Atomaufbau: radioaktive Stoffe

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1 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
2•10-7 mm ist ca. die Grösse eines Atoms. (Vorstellung: Das Verhältnis eines Tennisballes zum Atom ist gleich, wie das Verhältnis von der Erde zum Tennisball.) 10-12 mm ist ca. die Grösse des Atomkerns. (Vorstellung: Stellt man sich den Atomkern auf Zündholzkopf Grösse vergrössert vor, so wäre das Atom so gross wie der Eifeltrum (300m).) 2.81•10-15 mm ist ca. die Grösse eines Elektrons. (Vorstellung: Das um den Atomkern kreisende Elektron wäre so gross wie ein Staubkorn (ca. 0.1 mm) im obigen Vergleich.) Ein Atom besteht aus: Atomkern (Protonen, Neutronen) - n + - + - n - 99.9 % der Masse eines Atoms sind im Kern vereinigt. Elektronenhülle (Elektronen) Radioaktivität

2 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Proton Neutron Elektron Symbol p n e Masse [kg] 1.67•10-27 9.1•10-31 Ladung positiv (+) neutral (0) negativ (-) Ein Nuklid (Atomkern) besteht aus Z Protonen und N Neutronen. Die Nukleonenzahl A (auch Massenzahl genannt) ist die Summe der Protonen und Neutronen: A = Z + N Die Protonenzahl Z nennt man auch Kernladungszahl (Ladung eines Kerns ist Z•e). In einem neutralen Atom stimmt die Anzahl der Elektronen mit Z überein. Den Aufbau eines Atomkerns X wird durch die folgende Schreibweise verdeutlicht: Nukleonen (Kernbausteine) Radioaktivität

3 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Isotope desselben Elementes nennt man Atome, deren Kerne die gleiche Protonenzahl Z, aber eine verschiedene Neutronenzahl N besitzen. Isotope haben die gleichen chemischen Eigenschaften (dieselbe Elektronenhülle), jedoch verschiedene physikalische Eigenschaften (z.B. verschiedene Massen). Radioaktivität

4 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Beispiele 1: Element H n + + + n n Z=1 N=0 A=1 (Wasserstoff) stabil Z=1 N=1 A=2 (Deuterium) stabil Z=1 N=2 A=3 (Tritium) radioaktiv Radioaktivität

5 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Beispiele 2: Element Lithium n n + + + + n n n + n n + Z=3 N=3 A=6 stabil Z=3 N=4 A=7 stabil Radioaktivität

6 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Kerne gleicher Protonenzahl, gleicher Neutronen-zahl, gleicher Massenzahl: Isobare: Die Atomkerne zweier unterschiedlicher Elemente, die das gleiche A und verschiedene Z aufweisen. (A = konst.) Isotope: Nuklide mit gleichem Z und verschiedenem A. (Z = konst.) Isotone: Die Atomkerne zweier unterschiedlicher Elemente mit gleicher Anzahl Neutronen (N = konst.) Radioaktivität

7 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Kerne gleicher Protonenzahl, gleicher Neutronen-zahl, gleicher Massenzahl: Isobare Isotope Isotone Radioaktivität

8 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Alle bekannte Nuklide zeigt die Nuklidkarte. Auf ihrer Rechtsachse ist die Neutronenzahl N, auf der Hochachse die Protonenzahl Z der Kerne Aufgetragen. Z = N Mangel an Neutronen Überschuss an Neutronen Radioaktivität

9 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Manche Stoffe senden ohne äusseren Einfluss Strahlung aus: Ein Elektroskop wird positiv oder negativ aufgeladen. Aufgrund der Isolation behält es seine Ladung. In die Nähe des Tisches des Elektroskops wird ein Stift gebracht, dessen Spitze eine winzige Menge Radium (Ra -226) enthält. Das Elektroskop entlädt sich rasch, gleichgültig welche Ladung es trug. Das Elektroskop sich jedoch in einem Medium (z.B. Luft) befinden. Im Vakuum würde es nicht klappen.

10 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Manche Stoffe senden ohne äusseren Einfluss Strahlung aus: - Vom Ra-226 geht eine nicht wahrnehmbare Strahlung aus. Strahlung wandelt elektrisch neutrale Moleküle in der Luft in positive oder negative Ladungsträger um. Elektroskop zieht die entgegengesetzte Ladung an und wird entladen. -> die Luftmoleküle werden ionisiert.

11 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Ionisation: Aus einem Atom oder Molekül wird ein oder mehrere Elektronen entfernt. Dadurch bleibt das Atom oder Molekül als positiv geladenes Ion zurück. - - - - Cl -> Cl+ - Cl - - - - Ionisierende Strahlung: Eine Strahlung, die Atome oder Moleküle ionisieren kann. - - - - - - - -

12 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Ionisierende Strahlung: Um Elektronen aus einem Atom oder Molekül herauszulösen, braucht es Energie. -> Die Strahlung führt Energie mit sich. Die zur Ionisation benötigte Energie nennt man Ionisationsenergie. Stoffe, von denen ohne äusseren Einfluss (spontan) eine ionisierende Strahlung ausgeht, nennt man radioaktiv.

13 Atomaufbau: radioaktive Stoffe
Radioaktivität: Radioaktivität (von lat radius, ‚Strahl‘; Strahlungsaktivität), radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende Energie wird dabei als ionisierende Strahlung, nämlich energiereiche Teilchen und/oder Gammastrahlung, abgegeben. Es werden drei Arten von Strahlung unterschieden: α – Strahlung β – Strahlung γ - Strahlung

14 Ursache für die Radioaktivität
Weshalb fallen Atomkerne nicht auseinander? Protonen sind positiv geladen. Protonen stossen sich aufgrund der Coulombkraft ab. Neutronen sind nicht geladen. Trotzdem fliegt der Kern nicht auseinander. -> Daher muss im Kern eine weitere Kraft existieren, mit der sich die Nukleonen gegenseitig anziehen und stärker ist als die Coulombkraft. -> Kernkraft Radioaktivität

15 Ursache für die Radioaktivität
Kernkraft – Eigenschaften Sie ist anziehend und tritt nur zwischen Nukleonen auf. Sie ist ladungsunabhängig (wirkt zwischen Protonen und Neutronen) Sie ist zwischen benachbarten Protonen viel stärker als die Coulombkraft. Sie ist kurzreichweitig – sie ist in der Grössenordnung des Nukleon-Durchmessers m. Ein Proton an der Oberfläche eines Kerns spürt nur die Anziehung seiner nächsten Nachbar-Nukleonen. Die Coulomb-abstossung hingegen von allen anderen Protonen des Kerns. -> Es kann keine beliebig grosse Kerne geben. Radioaktivität

16 Ursache für die Radioaktivität
Kernkraft – Eigenschaften Z = N Stabilität abhängig vom Verhältnis N/Z: Bei leichten Kernen: N/Z ≈ 1 Bei schweren Kernen: N/Z ≈ 1.6 Stabile Nuklide Radioaktivität

17 Ursache für die Radioaktivität
Kernkraft – Eigenschaften Die Stabilität ist abhängig vom relativen Gehalt an Neutronen. Die Neutronen bewirken als „Kittsubstanz“ gewissermassen den Zusammenhalt der sich gegenseitig abstossenden Protonen. Wie zu erkennen ist, ist mit steigender Protonenzahl ein immer grösserer Neutronenüberschuss erforderlich, um Stabile Nuklide zu erhalten. Instabile Nuklide (auch Radionuklide genannt) sind Radioaktiv. Radioaktivität

18 α - Strahlung

19 α - Strahlung Beim α-Zerfall formiert sich im Atomkern ein α-Teilchen, also ein Heliumkern und wird ausgeschleudert. Dadurch vermindert sich die Neutronen- und Protonenzahl um 2, die Massenzahl also um 4. Aus dem ursprünglichen Atom (Mutterkern) entsteht somit ein neues Atom (Tochterkern) mit völlig neuen chemischen und physikalischen Eigenschaften.

20 α - Strahlung α-Teilchen sind positiv geladen. Sie werden durch starke Magnetfelder abgelenkt. α-Teilchen stammen aus dem Atomkern. α-Teilchen sind nackte Heliumkerne. In der Umgebung von α-Strahlern kann man nach einiger Zeit das Gas Helium nachweisen. Die Spurlänge in ist umso länger, je grösser die Energie des α-Teilchens war. In der Luft beträgt die Reichweite bis zu 7 cm. Die Reichweite in Papier ist viel kleiner als in Luft. α- Teilchen bilden in dichter Materie je Millimeter Laufweg mehr Ionen als in Luft. Die α-Strahlung kann durch Papier gestoppt werden. Radioaktivität

21 α - Strahlung Der α-Zerfall wird geschrieben als: Bsp: 16.11.2018
Radioaktivität

22 β- - Strahlung

23 β- - Strahlung Beim β--Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino um. Das Elektron und das Antineutrino verlassen den Kern und das Atom. Dadurch nimmt die Neutronenzahl um 1 ab und die Protonenzahl um 1 zu, die Massenzahl bleibt dabei gleich. Da sich die Protonenzahl ändert entsteht aus dem ursprünglichen Atom (Mutterkern) neues Atom (Tochterkern) mit völlig neuen chemischen und physikalischen Eigenschaften.

24 β- - Strahlung Der β-Zerfall wird geschrieben als: 16.11.2018
Radioaktivität

25 β+ - Strahlung

26 β+ - Strahlung Beim β+-Zerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino um. Das Positron und das Neutrino verlassen den Kern und das Atom. Dadurch nimmt die Neutronenzahl um 1 zu und die Protonenzahl um 1 ab, die Massenzahl bleibt dabei gleich. Da sich die Protonenzahl ändert entsteht aus dem ursprünglichen Atom (Mutterkern) neues Atom (Tochterkern) mit völlig neuen chemischen und physikalischen Eigenschaften.

27 β - Strahlung β--Teilchen sind negativ geladen. Sie werden durch starke Magnetfelder abgelenkt. β+-Teilchen sind positiv geladen. Sie werden durch starke Magnetfelder abgelenkt. β- -Teilchen stammen aus dem Atomkern und sind nichts anderes als schnell fliegende Elektronen. β+ -Teilchen stammen aus dem Atomkern und sind nichts anderes als schnell fliegende Positronen. Bei gleicher Anfangsenergie haben β-Teilchen in derselben Materie eine grössere Reichweite als α-Teilchen. Beträgt die Reichweite eines β-Teilchens ca. 11 m, so beträgt sie vom α-Teilchen ungefähr 2 cm. Radioaktivität

28 γ - Strahlung Nach einem α- oder β-Zerfall befindet sich der neu entstandene Atomkern häufig in einem angeregten Zustand (er besitzt noch überschüssige Energie). Die Energie kann er rasch abgeben, indem er ein γ-Teilchen aussendet. Beispiel: γ-Teilchen Radioaktivität

29 γ - Strahlung γ-Teilchen tragen keine elektrische Ladung. Sie lassen sich nicht durch ein Magnetfeld ablenken. γ-Teilchen sind wie Licht „fliegende“ Energie. γ-Teilchen stammen aus dem Atomkern. γ-Teilchen können Moleküle und Atome ionisieren. Dicke Bleischichten bilden den besten Schutz von γ-Teilchen. In Luft reduziert sich die Anzahl γ-Teilchen auf über 50m auf ca. 1%. γ-Teilchen kann man nie zu 100% abschirmen. Radioaktivität