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Die Kernphysik
Kapitel 1: Das Atom
Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern der aus Protonen und Neutronen
besteht und aus negativ geladenen Atomhüllen auf denen Elektronen kreisen. Bei einem
Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen und somit ist es
nach außen hin neutral. Die Anzahl der Protonen entscheidet darüber um was für einen Stoff
es sich handelt. Das erste Element im Periodensystem der Elemente ist Wasserstoff.
Die Elemente sind im Periodensystem nach der Protonenanzahl sortiert.
Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht aus nur einem Proton. Es gibt jedoch von jedem Element
verschiedene Isotope. Isotope sind Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber mit einer
verschiedenen Anzahl an Neutronen. Verschiedene Isotope unterscheiden sich nicht in ihren
chemischen Eigenschaften. Vom Wasserstoff gibt es insgesamt drei Isotope. Das erste
Isotop ist der normale Wasserstoff von dem ich gerade sprach. Das zweite Isotop heißt Deuterium
und der Atomkern dieses Isotops besteht aus einem Proton und einem Neutron und das dritte
Isotop heißt Tritium und sein Atomkern besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Bei Tritium
tritt ein Ungleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen ein, somit ist es instabil und
zerfällt. Das Teilchen, das bei diesem Zerfall entsendet wird ist als radioaktiv bezeichnet
und wirkt ionisierend (es hat eine Ladung). Aus Atomen kann man Ione machen. Man kann sagen,
dass ein Ion ein Atom ist, das weniger oder mehr Elektronen als Protonen besitzt. Es ist somit
nicht neutral und wirkt ionisierend (radioaktiv).
Kapitel 2: Die Radioaktivität
Unter dem Begriff Radioaktivität versteht man Atomkerne die zerfallen. Der Grund warum sie
zerfallen ist der, dass sie instabil sind. Und auch dafür gibt es einen Grund, denn ein Kern
ist entweder wenn er zu schwer oder wenn ein Ungleichgewicht zwischen den Protonen und
Neutronen besteht instabil. Alle Atomkerne die eine höhere Nukleonenzahl (Protonen und Neutronen
zusammen) als 210 haben sind instabil. Es gibt drei Zerfallsarten: den Alphazerfall,
den Betazerfall und den Gammazerfall. Da man heute noch nicht bestimmen kann welcher Kern als
nächster zerfallen wird gibt man es statistisch an. Man kann nämlich ungefähr sagen wieviele
Kerne in einer bestimmten Zeit zerfallen werden. Nach diesem Prinzip werden Halbwertszeiten
aufgestellt. Nach einer Halbwertszeit sind die Hälfte der Kerne eines radioaktiven Präparates
zerfallen. Plutonium-239 hat z. B. eine Halbwertszeit von 24000 Jahren, Radium-228 hat eine
von 6,7 Jahren, Thorium-232 eine von 14 Milliarden Jahren und Polonium-212 eine von 0,0000003
Sekunden. Es gibt viele physikalische Größen die, die Radioaktivität beschreiben, aber ich
werde nur eine von ihnen und nämlich die Aktivität (A) vorstellen. Die Aktivität setzt sich
zusammen aus der Anzahl der Kernzerfälle geteilt durch die Zeit. Die Einheit der Aktivität ist
das Becquerel (Bq). Das Becquerel beschreibt immer die Anzahl der Kernzerfälle in einer
Sekunde. 20 Bq sind also 20 Kernzerfälle in einer Sekunde. Um diese Kernzerfälle
nachzuweisen gibt es den sogenannten Geigerzähler. Er besteht aus einem geschlossenen Rohr welches
meistens mit Argon gefüllt ist. An einem Ende des Rohrs ist ein Draht, der jedoch weder
das andere Ende des Rohrs, noch die Wände berühren darf. Der Draht ist positiv geladen und
die Wände sind negativ geladen. Ein radioaktives Teilchen welches nun in dieses Rohr
hineinfliegt ionisiert ein oder mehrere Gasatome. Dadurch bewegen sich die
herausgestoßenen Elektronen zum Draht. Dies bewirkt einen Spannungsstoß. Dieser
Spannungsstoß wird auf einem Ausgabegerät als ein Kernzerfall angezeigt. Auf dem
Foto ist ein Geigerzähler abgebildet.
Der Alphazerfall
Beim Alphazerfall wird ein zweifach positiv geladenes Heliumion (ein Heliumkern) aus dem
Atomkern emmitiert (ausgesandt). Das heißt, dass sich die Kernmasse um zwei Protonen
und um zwei Neutronen verringert. Alphastrahlung ist zwar die gefährlichste der drei
Strahlungsarten, aber man kann sich schon mit einem Blatt Papier vor ihr schützen. Die Haut
läßt auch keine Alphastrahlung durch.
Der Beta-minus-Zerfall
Beim Betazerfall unterscheidet man zwischen dem Beta-minus-Zerfall und dem Beta-plus-Zerfall
Beim Beta-minus-Zerfall zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino.
Das Elektron und das Antineutrino werden emmitiert. Das ionisierende Teilchen ist das Elektron.
Die Nukleonenzahl bleibt gleich und die Kernladungszahl erhöht sich um eins. Um sich vor
Betastrahlung schützen zu können braucht man 2 bis 3 Zentimeter dickes Holz.
Der Beta-plus-Zerfall
Beim Beta-plus-Zerfall zerfällt ein Proton in ein Neutron, ein Positron (Antiteilchen des
Elektrons) und ein Neutrino. Das Positron und das Neutrino werden emmitiert. Das ionisierende
Teilchen ist das Positron.
Der Gammazerfall
Beim Gammazerfall werden hochenergetische elektromagnetische Wellen aus dem Atomkern
emittiert. Diese Wellen sind Photonen, die eine viel höhere Frequenz und kürzere Wellenlänge
als Licht haben. Ein Gammazerfall erfolgt dann, wenn zuvor ein Alpha- oder Betazerfall statt
gefunden hat und der Kern sich in einem höheren Energiezustand befindet. Um sich vor
Gammastrahlung schützen zu können braucht man mehrere Zentimeter dickes Blei.
Auf der Download-Seite können Sie sich dieses
Programms herunterladen.
Kapitel 3: Die Anwendungsbereiche der Radioaktivität
Es ist allgemein bekannt, dass starke radioaktive Strahlung der Gesundheit schadet und
trotzdem verwendet man z. B. bei Kernkraftwerken und Atomwaffen (siehe: Kapitel 4) radioaktive
Präparate. Es gibt aber auch nützliche Seiten der Radioaktivität. Als Beispiel kann man die
Nuklearmedizin nennen. Ein Röntgenapparat, beim Arzt, schickt Röntgenstrahlung durch durch
unseren Körper auf eine Fotoplatte. Dort wo die Fotoplatte geschwärtzt wird kann die Strahlung
unseren Körper durchdringen und dort wo sie durchsichtig bleibt kann sie unseren körper nicht
durchdringen. Ein weiterer positiver Punkt ist die Strahlentherapie. Man wendet sie bei
krebskranken Patienten an, indem man die Strahlung auf den Tumor richtet und er somit geschädigt
werden soll. Bei alten Uhren die phosphoriszieren sollten hat man Radium und Thorium benutzt,
die das Zinksulfit zum leuchten brachten. Die Glühstrümpfe für Camping-Gaslampen enthielten
früher Thorium. Für die Batterien von Herzschrittmachern verwendet man als Energiequelle
Plutonium-238. Hierbei kommt es zu keiner Kernspaltung, denn man nutzt die Energie die beim
natürlichen radioaktiven Zerfall von Plutonium-238 frei wird. Radionuklidbatterien nutzen auch
die Raumsonden Voyager I, Voyager II und Cassini, die sehr lange im Weltraum unterwegs sind und
somit eine Energiequelle für lange Zeit brauchen. Über Kernkraftwerke und Atomwaffen werde ich
im nächsten Kapitel berichten.
Kapitel 4: Kernreaktionen und ihre Anwendungsbereiche
Es gibt zwar viele Möglichkeiten Kernreaktionen zu erzeugen, aber ich werde nur die
Kernspaltung und Kernfusion beschreiben. Für eine Kernspaltung in einem Kernkraftwerk oder bei
einer Atombombenexplosion braucht entweder Plutonium-239 oder Uran-235 als Spaltmaterial. Um
eine Kernspaltung auszulösen muss man das Spaltmaterial mit thermischen Neutronen beschießen.
Bei der Spaltung entstehen zwei neue Atome und zwei bis drei weitere freie Neutronen. Diese
freien Neutronen spalten automatisch weitere Kerne und man spricht von einer Kettenreaktion.
Die Animation einer Kernspaltung:
Bei einer Atombombe gibt es eine Kugel aus Plutonium-239 oder Uran-235. In dieser Kugel befindet
sich eine Neutronenquelle die aber erst dann wirkungsvoll wird, wenn das die Kugel umgebende
TNT (Trinitrotoluol) explodiert. Durch den Druck der Explosion wird die kritsiche Masse des
Spaltmaterials überschritten. Es gibt auch Atombomben die anders aufgebaut sind, jedoch ist
das Prinzip immer dasselbe. Diese beiden Spaltmaterialien die man verwenden kann sind sehr
teuer, den man findet nur Spuren von Plutonium auf der Erde, was bedeutet, dass man Plutonium
künstlich herstellen muss. Dazu beschießt man das natürliche Uran-238 mit Neutronen und dadurch
es wird zu Uran-239, einem Betastrahler. Dieses zerfällt zu Neptunium-239, einem weiteren
Betastrahler und dies wiederum zerfällt zu Plutonium-239, dem gewünschten Stoff. Uran-235
hingegen befindet sich auf der Erde aber eingeschlossen in Uran-238. Um Uran-235 von Uran-238
zu trennen muss man sehr kompliziert vorgehen, den die Isotope eines Elements unterscheiden
sich chemisch nicht voneinander, so dass eine chemische Trennung ausgeschlossen ist. Eine
Atombombe dieser Art kann eine Sprengkraft von bis zu 20 Kilotonnen (20000 Tonnen) haben. Das
heißt, dass die Explosion dieser Atombombe so groß ist wie die Explosion von 20 Kilotonnen
TNT.
Wasserstoffbomben können eine Sprengkraft von 20 Megatonnen (20 Millionen Tonnen)
erreichen. Solche Atomwaffen nennt man Dreiphasenzünder. Hierbei ist die Kernspaltung, wie
bei der Atombombe die erste Phase. Für die zweite Phase bringt man in dieser Bombe Deutrium
und Tritium unter, die miteinander verschmelzen sollen. Die Temperatur die hier entsteht
beträgt 200 bis 300 Millionen Grad Celsius (viel heißer als das Sonneninnere). Die dritte Phase
ist die Spaltung von Uran-238, dass um die anderen Phasen herum angebracht ist. Unter diesen
Umständen (gemeint ist diese hohe Temperatur) gelingt auch die Spaltung von Uran-238. Bei
heutigen Kernkraftwerken passiert fast dasselbe wie bei der Atombombe, außer dass man kein TNT
benutzt. Der Grund warum Kernkraftwerke im Normalbetrieb nicht explodieren, ist der, dass
man Regelstäbe benutzt, die dafür sorgen, dass sich nicht zuviele Spaltungsneutronen im
Reaktor. Hierbei spricht man von einer kontrollieren Kettenreaktion im Gegensatz zur
unkontrollierten Kettenreaktion bei den Atomwaffen. Die zukünftigen Kernkraftwerke sollen
Fusionskraftwerke werden, die anstatt schwere Kerne zu spalten, leichte Kerne miteinander
verschmelzen werden. Man kann zwar schon heute Kernfusionen durchführen, jedoch muss man mehr
Energie in den Fusionsvorgang hineinstecken als man heraus bekommt. Mit Hilfe von Fusionen
wurden z. B. die letzten Elemente im Periodensystem künstlich erzeugt, da man sie auf der Erde,
nicht vorfindet. Im Jahre 1999 dachten einige Wissenschaftler, dass sie das element 118 entdeckt
haben, jedoch hat sich 2001 herausgestellt, dass es ein Fehler gewesen ist. Somit ist das letzte
bekannte Element Element 114. Auch in Sternen finden
Fusionen nach einem bestimmten Muster statt. Bei unserer Sonne ist es der
Proton-Proton-Zyklus den Sie auf der
Homepage der Astronomie und Astrophysik nachlesen können. Eine grundlegende Frage
die ich noch beantworten möchte ist, die warum man überhaupt bei diesen Kernreaktionen Energie
gewinnen kann. Anfangen müssen wir bei Einsteins bekannter Formel: E=mc2 (E bedeutet
Energie, m bedeutet Masse und c bedeutet Lichtgeschwindigkeit im Vakuum). Diese Formel erlaubt
es uns Masse in Energie umzuwandeln. Atomkerne haben unterschiedliche Bindungsenergien.
Die Bindungsernergie ist die Energie, die die Nukleonen zusammenhält. Dadurch gibt es in jedem
Atomkern einen Massendefekt. Beispielsweise wiegen ein freies Proton und ein freies Neutron
mehr als Deuterium (schwerer Wasserstoff, besteht aus einem Proton und einem Neutron). Die
höchste Bindungsenergie hat Eisen und steht im heutigen Periodensystem der Elemente ungefähr
in der Mitte. Wenn man sich dieser Mitte mit Spaltungen oder Fusionen nähert so wird ein
bestimmter Teil in Energie umgewandelt die wir nutzen können, weil die Bindungsenergie
steigt.
Die Animation einer Kernfusion:
Autor und Webmaster: Lukas Czarnecki
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Letzte Änderung: 12.10.2002