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Die Kernphysik


Willkommen auf der Homepage der Kernphysik. Wenn Sie etwas über Kernreaktoren, Atomwaffen oder auch nur über die Radioaktivität erfahren wollen dann sind Sie hier genau richtig.

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).

Periodensystem


Heliumatom


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.

Geigerzähler


Zeichen für radioaktive Strahlung


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.

Alphazerfall


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.

Beta-minus-Zerfall


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.

Beta-plus-Zerfall


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.

Gammazerfall


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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.

Atombombe

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

Falls Sie Fragen oder Anregungen zum Thema Kernphysik haben können Sie mir unter folgender Adresse eine E-mail schicken:
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Letzte Änderung: 12.10.2002