2.2 Der radioaktive Zerfall am Beispiel desUrans 2.3 Ionen Kapitel 3 - Kernspaltung 3.1 Entdeckung 3.2 Die Kernspaltung am Beispiel des Uran 3.3 Kettenreaktion 3.4 Anreicherung Kapitel 4 - Kernfusion 4.1 Kernfusion Kapitel 5 - Kernwaffen 5.1 Atombombe 5.2 Wasserstoffbombe 5.3 Cobaltbombe 5.3 Neutronenbombe Anlagen Abb. 1 - Das Atommodell Abb. 2 - Uran ( U-238 ) Abb. 3 - Strahlung Abb. 4 - Abschirmung Abb. 5 - Zerfall von Uran Abb. 6 - Halbwertszeit Abb. 7 - Kernspaltung Abb. 8 - Kettenreaktion Abb. 9 - Kernfusion Abb. 10 - Schema einer A-bombe Abb. 11 - Zerstörungskraft eine A-Bombe Quellen Kapitel 1 - Atome 1.1 AtomeAbb. 1 aus dem gr. von atomos- unteilbar;unteilbarer Urstoff. Der Philosoph Demokrit nahm schon vor 2000Jahren an, daß alle Materie aus kleinsten, nicht mehr teilbarenTeilchen bestehe. 1803 wurde diese Atomtheorie vomEngländer John Dalton erweitert. Er entdeckte, daß es Stoffe gibt, dienur aus einer Atomsorte bestehen. Man nennt sie chem. Elemente ( z.B.Gold, Sauerstoff und Eisen ). Die Atome haben unterschiedlicheMassen. Heute findet man häufig folgendeDefinition des Atombegriffs: " Ein Atom ist der kleinste Baustein eineschem. Grundstoffes oder Elements, der ohne Verlust der typischenEigenschaften dieses Elements nicht mehr geteilt werden kann." Um ein Beispiel zu nennen wie groß Atomesind: a) Alle 5 Milliarden Menschen die z.Zt. aufder Erde leben, würden, wenn ein Mensch so großwie ein Atom wäre, eine etwa 50 cm lange Kette bilden. oder b) Wenn der Atomkern die Größeeiner Kirsche hätte, dann wäre ein ganzes Atom so groß wie derKölner Dom. 1913 entwickelte der dänische PhysikerNils Bohr ein neues Atommodell, das auch heute noch derWirklichkeit sehr nahe kommt. Danach ist ein Atom ähnlich aufgebaut wieein Sonnensystem, d.h. um den massereichen Atomkern kreisen ingroßem Abstand die Elektronen. Das heutige Atombild: Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einerAtomhülle. Dabei ist der Kern positv und die Hülle negativgeladen. Dabei trägt der Atomkern fast die gesamte Masse des Atoms. Erist aufgebaut aus Protonen und Neutronen, die jeweils fast 2000mal schwerer sind als die Elektronen, aus der die Atomhüllebesteht. Das Proton hat die positiveelektrischeLadung, die den gleichen Wert besitzt wie die negative des Elektrons.Das Neutron jedoch ist elektrisch neutral. Den Wert der elektrischen Ladung des Protonsoder Elektrons nennt man Elementarladung. Protonen und Neutronen werden oftzusammenfassend als Nukleonen bezeichnet und bestehen ihrerseits aus nochkleineren Teilchen, den Quarks. 1.2 Quarks Lange Zeit glaubte man, daß dieNukleonen "Elementarteilchen", ähnlich wie das Elektronen nicht mehrteilbar seien und auch keine innere Struktur hätten. Sie sind jedochaus noch kleineren Teilchen, den sogenannten "Quarks" aufgebaut.Sie kommen in der Natur nie als freie unabhängige Teilchenvor. Heute kennt man sechs verschiedeneQuarks. Diezwei, für die normale, stabileMaterie wichtigen sind: das u-Quark ( von eng. "up" ) und dasd-Quark ( von eng. "down"). Drei Quarks bilden jeweils einNukleon. Die jeweiligen elektrischenLadungen: u-Quark = + 2/3 d-Quark= -1/3 Elektron = - 1 Aufbau der Nukleonen: Protonen = 2 u-Quarks + 1 d-Quark ( 2/3 +2/3 - 1/3 = +1 ) Neutronen = 2 d-Quarks + 1 u-Quark ( - 1/3 -1/3 + 2/3 = 0 ) Die Menschen, die Erde, das ganzeMilchstraßensystem sind praktisch aus drei Grundbausteinenaufgebaut: u-Quarks, d-Quarks undElektronen. Beispiel: Ein 30-kg schweres Kind bestehtaus: 2.8 * 10^28 u-Quarks, 2,6 * 10^28 d-Quarksund 10^28 Elektronen, wobei 10^28 eine 1 mit 28 Nullenist. Die Quarks bilden Nukleonen, dieseschließen sich zu Atomkernen zusammen. Kerne und Elektronen vereinigen sich zu Atomen, diese fügen sich zu kleinen oder riesigen Molekülen wieWasser oder Eiweiß zusammen.Milliarden von Molekülen bildenunsere Körperzellen, von denen ein Mensch viele Billionenbesitzt. 1.3 IsotopeAbb. 2 Die Atome eines Elements haben alle diegleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, können sichtrotzdem aber voneinander unterscheiden. Sie haben dann im Kernunterschiedliche Neutronenzahlen. Allgemein bezeichnet man Atome mit gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicherNeutronenzahl als Isotope eines bestimmtenElements. Uran kommt in der Natur z.B. mit 234, 235 und238 Nukleonen vor. Urankerne besitzen alle 92 Protonen. Die 3Uranisotope haben daher 142 ( 234 - 92 ), 143 und 146 Neutronen inihren Atomkernen. Man bezeichnet sie als U-234, U-235 undU-238. Die Gesamtzahl der Nukleonen eines Isotopswird als Massenzahl, die Zahl der Protonen als Ordnungszahl oderKernladungszahl bezeichnet. U-235 hat also die Massenzahl 235und die Ordnungszahl 92. Gleichnamige Ladungen stoßen sichbekanntlich ab, ungleiche ziehen sich an. So halten die positiven Atomkerne dienegativen Elektronen fest und zwingen sie auf ihreKreisbahnen. Da die meisten Atomkerne aus mehrerenProtonen bestehen, müßten sie dahereigentlich zerplatzen. Wie ist es z.B. möglich, daß beimKohlenstoffkern 6 positive Protonen auf engstem Raum zusammenbleiben? Dasliegt daran, daß zwischen den Nukleonen eine noch vielgrößere Kraft, die sog. Kernkraft wirkt, allerdings nur, wenn dieNukleonen einen sehr kleinen Abstand voneinanderhaben. Kapitel 2 -Radioaktivität 2.1 StrahlungsartenAbb. 3 Nicht alle chem. Elemente sind stabil. AlleElemente mit einer höheren Ordnungszahl als 80 und einigeIsotope zerfallen, wobei die Atomkerne einen Teil ihrer Masse in Formvon Strahlung abgeben. Man unterscheidet 3 Arten vonStrahlung: 1. Alpha - Strahlung Sie besteht aus Heliumkernen, die aus 2Neutronen und 2 Protonen bestehen. Daher ist die Strahlungpositiv. 2. Beta - Strahlung Sie besteht aus Elektronen und ist dahernegativ. Diese Elektronen entstehten dadurch, daß sich Neutronenumwandeln. 3. Gamma - Strahlung Sie besteht aus energiereichen masselosenStrahlungsteilchen bzw. Quanten( Energiepakete ), wie z.B. auch beimLicht. Entdeckt wurde die Radioaktivität 1896vom franz. Physiker Henri Becquerel und wurde vom Ehepaar Pierre undMarie Curie genauer untersucht. B. wollte herausfinden, ob bestimmte Steine,die vorhermit Licht bestrahlt wurden, beim Nachleuchtenaußer sichtbarem Licht auch unsichtbare Röntgenstrahlen aussenden.Dieses sind extremkurzwellige und energiereiche elektromagnetische Strahlen,welche elektrische und magnetische Energie mittelseiner Welle transportieren. Die Röntgenstrahlendurchdringen viele Stoffe (z.B. Haut, Muskeln, Papier, usw. ) undbelichten Photoplatten. Dabei arbeitete Becquerel mit uranhaltigemGestein. Dieses legte er in einer Dunkelkammer auf eine unbelichtetePhotoplatte, ohne daß er wußte, daß dasGestein Strahlen aussendete. Nach der Entwicklung der Photoplatte stellte er fest,daß sie durch unbekannte Strahlung belichtet worden war. Sowurde zufällig die radioaktive Strahlungentdeckt. Radioaktive Strahlung kann man heute mit demGeigerzähler nachweisen. Zur Abschirmung dieser Strahlen nimmt manStoffe, wie BleiAbb. 4 oder Beton. 2.2 Der radioaktive Zerfall am Beispiel desUransAbb . 5 Uran wandelt sich in mehreren Schritten inBlei um. Dabei werden Uranatomkerne mit je 238 Kernbausteinen ( 92 P, 146 N ) schließlich zu Bleiatomkernen mit nurnoch 206 Kernbausteinen ( 82 P, 124 N ) umgewandelt. In diesem Umwandlungsprozess zerfällt dasUran in Thorium, Protactinium und Polonium und noch 10 andereElemente. Ein Teil der radioaktiven Strahlung besteht ausKernbausteinen. Daher ist die radioaktive Strahlungmit Elementumwandlungen verbunden. BeimZerfalleines radioaktiven Elements entsteht ein neuesElement. Die Anzahl der Kernzerfälle pro Sekundeheißt Aktivität des Körpers, gemessen in der Einheit einBecquerel ( 1 Bq ). Eine Aktivität beträgt dann 1 Bq, wennein Kernzerfall pro Sekunde stattfindet. Abb. 6 Der Zeitraum, in dem ein Element zurHälfte seiner Masse zerfallen ist, nennt man Halbwertszeit. Bei einemStück Uran-238 dauert die Halbwertszeit etwa 4,5 Milliarden Jahre, beiPolonium 138 Tage und bei Frankium 21 Minuten. 2.3 Ionen Wenn radioaktive Strahlung z.B. auf ein Atomtrifft, das nach außen hin elektrisch neutral ist, sokann ein Elektron aus dem Atom herausgelöst werden. Das Atom istdann positiv geladen. Diese Restatome, die unterschiedlich viele positiveund negative Ladungen besitzen, nennt man Ionen. Durchradioaktive Strahlung können also neutrale Atome zu Ionenumgewandelt werden ( ionisiert werden ). Kapitel3 -Kernspaltung 3.1 Entdeckung Im Jahr 1938 beschossen die beiden deutschenWissenschaftler Otto Hahn und Fritz Straßmann Uranatomkernemit Neutronen. Sie stellten bei diesem Versuch fest, daß einigedieser Urankerne in zwei etwa gleich große Stücke gespaltenwurden. Die Neutronen können also größere Atomkerne spalten. Protonenund Elektronen sind dafür ungeeignet, da Protonen von den Protonen desAtomkerns abgestoßen oder abgelenkt werden und Elektronen zu wenigMasse haben. Langsam fliegende Neutronen dringen in der Regel vielhäufiger in Atomkerne ein als schnelle. Dabei bedeutetlangsam immer noch 7920 Km/h. Das liegt daran, daß sichlangsame Neutronen länger in Kernnähe aufhalten und mehr Zeit haben,mit ihm zu reagieren. Neutronen können nicht nur Atomkernespalten, sondern auch umwandeln, indem sie in den Kern eingebautwerden. 3.2 Die Kernspaltung am Beispiel des UransAbb. 7 Das natürliche Uran besteht aus U-234,U-235 und U-238. Von 1000 Uranatomen haben 993 U-238-Kerne und 7U-235-Kerne. Der U-234- Anteil ist dabeiunwichtig. Langsame Neutronen spalten nur dieU-235-Kerne. Dabei ensteht zunächst ein Zwischenkern U-236, derjedoch instabil ist und in mehrere Bruchstücke zerplatzt, z.B. ineinen Barium-144-Kern, einen Krypton-90-Kern und zwei neue Neutronen.Nach genauerer Untersuchung stellte man fest, daß dieseentstandenen Bruchstücke weniger Masse haben, als der beschossene Kernund das Geschoß. Es ist also Masse verlorengegangen, die ineinen gewaltigen Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandeltwird. Dies geschieht nach Einsteins Formel:E = m * cý Was ist also geschehen ? Wie schon gesagt, wird ein Atomkern von sog.Kernkräften zusammengehalten, die verhindern, daßdie positive Protonen im Kern sich abstoßen. Sie wirkenallerdings nur, wenn sich die Kernbausteine ganz nahe beieinanderbefinden. Im Atomkern ist auch die Kernenergiegespeichert. Wenn nun nach Eindringen des Neutrons der Kern in zwei Teilezerbricht, wirken nur noch die abstoßenden Kräftezwischen den beiden Kernbruchstücken. Sie entfernen sichdeshalb mit hoher Geschwindigkeit voneinander. Darausfolgert man, daß die Kernenergie in Bewegungsenergie derBruchstücke umgewandelt wird. Die Kernbruchstücke, stoßen anNachbaratome, die in starke Schwingungen versetzt werdenund sich aneinander reiben. Die Bewegungsenergiewird dabei in Wärmeenergieumgewandelt. Die neuentstehenden mittelschweren Atomkernesind in der Regel selbst radioaktiv und senden gefährlicheStrahlungen aus. Um U-238-Kerne zu spalten, braucht man sehrschnelle Neutronen. In einem Kilogramm Uran-235 steckt sovielEnergie wie in 93 Waggons Kohle oder 67 Kesselwagen mitHeizöl. Mit dieser Energiemenge ( 23 Mio. kW/h ) könntenalle Bewohner Westdeutschlands ihre Wohnungen eine Stundelang beleuchten. 3.3 KettenreaktionAbb. 8 Beschießt man ein Stück U-235 miteinem Neutron, spaltet dieses irgendwo einen ersten Kern, der wiederum zweiNeutronen ausstößt. Diese spalten weitere Kerne, welche wiederum 4- 5 Neutronen freisetzen. Wenn 4 dieser Geschosse aufNachbaratome treffen und diese zertrümmern, sobilden sich 8 - 12 neue Neutronen. Diese spalten,abgesehen von einer gewissen Verlustrate, wieder Kerne, wobeijedesmal ein gewaltiger Energiebetrag freigesetzt wird. Dieser Vorgangsetzt sich weiter fort, und in Sekundenbruchteilen wächst die Zahl dergespaltenen Kerne und damit die Energiegewinnung lawinenartig an.Diesen Vorgang nennt man Kettenreaktion. 3.4 Anreicherung U-235 Kerne werden durch langsame Neutronengespalten. Um U-238 Kerne zu spalten, benötigt man hingegensehr schnelle Neutronen. Langsame dringen zwar auch in den Kern ein,werden jedoch in ihn eingebaut, so daß sich U-239 bildet.Dieses wandelt sich über eine Zwischenstufe in Plutonium-239 um, dasseinerseits gut durch langsame Neutronen gespalten werdenkann. Man kann diesen Umweg aber wie folgtumgehen: Das natürliche Uran besteht zu 99,3% ausU-238, wasbedeutet, daß sich keine Kettenreaktion ereignen kann, wennes mit langsamen Neutronen beschossen wird. Die 2 - 3Neutronen, welche bei einer Spaltung einesU-235-Kerns entstehen, sind meistens zu schnell, um einender wenigen U-235- Kerne zu spalten, andererseits sind sie zulangsam, um das U-238 zu zertrümmern. Sie werden, wie gesagt,nur eingefangen. Eine einmal ausgelöste Kernspaltung kann alsoohne weiteres keine Kettenreaktion erzeugen. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, diese zuerreichen. 1. Man erhöht den U-235 Gehalt ( z.B.:von 0,7% auf ca. 3% ), um mehr spaltbares Material zu erhalten; diesnennt man dann Anreicherung. 2. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronenmüssen verlangsamt werden. Das auf 3% angereicherte Uran alleinnützt noch nicht viel, da die beim Spaltprozeß entstehenden Neutronenzu schnell sind. Deshalb benutzt man Stoffe, die Neutronen abbremsenkönnen. Diese heißen Moderatoren. Hierzu eignen sich z.B. Kohlenstoff,Wasser und Berillium. Kapitel 4 - Kernfusion 4.1 KernfusionAbb. 9 Die Energie der Sonne stammt ausKernverschmelzungen, oder auch Kernfusionen genannt. Die Sonne setztungeheure Energien frei. Es handelt sich dabei nicht um Kernspaltungen,weil dazu Elemente mit hohen Massenzahlen nötig sind. Die Sonnebesteht größtenteils aber aus Elementen mit sehr kleinen Massenzahlen,vor allem ausWasserstoff und Helium. Auch bei normalen Verbrennungen findenVerschmelzungen statt. Verbrennt z.B. Kohle, verschmelzen dieAtomhüllen von Kohlenstoff und Sauerstoff, es entsteht Kohlenstoffdioxid.Bei der Kernfusion verschmelzen nicht die Atomhüllen,sondern die Atomkerne. Wie bei der normalen Verbrennung ist auchfür Kernfusionen eine Art Aktivierungsenergie nötig. ZweiAtomkerne verschmelzen nämlich erst dann, wenn sie durch hohe Temperatur undDruckverhältnisse dicht aneinander geraten. Denn es müssen erst die starkenabstoßenden Kräfte ( Coulombsche Abstoßungskräfte )der Atomkerne überwunden werden, da diese beide positiv geladensind. Zur kontrollierten Verschmelzung kommeneigentlich nur die beiden Wasserstoffisotope Deuterium undTritium in Frage. Diese Stoffe müssen auf ca. 100 Mio. øCerhitzt werden. Erst dann reichen Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 - Atome 1.1 Atome 1.2 Quarks 1.3 Isotope Kapitel 2 - Radioaktivität 2.1 Strahlungsarten 2.2 Der radioaktive Zerfall am Beispiel desUrans 2.3 Ionen Kapitel 3 - Kernspaltung 3.1 Entdeckung 3.2 Die Kernspaltung am Beispiel des Uran 3.3 Kettenreaktion 3.4 Anreicherung Kapitel 4 - Kernfusion 4.1 Kernfusion Kapitel 5 - Kernwaffen 5.1 Atombombe 5.2 Wasserstoffbombe 5.3 Cobaltbombe 5.3 Neutronenbombe Anlagen Abb. 1 - Das Atommodell Abb. 2 - Uran ( U-238 ) Abb. 3 - Strahlung Abb. 4 - Abschirmung Abb. 5 - Zerfall von Uran Abb. 6 - Halbwertszeit Abb. 7 - Kernspaltung Abb. 8 - Kettenreaktion Abb. 9 - Kernfusion Abb. 10 - Schema einer A-bombe Abb. 11 - Zerstörungskraft eine A-Bombe Quellen Kapitel 1 - Atome 1.1 AtomeAbb. 1 aus dem gr. von atomos- unteilbar;unteilbarer Urstoff. Der Philosoph Demokrit nahm schon vor 2000Jahren an, daß alle Materie aus kleinsten, nicht mehr teilbarenTeilchen bestehe. 1803 wurde diese Atomtheorie vomEngländer John Dalton erweitert. Er entdeckte, daß es Stoffe gibt, dienur aus einer Atomsorte bestehen. Man nennt sie chem. Elemente ( z.B.Gold, Sauerstoff und Eisen ). Die Atome haben unterschiedlicheMassen. Heute findet man häufig folgendeDefinition des Atombegriffs: " Ein Atom ist der kleinste Baustein eineschem. Grundstoffes oder Elements, der ohne Verlust der typischenEigenschaften dieses Elements nicht mehr geteilt werden kann." Um ein Beispiel zu nennen wie groß Atomesind: a) Alle 5 Milliarden Menschen die z.Zt. aufder Erde leben, würden, wenn ein Mensch so großwie ein Atom wäre, eine etwa 50 cm lange Kette bilden. oder b) Wenn der Atomkern die Größeeiner Kirsche hätte, dann wäre ein ganzes Atom so groß wie derKölner Dom. 1913 entwickelte der dänische PhysikerNils Bohr ein neues Atommodell, das auch heute noch derWirklichkeit sehr nahe kommt. Danach ist ein Atom ähnlich aufgebaut wieein Sonnensystem, d.h. um den massereichen Atomkern kreisen ingroßem Abstand die Elektronen. Das heutige Atombild: Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einerAtomhülle. Dabei ist der Kern positv und die Hülle negativgeladen. Dabei trägt der Atomkern fast die gesamte Masse des Atoms. Erist aufgebaut aus Protonen und Neutronen, die jeweils fast 2000mal schwerer sind als die Elektronen, aus der die Atomhüllebesteht. Das Proton hat die positiveelektrischeLadung, die den gleichen Wert besitzt wie die negative des Elektrons.Das Neutron jedoch ist elektrisch neutral. Den Wert der elektrischen Ladung des Protonsoder Elektrons nennt man Elementarladung. Protonen und Neutronen werden oftzusammenfassend als Nukleonen bezeichnet und bestehen ihrerseits aus nochkleineren Teilchen, den Quarks. 1.2 Quarks Lange Zeit glaubte man, daß dieNukleonen "Elementarteilchen", ähnlich wie das Elektronen nicht mehrteilbar seien und auch keine innere Struktur hätten. Sie sind jedochaus noch kleineren Teilchen, den sogenannten "Quarks" aufgebaut.Sie kommen in der Natur nie als freie unabhängige Teilchenvor. Heute kennt man sechs verschiedeneQuarks. Diezwei, für die normale, stabileMaterie wichtigen sind: das u-Quark ( von eng. "up" ) und dasd-Quark ( von eng. "down"). Drei Quarks bilden jeweils einNukleon. Die jeweiligen elektrischenLadungen: u-Quark = + 2/3 d-Quark= -1/3 Elektron = - 1 Aufbau der Nukleonen: Protonen = 2 u-Quarks + 1 d-Quark ( 2/3 +2/3 - 1/3 = +1 ) Neutronen = 2 d-Quarks + 1 u-Quark ( - 1/3 -1/3 + 2/3 = 0 ) Die Menschen, die Erde, das ganzeMilchstraßensystem sind praktisch aus drei Grundbausteinenaufgebaut: u-Quarks, d-Quarks undElektronen. Beispiel: Ein 30-kg schweres Kind bestehtaus: 2.8 * 10^28 u-Quarks, 2,6 * 10^28 d-Quarksund 10^28 Elektronen, wobei 10^28 eine 1 mit 28 Nullenist. Die Quarks bilden Nukleonen, dieseschließen sich zu Atomkernen zusammen. Kerne und Elektronen vereinigen sich zu Atomen, diese fügen sich zu kleinen oder riesigen Molekülen wieWasser oder Eiweiß zusammen.Milliarden von Molekülen bildenunsere Körperzellen, von denen ein Mensch viele Billionenbesitzt. 1.3 IsotopeAbb. 2 Die Atome eines Elements haben alle diegleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, können sichtrotzdem aber voneinander unterscheiden. Sie haben dann im Kernunterschiedliche Neutronenzahlen. Allgemein bezeichnet man Atome mit gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicherNeutronenzahl als Isotope eines bestimmtenElements. Uran kommt in der Natur z.B. mit 234, 235 und238 Nukleonen vor. Urankerne besitzen alle 92 Protonen. Die 3Uranisotope haben daher 142 ( 234 - 92 ), 143 und 146 Neutronen inihren Atomkernen. Man bezeichnet sie als U-234, U-235 undU-238. Die Gesamtzahl der Nukleonen eines Isotopswird als Massenzahl, die Zahl der Protonen als Ordnungszahl oderKernladungszahl bezeichnet. U-235 hat also die Massenzahl 235und die Ordnungszahl 92. Gleichnamige Ladungen stoßen sichbekanntlich ab, ungleiche ziehen sich an. So halten die positiven Atomkerne dienegativen Elektronen fest und zwingen sie auf ihreKreisbahnen. Da die meisten Atomkerne aus mehrerenProtonen bestehen, müßten sie dahereigentlich zerplatzen. Wie ist es z.B. möglich, daß beimKohlenstoffkern 6 positive Protonen auf engstem Raum zusammenbleiben? Dasliegt daran, daß zwischen den Nukleonen eine noch vielgrößere Kraft, die sog. Kernkraft wirkt, allerdings nur, wenn dieNukleonen einen sehr kleinen Abstand voneinanderhaben. Kapitel 2 -Radioaktivität 2.1 StrahlungsartenAbb. 3 Nicht alle chem. Elemente sind stabil. AlleElemente mit einer höheren Ordnungszahl als 80 und einigeIsotope zerfallen, wobei die Atomkerne einen Teil ihrer Masse in Formvon Strahlung abgeben. Man unterscheidet 3 Arten vonStrahlung: 1. Alpha - Strahlung Sie besteht aus Heliumkernen, die aus 2Neutronen und 2 Protonen bestehen. Daher ist die Strahlungpositiv. 2. Beta - Strahlung Sie besteht aus Elektronen und ist dahernegativ. Diese Elektronen entstehten dadurch, daß sich Neutronenumwandeln. 3. Gamma - Strahlung Sie besteht aus energiereichen masselosenStrahlungsteilchen bzw. Quanten( Energiepakete ), wie z.B. auch beimLicht. Entdeckt wurde die Radioaktivität 1896vom franz. Physiker Henri Becquerel und wurde vom Ehepaar Pierre undMarie Curie genauer untersucht. B. wollte herausfinden, ob bestimmte Steine,die vorhermit Licht bestrahlt wurden, beim Nachleuchtenaußer sichtbarem Licht auch unsichtbare Röntgenstrahlen aussenden.Dieses sind extremkurzwellige und energiereiche elektromagnetische Strahlen,welche elektrische und magnetische Energie mittelseiner Welle transportieren. Die Röntgenstrahlendurchdringen viele Stoffe (z.B. Haut, Muskeln, Papier, usw. ) undbelichten Photoplatten. Dabei arbeitete Becquerel mit uranhaltigemGestein. Dieses legte er in einer Dunkelkammer auf eine unbelichtetePhotoplatte, ohne daß er wußte, daß dasGestein Strahlen aussendete. Nach der Entwicklung der Photoplatte stellte er fest,daß sie durch unbekannte Strahlung belichtet worden war. Sowurde zufällig die radioaktive Strahlungentdeckt. Radioaktive Strahlung kann man heute mit demGeigerzähler nachweisen. Zur Abschirmung dieser Strahlen nimmt manStoffe, wie BleiAbb. 4 oder Beton. 2.2 Der radioaktive Zerfall am Beispiel desUransAbb . 5 Uran wandelt sich in mehreren Schritten inBlei um. Dabei werden Uranatomkerne mit je 238 Kernbausteinen ( 92 P, 146 N ) schließlich zu Bleiatomkernen mit nurnoch 206 Kernbausteinen ( 82 P, 124 N ) umgewandelt. In diesem Umwandlungsprozess zerfällt dasUran in Thorium, Protactinium und Polonium und noch 10 andereElemente. Ein Teil der radioaktiven Strahlung besteht ausKernbausteinen. Daher ist die radioaktive Strahlungmit Elementumwandlungen verbunden. BeimZerfalleines radioaktiven Elements entsteht ein neuesElement. Die Anzahl der Kernzerfälle pro Sekundeheißt Aktivität des Körpers, gemessen in der Einheit einBecquerel ( 1 Bq ). Eine Aktivität beträgt dann 1 Bq, wennein Kernzerfall pro Sekunde stattfindet. Abb. 6 Der Zeitraum, in dem ein Element zurHälfte seiner Masse zerfallen ist, nennt man Halbwertszeit. Bei einemStück Uran-238 dauert die Halbwertszeit etwa 4,5 Milliarden Jahre, beiPolonium 138 Tage und bei Frankium 21 Minuten. 2.3 Ionen Wenn radioaktive Strahlung z.B. auf ein Atomtrifft, das nach außen hin elektrisch neutral ist, sokann ein Elektron aus dem Atom herausgelöst werden. Das Atom istdann positiv geladen. Diese Restatome, die unterschiedlich viele positiveund negative Ladungen besitzen, nennt man Ionen. Durchradioaktive Strahlung können also neutrale Atome zu Ionenumgewandelt werden ( ionisiert werden ). Kapitel3 -Kernspaltung 3.1 Entdeckung Im Jahr 1938 beschossen die beiden deutschenWissenschaftler Otto Hahn und Fritz Straßmann Uranatomkernemit Neutronen. Sie stellten bei diesem Versuch fest, daß einigedieser Urankerne in zwei etwa gleich große Stücke gespaltenwurden. Die Neutronen können also größere Atomkerne spalten. Protonenund Elektronen sind dafür ungeeignet, da Protonen von den Protonen desAtomkerns abgestoßen oder abgelenkt werden und Elektronen zu wenigMasse haben. Langsam fliegende Neutronen dringen in der Regel vielhäufiger in Atomkerne ein als schnelle. Dabei bedeutetlangsam immer noch 7920 Km/h. Das liegt daran, daß sichlangsame Neutronen länger in Kernnähe aufhalten und mehr Zeit haben,mit ihm zu reagieren. Neutronen können nicht nur Atomkernespalten, sondern auch umwandeln, indem sie in den Kern eingebautwerden. 3.2 Die Kernspaltung am Beispiel des UransAbb. 7 Das natürliche Uran besteht aus U-234,U-235 und U-238. Von 1000 Uranatomen haben 993 U-238-Kerne und 7U-235-Kerne. Der U-234- Anteil ist dabeiunwichtig. Langsame Neutronen spalten nur dieU-235-Kerne. Dabei ensteht zunächst ein Zwischenkern U-236, derjedoch instabil ist und in mehrere Bruchstücke zerplatzt, z.B. ineinen Barium-144-Kern, einen Krypton-90-Kern und zwei neue Neutronen.Nach genauerer Untersuchung stellte man fest, daß dieseentstandenen Bruchstücke weniger Masse haben, als der beschossene Kernund das Geschoß. Es ist also Masse verlorengegangen, die ineinen gewaltigen Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandeltwird. Dies geschieht nach Einsteins Formel:E = m * cý Was ist also geschehen ? Wie schon gesagt, wird ein Atomkern von sog.Kernkräften zusammengehalten, die verhindern, daßdie positive Protonen im Kern sich abstoßen. Sie wirkenallerdings nur, wenn sich die Kernbausteine ganz nahe beieinanderbefinden. Im Atomkern ist auch die Kernenergiegespeichert. Wenn nun nach Eindringen des Neutrons der Kern in zwei Teilezerbricht, wirken nur noch die abstoßenden Kräftezwischen den beiden Kernbruchstücken. Sie entfernen sichdeshalb mit hoher Geschwindigkeit voneinander. Darausfolgert man, daß die Kernenergie in Bewegungsenergie derBruchstücke umgewandelt wird. Die Kernbruchstücke, stoßen anNachbaratome, die in starke Schwingungen versetzt werdenund sich aneinander reiben. Die Bewegungsenergiewird dabei in Wärmeenergieumgewandelt. Die neuentstehenden mittelschweren Atomkernesind in der Regel selbst radioaktiv und senden gefährlicheStrahlungen aus. Um U-238-Kerne zu spalten, braucht man sehrschnelle Neutronen. In einem Kilogramm Uran-235 steckt sovielEnergie wie in 93 Waggons Kohle oder 67 Kesselwagen mitHeizöl. Mit dieser Energiemenge ( 23 Mio. kW/h ) könntenalle Bewohner Westdeutschlands ihre Wohnungen eine Stundelang beleuchten. 3.3 KettenreaktionAbb. 8 Beschießt man ein Stück U-235 miteinem Neutron, spaltet dieses irgendwo einen ersten Kern, der wiederum zweiNeutronen ausstößt. Diese spalten weitere Kerne, welche wiederum 4- 5 Neutronen freisetzen. Wenn 4 dieser Geschosse aufNachbaratome treffen und diese zertrümmern, sobilden sich 8 - 12 neue Neutronen. Diese spalten,abgesehen von einer gewissen Verlustrate, wieder Kerne, wobeijedesmal ein gewaltiger Energiebetrag freigesetzt wird. Dieser Vorgangsetzt sich weiter fort, und in Sekundenbruchteilen wächst die Zahl dergespaltenen Kerne und damit die Energiegewinnung lawinenartig an.Diesen Vorgang nennt man Kettenreaktion. 3.4 Anreicherung U-235 Kerne werden durch langsame Neutronengespalten. Um U-238 Kerne zu spalten, benötigt man hingegensehr schnelle Neutronen. Langsame dringen zwar auch in den Kern ein,werden jedoch in ihn eingebaut, so daß sich U-239 bildet.Dieses wandelt sich über eine Zwischenstufe in Plutonium-239 um, dasseinerseits gut durch langsame Neutronen gespalten werdenkann. Man kann diesen Umweg aber wie folgtumgehen: Das natürliche Uran besteht zu 99,3% ausU-238, wasbedeutet, daß sich keine Kettenreaktion ereignen kann, wennes mit langsamen Neutronen beschossen wird. Die 2 - 3Neutronen, welche bei einer Spaltung einesU-235-Kerns entstehen, sind meistens zu schnell, um einender wenigen U-235- Kerne zu spalten, andererseits sind sie zulangsam, um das U-238 zu zertrümmern. Sie werden, wie gesagt,nur eingefangen. Eine einmal ausgelöste Kernspaltung kann alsoohne weiteres keine Kettenreaktion erzeugen. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, diese zuerreichen. 1. Man erhöht den U-235 Gehalt ( z.B.:von 0,7% auf ca. 3% ), um mehr spaltbares Material zu erhalten; diesnennt man dann Anreicherung. 2. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronenmüssen verlangsamt werden. Das auf 3% angereicherte Uran alleinnützt noch nicht viel, da die beim Spaltprozeß entstehenden Neutronenzu schnell sind. Deshalb benutzt man Stoffe, die Neutronen abbremsenkönnen. Diese heißen Moderatoren. Hierzu eignen sich z.B. Kohlenstoff,Wasser und Berillium. Kapitel 4 - Kernfusion 4.1 KernfusionAbb. 9 Die Energie der Sonne stammt ausKernverschmelzungen, oder auch Kernfusionen genannt. Die Sonne setztungeheure Energien frei. Es handelt sich dabei nicht um Kernspaltungen,weil dazu Elemente mit hohen Massenzahlen nötig sind. Die Sonnebesteht größtenteils aber aus Elementen mit sehr kleinen Massenzahlen,vor allem ausWasserstoff und Helium. Auch bei normalen Verbrennungen findenVerschmelzungen statt. Verbrennt z.B. Kohle, verschmelzen dieAtomhüllen von Kohlenstoff und Sauerstoff, es entsteht Kohlenstoffdioxid.Bei der Kernfusion verschmelzen nicht die Atomhüllen,sondern die Atomkerne. Wie bei der normalen Verbrennung ist auchfür Kernfusionen eine Art Aktivierungsenergie nötig. ZweiAtomkerne verschmelzen nämlich erst dann, wenn sie durch hohe Temperatur undDruckverhältnisse dicht aneinander geraten. Denn es müssen erst die starkenabstoßenden Kräfte ( Coulombsche Abstoßungskräfte )der Atomkerne überwunden werden, da diese beide positiv geladensind. Zur kontrollierten Verschmelzung kommeneigentlich nur die beiden Wasserstoffisotope Deuterium undTritium in Frage. Diese Stoffe müssen auf ca. 100 Mio. øCerhitzt werden. Erst dann reichen die Bewegungsenergien der Kerne zuršberwindung der Abstoßungskräfteaus. Verschmelzen Deuterium- und Tritiumkernemiteinander, so entsteht jeweils ein Heliumkern und ein Neutron. Diebeiden neugebildeten Teilchen haben insgesamt weniger Masse als diebeiden Ausgangskerne. Der Verlust wird dabei in einengewaltigen Energiebetragumgewandelt. Bei der Bildung von einem Kilogramm Heliumdurch Kernfusionen wird zehnmal soviel Energie frei wie bei dervollständigen Kernspaltung von einem Kilogramm Uran. Allgemein sagt manKernfusion ist der Aufbau eines schwereren Atomkerns aus zweileichteren. Die Fixsterne, wie auch unsere Sonne beziehenihre Energie durch diesen Prozeß. Der Mensch hat sich dieseEnergiequelle bis jetzt erst in der Wasserstoffbombe zunutze gemacht.Sogenannte Fusionsreaktoren können mit den heutigentechnischen Mitteln nicht verwirklicht werden. Die erste Wasserstoffbombe wurde von den USAim Jahre 1954 gezündet. Kapitel 5 - Kernwaffen 5.1 Atombombe Abb.10 Während in AtomkraftwerkenKettenreaktionen völlig kontrolliert ablaufen, findet bei einer Atombombenexplosioneine unkontrollierte Kettenreaktion statt. Dieseläuft innerhalb von Sekundenbruchteilen ( 1/1 Mio. Sekunde ) ab.Dadurch werden explosionsartig große Mengen anWärmeenergie frei ( 14 Mio. øC , 23 kWh pro Kg U-235 ). Neben diesen ungeheurenEnergien werden auch tödliche radioaktive Spaltproduktefreigesetzt. In der Atombombe kann es nur dann zurKettenreaktion kommen, wenngenügend freie Neutronen aufgenügend spaltbare Kerne treffen. Zwei Bedingungen müssen hierfürerfüllt werden: 1. Die Bombe muß reines U-235 enthalten,da sich nur diese Kerne spalten lassen. Natururan eignet sichhiefür nicht, da es ja nur aus 0,7 % U-235 besteht. Das passive U-238 wird inIsotopentrennungsanlagen herausgefiltert. 2. Eine ausreichend große Masse Uranmuß vorhanden sein, denn sonst verlassen die meisten Neutronendas Urandurch seine Oberfläche, ohne daß eineKettenreaktion ausgelößt wird. Diese notwendige Mindestmasse, nennt man auch kritische Masse.Die kritische Masse beträgt bei U-235 23 Kilogramm. Man kann diese Masseauch noch herabsetzten, indem man das Uran mit einem sogenanntenNeutronenreflektor umhüllt, der die austretenden Neutronen in das Uranzurücklenkt. Man kann außer U-235 auch nochPlutonium-239 verwenden. Hierbei beträgt die kritische Masse sogar nur 5,6Kilogramm. Es kommt in der Natur nur sehr selten vor, wird aber inden Reaktoren von Kernkraftwerken ständigerzeugt. Abb. 11 Die bei der Explosion verlorengegangene Masseist vergleichsweise gering. Bei der Hiroshima-Bombe ( 6.8.1945 )tötete ein Gramm Materie, das in Energie umgewandelt wurde, ca.200 000 Menschen. 5.2 Wasserstoffbombe Bei Wasserstoffbomben bzw. thermonuklearenSprengkörpern entsteht die Energie durch Kernfusion der H-IsotopeDeuterium und Tritium oder Lithium-6. Zur Einleitung einer solchenReaktion sind hohe Temperaturen von einigen MillionenøC nötig. Deswegenbenutzt man eine Atombombe als Zünder. 5.3 Cobaltbombe Umgibt man eine Wasserstoffbombe miteinemCobaltmantel, so wird das natürliche Cobaltisotop Co-59 durchNeutroneneinfang in das radioaktive Co-60 umgewandelt, dessen starkeGammastrahlung eine Halbwertzeit von 5,272 Jahren ( 5 Jahre und99,28 Tage ) hat. Als radioaktiver Niederschlag würde es eineverheerende Wirkung auf alles Lebenausüben. 5.4 Neutronenbombe Im Grunde genommen ist die Neutronenbombe einesehr kleine Wasserstoffbombe. Allerdings entsteht beiihrer Detonation nur wenig Hitze und eine schwache Druckwelle, sodaß fast keine Beschädigungen an Gebäuden undWaffen auftreten. Dafür kommt es aber, zu einer sehr starkenNeutronenstrahlung, die bei der Kernfusion entsteht. Sie wirkt vor allem gegenLebewesen. Die Gefährlichkeit der Neutronenbombeberuht in erster Linie auf der biologischen Strahlenwirkung, der bei derDeuterium-Tritium- Fusionsreaktion freigesetzten schnellenNeutronen, die fast alle Materialien durchdringen. Die von Neutronengetroffenen organischen Moleküle können ihrebiologischen Funktionen nicht mehr ausführen, was zur Zerstörungder Zellen und schließlich zu Krankheit und Todführt. Der radioaktive Niederschlag hingegen ist sogering, daß mandas Zielgebiet bereits nach 24 Stunden wiederbetreten kann. Anlagen: Abb. 1 - DasAtommodell Abb. 2 - Uran ( U-238) Abb. 3 -Strahlung Abb. 4 -Abschirmung Abb. 5 - Zerfall vonUran Abb. 6 -Halbwertszeit Abb. 7 -Kernspaltung Abb. 8 -Kettenreaktion Abb. 9 -Kernfusion Abb. 10 - Schema einerA-bombe Abb. 11 - Zerstörungskraft eineA-Bombe Quellen: 1. Brockhaus - Naturwissenschaftenund Technik 2. Was ist Was - Band 3 - Atomenergie 3. Was ist Was - Band 79 - ModernePhysik 4. Cornelsen - Physik für dieSek. Stufe 1 AH 5. Schülerduden - DiePhysik 6. Fischer Kolleg - Das AbiturwissenPHYSIK |
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