Sooo wisst ihr im Moment nicht wo euch vorm ABI der Kopf steht und braucht wieder mal eine Gedankenstütze? Kein Problem denn heute machen wir euch zum Thema Atom-Kernphysik und Radioaktivität zu absoluten Pros ;) Fangen wir zur Vollständigkeit mit den absoluten Basics ausm Kindergarten an. Ein Atom besteht aus einer Atomhülle und einem Atomkern.
Im Atomkern sitzen noch kleinere Teilchen, nämlich die Kernteilchen oder Nukleonen genannt. Von diesen Kernteilchen schräägstrisch Nukleonen gibt es 2 Sorten: Nämlich die Protonen und die Neutronen. In der atomhülle gibt es auch noch eine sorte Teilchen, nämlich das Elektron.
Diese 3 Teilchen haben alle unterschiedliche Ladungen. Das Proton ist Positiv, das Neutron besitzt keine Ladung und das Elektron ist negativ geladen. Merkt euch das am besten so: PROton, Pro= Positiv Neutron=NEUTRal = keine Ladung Elektron= ist negativ drauf weil es nicht zu den Kernteilchen gehört.
So, jetzt noch was im Atom so abgeht: Fast die ganze Atommasse steckt im Atomkern, genauer gesagt, über 99. 99% ! Dabei, ist der Atomkern extrem winzig und das Atom selber im vergleich zum Kern rieesig.
Wir stellen uns das mal bildlich vor, damit wir das vergleichen können. Wenn ein Reiskorn am Aufschlagpunkt eines Fussballstadions den Atomkern darstellt, so ist die Hülle die Mauer des Stadions. Sprechpause Doch warum ist fast die ganze Masse in diesem ultrakleinen dingens?
? ? Die Masse eines Protons beträgt 1,67 * 10^-27kg Die Masse eines Elektrons beträgt 9,11 * 10-31kg Das Proton ist also 1800 mal so schwer wie das Elektron!
! Wir sehen also das die Masse des Protons extrem ist, im vergleich zum Elektron. Kommt noch die Frage warum die Elektronen jetzt um den Kern herumsausen.
Und ja an die Klugscheißer: Formal korrekt ist das nicht! Aber gleich mehr dazu! Auf jeden Fall entsteht zwischen den protonen und den Elektronen eine Kraft, die sogenannte elektrostatische Kraft.
Positiv und negativ zieht sich halt an. Und genau jetzt schreien die Blitzmerker! Würde das nicht bedeuten, dass die Protonen im Kern sich auch gegenseitig abstossen?
Also so dass der ganze Kern zusammenfällt? Genau dafür sind die Neutronen da, sie halten den Kern zusammen. Warum, würde uns die Quantenmechanik erklären aber genau da hören wir jetzt auf.
Schauen wir uns jetzt noch kurz an, was für Ladungen im Proton und im Elektron sind. Beide besitzen die Ladung: 1,602*10^-19C (couloumb). 1,602*10^-19C ist die Elementarladung e, dies ist die kleinste Ladungsmenge.
Übrigens, das müsst ihr als absolute Grundlage auch wissen: Man kann nur ein ganzzahlig Vielfaches der Elementarladung haben. z. b.
5*(-e) aber nicht 5,5*(-e). denn habt ihr schonmal ein halbes Elektron oder Proton gesehn? *bdm tss* So kommen wir mal zum Anspruchsvolleren Teil :P Im Abi ist die Kernfusion und Kernspaltung wichtig.
Die Kernfusion ist der Vorgang wobei zwei leichte Atome zu einem schweren Atom plus Energie fusioniert. Wie kann man sich das jetzt am besten vorstellen? Am besten guckt ihr(wenns noch Tag ist, ausm Fenster) Da seht ihr dann die Sonne Die Sonne betreibt nämlich genau in diesem Moment, Kernfusion.
In der Sonne schwirren ganz viele Wasserstoffatome umher. Wenn wir jetzt vier Wasserstoffatome fusionieren, kriegen wir ein Heliumatom + 2 Protonen + Energie Würden wir jetzt weitermachen, dann fusionieren wir 3 Heliumatome und kriegen ein Kohlenstoffatom + Energie Exakt so macht das unsere Sonne. Wasserstoff zu Helium, Helium zu Kohlenstoff, Kohlenstoff zu Sauerstoff usw.
bis sie bei Eisen angelangt ist. Eisen ist hierbei das Endprodukt. Das war die KernFUSION!
Doch jetzt wirds Spannend: Vielleicht haben manche schon bemerkt, das bei der KernSPALTUNG auch Energie gewonnen wird, denn genau so funktionieren ja unsere AKW`s Aber dennoch wird bei der Kernfusion genau so Energie gewonnen. Wie geht das? ?
Man merke: Kernfusion→ Verbindet Atome Kernspaltung→ Trennt Atome Jetzt wird unser liebes Eisen ganz schön wichtig! Ihr müsst unbedingt dieses Diagramm hier kennen :) Auf der x-Achse ist aufgezeichnet, wie schwer ein Atom ist (Massezahl) Auf der y-Achse ist die Bindungsenergie aufgetragen. Jetzt gibt es bei der Bindungsenergie einen Höchstwert und der liegt bei….
Eisen! Wir haben vorhin gesehn, dass das Eisen, das Endprodukt der Kernfusion ist. Von der Kernspaltung ist Eisen lustigerweise auch das Endprodukt.
Aus allem was leichter ist als Eisen, also links davon liegt, kann man Energie gewinnen durch FUSION. Z. b.
Aus Wasserstoff. Sind die Elemente schwerer als Eisen, dann können wir nur durch KernSPALTUNG, Energie da rausholen. Beispiel: Uranium Könnte man das Zeug jetzt auch benutzen um auf der Erde, Strom zu erzeugen?
Leider ist das ganze nicht so einfach, denn da kommen einige Faktoren dazu, welche das ganze nicht so einfach machen. Einer dieser Faktoren ist der sogenannte Tunneleffekt, den ihr auch fürs Abi können müsst :) Nebenbei: Wir kommen jetzt endlich zur Quantenmechanik :) Wir haben Atome welche in einem Potenzialtopf sitzen. Die Wände des Topfes sind verdammt hoch!
Das Atom hat also Theoretisch gar keine Chance da raus zu kommen. Eben doch ! Sagt die Quantenmechanik.
In der Quantenmechanik, hat das Atom in diesem Behälter keinen festen Platz mehr, sondern es gibt wahrscheinlichkeiten wo es sich befinden kann. Nämlich anhand dieser Kurve. Die Kurve sagt jetzt also wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass das Atom an dem Ort ist, Wie man auf der Kurve sieht, gibt es eine kleine Wahrscheinlichkeit, dass sich dieses Atom ausserhalb des Behälters befindet o.
O Genau das sorgt dafür, dass die Sonne Kernfusion betreiben kann. In der Sonne, sitzen die Atome innerhalb ihrer Coulombbarieren, also auch in solcehn Töpfen drin. Diese Barrieren sind krank hoch.
Die Temperatur und der Drck in der Sonne würde aber nicht ausreichen um die Atome aus diesem Topf rauszubringen. Aber jetzt kommt der Tunneleffekt. Denn mit einer sehr kleinen Wahrscheinlichkeit, befindet sich ein Atomkern nicht in seinem, sondern in einem Topf eines anderen atomkerns!
Somit ist die Coulombkraft überwunden und die Wechselwirkung fusioniert beide Atomkerne. Für alle die es nicht glauben können, guckt raus in die Sonne, das ist der Beweis :) Nach diesem absoluten Mind-Blow, kommen wir wieder zu etwas much more relaxing. Im Abi müsst ihr sicher noch die 3 Zerfallsarten kennen.
Nämlich den alpha -zerfall, den beta-Zerfall und die gamma-strahlung Warum hinter gamma, jetzt Strahlung steht und nicht zerfall, das erfahrt ihr gleich. Kommen wir also zum alpha-zerfall Als Beispiel nehmen wir ein Isotop eines Uranatoms Isotop bedeutet dass die Anzahl der Protonen nicht gleich ist wie die Anzahl der Neutronen Wir haben also Uranium mit der Ordnungszahl 92 oben. Und unten die Massezahl 235.
Beim alpha Zerfall, wird eine alpha-teilchen aus dem Atomkern rausgeschossen. Ein Alphateilchen ist ein einfacher heliumatomkern. Der Heliumkern wird aus dem Uranatom rausgelöst.
Damit fehlt dem Uran 2 Protonen, 2 Neutronen. Somit wird die Ordnungszahl 92 zu 90 und somit wird Uran zum Element Thorium. Die Massezahl wird natürlich um 4 verringert.
Der beta- Zerfall funktioniert ähnlich. Nur wird dort ein Beta teilchen rausgelöst. Das ist ein Elektron welches aus dem Kern kommt.
Schhhhtop… Ein Elektron kommt aus dem Kern? Dad sind doch die dingerle welche um den Kern kreisen? ?
Absolut richtig, jedoch kommt das Elektron wirklich aus dem Kern. Im Kern wird nämlich ein Neutron gespalten. .
und aus dem gespalteten Neutron, wird ein Elektron und ein Proton. Und dieses Elektron wird rausgeschmissen. Doch was passiert jetzt mit unserem Uran?
Es ist schonmal sicher das ein Elektron rausfliegt. Nämlich das beta teilchen. Jedoch kriegen wir noch ein Proton dazu.
Unsere ordnungszahl steigt deshalb um 1 → 93 Danach haben wir Neptunium. Mit der massezahl 235 die gleich bleibt, da ein Neutron weg geht aber ein Proton dazukommt. Kommen wir also zu der gamma- Strahlung.
Strahlung, weil da nichts zerfällt ;) Es wird nämlich elektromagnetische strahlung ausgesendet. Dies wird in hand eines Photons abgegeben. Ein Photon ist ein kleines Lichtteilchen.
Unser Uranatom sendet also einfach eine Elektromagnetische Welle aus. Wie ihr alle schon wisst, Radioaktivität ist sehr ungesund. Wie kann man sich also davor schützen?
Alpha-Strahlung kann schon von einem blatt Papier abgeschirmt werden. Beta-Strahlung benötigt schon ein Metallblech das einige milimeter dick ist. Bei der gamma Strahlung benötigt man schone eine richtig dicke Bleiwand.
Ende Sooo wir hättens geschafft. Falls ihr in der Physik noch andere Themen zusammengefasst haben wollt dann checkts auf unserem App, oder auf The Simple Physics.
