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1 Aufbau der Atome.1 Elektronen, Protonen, Neutronen, Isotope Atome bestehen aus Elektronen, die die Atomhülle bilden, sowie den im Kern vereinigten Protonen und Neutronen. Die elektromagnetischen Wechselwirkungen bestimmen den Aufbau der Atome und den Molekülaufbau und sind daher für die Chemie relevant. Nach dem Standardmodell erfolgt die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Typen von Ladungen durch den Austausch von Kraftträgern, bei der elektromagnetischen Wechselwirkung - also durch den Austausch ( virtueller ) Photonen. Zwischenmolekulare Kräfte sind deutbar als Resteffekte der elektromagnetischen Wechselwirkung. Im gleichen Sinne sind die Kernkräfte, die die Nukleonen im Kern von Atomen zusammenhalten, deutbar als Resteffekte der starken oder Farbkräfte zwischen den Quarks, die die Nukleonen bilden. Elektronen, Protonen und Neutronen haben folgende Eigenschaften, die in Tabelle.1 wiedergegeben sind: Tab..1 Eigenschaften von Elektronen, Protonen und Neutronen Teilchen Elektronen Protonen Neutronen Symbol e p n Masse [kg] Masse [u] Ladung [e] Atomare Masseneinheit: Elementarladung: 1 u = kg (1) 1 e = C () Protonen und Neutronen sind Nukleonen. Sie enthalten fast die gesamte Masse und sind im Kern des Atoms in einem Bereich mit dem Radius m konzentriert. Die Elektronen sind als negativ geladene Hülle um den Kern angeordnet. Die Ausdehnung der Elektronenhülle beträgt etwa m. Ihre Struktur ist maßgebend für das chemische Verhalten der Atome. Für jedes Element gilt : Protonenzahl= Elektronenzahl =Z. Ein Element kann unterschiedliche Neutronenzahlen haben (Isotope). Eine durch Protonenzahl und Neutronenzahl charakterisierte Atomsorte bezeichnet man als Nuklid. Für Nuklide und Elementarteilchen hat man die Schreibweise: Nukleonenzahl P rotonenzahl Elementsymbol (3) mit : Neutronenzahl = Nukleonenzahl - Protonenzahl. Beispiele: H, 1 H, 6 C, 6 C. Die Masse eines Atoms 1 6 C = 1 u. Die relative Atommasse A r eines Elements X ist auf 1/1 der Atommasse des Nuklids 1 C bezogen: A r (X) = m(x) (1/1)m( 1 C) (4) 1

2 In der Natur kommen die meisten Elemente als Isotopengemische mit unterschiedlicher Zusammensetzung vor. Als Beispiel werden die ersten Elementnuklide in der folgenden Tabelle gezeigt: Tab.. Nuklide der ersten Elemente des PSE Z Element Nuklid n - Zahl Nuklidmasse [u] Häufigkeit [%] mittl.masse [u] 1 H 1 H H H Spuren He 3 He He Li 6 Li Li Be 9 Be B 10 B B Eine Isotopentrennung gelingt unter Ausnutzung des Einflusses des Massenunterschieds auf verschiedene physikalische Eigenschaften (Diffusion, Thermodiffusion, Zentrifugieren, Massenspektrometrie). Die Isotopieffekte sind naturgemäß bei den Wasserstoffisotopen am größten. Die nachfolgende Tabelle gibt einige Eigenschaften der Isotope wieder. Tab..3 Eigenschaften von Wasserstoff - Isotopen Eigenschaften H HD D T Siedepunkt /[K] Gefrierpunkt /[K] Verdamfungswärme bei T s /[kj/mol] Auch die Verbindungen verschiedener Isotope haben verschiedene physikalische ( und chemische ) Eigenschaften. Dies wird beim Vergleich von Wasser ( H O ) und schwerem Wasser ( D O ) deutlich Tab..4 Physikalische und chemische Eigenschaften von H O und D O im Vergleich Eigenschaften Einheit H o D O Siedepunkt o C Gefrierpunkt o C Temp. des Dichtemax. o C Verdamfungswärme bei 5 o C kj/mol Schmelzwärme kj/mol Dichte bei 0 o C g/cm Kryoskopische Konstante grad*g/mol Ionenprodukt bei 5 o C (mol/l)

3 . Massendefekt, Energie - Masse - Äquivalenz Die Masse eines Nuklids ist stets kleiner als die Summe der Massen seiner Bausteine m( 4 He) = m(α) = u < m(p + n) = u (5) Der Massendefekt m = u entspricht der Kernbindungsenergie und wird durch die Einstein sche Äquivalenzrelation E = mc (6) zu E = 8.3 MeV bestimmt. Es gilt dabei : 1 ev = J. Demnach entspricht einer atomaren Masseneinheit die Energie 1 u ˆ=931 M ev. Die Kernbindungsenergie pro Nukleon ist am kleinsten für 1H und hat ein Maximum bei den Elementen Fe,Co,Ni Massen Defekt pro Nukleon 4 He 56 6 Fe 38 9 U 9 Bind. Energie per Nukleon [MeV] [u] H Nukleonenzahl 1 0 Fig..1 Massendefekt und Bindungsenergie pro Nukleon.3 Chemische Reaktionen und Kernreaktionen Bei chemischen Reaktionen finden Veränderungen in der Elektronenhülle statt, die Kerne bleiben unverändert. Der Energieumsatz beträgt nur einige ev. Massenänderungen sind daher experimentell nicht bestimmbar. Bei Kernreaktionen ist die Veränderung des Atomkerns entscheidend, die Elektronenhülle spielt keine Rolle. Der Energieumsatz ist etwa 10 6 mal größer als bei chemischen Reaktionen. Instabile Kerne wandeln sich spontan durch Aussendung von α, β oder γ Strahlung in andere Nuklide um ( radioaktiver Zerfall ). Kernreaktionsgleichungen: α -Zerfall: Aussendung eines 4 He - Kerns: 6 88 Ra 86 Rn +4 He (7) 3

4 Allgemeines Verschiebungsgesetz: A ZE 1 A 4 Z E + 4 He (8) β -Zerfall: Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und Aussendung eines Elektrons aus dem Kern: Allgemeines Verschiebungsgesetz: K 40 0 Ca +0 1 e ; n p + e (9) A ZE 1 A Z+1 E e (10) Freie Neutronen haben eine Lebensdauer von etwa 15 min. Man kann den β - Zerfall der Neutronen im Rahmen des Standardmodells erklären. Dieser Prozeß wird durch die schwachen Wechselwirkungen bewirkt. Dabei sind Austauschteilchen oder Kraftträger die sogenannten Zwischenbosonen ( Weakonen ). In einem Neutron (udd) wandelt sich ein d- Quark in ein u-quark und ein W - Teilchen um. d u + W (11) Es entsteht ein Proton (uud) mit geringerer Ruhmasse als das Neutron. Die Massenbilanz liefert die Bewegungsenergie E der entstehenden Teilchen m = m n (m p + m e ) > 0 ; E = mc (1) In einem zweiten Schritt wandelt sich das Vektorboson in ein Elektron und in ein Antineutrino um W e + ν (13) Das Neutrino gehört zu den Leptonen ( von lepton (klein) - griech. 1 lepta = 1 Eurocent ). Es sorgt u.a. für die richtige Impulsbilanz: p n p n + p e + p ν (14) Neutronen in stabilen Kernen zerfallen nicht, weil für die entstehenden Protonen kein Platz im Kern vorhanden ist. γ -Zerfall: Übergang eines angeregten Kerns Ke in den Grundzustand Ke unter Aussendung hochenergetischer elektromagnetischer γ - Strahlung: Ke Ke + γ (15) Künstliche Nuklide: Kernreaktionen können erzwungen werden durch den Beschuß von Kernen mit α - Teilchen, Protonen, Neutronen, Deuteronen u.a.: Rutherford (1919): 14 7 N +4 He 17 8 O +1 1 H oder 14 7 Entdeckung des Neutrons (Chadwick 193): N (α, p) 17 8 O (16) 9 4 B +4 He 1 6 C + n (17) Zerfall von durch erzwungene Kernreaktionen gebildeten künstlichen Nukliden: künstliche Radioaktivität ( F. Joliot und Irene Curie 1934). Man kennt zur Zeit etwa 600 Nuklide, davon 340 natürliche. 4

5 Kernspaltung ( Hahn und Straßmann 1938): Beschuß von Uran mit langsamen Neutronen: 35 9 U + n 36 9 U (18) 36 9 U 9 36 Kr Ba + n (19) Der große Energiegewinn bei der Kernspaltung entsteht dadurch, daß beim Zerfall des schweren Urankerns in zwei leichtere Kerne die Bindungsenergie um etwa 0.8 MeV pro Nukleon erhöht wird. Bei 30 Nukleonen wird dann eine Bindungsenergie von 190 MeV pro Urankern frei. Die überzählig entstehenden Neutronen führen zur Kettenreaktion. Kernverschmelzung: Kernenergie - Erzeugung durch Verschmelzung sehr leichter Kerne. Dazu sind hohe Teilchenenergien notwendig, d.h. Temperaturen von K (thermonukleare Reaktionen). Wasserstoffbomben: Lithiumdeuterid 6 LiD zur Tritium - Erzeugung: 6 3 Li + n 3 1 H +4 He (0) in der Summe: 1 H +3 1 H 4 He + n (1) 6 3Li + 1 H 4 He + MeV () Die Kernfusion liefert viermal mehr Energie als die Kernspaltung der gleichen Masse. Auch beim Fusionsprozeß spielen die schwachen Wechselwirkungen eine wesentliche Rolle. Bei der Verschmelzung von zwei Protonen wandelt sich ein Proton in ein Neutron um, und es entstehen ein Positron und ein Neutrino: p + p pn + e + + ν (3) p n + e + + ν (4) Dieser Prozeß geschieht über ein Vektorboson W +, daß bei der Umwandlung eines u - Quarks in das nötige d - Quark entsteht und sofort weiter umgewandelt wird: u d + W + (5) Da bei diesen Prozessen die Massenbilanz negativ ist: W + e + + ν (6) m = m p (m n + m e ) < 0 ; E = mc < 0 (7) ist dieser Verschmelzungsprozeß für freie Protonen nicht möglich. Druck und Temperatur sind aber im Innern der Sonne so hoch, daß sich zwei Protonen sehr nahe kommen können ( sie müssen dazu die Coulomb - Abstoßung überwinden). So kann die Bindungsenergie der zwei Nukleonen in die Bilanz mit einbezogen werden ( Massendefekt ), und der Energiesatz wird nicht verletzt. qm 5

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