Thema heute: Aufbau der Materie: Kernumwandlungen, Spaltung von Atomkernen

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1 Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Experiment von Rutherford, Atombau, atomare Masseneinheit u, 118 bekannte Elemente, Isotope, Mischisotope, Massenspektroskopie, Massenverlust 4H 4 He, Einstein: Äquivalenz: Masse Energie: E = mc 2, Kernbindungsenergie, Kernfusion, Temperaturskalen, K, C, F Thema heute: Aufbau der Materie: Kernumwandlungen, Spaltung von Atomkernen Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 42

2 Element Kernumwandlungen: Radioaktivität Instabile Atomkerne wandeln sich unter Ausstoßung von Elementarteilchen oder kleinen Kernbruchstücken in andere Nuklide um. Bei solchen Kernreaktionen werden große Energiemengen freigesetzt Becquerel: Uranverbindungen senden Strahlen aus Pierre u. Marie Curie: Radium entdeckt, aus Pechblende (Uranerz) isoliert Rutherford/Soddy: Radioaktivität beruht auf Zerfall von Atomkernen "natürliche Radioaktivität" Aussendung von Strahlung Strahlenaussendung lässt sich nicht durch äußere Einwirkung beeinflussen. Radioaktive Präparate sind immer wärmer als Umgebung 3 unterschiedliche Arten von Strahlen Strahlen wirken auf Umgebung ionisierend Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 43

3 Radioaktivität - 3 Arten radioaktiver Strahlung Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 44

4 α-strahlung: He 2 A A 4 4 Z E Z - 2 E' + 2He + Energie α-zerfall Ra Rn He Gleichung für Kernreaktionen β-strahlung: Elektronen A A Z E Z+1E' + e + Energie Das Elektron stammt aus dem Atomkern; Zerfall eines Neutrons: n p + e + γ K Ca + e γ-strahlung: Abgabe hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 45

5 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 46

6 Natürliche, radioaktive Zerfallsreihen 1) Uran-Radium-Reihe ( 238 U) 2) Thorium-Reihe 3) Uran-Actinium-Reihe ( 235 U) 4) Neptunium-Reihe Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 47

7 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 48

8 Die radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit Radioaktive Zerfallsprozesse verlaufen 1) statistisch und 2) nach einem exponentiellen Zerfallsgesetz N t = N o e kt K: Zerfallskonstante Halbwertszeit 92 Po : t 1/2 = 1, Sekunden 238 U : t 1/2 = 4, Jahre Altersbestimmung "biologischer" Materialien: Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 49

9 Altersbestimmungen Altersbestimmung "biologischer Materialien 14 C-Methode (Libby 1947) N + n 6 C * p Bei konstanter Neutroneneinstrahlung (kosmische Strahlung) besteht ein Gleichgewicht zwischen Bildung und Zerfall von 14 C in der Atmosphäre. Die Halbwertszeit von 14 C beträgt 5730 Jahre. Alter von Mineralien Die größte Halbwertszeit einer Zerfallsreihe bestimmt die Geschwindigkeit des Zerfalls. 238 U t = 4, Jahre Berechnung des Alters aus den Verhältnissen Pb/ U bzw. 4 2 He/ U andere Methoden: Sr / Rb oder Ar / K Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 50

10 Nachweis/Messung radioaktiver (ionisierender) Strahlung Ionisationskammer/Geiger-Müller-Zählrohr Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 51

11 Kernspaltung 1938 Hahn u. Strassmann z.b U + n 92U* X + Y + 1bis 3 n + 200MeV U* Kr + Ba n Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 52

12 Kernspaltung 1938 Hahn u. Strassmann U + n U * Kr + Ba n 92 U * n 92U 93 Np + e 94 Pu + e Brutreaktion! Multiplikationsfaktor k = erzeugte Neutronen, durch die neue Kernspaltungen ausgelöst werden. k > 1 ungesteuerte Kettenreaktion (Atomexplosion) k ~ 1 gesteuerte Kettenreaktion Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 53

13 Kernspaltung U + n 92 U* X + Y + 1bis 3 n Hahn u. Strassmann z.b U* 36 Kr + 56Ba + 2 n Multiplikationsfaktor k = erzeugte Neutronen, durch die neue Kernspaltungen ausgelöst werden. k > 1 ungesteuerte Kettenreaktion (Atomexplosion) k ~ 1 gesteuerte Kettenreaktion 200 MeV Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 54

14 Kernreaktoren erster Kernreaktor 1942 in den USA (Chicago) (E. Fermi) U n U Np Pu Sehr wichtig sind die Betriebsbedingungen: Neutronenverluste Neutronenbremsung (Moderatoren Wasser o. Graphit) Neutroneneinfang (Bor / Cadmium) 1 kg 235 U liefert Energie von 2, kg Kohle E. Fermi ( ) Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 55

15 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 56

16 Durch Beschuss von Atomkernen mit Elementarteilchen oder anderen Atomkernen lassen sich gezielt künstliche Isotope und auch neue Elemente herstellen. 237 Np 244 Neptunium, Pu (Plutonium) 95: Americium (Am) 96: Curium (Cm) 97: Berkelium (Bk) 98: Californium (Cf) 99: Einsteinium (Es) 100: Fermium (Fm) 101: Mendelevium (Md) 102: Nobelium (No) 103: Lawrencium (Lr) Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 57

17 Elemententstehung im Universum Gesamtmasse des Milchstraßensystems besteht zu 2/3 aus H und zu 1/3 aus Helium Rest << 1% Fe: 1/10 6 % der Gesamtmasse Schwerere Elemente als Eisen entstehen durch Neutroneneinfang und anschließendem β-zerfall Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 58

18 Sternstunden Die Geburt des Universums Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 59