Kernzerfall!

aus ZUM-Wiki, dem Wiki für Lehr- und Lerninhalte auf ZUM.de
Wechseln zu: Navigation, Suche


In dieser Stunde werden verschiedene Kernzerfälle vorgestellt.

Inhaltsverzeichnis

vom Periodensystem zur Isotopenkarte

Aus der Chemie ist das Periodensystem der Elemente (oder kurz Periodensystem) bekannt. Das Periodensystem sortiert die Elemente nach Anzahl der Protonen und der Anordnung der Elektronen in den Elektronenschalen. Das Periodensystem der Elemente

Für die Physik ist der genaue Kernaufbau sehr wichtig. Darüber gibt das Periodensystem aber keine Auskunft.
Nehmen wir an, wir wollen uns ein Heliumatom genauer anschauen. Aus dem Periodensystem kennen wir die Anzahl der Protonen bereits. Beim Helium sind es immer zwei. Außerdem können wir aus der Differenz aus der Massenzahl und der Ordnungszahl (=Anzahl der Protonen) auf die Anzahl der Neutronen schließen. (Fast) jedes Atom besitzt auch Neutronen. Beim Helium sind es in der Regel zwei Neutronen.
Aber es können auch Atome mit einer abweichenden Menge Neutronen vorkommen z.B. statt zwei Neutronen nur ein Neutron. Wir sprechen dann von 3He und sagen Helium-3.
3He und das gewöhnliche 4He sind zwei sogenannte Isotope' des Elements Helium.

Jedes Element besitzt verschiedene Isotope. Die Isotopentafel stellt alle uns bekannten Isotope in einer Tabelle dar.
Dabei sind die Isotope so angeordnet, dass ihre Protonenanzahl auf der Y-Ache und ihre Neutronenzahl auf der X-Achse abgelesen werden kann.
Darüber hinaus sind die Isotope farbig markiert. Schwarz hinterlegte Atome sind stabil, sie zerfallen nicht. Alle Farben zeigen die Art des Zerfalls an, mit der das Isotop zerfällt. Uns interessieren zunächst nur die beiden in der Natur am meisten vorkommenden Zerfälle: Der α-Zerfall und der β-Zerfall. Die Isotopentafel

Es gab vor einier Zeit eine Kopiervorlage vom Verlag "Volk und Wissen" mit einem Ausschnitt aus der Nuklidkarte im Internet. Leider stand sie nicht unter einer geeigneten Lizenz, so dass ich sie hier nicht hochladen kann. Sie ist nur für den Einsatz im Unterricht freigegeben. Vielleicht findet sich die Karte ja noch über Google. Ansonsten ist sie auch in vielen Physikbüchern enthalten.



Zerfallsarten

Bestimmte Isotope sind nicht stabil. Das bedeutet, dass sie nach einer gewissen Zeit in zwei kleinere Teile zerfallen. Welches Isotop auf welche Art zerfällt, lässt sich nachweisen. Wann aber ein einzelnes Isotop zerfällt, lässt sich nicht vorhersagen.

In der Natur kommen vor allem zwei verschiedene Zerfallsarten vor: Der Alpha-Zerfall und der Beta-Zerfall.
In beiden Fällen stößt der Kern ein Teilchen ab und schleudert es aus dem Kern heraus. Wir bezeichnen diesen Vorgang als Alpha- bzw. Betastrahlung und schreiben α-Strahlung bzw. β-Strahlung. Beides sind radioaktive Strahlen.

Radioaktive Strahlung wirkt ionisierend (man spricht daher auch von ionisierender Strahlung). Das bedeutet, dass die Strahlung Elektronen aus der Hülle eines Atoms heraus schlagen kann wenn das Atom der ionisierenden Strahlung ausgesetzt wird. So erklärt sich die zellschädigende Wirkung ionisierender Strahlung.

Menschen haben für radioaktive Strahlung (egal ob α-, β-, oder γ-Strahlung) kein Sinnesorgan. Es gibt aber Geräte mit denen wir radioaktive Strahlung nachweisenkönnen. Ein weit verbreitetes Gerät ist das Geiger-Müller-Zählrohr (auch Geiger-Zähler genannt). Das Funktionsprinzip des Geiger-Müller-Zählrohrs basiert auf der ionisierenden Wirkung der radioaktiven Strahlung. Das Geiger-Müller-Zählrohr misst die Ionisation im inneren des Messgerätes.



α-Zerfall

Emission eines Alphateilchens
Bei einem α-Zerfall sendet ein Atomkern ein α-Teilchen aus. Das α-Teilchen (ein Heliumkern (\textstyle{{}^4_2\mathrm{He}^{++}})) wird aus dem Kern „herausgeschossen“. Dabei verringert sich die Massenzahl des emittierenden (aussendenden) Kerns um 4, die Kernladungszahl ( = Ordnungszahl ) um 2. Es entsteht also ein völlig anderes Atom.

Beispiel: \textstyle{{}^{238}_{92}\mathrm{U}}\textstyle{{}^{234}_{90}\mathrm{Th}} + \textstyle{{}^4_2\mathrm{He}^{++}} + Energie

Eigenschaften der α-Strahlung: Aufgrund ihrer starken, positiven Ladung haben Alphateilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie. Ihre Reichweite in Luft beträgt nur ca. 5 – 10 cm. Zur vollständigen Abschirmung reichen bereits einige Blätter Papier aus.
α-Strahlung besteht aus elektrisch geladenen Teilchen, sie wirkt stark ionisierend.

Stoffe die α-Strahlung aussenden (sog. α-Strahler) sind vor allem dann für Menschen gefährlich, wenn diese Stoffe in den Körper aufgenommen werden. Die α-Strahlung kann im inneren des Körpers schwere Schäden verursachen. Wirkt die Strahlung hingegen nur von außen, so bietet bereits die oberste Hautschicht einen sehr guten Schutz vor der α-Strahlung. Eine Ausnahme bildet hierbei die Hornhaut des Auges, die bereits durch Alphastrahlung schwer geschädigt werden kann.



β-Zerfall

β-Strahlung
Bei einem β-Zerfall sendet ein Atomkern ein β-Teilchen aus. Das β-Teilchen (ein Elektron) kommt üblicherweise aber gar nicht im Kern vor! Es entsteht dadurch, dass sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt. Das Proton verbleibt im Atomkern (die Kernladungszahl nimmt dadurch um eins zu, die Massenzahl bleibt gleich!) und das Elektron wird aus dem Kern herausgeschossen.

Beispiel: \textstyle{{}^{234}_{90}\mathrm{Th}}\textstyle{{}^{234}_{91}\mathrm{Pa}} + \textstyle{\mathrm{e}^{-}} + Energie

Eigenschaften der β-Strahlung: β-Teilchen haben aufgrund der geringen Ladung eine deutlich höhere Eindringtiefe in Materie. Je nach Anfangsenergie (Geschwindigkeit) haben β-Teilchen in Luft eine Reichweite von bis zu mehreren Metern. Auch β-Teilchen sind elektrisch geladen. Sie wirkt schwach ionisierend. Bereits wenige Millimeter (mm) Metall (z.B. Aluminium) reicht aus, um β-Strahlung praktisch vollständig abzuschirmen.

β-Strahlung kann auch bei äußerer Einwirkung auf den menschlichen Körper Zellen im Inneren des Körpers schädigen. Die schädigende Wirkung der β-Strahlung ist allerdings nicht so stark wie bei der α-Strahlung. Um die gleichen Schäden zu verursachen ist also eine höhere Strahlendosis erforderlich.



γ-Strahlung

γ-Strahlung ist (wie Licht oder Röntgenstrahlung) eine Elektromagnetische Welle. Sie tritt in der Regel als Folge vom α- und β-Zerfall auf. Bei diesen Zerfällen wird Energie vom Atomkern abgegeben. Diese Energie wird sowohl in Form von γ-Strahlung als auch in Form von Wärme vom Atom abgegeben. Es gibt für das Auftreten von γ-Strahlung auch andere Ursachen, z.B. andere Kernreaktionen.

Eigenschaften von γ-Strahlung: γ-Strahlung wirkt schwach ionisierend. Die Abschirmung von γ-Strahlung ist sehr schwierig. Grundsätzlich wird die abschirmende Wirkung mit wachsender Dicke der Barriere und mit zunehmender Massenzahl des abschirmenden Materials größer.


Darstellung aller möglichen Kern-Zerfälle

α-Zerfall in der Nuklidkarte

Der α-Zerfall (sprich: Alpha-Zerfall) lässt sich in der Nuklidkarte verfolgen. Der Kern verliert dabei zwei Protonen und zwei Neutronen (also einen Helium-Kern (\textstyle{{}^{4}_{2}\mathrm{He}} )). Um vom Ausgangs-Isotop zum Ziel-Isotop zu gelangen geht man zwei Zeilen nach unten (für die verlorenen Protonen) und zwei Spalten nach links (für die verlorenen Neutronen).




Darstellung aller möglichen Kern-Zerfälle

β-Zerfall in der Nuklidkarte

Auch der β--Zerfall (sprich: Beta-Zerfall) lässt sich in der Nuklidkarte verfolgen. Der Kern wandelt ein Neutron in ein Proton (und ein Elektron) um. Um vom Ausgangs-Isotop zum Ziel-Isotop zu gelangen geht man eine Zeilen nach links (für das verschwundene Neutron) und eine Spalte nach oben (für das dazu gewonnene Proton).



Weitere Informationen in der Nuklidkarte

Die farbige Kennzeichnung der Isotope (oder Nuklide) verrät etwas über die Zerfallsart. Für uns sind drei Farben wichtig:

  • schwarzer Hintergrund: Das Isotop ist stabil. Es zerfällt nicht weiter, es ist nicht radioaktiv.
  • sehr hell grauer Hintergrund: Das Isotop zerfällt über den β-Zerfall. Es handelt sich daher um einen β-Strahler.
  • sehr dunkel grauer Hintergrund: Das Isotop zerfällt über den α-Zerfall. Es handelt sich daher um einen α-Strahler.

Bei den stabilen Isotopen steht eine Prozent-Angabe unter dem Element-Symbol. Sie gibt den prozentualen Anteil des Isotops in dem natürlich vorkommendem Element an.
Bei den radioaktiven Isotopen steht eine Zeit unter dem Element-Symbol. Sie gibt die Halbwertszeit des Isotops an.

Die Halbwertszeit eines Isotops beschreibt die Zeit die vergeht, bis von einer gegebenen Menge des Isotops die Hälfte der Kerne zerfallen ist (sich also in ein anderes Element umgewandelt hat). Nach einer Halbwertszeit ist noch die Hälfte von den ursprünglichen vorhandenen Isotopen übrig. Nach einer weiteren Halbwertszeit hat sich die restliche Menge des Isotopes erneut halbiert usw.