Atom- und Kernphysik

ingwerk.de
  • Keine Tags gefunden...

Atom- und Kernphysik

Radioaktive StrahlungEntdeckung der radioaktiven StrahlungIm Jahre 1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel, dass Uranerz von sichaus ohne äußeres Zutun eine bis dahin unbekannte Strahlung aussendet.Diese Strahlung schwärzt Fotoplatten und ionisiert Gase, sodass diese elektrischen Stromleiten.Seine Mitarbeiter Marie und Pierre Curie konnten aus dem Uranerz „Pechblende“ zweibesonders stark strahlende Elemente isolieren. Sie nannten sie Polonium und Radium(radiare = lat. strahlen).Die drei erhielten 1903 den Nobelpreis für Physik, Marie Curie 1914 nochmalig denNobelpreis für Chemie.Nachweis radioaktiver Strahlung1. Radioaktive Strahlung schwärzt Fotoplatten (↑ Henrie Becquerel) und ionisiert Gase.Experiment4kVBringt man das radioaktive Präparat zwischen die zweiNägel, so springen Funken über.PräparatDurch die radioaktive Strahlung wird die Luft zwischenden Nägeln ionisiert und leitet den elektrischen Strom.Nägel2. NebelkammerTrifft in einem mit Wasserdampf (gasförmiges Wasser) übersättigten Gas (das Volumen desGases wird schnell vergrößert, woraufhin sich das Gas abkühlt) ein schnelles Teilchen aufein Gasmolekül, so ionisiert es dieses, indem es ein Elektron herausschlägt. An das positivgeladene Ion lagern sich in kugelförmigen Schalen die in der Nähe befindlichenWasserdipole an. Diese Zusammenballungen von Wassermolekülen kann man alsKondensstreifen (wie bei einem Düsenflugzeug) beobachten.BeobachtungsvorrichtungBeleuchtungradioaktives PräparatKolbenSpur eines α-Strahlers in einer Nebelkammer


3. Geiger-Müller-Zähler (Zählrohr)Radioaktive Strahlung dringt durch das für sie durchlässige Glimmerfenster in das Zählrohrein. Sie ionisiert einzelne Moleküle des Gases im Zählrohr. Diese werden durch die außenanliegende Spannung beschleunigt und ionisieren dadurch weitere Gasmoleküle.Es entsteht eine Ladungsträgerlawine, die einen messbaren Strom fließen lässt. Dieser wirdvom Lautsprecher als Knacken wiedergegeben oder vom Zählgerät registriert.Strahlung_++IsolatorLautsprecher_ R >Glimmerfenster_≈ 500VWährend dieses Stromflusses ist der Widerstand des Zählrohres klein, die große Spannungfällt dann zum größten Teil am Widerstand R (Reihenschaltung) ab.Die ionisierten Gasmoleküle werden nicht mehr beschleunigt, die Ladungsträgerlawineerlischt und der Stromfluss kommt zum Erliegen.Die Zeit, bis die Ladungslawine aufhört, heißt Totzeit. In dieser Zeit kann das Zählrohr keineneue Strahlung registrieren. Die Totzeit kann durch geeignete Gasfüllungen bis auf 10 -5 sgesenkt werden.Auch wenn kein radioaktives Präparat in die Nähe des Zählrohres gebracht wird, zeigt eseine kleine Strahlung an. Diese so genannte Nullrate wird durch die natürliche auf der Erdevorhandene Radioaktivität (terrestrische und kosmische) verursacht.+VerstärkerZählgerät4. IonisationskammerIn einen mit Gas (z.B. Luft) gefüllten Behälter wird ein radioaktives Präparat gebracht. Esionisiert die Gasmoleküle, wodurch diese elektrischen Strom leiten. Der dann fließendeStrom, ist ein Maß für die Ionisationswirkung (Aktivität des Präparats).(siehe auch Experiment Zerfallsgesetz)


RadioaktivitätDie Atome, aus denen jede Materie besteht, sind normalerweise stabil. Einige Atomartenverändern sich aber plötzlich und ohne äußere Einwirkung (spontan) wobei sie Strahlungaussenden. Dieses Phänomen nennt man Radioaktivität.Von natürlicher Radioaktivität spricht man, wenn das radioaktive Atom in der Naturvorkommt. Es gibt 51 Elemente, die eine natürliche Radioaktivität besitzen (z.B. Uran,Radium, C 14). Als Bestandteil von Gestein kommen diese Elemente abhängig von derGesteinsart mehr oder weniger häufig in der Natur vor. Wir sind also ständig einerradioaktiven Strahlung ausgesetzt.Werden radioaktive Atome künstlich hergestellt spricht man von künstlicher Radioaktivität.Radioaktive StrahlungEs gibt 3 Arten radioaktiver Strahlungα - Strahlung4Ein Atomkern sendet einen Heliumkern2Heaus. Ein solches Teilchen heißt α - Teilchen.Die Ordnungszahl Z des Atoms nimmt dabei um 2 ab, die Nukleonenzahl A um 4. Das Atomwandelt sich in ein anderes Element um.AA 4X →− Y+Z Z−242He2262224z.B. Ra → Rn He+88 862β - StrahlungBei der β - Strahlung handelt es sich um Elektronen (β - Teilchen), die den Kern mit hoherGeschwindigkeit verlassen. Im Kern wandelt sich dabei ein Neutron in ein Proton und einElektron um. Das Elektron verlässt den Kern, das Proton bleibt zurück, sodass sich dieOrdnungszahl Z des Atoms um 1 erhöht. Die Nukleonenzahl A bleibt gleich.AZX→ZAY++ 10−1ez.B.14C→14N+6 7 −10eγ - StrahlungAls Begleiterscheinung eines α - oder β - Zerfalls tritt die γ - Strahlung auf. Sie hat die selbenEigenschaften wie das sichtbare Licht oder die Röntgenstrahlung, besitzt jedoch mehrEnergie.Bei der Emission von Gammastrahlung ändert sich die Ordnungszahl und die Nukleonenzahldes Atoms nicht. Der Kern gibt nur überschüssige Energie ab und geht dabei von einemangeregten Zustand in einen Zustand geringerer Energie über.


Radioaktive Strahlung im Magnetfeldα - Strahlung ist elektrisch positiv, β - Strahlung elektrisch negativ geladen. Demgegenüberweist die γ - Strahlung keine elektrische Ladung auf. In einem Magnetfeld (Lorentzkraft)werden die einzelnen Strahlungsarten deshalb getrennt.α-Strahlung wird weniger stark abgelenkt als β-Strahlung, da α-Teilchen eine wesentlichgrößere Masse besitzen als Elektronen.Spuren von α-Teilchen in der Nebelkammer mit überlagertem starken Magnetfeld. Aus demRadius kann man die Energie der α-Teilchen berechnen.Energie der radioaktiven StrahlungDie α - und β - Teilchen verlassen den Atomkern mit sehr großen Geschwindigkeiten. Siebesitzen also eine große kinetische Energie. Diese wird in der Kernphysik meist in derEinheit Elektronenvolt eV. angegeben. 1 eV ist die kinetische Energie, die ein Elektronbeim Durchlaufen einer Spannung von 1V aufnimmt.1eV = 1,6022 ⋅ 10− 19 − 19C ⋅ 1 V =1,6022 ⋅ 10− 19(e ist die Elementarladung eines Elektrons oder Protons: e = 1,6022 ⋅ 10 C )JBeobachtungen zeigen, dass die α - Strahlung eines Elements eine konstante Energie(konstante Geschwindigkeit) besitzt.Manchmal findet man auch mehrere Gruppen von α - Strahlung. In jeder Gruppe ist dieEnergie konstant. Man spricht von einem Gruppenzerfall.z.B.422288Ra→ He +86Rn+2262 (4,60MeV)γ(0,186MeV)(Gruppe1)


Der Kern befindet sich nach der Emission des α - Teilchens in einem angeregten Zustand.Durch Aussenden der γ - Strahlung geht er in Grundzustand über.488Ra→He +2262 (4,78MeV)22286Rn(Gruppe2)Das α - Teilchen hat die maximale Energie erhalten. Der Kern geht gleich in denGrundzustand über.In der untenstehenden Nebelkammer-Aufnahme werden von einem radioaktiven Präparatzwei verschiedene α-Strahlungen ausgesandt. Alle Spuren einer Energie sind gleich lang wiedie Haare bei einem Rasierpinsel, da die Heliumkerne bei jeder Ionisation im Mittel etwagleich viel Energie abgeben und so nach einer definierten Wegstrecke ihre gesamte Energieabgegeben haben.Die kinetische Energie der beim β - Zerfall eines Nuklids ausgesandten Elektronen ist nichtkonstant.α -Strahlung gibt seine gesamte Energie beim Stoß mit anderen Teilchen ab. Sie hat deshalbnach einer kurzen Strecke ihre Energie verloren.β - Strahlung gibt ihre Energie ebenfalls größtenteils durch Stoßionisation ab. Gleichzeitigentsteht beim Abbremsen der Elektronen aber γ - Strahlung, die man hier Bremsstrahlungnennt.γ - Strahlung ionisiert nur sekundär, indem sie Elektronen erzeugt, die dann ionisierendwirken.


Übersichtα - Strahlung β - Strahlung γ - StrahlungReichweite in Luft einige cm bis 10 m sehr groß (vieleMeter)Durchdringungsvermögen gering groß sehr großMöglichkeit derAbschirmungIonisationswirkungBlatt Papiersehr groß(in Luft pro cm 2– 4 . 10 4 Moleküle)Aluminiumplatte voneinigen MillimeternDickegroß, aber nur 0,01bis 0,001 von αdicke Bleiplatten odernoch dickereBetonwändeunterschiedlich, aberoft großα- β-γ - Strahlenβ-γ Strahlenγ-Strahlenγ-Strahlen

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine