Kleiner Atlas der Radioaktivität

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2 Wissenschaftliche Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das Lehramt an Hauptschulen und Realschulen im Fach Physik, eingereicht dem Amt für Lehrerbildung - Prüfungsstelle Gießen - Thema: Kleiner Atlas der Radioaktivität - eine Broschüre für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I Verfasserin: Luzia Tambovzev Wilhelmstr Sinn Gutachter: Prof. Dr. M. Düren November 2011

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4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis... III 1 Vorwort Physikalische Grundlagen Das Atom Chemische Elemente und das Periodensystem Nuklide, Isotope, Isotone und Isobare - was ist was? Wechselwirkungen Geschichte der Radioaktivität Radioaktivität, was ist das? Radioaktive Strahlung und ihre Eigenschaften Alphastrahlung Betastrahlung Gammastrahlung Eigenschaften der Alpha-, Beta- und Gammastrahlung im Vergleich Neutronenstrahlung Gesetze der Radioaktivität Zerfallsgesetz Halbwertszeit Kernspaltung und Kernfusion Kernspaltung Kernfusion Röntgenstrahlung WILHELM CONRAD RÖNTGEN und seine revolutionäre Entdeckung Röntgenröhre und Röntgenstrahlung Röntgenkunst - Wenn das Röntgen zur Kunst mutiert Nachweis radioaktiver Strahlung Zählrohr (Geiger- Müller- Zählrohr) Nebelkammer Funkenzähler I

5 Inhaltsverzeichnis 9.4 Szintillationszähler Großdetektoren Messgrößen radioaktiver Strahlung und der Strahlenschutz Messgrößen und Einheiten radioaktiver Strahlung Strahlenbelastung Schüler- Demonstrationsversuche zum Thema Radioaktivität Versuch: Belichtung der Fotoplatte Versuch: Entladung eines Elektroskops durch radioaktive Strahlung Versuch: Entladung eines Kondensators durch radioaktive Strahlung Versuch: Nachweis der radioaktiven Strahlen mit dem Zählrohr Versuch: Absorption der -Teilchen in Materie Versuch: Absorption der Gammastrahlung in Materie Versuch: Radioaktivität wird von den Schülern gemessen Versuch: Ablenkung von -Teilchen im Magnetfeld Versuch: Nebelkammer Versuch: Funkenzähler Bilderquellen i Literaturverzeichnis... A II

6 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Atom und Atomkern... 5 Abb. 2: Das thomsonsche Atommodell: Elektronen (blau), positiver Hintergrund (rot)... 6 Abb. 3: JOSEPH JOHN THOMSON ( )... 6 Abb. 4: Die rutherfordschen Streuversuche und ihre Interpretation... 7 Abb. 5: Das rutherfordsche Atommodell: Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich um den positiv geladenen Atomkern Abb. 6: ERNEST RUTHERFORD ( )... 7 Abb. 7: Das bohrsche Atommodell: Die Elektronen bewegen sich auf bestimmten Bahnen um den positiv geladenen Atomkern... 8 Abb. 8: NIELS BOHR ( )... 8 Abb. 9: Emission (links) und Absorption (rechts) eines Photons in der Atomhülle... 9 Abb. 10: Verschiedene Orbitale in bildhafter Veranschaulichung... 9 Abb. 11: Elektronen bilden eine stehende Welle Abb. 12: Einfache Veranschaulichung eines quantenmechanischen Atommodells Abb. 13: Das Periodensystem Abb. 14: Symbolschreibweise der Elemente des Periodensystems am Beispiel eines Uranatoms Abb. 15: Das Universum: Chemische Zusammensetzung Abb. 16: Die Erdkruste: Chemische Zusammensetzung (Luft und Wasser sind miteinbegriffen) Abb. 17: Der Mensch: Chemische Zusammensetzung Abb. 18: Ausschnitt aus einer Nuklidkarte Abb. 19: Wasserstoffisotope und ihre Anteile in der Natur Abb. 20: Beispiel für natürliche Radioaktivität: Blei- 210 zerfällt unter Aussendung eines Elektrons (β- Teilchen) in Bismut Abb. 21: Fotoplatte von HENRI BECQUEREL: Die Fotoplatte ist durch radioaktive Strahlung geschwärzt Abb. 22: HENRI BECQUEREL Abb. 23: Historisches Fotoapparat Abb. 24: Zufällige Entdeckung BECQUEREL'S Abb. 25: MARIE CURIE Abb. 26: PIERRE CURIE Abb. 27: Das Ehepaar PIERRE und MARIE CURIE in ihrem Pariser Laboratorium Abb. 28: Das Prinzip Rutherfords Experimente Abb. 29: Höchste Anerkennung Abb. 30: Beispiel für künstliche Radioaktivität Abb. 31: IRÈNE und FRÉDÉRIC JOLIOT-CURIE Abb. 32: Doramad - Radioaktive Zahncreme Abb. 33: Warnzeichen vor radioaktiven Stoffen III

7 Abbildungsverzeichnis Abb. 34: Neues Warnzeichen vor radioaktiven Stoffen Abb. 35: Zerfallsreihe vom radioaktiven Zinn (Sn-131) Abb. 36: Uran- Radium- Zerfallsreihe Abb. 37: Alphastrahlung Abb. 38: Rauchmelder Abb. 39: Prinzip der Dickenmessung von unterschiedlichen Folien Abb. 40: Elektronenstrahlung ( - Strahlung) Abb. 41: Energie- Verteilung von Betastrahlen Abb. 42: Positronenstrahlung ( + β - Strahlung) Abb. 43: Edelstein Topas in verschiedenen Farben und Formen Abb. 44: Übersicht mit sichtbarem Spektrum im Detail Abb. 45: Gammastrahlung: Ein angeregter Bariumkern gibt seine Energie in Form eines γ - Quants ab Abb. 46: Prozessskizze des Photoeffekts Abb. 47: Prozessskizze des COMPTON- Effekts Abb. 48: Prozessskizze der Paarbildung Abb. 49: Ablenkung radioaktiver Strahlung im elektrischen Feld Abb. 50: Ablenkung radioaktiver Strahlung im magnetischen Feld Abb. 51: Durchdringungsvermögen radioaktiver Strahlung Abb. 52: Neutronengewinnung aus Beryllium Abb. 53: Grundsätzlicher Aufbau eines Neutronenschildes Abb. 54: Vermehrung von Hefezellen bei Gärungsprozessen Abb. 55: Beispiele für Abb. 56: Beispiele für gestauchte und gestreckte Exponentialfunktionen Abb. 57: Skelett (Dinosaurier) Abb. 58: Zeitliche Abnahme der Anzahl der Atome des radioaktiven Stoffes Abb. 59: Zeitliche Abnahme der Aktivität (in Prozent) beim radioaktiven Zerfall Abb. 60: Beispiel für die Kernspaltung Abb. 61: Kettenreaktion Abb. 62: Kernkraftwerk, Standort Isar Abb. 63: Druckwasserreaktor Abb. 64: Atombombe (schematisch) vor der Zündung der Sprengkapseln.. 68 Abb. 65: Atompilz von Fat Man über Nagasaki Abb. 66: Beispiel für die Kernfusion Abb. 67: Massendefekt Abb. 68: ALBERT EINSTEIN ( ) Abb. 69: WILHELM CONRAD RÖNTGEN Abb. 70: Röntgenröhre und wie damit fotografiert wird Abb. 71: Weltbekanntes Röntgenbild der Hand mit Ring Abb. 72: Röntgen- Denkmal in Gießen Abb. 73: Röntgenröhre IV

8 Abbildungsverzeichnis Abb. 74: Panoramaaufnahme der Zähne eines erwachsenen Menschen Abb. 75: Röntgenbild eines gebrochenen Oberarms Abb. 76: Röntgenaufnahme eines Bandscheibenvorfalls Abb. 77: Röntgenuntersuchung des Darms mithilfe von Kontrastmittel Abb. 78: Röntgenteleskop Chandra Abb. 79: Musiker Abb. 80: Frauenschuh (links), Männerschuh (rechts) Abb. 81: DJ- Pult Abb. 82: Baseballspieler: Eine Mischung aus einer Fotografie und einem Röntgenbild Abb. 83: Bus Röntgen Bild Abb. 84: Eine ungewöhnliche Röntgenaufnahme von einem Flugzeug, das zur Reparatur in einem Hangar am Logan Airport in Boston steht. Es handelt sich um eine Boeing 777, einer der größten Passagierflugzeuge der Welt Abb. 85: Zählrohr Abb. 86: Verlauf der elektrischen Feldlinien in einem Zählrohr und der Eintritt der ionisierenden Strahlung Abb. 87: Schematischer Aufbau der Nebelkammer Abb. 88: CHARLES THOMSON REES WILSON ( ) Abb. 89: Mehrere Kondensstreifen von Flugzeugen Abb. 90: Spuren in einer Nebelkammer, verursacht durch ionisierende Strahlung ( - Teilchen) Abb. 91: Funkenzähler Abb. 92: Szintillationszähler Abb. 93: Einblick in ein Großdetektor Abb. 94: Grünes Polarlicht Abb. 95: Strahlenbelastung in Deutschland Abb. 96: Strahlenexposition in Deutschland Abb. 97: Schäden durch radioaktive Strahlung Abb. 98: Versuchsaufbau: Belichtung der Fotoplatte Abb. 99: Versuchsaufbau: Das Elektroskop entlädt sich über die ionisierte Luft Abb. 100: Versuchsaufbau: Entladung eines Kondensators durch Alphastrahlung Abb. 101:Versuchsaufbau: Nachweis der radioaktiven Strahlen mit dem Zählrohr Abb. 102: Versuchsaufbau: Absorption der Betastrahlung in Materie Abb. 103: Versuchsaufbau: Absorption der Gammastrahlung in Materie Abb. 104: Versuchsaufbau: Radioaktivität wird von Schülern gemessen Abb. 105: Versuchsaufbau: Ablenkung von β- Teilchen im Magnetfeld β- Präparat (Sr- 90 (Strontium)) Abb. 106: Versuchsaufbau: Sichtbarmachung geladener α- Teilchen Abb. 107: Versuchsaufbau: Funkenzähler V

9 Abbildungsverzeichnis Abb. 108: Einsatz der Funken bei der Annäherung der -Strahlenquelle (mittleres Bild) und die Absorption der -Stahlen (rechtes Bild) durch ein einfaches Blatt Papier VI

10 1. Vorwort 1 Vorwort Um einen Anhaltspunkt für eine Gliederung der Wissenschaftlichen Hausarbeit zu erhalten, wurde der Hessische Lehrplan für die Sekundarstufe I zu Rate gezogen und dessen Themenschwerpunkte als Grundlage der Arbeit verwendet. Diese Themenschwerpunkte der Radioaktivität für das Unterrichtsfach Physik wurden aus dem Lehrplan übernommen und werden nun aufgelistet: Verbindliche Unterrichtsinhalte/Aufgaben: Atomzerfall Natürliche Radioaktivität Entstehung Nachweis und Wirkungen Strahlenarten Halbwertszeit Atomspaltung Kernspaltung kontrollierte und unkontrollierte Kettenreaktion Auswirkungen radioaktiver Strahlung Strahlenbelastung Strahlenschäden Strahlenschutz Fakultative Unterrichtsinhalte/Aufgaben: Kernreaktoren Folgen von Reaktorunfällen Entsorgung Die Unterrichtseinheit Radioaktivität kann in einer engen Kooperation mit dem Fach Chemie und Biologie geplant und durchgeführt werden, somit ist ein fächerübergreifender Unterricht möglich. Fukushima und Tschernobyl sind das meist diskutierte Thema nach dem Erdbeben in Japan. Was passiert mit den Menschen? Was richtet die radioaktive Strahlung an? Wie schützen sich Menschen davor? Diese und andere Fragen beschäftigen die Menschen und wo, wenn nicht in der Schule, sollte darüber geredet werden, um Näheres zu erfahren. Laut den Medien beschließt unsere Bundesregierung nach der Katastrophe in Japan die Kernkraftwerke abzustellen, weil es angeblich gefährlich für die Menschen ist. Was ist daran so gefährlich? Oder mehr: Wie wird die Radioaktivität in der Medizin genutzt? Heilt es oder richtet es noch mehr Schaden an? Diese Arbeit gibt klare und präzise Antworten auf Fragen, die sich möglicherweise 1

11 1. Vorwort Schüler, aber auch andere Menschen, im Zusammenhang mit Radioaktivität stellen. Zu Beginn dieser Arbeit wird das Kapitel Physikalische Grundlagen behandelt. Zunächst zeigt dieses, dass die Atome aus einem kleinen, schweren Kern und einer großen, leichten Hülle bestehen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen und der Atomkern, welcher im rutherfordschen Streuversuch entdeckt wurde, aus Protonen und Neutronen. Des Weiteren wird geklärt, was den Atomkern zusammenhält und wie Atome in der heutigen Physik erklärt und im Periodensystem der Elemente sortiert werden können. Kapitel 3 soll dem Leser nicht nur eine wissenschaftliche Reise durch die Radioaktivität bieten, sondern auch zu einer Entdeckungsreise durch die Geschichte einladen. Unter anderem wird der Entdecker der Radioaktivität vorgestellt und erläutert, wer den Begriff der Radioaktivität maßgeblich geprägt hat. In den folgenden zwei Kapiteln wird nach dem geschichtlichen Verlauf behandelt, was Wissenschaftler unter Radioaktivität verstehen und was diese ausmacht. So werden die Zerfallsreihen radioaktiver Stoffe, bei denen ein radioaktiver Kern in kleinen Schritten zerfällt, bis dieser bei einem stabilen Endpunkt angekommen ist, dargelegt. Weiterhin werden die verschiedenen Arten von Strahlung und die unterschiedlichen Verwendungszwecke dieser erklärt. Neben den Charakterisierungen und den Anwendungen der Strahlungen werden zusätzlich ihre Eigenschaften und Abschirmungen behandelt. Kapitel 6 beschäftigt sich mit den Gesetzen der Radioaktivität. Dieses erläutert das Zerfallsgesetz unter der Berücksichtigung der Exponentialfunktion, die Altersbestimmung mit Hilfe der C-14 Methode und die Halbwertszeit, die angibt, wie lange es dauert, bis die Hälfte der radioaktiven Atome zerfallen sind. Im 7. Kapitel erfahren die Leser, wie die Kernspaltung entsteht und wie die kontrollierte Kettenreaktion in einem Kernkraftwerk zur Energieerzeugung eingesetzt wird. Anhand eines Druckwasserreaktors werden der typische Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks sowie die unterschiedlichen Reaktortypen und die Vor- und Nachteile dieser Energiegewinnung behandelt. Des Weiteren wird auf die Kernfusion eingegangen und erläutert, wie und wo diese stattfindet. In Kapitel 8 werden die Röntgenstrahlung und deren revolutionäre Entdeckung durch WILHELM CONRAD RÖNTGEN dargestellt. Neben der 2

12 1. Vorwort Röntgenröhre werden auch Anwendungen der Röntgenstrahlung und die Einflüsse in die moderne Kunst gezeigt. Die nachfolgenden Kapitel werden Messgeräte für den Nachweis der ionisierenden Strahlung und die Funktionsweisen sowie die Messgrößen und deren Einheiten vorstellen. Darüber hinaus werden die künstlichen und die natürlichen Quellen radioaktiver Strahlung erörtert. Bei jedem Gebrauch von radioaktiver Strahlung sollte auf Strahlenschutz geachtet werden, da diese Strahlung Lebewesen schädigen kann. Daher werden auch die Sicherheitsvorkehrungen behandelt. Abschließend werden einige Schüler-Demonstrationsversuche, die auf den zuvor behandelten Themenschwerpunkten basieren, beschrieben. Wenn im Text z.b. von dem Schüler oder Leser gesprochen wird, so findet die Schülerin bzw. Leserin genauso viel Beachtung wie der Schüler und Leser. Weiterhin möchte ich darauf hinweisen, dass aber nicht alle Themenbereiche in dieser Arbeit behandelt werden können, da die Bandbreite der Einzelheiten der Radioaktivität so vielfältig und umfassend ist, dass sie den Rahmen einer Wissenschaftlichen Hausarbeit sprengen würde. Jedoch wird das Wesentliche herausgearbeitet. 3

13 2. Physikalische Grundlagen 2 Physikalische Grundlagen In diesem Kapitel wird gezeigt, wie Atome aufgebaut und wie winzig klein diese sind. Des Weiteren werden einige Atommodelle und ein paar wichtige Wissenschaftler vorgestellt, die dieses Wissen zusammengetragen haben. Außerdem wird der Atomkern aus der Perspektive der Physiker und Chemiker betrachtet. Es wird gezeigt, wie chemische Elemente in der heutigen Physik vorgestellt werden, wie sie sortiert werden können und welche Rolle dabei die Ordnungszahl und Massenzahl spielen. Weiterhin werden die Begriffe Nuklide, Isotope, Isotone und Isobare erläutert. Dieses Kapitel zeigt auch, dass Atomkerne elektrisch positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen enthalten. Schließlich wird erklärt, warum die Kernteilchen nicht auseinander fliegen, obwohl sich doch elektrisch gleichartig geladene Ladungen abstoßen. Es muss also eine besondere Kraft geben, die trotz der COULOMB- Kräfte den Atomkern der Elemente zusammenhält. 2.1 Das Atom Aufbau des Atoms Das Wort Atom kommt aus dem griechischen átomos (hýle) und bedeutet unteilbare (Materie). Im 5. Jahrhundert vor Christus waren die griechischen Philosophen der festen Überzeugung, dass das Atom der kleinste, mit keinen Methoden weiter zerlegbare Baustein der Materie ist. Vereinfacht gesagt, sind Atome die Teilchen, aus denen alle Stoffe aufgebaut sind. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts steht fest, dass Atome aus einem Atomkern in der Mitte und einer weiter außen gelegenen Atomhülle bestehen. Der Atomkern setzt sich zusammen aus Protonen und Neutronen, wobei die Atomhülle aus Elektronen besteht. Ladung des Atoms Der Atomkern besteht aus so genannten Nukleonen. Dies ist ein Überbegriff für positiv geladene Protonen und Neutronen, die elektrisch neutral sind. In der negativ geladenen Atomhülle befinden sich Elektronen. Protonen, Neutronen und Elektronen sind demnach die Grundbausteine der Atome. Die Ladung eines Protons und eines Elektrons hat den identischen Betrag, aber unterschiedliche Vorzeichen. Der Betrag dieser Ladung wird als Elementarladung bezeichnet. Im Normalzustand sind Atome ungeladen, weil sie gleich viele Protonen und Elektronen enthalten, deren Ladungen einander aufheben. Das Atom mit gleicher Protonen- und Elektronenzahl ist also nach außen elektrisch neutral. 4

14 2. Physikalische Grundlagen Proton Ladung Masse Symbol Symbol positiv (+) Elementarladung: e=1, C 1, kg p Neutron ungeladen (0) 1, kg n Elektron Größe des Atoms negativ (-) Elementarladung: e= 1, C 9, kg e Tabelle 1: Bausteine des Atoms (vereinfacht dargestellt) Das Größenverhältnis von Atomhülle und Atomkern ist phänomenal. Der Durchmesser der Atomhülle beträgt etwa 10 m und des Atomkerns etwa 10 m (siehe Abb. 1). p n e Abb. 1: Atom und Atomkern Der Kern ist etwa mal kleiner als die Hülle. Zur Veranschaulichung dieses Verhältnisses könnte das Atom in Gedanken folgender Maßen vorgestellt werden: Hätte z.b. ein Atomkern einen Durchmesser von 1 cm, so hätte das Atom selbst einen Durchmesser von 100 m. Weitere anschauliche Größen des Atomkerns im Vergleich zum Atom werden sehr oft in den Schulbüchern aufgeführt: Wäre die Atomhülle so groß wie das Fußballstadion, dann wäre der Atomkern nicht größer als ein Stecknadelkopf, das in der Mitte des Spielfeldes liegt. Oder könnte ein Atomkern auf die Größe einer Erbse vergrößert werden, so hätte das Atom das Ausmaß des Eifelturms. Masse des Atoms Während die Atomhülle den Großteil des Volumens einnimmt, ist die meiste Masse im Atomkern vereinigt. Protonen und Neutronen haben also in etwa die gleiche Masse. In der Gegenüberstellung zu den Abmessungen der 5

15 2. Physikalische Grundlagen Atomhülle ist der Atomkern außerordentlich klein. In ihm ist aber beinahe die gesamte Masse des Atoms konzentriert (vgl. Tabelle 1). Atommodelle Es gibt sehr viele unterschiedliche Vorstellungen über das Atommodell. Heute kann nicht mehr von einem einheitlichen Modell gesprochen werden. Welches Atommodell ist denn das richtige? Es kommt darauf an, was genau beschrieben werden soll. Zur Erklärung vieler Dinge genügt z.b. das bohrsche Modell. Das aktuellste und aussagekräftigste ist zur Zeit aber das Orbitalmodell. Die Entwicklung der Vorstellungen vom Atom war ein überaus komplizierter und widersprüchlicher cher Prozess, an dem viele Physiker mitwirkten. Die Idee über den Aufbau der Stoffe aus unzähligen kleinen Teilchen gab es bereits in der Antike. Auch, wenn Naturforscher seit langem die Welt der Atome untersuchen: Im Einzelnen hat noch niemand Atome gesehen, dazu sind sie einfach zu klein. Mit zahlreichen Experimenten entwickelten die Naturwissenschaftler immer genauere Modelle von Atomen. Nachfolgend werden vier Atommodelle vorgestellt, die auch in der Schule erlernt werden: Thomsonsches Atommodell Abb. 2: Das thomsonsche Atommodell: Elektronen (blau), positiver Hintergrund (rot) Abb. 3: JOSEPH JOHN THOMSON ( ) Am Ende des 19. Jahrhunderts wurden viele neue Entdeckungen in den Naturwissenschaften gemacht. Eines der bekanntesten war das Atommodell von JOSEPH Plumppudding- JOHN THOMSON.. Thomsons Modell wird meist als oder Rosinenkuchenmodell, aufgrund der Anordnung der Elektronen in der Masse, bezeichnet (siehe Abb. 2). THOMSON schlug ein Atommodell vor, nach dem die Atome aus homogen verteilter, positiv geladener Masse bestehen. In einer kugelförmigen, positiv geladenen Masse sind die negativen Elektronen wie Rosinen in einem 6

16 2. Physikalische Grundlagen Kuchen eingebettet. Mit dem THOMSON-Modell kann die Existenz von positiver und negativer Ladung erklärt werden. Rutherfordsches Atommodell Aus einer Reihe von Experimenten, die HANS GEIGER und E in der Arbeitsgruppe von dem britischen Physiker ERNST und ERNST MARSDEN RNST RUTHERFORD um das Jahr 1911 anstellten, ergaben sich einige Schlussfolgerungen für den Bau der Atome. Sie schossen positiv geladene Alphateilchen aus radioaktivem Radium auf eine dünne Goldfolie (siehe Abb. 4). Versuchsaufbau von RUTHERFORD Interpretation der Ergebnisse Strahlung von α- Strahlung abgelenkte α- Teilchen Goldfolie Goldfolie α α α α α α α Leuchtschirm Lichtblitz α Abb. 4: Die rutherfordschen Streuversuche und ihre Interpretation Sollte das thomsonsche sche Modell wirklich die Natur von Atomen beschreiben, so die Überlegung, würden die Alphateilchen von den großen, ebenfalls positiv geladenen Kugeln abgelenkt. Überrascht stellte RUTHERFORD jedoch fest, dass die meisten der Teilchen nahezu ungehindert die Goldfolie passierten. Ein paar wenige Alphateilchen wurden abgelenkt und ein noch kleinerer Teil wurde direkt reflektiert. 5+ Abb. 5: Das rutherfordsche Atommodell: Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich um den positiv geladenen Atomkern. Abb. 6: ERNEST RUTHERFORD ( ) UTHERFORD zeigte mit seinen Versuchen, dass Atome im ERNEST RUTHERFORD Wesentlichen leer seien und dass die Masse eines Atoms nicht gleichmäßig 7

17 2. Physikalische Grundlagen verteilt, sondern im Atomkern konzentriert ist. Er ging davon aus, dass die Atome aus einem winzigen Kern bestünden, um den die Elektronen auf elliptischen Bahnen, ähnlich wie die Planeten um die Sonne, kreisten. Es wird deshalb auch beim rutherfordschen Atommodell von einem Planetenmodell gesprochen. Nach seinem Modell befinden sich in der Atomhülle negative Ladungen und der Atomkern ist positiv geladen. Beide Ladungsarten sind gleich groß, sodass das Atom nach außen hin neutral ist. Bohrsches Atommodell Abb. 7: Das bohrsche Atommodell: Die Elektronen bewegen sich auf bestimmten Bahnen um den positiv geladenen Atomkern Abb. 8: NIELS BOHR ( ) Das bohrsche Atommodell wurde 1913 von NIELS BOHR entwickelt und war das erste Atommodell der Quantenphysik. Es baut auf dem rutherfordschen Atommodell auf. Die von BOHR formulierten Annahmen werden als bohrsche Postulate bezeichnet. Dieses Modell besagt, dass das Atom aus einem positiven Kern und einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen besteht. Der dänische Physiker ging davon aus, dass sich die Elektronen auf bestimmten kreisförmigen Bahnen um den positiv geladenen Atomkern kreisen dürfen, wobei sich auf jeder Bahn nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen befinden kann. Das besondere am borschen Atommodell ist, dass die Elektronen zwischen diesen Bahnen hin und her springen können. Ein Elektron kann z.b. von einer höheren in eine niedrigere Bahn wechseln. Im borschen Atommodell ist jeder Kreisbahn ein bestimmter Energiewert zugeordnet. Beim Übergang des Elektrons (siehe Abb. 9) von einer Bahn mit hoher Energie (kernfernere Bahn) zu einer Bahn mit geringer Energie (kernnähere Bahn) wird die Energiedifferenz mit einem Photon (Lichtteilchen) abgegeben. 8

18 2. Physikalische Grundlagen Photon E Photon E Abb. 9: Emission (links) und Absorption (rechts) eines Photons in der Atomhülle Dieser Vorgang wird Emission genannt. Umgekehrt: Springt ein Elektron von Innen auf eine äußere Bahn, so wird die Energiedifferenz als Photon aufgenommen (Absorption). Quantenmechanisches Atommodell Abb. 10: Verschiedene Orbitale in bildhafter Veranschaulichung Anfang des 21. Jahrhunderts wurde das Quantenmodell des Atoms (oder Orbitalmodell, siehe Abb. 10) eingeführt. Physiker wie ERWIN SCHRÖDINGER ( ), WERNER HEISENBERG ( ) und MAX BORN ( ) leisteten in den zwanziger Jahren wichtige Beiträge zur Quantenphysik. Die Idee von SCHRÖDINGER war, Elektronen nicht als diskrete Teilchen, sondern als Wellen aufzufassen. Die Wellenlänge muss im einfachsten Falle so groß sein, dass genau eine ganze Anzahl von Wellenlängen auf den Bahnumfang entfällt, also eine stehende Welle vorhanden ist (siehe Abb. 11). 9

19 2. Physikalische Grundlagen 5+ Abb. 11: Elektronen bilden eine stehende Welle Abb. 12: Einfache Veranschaulichung eines quantenmechanischen Atommodells ERWIN SCHRÖDINGER führte diesen Gedankengang weiter aus und dachte sich statt des um den Kern laufenden Elektrons ein räumlich ausgedehntes Gebilde, das ebenfalls in Form einer stehenden Welle schwingen kann. Mithilfe seiner Vorstellung und der berühmten Schrödingergleichung können Wahrscheinlichkeiten, um ein Elektron in einem gewissen Abstand vom Atomkern anzutreffen, mathematisch berechnet werden. Orbitale sind demzufolge Raumbereiche um den Atomkern, in denen die Elektronen mit genau berechenbaren Wahrscheinlichkeiten anzutreffen sind. [2,4,5,6,13] 2.2 Chemische Elemente und das Periodensystem In unserem Alltag werden wir sehr oft mit den chemischen Zeichen konfrontiert. Oft wird es nicht bemerkt, doch wenn ein Gegenstand jeglicher Art, wie z.b. Mineralwasser, Batterien, Medikamente, Düngemittel, Reinigungsmittel, Pflegeprodukte usw., benutzt und die genaue Zusammensetzung dessen studiert wird, werden immer wieder Zeichen auf der Verpackung und die darin enthaltenen chemischen Elemente entdeckt. Folglich muss geklärt werden, was überhaupt chemische Elemente sind und wozu sie sich gut eignen? Es gibt ein Rezept für chemische Elemente und dieses Grundrezept besitzt den Namen: Das Periodensystem der Elemente (kurz PSE). Sämtliche den Menschen umgebende Materie besteht aus Atomen. Doch Atom ist nicht gleich Atom: Es unterscheidet sich in der Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern und der Elektronen in der Hülle. Nachstehend ist das Periodensystem in seiner heute bekanntesten Form wiedergegeben (Abb. 13): - Die Elemente sind mit ihrer Ordnungszahl und ihrem Symbol aufgeführt. - Als Perioden werden die waagrechten Zeilen oder Reihen bezeichnet, - als Gruppen die senkrechten Spalten. - Die Schalen beziehen sich auf das bohrsche Atommodell. 10

20 2. Physikalische Grundlagen Abb. 13: Das Periodensystem Ordnungszahl und Massenzahl Im Periodensystem der Elemente werden die Atome nach aufsteigender Ordnungszahl sortiert, die auch eine physikalische Bedeutung hat. Die Ordnungszahl Z eines Elements im Periodensystem gibt die Protonenzahl (Kernladungszahl) im Atomkern an. So hat z.b. Wasserstoff die Ordnungszahl 1. Das bedeutet, dass im Atomkern von Wasserstoff ein Proton vorhanden ist und er im Periodensystem (siehe Abb. 13) den ersten Platz oben links belegt. Im Element Natrium finden sich dagegen 11 Protonen, seine Ordnungszahl ist folglich 11. Zurzeit sind 118 chemische Elemente bekannt. Alle Elemente mit den Ordnungszahlen 95 und höher sind künstlich hergestellte Elemente. Bei einem neutralen Atom ist die Ordnungszahl zugleich auch die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle. Aus der Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms ergibt sich die Nukleonenzahl oder Massenzahl A für ein Atom. Die Massenzahl A eines Atoms ist gleich der Summe aus der Protonenzahl Z und der Neutronenzahl N im Kern: A = Z + N (2.2.1) Um den Atomkern eines Elements in kürzerer und übersichtlicher Form zu kennzeichnen, wird die Symbolschreibweise angewendet. Zur Charakterisierung eines Atoms wird die Massenzahl A des Atomkerns als oberer Index und die Ordnungszahl Z als unterer Index vor das chemische Symbol X des betreffenden Atoms gesetzt. 11

21 2. Physikalische Grundlagen A Z X Abb. 14: Symbolschreibweise der Elemente des Periodensystems am Beispiel eines Uranatoms Uran hat beispielsweise 92 Protonen und 92 Elektronen in der Atomhülle und ist damit elektrisch neutral (vgl. Abb. 14). Die Anzahl der Neutronen N beträgt nach = 146. Sortierung nach chemischen Eigenschaften Jeder Atomkern ist von einer Elektronenhülle umgeben. Der Atomkern legt mit seiner Kernladungszahl die Anzahl der Hüllen- Elektronen fest. Denn für jedes hinzugefügte Proton muss auch ein Hüllen- Elektron her - insgesamt ist das Atom elektrisch neutral, da die einander entgegen gesetzten elektrischen Ladungen von Proton und Elektron gleich groß sind. Die Außenelektronen bestimmen im Wesentlichen die chemischen Eigenschaften und diese wiederholen sich periodisch, was zur Darstellung der Elemente in Zeilen und ihrer Benennung mit dem Begriff Periode geführt hat. In den Spalten des Periodensystems, Gruppen genannt, stehen chemisch verwandte Elemente unter einander. Die Verwandten des Heliums sind also Neon, Argon, Krypton und Xenon. Hauptgrund dafür ist die gleiche Anzahl von Valenzelektronen, den Elektronen der äußersten Elektronenschale. Bei Edelgasen ist diese Valenzschale voll besetzt. Die Natur verbietet es, beliebig viele Elektronen in die Elektronenschalen eines Atoms zu packen. Vielmehr gibt es für jede Schale eine Höchstzahl, mit der die Schalen gefüllt werden können. Die innerste (erste) Schale kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Es gibt auch nur zwei Elemente, die diese erste Elektronenschale haben, das sind die ersten beiden Ordnungszahlen: 1 (Wasserstoff) und 2 (Helium). Sie bilden deshalb in der Darstellung des Periodensystems die erste Periodenzeile. So ist das einfachste Edelgas entstanden: das Helium. Die zweite Schale hat Platz für maximal acht Elektronen. Diesem Aufbau entsprechend werden die acht Elemente (mit insgesamt drei bis zehn Elektronen) im Periodensystem als nächste Periode dargestellt. Mit den beiden Elektronen aus der ersten Schale braucht es also zehn Elektronen für die nächste Edelgaskonfiguration, nämlich die des Neons. Bei der Ordnungszahl 11 (Natrium) wird eine weitere Elektronenschale angefangen, hier ist wiederum für maximal acht Elektronen Platz; somit bilden die Elemente bis zur Ordnungszahl 18 (Argon) auch die nächstfolgende Periodenzeile. 12

22 2. Physikalische Grundlagen Werden nun die Stoffeigenschaften der Elemente mit der gleichen Anzahl von Außenelektronen betrachtet, so finden sich viele Übereinstimmungen. So sind z.b. die Elemente mit nur dem ersten von acht Außenelektronen Alkalimetalle, die Elemente mit sieben Außenelektronen Halogene und die mit voll aufgefüllten Elektronenschalen Edelgase. Die Edelgas- Gruppe steht im Periodensystem ganz rechts, alle Elemente dieser Gruppe haben voll besetzte Valenzschalen. Es zeigt sich, das volle Elektronenschalen besonders stabil sind. Deshalb gehen Edelgase nur schwer chemische Bindungen mit anderen Stoffen ein. Anders als die Edelgase, ist die Gruppe der Alkalimetalle für ihre Bindungsfreudigkeit bekannt. Dazu gehören z.b. Lithium, Natrium und Kalium. Das Periodensystem selbst wurde 1869 nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander von DMITRI IWANOWITSCH MENDELEJEW ( ) und LOTHAR MEYER ( ) aufgestellt. Dabei gliederten sie die chemischen Elemente nach steigender Atommasse, wobei sie Elemente mit ähnlichen Eigenschaften (Anzahl der Valenzelektronen) untereinander anordneten. Besonders das System von MENDELEJEW erprobte sich als sehr geeignet, da es Lücken aufwies. Dies ließ den Schluss auf noch unentdeckte Elemente zu. Die Grundvorstellung von MENDELEJEW und MEYER gilt noch heute. [4,5,6,20,21] Drei raffinierte Rezepte aus der Chemie-Küche der Extra- Klasse Wie viel Chemie steckt im Menschen? Aus welchen chemischen Elementen bestehen die Erde und viel mehr noch das Universum? In diesem Teilabschnitt werden in einem drei Gänge Menü die einfachen Zusammensetzungen des Universums, der Erde und des Menschen für Einsteiger sowie Fortgeschrittene vorgestellt. Alles, was zum Erfolg der Zubereitung dieser Rezepte gebraucht wird, sind die chemischen Elemente, die bereits behandelt wurden. Für jeden Gang werden Zutaten vorgestellt, aus denen sich jedes einzelne Gericht zusammensetzt. Die Gerichte werden alle identisch zubereitet: Man nehme die aufgelisteten Zutaten und füge ein kleines Teelöffelchen Liebe hinzu, verrühre sie und fertig ist ein Mensch, die Erde und für den etwas größeren Hunger ein Universum. Doch so einfach funktioniert es nicht. Die Zubereitung ist ein wenig komplexer. Aber aus welchen chemischen Elementen sich die drei Gänge zusammensetzen, kann in dieser Einheit kennengelernt werden. 13

23 2. Physikalische Grundlagen Rezept Nr.1: Vorspeise (Ursüppchencocktail- das Universum) Zutaten: Abb. 15: Das Universum: Chemische Zusammensetzung Beschreibung: Die im gesamten Universum mit Abstand häufigsten Elemente sind Wasserstoff und Helium. Werden 1000 Atome aus dem Universum näher betrachtet, so setzen sich diese aus 900 Wasserstoffatomen, 99 Heliumatomen und nur einem Atom aus weiteren Spurenelementen zusammen. Rezept Nr.2: Hauptgericht (Knuspriges Leibgericht- die Erde ) Zutaten: Abb. 16: Die Erdkruste: Chemische Zusammensetzung (Luft und Wasser sind miteinbegriffen) Beschreibung: Wenn die Erde aus dem Weltall angeschaut wird, so hat sie in grober Näherung die Form einer Kugel (tatsächlicher Radius 6357 bis 6378 km). Ihr Inneres ist im Wesentlichen aus drei Schalen aufgebaut: der Erdkruste, dem Erdmantel und dem Erdkern. Der Planet Erde besteht hauptsächlich aus Eisen, Sauerstoff, Silizium und Magnesium. Die chemische Zusammensetzung der einzelnen Schalen unterscheidet sich dagegen. Erdkern Im Zentrum der Erde befindet sich größtenteils der flüssige Erdkern, welcher sich zwischen 5100 km und 6371 km unter der Erdoberfläche erstreckt und wahrscheinlich hauptsächlich aus Eisen und Nickel zusammensetzt. Der 14

24 2. Physikalische Grundlagen Erdkern macht etwa ein Drittel der Gesamtmasse der Erde aus, dies entspricht etwa einer Masse von 1, kg. Über dem Erkern befindet sich die mächtige Schicht des so genannten Erdmantels. Erdmantel Als Erdmantel wird die mittlere Schale der Erde bezeichnet. Die durchschnittliche Dicke von 2850 km befindet sich unmittelbar unter der Erdkruste. Der Erdmantel ist fest und zeigt einen hohen Anteil an Eisen und Magnesium auf. Der Erdmantel macht rund zwei Drittel der Erdmasse aus und wiegt somit ca. 4, kg. Erdkruste Schließlich kommt eine relativ dünne, dennoch harte Erdkruste. Das ist die feste Oberfläche, die dem Aufbau einer Apfelschale gleicht. Die häufigsten Elemente der Erdkruste, samt Ozean und Atmosphäre sind Sauerstoff, Silizium und Aluminium. Rezept Nr.3: Dessert (Eine Spezialität von Planet Erde- der Mensch) Zutaten: Abb. 17: Der Mensch: Chemische Zusammensetzung Beschreibung: Fast alle chemischen Elemente des Periodensystems stecken auch in einem menschlichen Körper. Einige sind lebensnotwendig, andere dagegen nutzlos, viele überflüssig oder in größeren Dosen sogar giftig. Die Elementverteilung im menschlichen Körper ist von seinen Erbanlagen, den Ess- und Lebensgewohnheiten, den regionalen Gegebenheiten sowie seinem Alter abhängig. In der Abbildung sind einige Daten der chemischen Zusammensetzung des Standardmenschen angegeben. Ein Standardmensch ist, nach wissenschaftlicher Definition, ein 70 kg schwerer und 1,70 m großer Mensch. Die Wissenschaftler ordnen ihm ein Alter von 20 bis 30 Jahren und eine Gesamtlebensdauer von 70 Jahren zu. 15

25 2. Physikalische Grundlagen 4 mg 0,4 g 12 g 1,3 kg 70 kg Sauerstoff Kohlenstoff Wasserstoff Stickstoff Calcium Rest Phosphor Kalium Schwefel Natrium Chlor Magnesium Rest Eisen Fluor Zink Silicium Rubidium Strontium Brom Blei Rest Kupfer Aluminium Cadmium Cer Barium Titan Jod Zinn Bor Selen Nickel Chrom Mangan Arsen Lithium Quecksilber Caesium Germanium Molybdän Cobalt Silber Antimon Niob Zirconium Rest Sauerstoff: Sauerstoff ist eines der Grundelemente des Lebenskreislaufes unserer Umwelt und tritt im menschlichen Körper am häufigsten in Form von Wasser auf. Die meisten Organismen, darunter Tiere, Pflanzen, Bakterien usw., einschließlich des Menschen, benötigen dieses Element zum Leben. Als Atmungsgas ist er zentraler Energielieferant. Zu viel davon kann allerdings die biologischen Zellen zerstören. Kohlenstoff: Kohlenstoff ist die Basis aller organischen Verbindungen des menschlichen Körpers. Nach dem Ende des Stoffwechsels, also beispielsweise nach dem Tod eines Menschen oder der Fällung eines Baums, verringert sich der Kohlenstoffgehalt allmählich. Darauf beruhend findet vor allem in der Archäologie die Altersbestimmung (die so genannte C14- Methode) von Gegenständen aus organischen Material statt. Wie das Verfahren genau funktioniert, wird in Kap. 6.1 genau erklärt. Calcium: Calcium ist ein wichtiger Bestandteil unseres Körpers. Das für den Menschen benötigte Calcium wird über die Nahrung aufgenommen. Es ist am Aufbau von Knochen und Zähnen beteiligt und verleiht ihnen Stabilität und Festigkeit. Gleichzeitig dienen die Knochen als Speicher für Calcium. Bei Calciummangel kann ein Teil davon aus den Knochen gelöst und für andere Aufgaben im Körper verwendet werden. Bei einer Knochenentkalkung kommt es oft zur so genannten Osteoporose, die besonders bei den älteren Menschen auftritt. Magnesium: Das Element Magnesium ist für alle Organismen, somit auch für den Menschen, unentbehrlich. Es ist für das Wachstum der Muskeln verantwortlich und kontrolliert, wie sich diese zusammenziehen. In Nahrungsmitteln, sowie auch im Trinkwasser ist Magnesium in unterschiedlichen Mengen enthalten. Um Magnesiummangel entgegen zu wirken, muss es daher täglich dem Körper in ausreichender Menge zugeführt werden. Zink: Zink ist für alle Lebewesen essentiell und zählt zu den lebensnotwendigen Spurenelementen für den Stoffwechsel. Das Element erfüllt im Körper viele verschiedene Funktionen. So ist es beispielsweise am Aufbau des Erbgutes und beim Zellwachstum beteiligt. Nicht nur das Immunsystem, sondern auch viele Hormone sind für ihre Funktion auf Zink angewiesen. Blei: Blei hingegen ist für den Menschen giftig, kann trotzdem in Knochen bei Verdrängung von Calcium gespeichert werden. Durch die Bleibelastung von Boden, Wasser und Luft gelangt das Element über Pflanzen und Tiere in die Nahrung des Menschen. Cadmium: Überwiegend wird Cadmium vom Menschen durch das Essen aufgenommen. Es hat keine bekannten Funktionen im Körper. Cadmium ist schädlich für Nieren, Leber, Knochen und ist giftig für die Lunge und kann sogar zum Tode führen. Lithium: Das Element Lithium ist im menschlichen Organismus in geringen Mengen vorhanden. Es ist allerdings nicht wichtig und hat somit keine bekannte biologische Funktion. Dennoch therapeutisch eingesetzt, kann es angeblich Depressionen lindern. Molybdän: Molybdän gehört beinahe zu den wesentlichen Spurenelementen für alle lebenden Organismen. Lebewesen nutzen molybdänhaltige Enzyme u.a. zum Harnsäureabbau - und verhindert so Gichtanfälle. Iod: Iod ist ein lebenswichtiger Bestandteil des Menschen und wird mit der Nahrung aufgenommen. Am höchsten wird organisch gebundenes Iod in der Schilddrüse gespeichert. Iodmangel im Trinkwasser und der Nahrung führt zu einer Kropfbildung der Schilddrüse und ausgeprägter Iodmangel ist in der Regel für das Auftreten der Unterfunktion der Schilddrüse verantwortlich. Als Vorbeugung vor Iodmangelerkrankungen wird der Verzehr von Fisch, sowie so genanntem Iodsalz (Speisesalz) empfohlen. Die radioaktiven Iod-Isotope werden auch in der nuklearmedizinischen Diagnostik eingesetzt. Für den Fall eines atomaren Unfalls wird die Einnahme von so genannten Jod- Tabletten empfohlen. Gallium Tellur Yttrium Thallium Wismut Gold Thorium Scandium Uran Samarium Beryllium Tantal Vanadium Indium Wolfram Rest [20, 21,22] 16

26 2. Physikalische Grundlagen 2.3 Nuklide, Isotope, Isotone und Isobare - was ist was? Nuklide Ein Atomkern, der eindeutig durch Massenzahl A und Kernladungszahl Z charakterisiert ist, wird als Nuklid bezeichnet. Die Hülle enthält so viele Elektronen, wie der Kern Protonen hat. Na ist beispielsweise ein Nuklid des Natriums mit 11 Protonen, 11 Elektronen im neutralen Atom und = 12 Neutronen. Weitere Nuklide sind beispielsweise U (Uran),, (Phosphor) oder C (Kohlenstoff). Solche Elemente U sind natürlich auch Nuklide. Es sind Nuklide eines Elements. oder U P U Abb. 18: Ausschnitt aus einer Nuklidkarte Wird auf einer vertikalen Achse die Kernladungszahl des jeweiligen Atomkerns und auf der horizontalen Achse die Neutronenzahl aufgetragen, so entsteht eine übersichtliche Darstellung über die Atomkerne, die zu den verschiedenen Elementen gehören. Die vorkommenden Nuklide werden in Form einer Nuklidkarte dargestellt (siehe Abb. 18). Die berühmteste und umfassendste Nuklidkarte ist die so genannte Karlsruher Nuklidkarte, die weitgehend vollständig alle bekannten Nuklide umfasst. In Abb. 18 ist nur ein Ausschnitt aus dieser umfassenden Nuklidkarte dargestellt. Etwa 2700 Nuklide sind heute bekannt, die meisten davon sind künstlich erzeugt worden. Von den 2700 Nukliden sind nur ca. 300 stabil, die übrigen sind radioaktive und damit instabile Nuklide mit sehr unterschiedlichen Halbwertszeiten (siehe Kap. 6.2). In der Horizontalen nebeneinander befinden sich die Nuklide des jeweiligen Elements. Kohlenstoff hat beispielsweise acht verschiedene Nuklide. Untereinander stehen jeweils die Nuklide mit gleicher Neutronenzahl. Bei Kohlenstoff (siehe Abb. 18) sind von den 8 Nukliden 2 stabil, 6 sind instabil und zerfallen teils unter Aussendung von Elektronen und teils unter Aussendung von Positronen. Das Nuklid mit 17

27 2. Physikalische Grundlagen der größten Halbwertszeit ist Kohlenstoff-14 (C-14) mit einer Halbwertszeit von 5763 Jahren. Dieses Radionuklid wird zur Altersbestimmung organischer Stoffe genutzt (siehe Kap. 6.1). Zur Charakterisierung eines Nuklids wird statt X auch die Schreibweise X-A verwendet, d.h. die Massenzahl A wird dem chemischen Symbol nachgestellt, ohne Angabe der Ordnungszahlen Z, da diese bereits durch das chemische Symbol X bestimmt ist, z.b. U-238 statt Isotope: U. Es sind Nuklide mit gleicher Protonenzahl (=Kernladungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl (Massenzahl), z.b.: O, O, O. H Der einfachste Kern ist der Wasserstoffkern. Er besteht aus nur einem Proton. Wasserstoff hat drei in der Natur vorkommende Isotope: Besteht der Atomkern aus einem Proton, so wird vom Wasserstoff H (leichter Wasserstoff) gesprochen. Beim Deuterium H (schwerer Wasserstoff) kommt ein Neutron und beim Tritium H (überschwerer Wasserstoff) kommen zwei Neutronen hinzu (siehe Abb. 19). Abb. 19: Wasserstoffisotope und ihre Anteile in der Natur Die Isotope des Wasserstoffs werden mit H, D und T abgekürzt. Der Kern des Wasserstoffs heißt Proton, der des Deuteriums Deuteron und der des Tritiums Triton. Durch die kosmische Strahlung der oberen Schichten der Atmosphäre entsteht Tritium, welches in Kernkraftwerken vorkommt (siehe Kap. 7). Tritium ist radioaktiv. Die einzelnen Isotope kommen in der Natur mit unterschiedlicher Häufigkeit vor. So ist das Deuterium mit einer Häufigkeit von 0,015 % gegenüber dem normalen Wasserstoff vorhanden. Es gibt ca. 20 Elemente, die nur aus einem einzigen stabilen Isotop bestehen (z.b.: Be, F). Die meisten natürlichen Elemente bestehen aus einem Isotopengemisch, deswegen ist die Massenzahl im Periodensystem meist keine ganze Zahl. Insgesamt sind weit über 2000 Isotope bekannt. Isotone Nuklide mit gleicher Neutronenzahl, aber unterschiedlicher Protonenzahl, z.b.: Ne, Na, Mg. 18

28 2. Physikalische Grundlagen Isobare Nuklide mit gleicher Massenzahl, z.b.: 2.4 Wechselwirkungen Fe, Cr. [5,6,8,21] Die Wechselwirkung ist eine allgemeine Bezeichnung für die gegenseitige Beeinflussung physikalischer Objekte (insbesondere Elementarteilchen). In der Natur sind vier verschiedene fundamentale Arten von Wechselwirkung (Kräften) bekannt. Diese fundamentalen Wechselwirkungen sind die Gravitationswechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die starke Wechselwirkung. Die Gravitationswechselwirkung oder Gravitation reicht über sehr große Entfernungen. Sie wird erst messbar bei einer großen Menge an Materie. Aufgrund der unbegrenzten Reichweite der Gravitation und des Umstandes, dass sie sich mit keinem bekannten Verfahren abschirmen lässt, ist sie dennoch die Kraft, welche die Form und Größe der Strukturen im Universum bestimmt. Die Gravitation bestimmt auch die Bahn der Erde und der anderen Planeten um die Sonne und spielt somit eine bedeutende Rolle in der Astronomie und Kosmologie. Gravitation ist die Kraft, die zwei oder mehrere Körper allein aufgrund ihrer (schweren) Massen aufeinander ausübt. Die Gravitation der Erde wird zu dem als Schwerkraft bezeichnet. Sie bewirkt damit, dass Gegenstände zu Boden fallen und ist die Ursache für die Gewichtskraft eines Körpers. Für den Betrag der Kraft F r, mit der sich zwei Körper gegenseitig anziehen, gilt das newtonsche Gravitationsgesetz: F m und m r G F=G m m r Betrag der Anziehungskraft Massen der beiden Körper Abstand der Massenmittelpunkte beider Körper Gravitationskonstante, gibt die Stärke der Kraft an Der Wert der Gravitationskonstante ist: G=6, m kg s =6, N m kg (2.4.1) Die Gravitation ist die mit großem Abstand schwächste der vier bekannten Wechselwirkungen. Die elektromagnetische Wechselwirkung wirkt wie die Gravitation auch auf große Entfernungen. Sie ist eine Wechselwirkung, an der alle Teilchen mit elektrischer Ladung teilnehmen. Elektrische Ladungen gleicher Art stoßen sich bekanntlich ab, entgegen gesetzte Ladungen ziehen einander an. Dabei 19

29 2. Physikalische Grundlagen wird auch von der COULOMB- Kraft gesprochen, die also sowohl abstoßend, als auch anziehend wirken kann. Diese Eigenschaft ist eine ganz andere als die der Gravitation, die nur anziehend wirkt. Für den Betrag F r der COULOMB- Kraft gilt: F Q und Q r ε Betrag der COULOMB - Kraft Zwei punktförmige Ladungen F= Q Q 4π ε r (2.4.2) Abstand zwischen zwei punktförmigen Ladungen Dielektrizitätskonstante des Mediums, in dem sich die Ladungen befinden Die COULOMB- Kraft ist unter anderem für den Zusammenhalt der Atome und die elektrischen Eigenschaften der Stoffe verantwortlich. Elektromagnetische Wechselwirkung ist die Wechselwirkung, die in den Größenbereichen des täglichen Lebens dominiert. Sie ermöglicht die ganze Elektronik und bestimmt z.b. die Wirkung von Fernseher, Handys und dem Internet. Die schwache Wechselwirkung (auch schwache Kernkraft genannt) wirkt bei den winzigsten Elementarteilchen. Sie wird schwach genannt, da sie im Gegensatz zu den aus dem Alltag bekannten Wechselwirkungen der Gravitation und des Elektromagnetismus nur auf sehr kleinen Abständen wirkt. Dennoch ist die Kraft, wenn sie wirkt, genauso groß wie die elektromagnetische Kraft. Die schwache Wechselwirkung ist unter anderem für gewisse radioaktive Zerfälle (den Beta- Zerfall) von Atomkernen verantwortlich und hat die kürzeste Reichweite von allen Wechselwirkungen. Die starke Wechselwirkung (auch Kernkraft genannt) wirkt nur im Atomkern. Nach dem COULUMB- Gesetz müsste ein Kern, da er nur positive Ladungen enthält, auseinander fliegen. Die starke Wechselwirkung ist deutlich stärker als die elektromagnetische Wechselwirkung und kann in einem Atomkern der abstoßenden elektrischen Kraft, zwischen den positiv geladenen Protonen, entgegenwirken und somit die Nukleonen zusammenhalten. Die Kernkräfte sind sehr starke Kräfte, welche allerdings geringe Reichweiten haben und nur zwischen unmittelbar benachbarten Kernteilchen wirksam sind. Bei größerer Entfernung zwischen zwei Protonen wirken die abstoßenden elektrischen Kräfte. Bei geringen Abständen der Nukleonen beginnen die Kernkräfte zu wirken und können so die coulombschen Abstoßungskräfte überwinden. Das Zusammenhalten der Bestandteile eines Atomkerns kann so ähnlich wie klebrige Bonbons dargestellt werden, die erst aneinander haften, wenn sie sich berühren. [6,21] 20

30 3. Geschichte der Radioaktivität 3 Geschichte der Radioaktivität Das 19. Jahrhundert war eine Zeit, wo die so genannten unsichtbaren Strahlen entdeckt wurden: Es tauchten zum ersten Mal elektromagnetische Strahlen, Kathodenstrahlen, Radiowellen und Röntgenstrahlen auf. Es gab eine ganze Reihe von entdeckter Strahlung, die nicht mit bloßem Auge gesehen werden konnte. Die Vorstellung von einfacher Zusammensetzung der Natur, dass es nur Atome gibt und sonst nichts, konnte nicht mehr richtig sein. Die Naturwissenschaftler merkten, dass ein neues Fass in der Physik aufgemacht wird, welches mit Wissen gefühlt werden kann. Am Ende des 19. Jahrhunderts tauchte in der Physik ein neues und bis dahin nicht erklärbares Phänomen auf: die Radioaktivität. In dieser Einheit wird die Entdeckungsgeschichte der Radioaktivität vorgestellt, sowie der Unterschied zwischen der natürlichen und künstlichen Radioaktivität verdeutlicht. WILHELM CONRAD RÖNTGEN ( ) Bevor auf die Geschichte der Radioaktivität eingegangen wird, ist eine wichtige Erfindung in diesem Zusammenhang zu nennen. Der deutsche Physiker, WILHELM CONRAD RÖNTGEN, machte im Dezember des Jahres 1895 eine interessante Entdeckung. RÖNTGEN fielen bei seinen Experimenten Strahlen mit besonderen Eigenschaften auf, welche die Physik, aber auch die Medizin, im rasanten Tempo der folgenden Jahre revolutionieren sollten. Mit seiner sensationellen Entdeckung ist es zum ersten Mal in der Geschichte des Menschen gelungen, einen Blick durch die äußere Materie ins Innenleben von Menschen und Dingen (ohne dabei jemanden aufzuschneiden) zu werfen. RÖNTGEN gibt seiner Strahlung den Namen X-Strahlen, welcher außerhalb Deutschlands üblich ist. In Deutschland heißen die Strahlen Röntgenstrahlen, zu Ehren ihres Entdeckers. Da seine Entdeckung zur damaligen Zeit so spektakulär war und bis heute noch ist, wird RÖNTGEN und seiner Entdeckung der 8. Kapitel in dieser Arbeit gewidmet. Entdeckungsgeschichte der natürlichen Radioaktivität Die Ursache der Radioaktivität ist eine Instabilität der Kerne (Nuklide), die wiederum an einem Überschuss von Protonen oder Neutronen liegt. Die instabilen Atomkerne, die in andere Atomkerne umgewandelt werden, werden als radioaktive Nuklide oder Radionuklide bezeichnet. Je nach dem, ob die Radionuklide in der Natur vorkommen oder künstlich durch 21

31 3. Geschichte der Radioaktivität Kernreaktionen hergestellt werden, ist zwischen natürlicher und künstlicher Radioaktivität zu unterscheiden. Definition der natürlichen Radioaktivität In der Natur vorkommende Radionuklide wandeln sich völlig spontan unter Aussendung von radioaktiver Strahlung um. Diese Eigenschaft wird als natürliche Radioaktivität bezeichnet. Abb. 20: Beispiel für natürliche Radioaktivität: Blei- 210 zerfällt unter Aussendung eines Elektrons (β- Teilchen) in Bismut- 210 Diese Art von Radioaktivität, besser gesagt natürliche Radioaktivität, wurde 1896 von dem französischen Physiker HENRI BECQUEREL entdeckt. ANTOINE HENRI BECQUEREL ( ) ANTOINE HENRI BECQUEREL wurde am 15 Dezember 1852 in Paris geboren. Nach dem Abschluss der höheren Schulbildung studierte er Physik und übernahm 1891 eine Professur am staatlichen Naturkundemuseum, welche auch eine berühmte Forschungseinrichtung darstellt. Abb. 21: Fotoplatte von HENRI BECQUEREL: Die Fotoplatte ist durch radioaktive Strahlung geschwärzt. Abb. 22: HENRI BECQUEREL Angeregt von Röntgens X-Strahlen fangen auch andere Wissenschaftler, unter anderem ANTOINE HENRI BECQUEREL, an zu experimentieren. Sein eigentliches Ziel war es, eine Substanz zu finden, die Röntgenstrahlen 22

32 3. Geschichte der Radioaktivität freisetzt, doch es kam anders. Im Februar 1896, unmittelbar nach Röntgens Entdeckung, gelang es dem französischen Physiker BECQUEREL, bei der Untersuchung von Uransalzbrocken der Nachweis einer bisher unbekannten Art von Strahlung. Diese zufällig entdeckte Strahlung war ganz neu und wurde zunächst als BECQUEREL- Strahlung benannt. HENRI BECQUEREL fand bei einem seiner Spaziergänge im Jahre 1896 einen Stein, den Uranerzbrocken. Da er ihm gut gefiel, nahm er die uranhaltige Gesteinsprobe mit nach Hause und legte diese nichtsahnend auf eine seiner Fotoplatten ab. Infobox Die Menschen im 19. Jahrhundert konnten ihre Bilder nicht mit einer Digitalkamera festhalten, wie es heute möglich ist. Es gab auch keine Filmnegative, aufgerollt auf einer Spule, wie es von den Eltern oder Großeltern bekannt ist. Die ersten Fotografien entstanden auf so genannten Fotoplatten. Im Vergleich zur heutigen Zeit dauerte die Belichtungszeit der Fotoplatten sehr lange. Diese waren in eine Metallfolie oder spezielles Papier verpackt, damit kein Licht auf sie gelangen konnte. Die Menschen, die sich damals fotografieren lassen und keine verwackelten oder unscharfen Porträtaufnahmen haben Abb. 23: Historisches Fotoapparat wollten, mussten sehr viel Geduld mitbringen und durften sich nicht bewegen. Als HENRI BECQUEREL später mit dieser Platte ein Foto machte, stellte er fest, dass diese geschwärzt wurde. Der dunkle Fleck auf der Platte wies die Größe des Steinbrockens auf. Uran, das auf einer lichtdicht verpackten Fotoplatte abgelegt war, bewirkte eine deutliche Belichtung dieser. Abb. 24: Zufällige Entdeckung BECQUEREL'S Das verblüffende Ergebnis, dass Uransalzkristalle kein Sonnenlicht brauchen, um auf den Fotoplatten Belichtungsspuren zu hinterlassen, faszinierte ihn. BECQUEREL ging davon aus, dass dieser sensationelle Effekt nur durch eine bis dahin unbekannte Art von Strahlung hervorgerufen sein konnte, die im Gegensatz zu Licht eine Metallfolie durchdringen kann. 23