Kernphysik

Wie untersucht man Atome? Streuexperimente Man “beschießt“ Atome mit Teilchen und beobachtet, wie diese abgelenkt werden. Rutherfords Streuversuche 1911 beschoss Rutherford dünne Goldfolien mit α–Teilchen. α–Teilchen besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Chemisches Symbol:

Ergebnisse der Streuexperimente: Ein Atom besteht aus einem Atomkern und ihn umhüllende Elektronen Im Kern sind die positiven Ladungen konzentriert. Ihre Träger sind die Protonen. Ladung: Der Kern enthält den Großteil der Masse des Atoms. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen. Der Kernradius von Atomen mit der Massenzahl A ist ungefähr: Die Dichte des Kerns beträgt etwa: AUFGABE: Berechne, wie schwer wäre ein Teelöffel (1 cm³) Kernmasse?

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Zusammenfassung: Atome bestehen aus: Angabe im Periodensystem: Atomkern (enthält fast die gesamte Masse) Protonen Neutronen Elektronen Angabe im Periodensystem: X … Elementsymbol (z.Bsp.: U für Uran, Fe für Eisen…) Z … Kernladungszahl (Anzahl der Protonen) A … Massenzahl (Anzahl der Nukleonen = #Protonen + #Neutronen) Masse von Atomen: Einheit: Atomare Masseneinheit u Entspricht der Masse von 1/12 des Kohlenstoffatoms 1 u = 1,602189*10-27 kg Atome, welche die gleiche Protonenzahl besitzen, jedoch eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen bezeichnet man als Isotope. Zum Beispiel: Uran: Wie viele Neutronen besitzen die oben genannten Isotope? 146 und 143

Was hält die Atomkerne zusammen? Da die Atomkerne aus positiv geladenen Protonen besteht müssten diese sich doch nach dem Coulomb´schen Gesetz abstoßen. Es muss eine Kraft im Kern geben, welche stärker als die Coulombkraft ist! Diese wird starke Kernkraft oder starke Wechselwirkung genannt. Warum merken wir von dieser starken Kraft nichts im Alltag? Die starke Kernkraft hat nur eine sehr geringe Reichweite! Etwa 10-15 Meter. Kernkraft: Leifi – Physik

Instabile Kerne - Radioaktivität Aufgabe: Berechne die Gesamtmasse von Helium Masse Neutron: 1,0086654u Masse Proton: 1,0072766u Masse Elektron: 0,0005486u Ergebnis: 4,03298u Experimente zeigen jedoch, dass Helium Atome nur eine Masse von 4,00151u besitzen!! Was ist aus der Masse Δm = 0,03147u geworden?? Dieses Phänomen nennt man Massendefekt!!

Der Massendefekt Der Massendefekt bezeichnet den Unterschied zwischen der Summe der Massen der Bestandteile und der tatsächlich gemessenen Gesamtmasse. Nach der Einstein´schen Formel: E = m*c² entspricht diese Masse der Bindungsenergie Eb der Nukleonen. EB = Δm*c² Die Bindungsenergie ist jene Energie, die man aufwenden muss, um die einzelnen Nukleonen des Kerns wieder zu trennen. Leifi – Seite: Kernpotential Dividiert man die Bindungsenergie durch die Anzahl der Nukleonen, so erhält man die Bindungsenergie pro Nukleon: EB /A Die Bindungsenergie pro Nukleon ist ein wichtiges Kriterium für die Stabilität der Kerne. Je größer diese ist, umso stabiler ist der Kern.

Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit der Massenzahl Höchste Bindungsenergie pro Nukleon! Daher sehr stabil!!

Die Kernkraft: Wirkt anziehend zwischen allen Nukleonen (Kernbausteinen) Sie ist etwa 100 mal stärker, als die elektrische Kraft Sie hat eine Reichweite von 2*10-15 m Beim Verschmelzen von Kernen verstärkt sich die Bindung des neu entstandenen Kerns, da sich alle Nukleonen gegenseitig anziehen! Dies funktioniert jedoch nur bis zu einer Kerngröße von 60 Nukleonen (z.Bsp: Eisen). Danach wird die Bindung des Gesamtkerns kleiner, da die Nukleonen zu weit voneinander entfernt sind und somit auch die Coulomb-Abstoßung an Einfluss gewinnt! Wird bei einer Kernverschmelzung (Fusion) oder einer Kernspaltung die Bindungsenergie pro Nukleon größer, so wird diese Energie frei! Dies ist die Energiequelle der Sonne (Kernfusion) und der Kernspaltung. Die Frei werdende Energie entspricht dem Massendefekt!! EB = Δm*c²

Bereiche der Kernfusion und der Kernspaltung: Stabilsten Atome, da Bindungsenergie am größten!

Energie bei der Kernspaltung: Bei der Kernspaltung in Kernkraftwerken wird die Energie beim Zerfall des Uran-236 Isotops in Barium-139 und Krypton-95 sowie 2 Neutronen verwendet:

Aufgabe: Berechne die frei werdende Energie mit Hilfe des Massendefektes! Lösung: Masse Uran-236: 236.045568u Masse Barium\Krypton: 138.9088354u\94.93984u Masse Neutron: 1.6749286*10-27 kg Massendefekt: Δm = 236.045568u – 138.9088354u – 94.93984u – 2* 1.6749286*10-27 = 2.98168*10-19 kg Die entsprechende Energie wird frei: E = Δm*c² E = 2.98168*10-19 *299792458² = 2.6798017990162*10-11 J 1u = 1,661*10-27 kg Das ist sehr viel!! Wir vergleichen die Energien, die in 1 kg von Benzin und Uran stecken: Aral gibt Super Benzin mit folgendem Heizwert an: 43,5 MJ/kg Ein kg Uran enthält Atome. Das ergibt eine Energie von:

Energiedichte von Uran: Hohe Energieeffizienz: Kernenergie.ch Bei vollständiger Verbrennung bzw. Spaltung lassen sich aus 1 kg Steinkohle ca. 8 kWh, aus 1 kg Erdöl ca. 12 kWh und aus 1 kg Uran-235 rund 24.000.000 kWh

Energie der Kernfusion: In künftigen Fusionsreaktoren möchte man Tritium mit Deuterium verschmelzen, da dies besonders viel Energie frei setzt! Tritium und Deuterium sind Wasserstoffisotope mit 2 bzw einem Neutron mehr.

Aufgabe: Berechne die frei werdende Energie mit Hilfe des Massendefektes! Masse Tritium: 3.0160492 u Masse Deuterium: 2.01410178 u Masse Neutron: 1.6749286*10-27 kg Masse Helium: 4,002602 u Masse vor der Fusion: Tritium + Deuterium: 5.03015098 u = 8.35505078*10-27kg Masse nach der Fusion: Helium + Neutron: 8.32325052*10-27kg Massendefekt: Δm = 0.03183026*10-27kg Das entspricht einer Energie von: E = Δm*c² = 2.8607607*10-12 J Nun berechnen wir die Energie einer Fusion von 0.5kg Tritium mit 0.5kg Deuterium: 0.5 kg Tritium enthält: Damit erhalten wir für die Fusion von insgesamt 1 kg Deuterium und Tritium: Das ist 4 mal so viel Energie, wie aus einem Kilo Uran! 1u = 1,661*10-27 kg

Diese Energien wurden als erstes in Bomben genützt: Atombombe: Wasserstoffbombe Ist eine Spaltbombe Wurde über Hiroshima und Nagasaki abgeworfen AtomBombe Ist eine Fusionsbombe Wurde noch nicht im Krieg eingesetzt. H-Bombe Während des kalten Krieges gab es ein Wettrüsten der USA und UDSSR um die größte Bombe!. Stellungnahme von Albert Einstein Internetseite: Atomwaffen von A bis Z: http://www.atomwaffena-z.info/

Zar Bombe

Messung der Sprengkraft von Bomben – TNT Äquivalent Die Sprengkraft wird mit der entsprechenden Menge TNT verglichen. Handelsübliche Feuerwerke: < 1g TNT Improvisierte Bomben: meist einige kg TNT; seltener bis zu 1000 kg TNT (Oklahoma) Konventionelle Waffen: Stärkste konventionelle Bombe der US-Armee: MOAB erreicht 11 Tonnen TNT. Atombomben: Hiroshima-Bombe: 15 000 Tonnen TNT; Heute bis zu 1 200 000 Tonnen TNT H – Bomben: Größte Bombe der Amerikaner: 15 000 000 Tonnen TNT. Größte jemals gezündete Bombe: Zar 50 000 000 Tonnen TNT. Die ursprünglichen Pläne für die Zar Bombe waren für 100 000 000 Tonnen TNT ausgelegt, doch der Konstrukteur hatte Bedenken und reduzierte die Sprengkraft. Massive Ordance Air Blast „Mother Of All Bombs“

Verwendung der Kernspaltung in einem Reaktor: Die Wichtigsten Elemente sind: Kettenreaktion Brennelemente Moderatoren Steuerstäbe Kühlmittel

Kettenreaktion Eine Kettenreaktion liegt vor, wenn jede Spaltung wieder mindestens eine weitere Spaltung auslöst.

Brennelemente Da jede Spaltung eine weitere auslösen soll, sollten neben den Tochterkernen der Spaltung auch weitere Spaltneutronen entstehen. Dies geschieht bei Uran – 235. Ein Gemisch aus Uran-235 und Uran-238 wird in form von Urandioxid (UO2) zu Tabletten gepresst und in eine Metallröhre gegeben. =Brennstäbe!! Mehrere Brennstäbe bilden ein Brennelement

Moderator Die bei der Uran-235 Spaltung erzeugten Neutronen sind zu schnell, um von anderen U-235-Kernen aufgefangen zu werden! → Die Neutronen müssen gebremst werden! Diese Aufgabe übernimmt der Moderator. In den meisten Kraftwerken ist Wasser der Moderator. Dies ist besonders günstig, da Wasser auch als Kühlmittel Verwendung findet.

Steuerstäbe Damit die Kettenreaktion nicht wie bei der Atombombe außer Kontrolle gerät, muss man die Reaktion steuern. Die Steuerstäbe machen dies, indem sie Neutronen absorbieren, welche somit keine weitere Spaltung auslösen können. Die Steuerstäbe sind zwischen den Brennelementen angeordnet und müssen beim Start des Reaktors nach oben herausgezogen werden. Bei einem Störfall, würden diese dann sofort wieder herunter fallen und die Kettenreaktion ist gestoppt.

Funktionsweise eines Druckwasserreaktors:

Im Primärkreislauf wird das Wasser, das auch als Moderator dient durch die kontrollierte Kettenreaktion erhitzt. Es steht unter hohem Druck und ist deshalb flüssig. In den Dampferzeugern wird die Wärmeenergie in den Sekundärkreislauf übergeben. Dort entsteht Wasserdampf, weil hier der Druck nicht so groß ist. Im Sekundärkreislauf wird der Dampf durch die Turbinen geleitet. Diese treiben den Generator an und erzeugen somit den Strom. Die Restwärme des Sekundärkreislaufes wird über den Kühlwasserkreislauf abgeführt. Aus einem Gewässer der Umgebung wird Wasser angesaugt, welchem die Restwärme übergeben wird. Um die Gewässer nicht künstlich aufzuheizen, wird das Wasser aus dem Kühlwasserkreislauf in den Kühlturm geleitet. Im Kühlturm wird das Wasser fein versprüht, um es durch die im Turm aufsteigende Luft zu kühlen, bevor es wieder in die Natur entlassen wird. Im Kühlturm herrscht durch den Kamineffekt ein permanenter Luftzug von unten nach oben.

Besuch in einem Kernkraftwerk: AKW Schweiz Restrisiko Atomenergie am Beispiel Fukushima

Kernschmelze und Super-GAU Als Kernschmelze bezeichnet man einen schweren Unfall in einem Kernreaktor, bei dem sich die Brennstäbe übermäßig erhitzen und schmelzen. Meistens geschieht dies durch die Energie, welche von den radioaktiven Zerfällen der Tochterkerne der Uranspaltung abgegeben wird. Diese restliche Energie würde ausreichen, um die Brennstäbe zu schmelzen. Daher müssen die alten Brennstäbe noch ein Jahr gekühlt werden. Dies geschieht in sogenannten Abklingbecken. GAU bedeutet „größter anzunehmender Unfall“ Ein Super Gau liegt vor, wenn sich zum Beispiel die geschmolzenen Brennstäbe durch das Kraftwerk schmelzen und somit unkontrolliert in die Natur gelangen.