41. Kerne. 34. Lektion. Kernzerfälle

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1 41. Kerne 34. Lektion Kernzerfälle

2 Lernziel: Stabilität von Kernen ist an das Verhältnis von Protonen zu Neutronen geknüpft. Zu viele oder zu wenige Neutronen führen zum spontanen Zerfall.

3 Begriffe Stabilität von Kernen Tal der Stabilität Spontaner Zerfall Induzierter Zerfall Neutronenüberschuss α, β, γ - Strahlung Begriffe

4 Kernzerfälle Kerne können entweder spontan oder induziert zerfallen: Spontaner Zerfall erfolgt, wenn ein Kern unstabil ist. Der Kern geht dann spontan in einen niedrigeren Energiezustand mit höherer Bindungsenergie über. Induzierter Zerfall erfolgt nach Beschuss des Kerns mit Neutronen, Protonen, α-teilchen, Elektronen, Photonen, etc. Kernzerfälle

5 Spontaner Zerfall Induzierte Emission Spontaner Zerfall

6 Drei Arten des spontanen Kernzerfalls Zerfall von unstabilen Atomkernen durch Emission von Teilchen oder Strahlung (a) Alpha-Teilchen bzw. He-Kerne Proton α Neutron (b) Beta-Teilchen bzw. positive oder negative geladene Elektronen β (g) Gamma- Quanten bzw. EM- Strahlung γ Drei Arten des Kernzerfalls

7 Wann sind Kerne instabil? Beispiel: Atomkern Z=11 N=12

8 Wann sind Kerne instabil? Starke anziehende Kernkräfte: kurze Reichweite Wenige Partner

9 Wann sind Kerne instabil? Schwache abstoßende Ladungeskräfte: lange Reichweite Viele Partner

10 Gleichgewicht: Anziehung gegenüber Abstoßung Abstoßung = Z*Z Anziehung = (ZN)*7 Abweichung vom Gleichgewicht: Instabilität radioaktiver Zerfall

11 Stabile Isotope (leichte Kerne) Protonennzahl Al Mg Na Ne F O N C B Be Li He H Neutronenmangel N=Z Neutronenüberschuß Neutronenzahl

12 Für leichte Kerne ist N=Z Schwerere Kerne leiden unter Neutronüberschuss: N>Z Protonenzahl 100 N=Z Neutronenzahl Für leichte Kerne ist N=Z...

13 Jeder Kern hat eine optimale Grösse. Leichte Kerne haben ungefähr genau so viele Protonen wie Neutronen Schwere Kerne haben mehr Neutronen als Protonen Abweichungen von der optimalen Protonen- und Neutronenzahl führt zum Zerfall

14 Unstabile Isotope, Neutronenüberschuss β - -Zerfall Al Mg Na Protonennzahl Ne F O N C B Be Neutron verwandelt sich in Proton und sendet Elektron aus um die überschüssige Ladung abzugeben N=Z Li He H Neutronenüberschuß Neutronenzahl

15 β Zerfall β Kerne, die einen Neutronenüberschuß haben sind unstabil. Im Kerninneren wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um: Das Elektron wird als β - - Elektron emittiert. Die Kernladungszahl nimmt um eins zu. Z2 1 0 n 1 1 p β γ ν 1 1p = Proton β = negatives Positron = Elektron ν = Antineutri no Protonenzahl Z1 Z Z-1 Z-2 N-2 N-1 β N N1 Neutronenzahl N2 β Zerfall

16 Unstabile Isotope, Neutronenmangel β -Zerfall Al Mg Protonennzahl Na Ne F O N C B Be Proton verwandelt sich in Neutron und sendet Positron aus um die überschüssige Ladung abzugeben Li He H Neutronenzahl

17 β Zerfall Kerne, die einen Neutronenmangel haben sind unstabil. Im Kerninneren wandelt sich ein Proton in ein Neutron und ein Positron um: Das Positron wird als positiv geladenes β -Elektron emittiert. Die Kernladungszahl nimmt um eins ab. β Zerfall β Z2 β 1 1 p 1 0 n β γ ν Protonenzahl Z1 Z Z-1 Z-2 N-2 N-1 N N1 N2 Neutronenzahl

18 α-strahlung Manche Kerne emittieren spontan stabile α-teilchen (He-Kerne): A Z Protonenzahl N Z2 Z1 Z Z-1 Z-2 N-2 A 4 Z 2 N-1 N 2 α N K K N1 Neutronenzahl 4 2 N2 He 2

19 Zerfall von leichten Kernen mit α-teilchen Al Mg α Protonenzahl Na Ne F O N C B Be α β Li He H Zerfall von leichten Kernen mit a- Neutronenzahl

20 Beispiel für α-zerfälle Beispiele für α-zerfälle Alpha-Zerfall von Be-8 8 Be He Halbwertszeit: 3x10-16 s 4 2 He Alpha-Zerfall Radium in Radon: Ra Rn He Halbwertszeit: 1,6x10 3 a

21 Zusammenhang zwischen Energie der α- Teilchen und ihrer Halbwertszeit E kin (MeV) Coulomb-Wall T 1/2 0.5s 138d 4.5x10 9 a Kernpotential Bindungsenergie des α-teilchens Bindungsenergie pro Nukleon im Kern Zusammenhang zwischen kinetischer Energie und Zerfallskonstante log E α = a blog λ

22 Quiz Quiz: Beim Alpha-Zerfall wird die Massenzahl des Mutterkerns A B C D E um 2 größer um 4 größer nicht geändert um 2 kleiner um 4 kleiner Antwort E ist richtig!

23 Leichte Kerne: N Z Schwere Kerne: N>Z Protonenzahl N=Z β - β n p p n α α Teilchen emittiert Stabile Kerne Neutronenzahl

24 Ende der Stabilität von Kernen... Neutronenzahl Protonennzahl...alle Kerne mit größerem Z oder N als Bi-209 zerfallen spontan, am häufigsten mit α-zerfall

25 γ-strahlung: Nach α oder β Emission bleibt der Kern häufig für sehr kurze Zeit in einem rotierenden Zustand. Erst nach Aussenden von energiereicher elektromagnetischer Strahlung (γ-quanten) kommt der radioaktive Kern zur Ruhe. Beispiel 137 Cs Zerfall: Neutron Proton 0,6 MeV γ Quant Proton Elektron

26 γ-strahlung: Nach α oder β Emission bleibt der Kern häufig für sehr kurze Zeit in einem angeregten Zustand. Er fällt in den neuen Grundzustand durch Aussenden von elektromagnetischen Wellen, d.h. γ- Quanten. Beispiel 137 Cs Zerfall: 137 Cs 137 Ba Grundzustand β - (1,17 MeV) T 1/2 = 30 a γ 0,6 MeV g-strahlung

27 Quiz: Quiz Welche Aussage trifft nicht zu? Beim Beta-minus-Zerfall eines radioaktiven Atomkerns wird die A B C D E Ordnungszahl um eins erhöht Protonenzahl um eins erhöht Neutronenzahl um eins erniedrigt Nukleonenzahl um eins erniedrigt Kernladungszahl um eins erhöht Antwort D ist richtig!

28 Zusammenfassung Zusammenfassung Unstabile Kerne wandeln sich durch Emission von α, β, β Strahlung in stabilere Kerne um Bei der β-strahlung bleibt die Massenzahl erhalten aber die Ordnungszahl ändert sich, bei α Emission ändert sich die Massenzahl und die Kernladungszahl Schwere Kerne zerfallen in Zerfallsreihen mit vielen Zwischenstationen Kerne bleiben nach Emission von α, β, β Teilchen in angeregten Zuständen und fallen durch Emission von γ Strahlung in einen neuen Grundzustand