Grundlagen Radioaktivität V 1.0

Transkript

1 C B D Puzzle Kernenergie Grundlagen Radioaktivität V 1.0 Gruppe 1 rbeitsauftrag für die Stammgruppe Ihr solltet euch innerhalb von 10 Minuten einen kurzen Überblick über das Thema machen und euch entscheiden wer Experte für welches Thema wird. Geht dabei wie folgt vor: 1. Gruppenarbeit: gemeinsame Lektüre des unten stehenden Textes. 2. Gruppenarbeit: Bennennung der Experten für die folgenden Themen. lphastrahlen Betastrahlen Gammastrahlen, K-Einfang Kernkräfte und Massendefekt Grundlagen Radioaktivität Radioaktivität (von lat. radius, Strahl; Strahlungsaktivität), radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall ist die Eigenschaft instabiler tomkerne, sich spontan unter Energieabgabe umzuwandeln. Die freiwerdende Energie wird in fast allen Fällen als ionisierende Strahlung, nämlich energiereiche Teilchen und/oder Gammastrahlung, abgegeben. Der Begriff selbst (frz.: radioactivité) wurde 1898 von Marie Curie geprägt. Instabilität in den tomkernen wird hervorgerufen durch das Wechselspiel aus der anziehenden Kernkraft zwischen allen Kernbausteinen (also Protonen und Neutronen) und der bstoßung zwischen den Protonen. lpha-strahlung besteht aus energiereichen (also schnellen) Helium-Kernen, die vom tomkern abgespalten werden, wodurch sich die Zahl der Protonen und Neutronen im Kern jeweils um zwei verringert. Beta-Strahlung tritt in zwei verschiedenen Formen auf. Wenn der tomkern energiereiche Elektronen aussendet, spricht man von β - - Strahlung, im Fall der ussendung von Positronen (das sind die ntiteilchen der Elektronen und keine Protonen) spricht man von β + - Strahlung. Gamma-Strahlung gehört, wie Licht und Röntgenstrahlung, zum Spektrum der elektromagnetischen Wellen, ist dabei aber sehr viel energiereicher und kann dabei auch deutlich dickere Materialen durchdringen. Die Energie energiereicher Teilchen wird in der Einheit ev, Elektronenvolt, angegeben. Dahinter steckt folgende Idee: Wir gehen von einem ruhenden Elektron aus. Dieses Elektron kann nun beschleunigt werden, indem man es Spannung aussetzt. Herrscht zwischen dem Ort des Elektrons und dem positiven Pol die Spannung 1V, so hat das Elektron nach der Beschleunigungsphase die Energie W=Q U=1e 1V=1eV, wobei e die Elementarladung ist. Es hat dann bereits die Geschwindigkeit von ca m/s. Ein Elektron mit 100eV ist bereits ca m/s schnell, was aber verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit von m/s immer noch sehr langsam ist. Ein Elektron mit 1600eV hat bereits 94% der Lichtgeschwindigkeit erreicht!. Gebräuchlich ist bei schnellen Teilchen die Einheit MeV, also eV. 1

2 2

3 Puzzle Kernenergie: Experten α - Strahler V 2.0 rbeitsauftrag für die Expertengruppe Ihr solltet mit Hilfe des beiliegenden Textes das Thema so vorbereiten, dass ihr es in den Stammgruppen euren Mitschülern innerhalb von 5 Minuten präsentieren und erklären können. Geht dabei wie folgt vor: 1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes. 2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglieder der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können. Erstellt gemeinsam ein halbes DIN 4 Blatt, welche die wichtigsten Punkte und Zeichnungen des Textes enthält. Dieses Blatt solltet ihr in die Präsentation einbeziehen und in die Hefte der anderen Mitglieder der Stammgruppe übertragen werden. Inhalt der Präsentation: Was ist lphastrahlung? Was passiert beim lpha-zerfall mit der Massenzahl und der Kernladungszahl? Was ist ein Kernreaktionsschema? Wie sieht die Energieverteilung von lphastrahlung aus? Wie ist die Reichweite von lpha-strahlung? Wie schädlich ist lpha-strahlung von außen, bzw. von innen? Mini-Didaktik: Einfache Erklärung des Vorgangs Notiere dir, wie du dein Thema erklären willst. Wenn du damit Schwierigkeiten hast, überlege dir was du beim Lernen deines Themas zuerst gemacht hast. Was hast du am schnellsten verstanden und wie kann man darauf aufbauen. Hilfsmittel Oft kann man anhand konkreter Beispiele einen Sachverhalt besser erklären. chte darauf, dass das Beispiel nicht zu kompliziert wird - weniger ist oft mehr! Im Notfall nimm das Beispiel aus deiner Expertenrunde. Zeichnungen sind oft einfacher zu verstehen als Text. Kannst du die Kernaussagen deines Themas durch Zeichnungen unterstützen? Zusammenfassung Fasse am Schluss die Wichtigsten Dinge nochmals zusammen. Nur 2-3 Sätze 1

4 lphastrahlen V 2.0 lphastrahlen lphastrahlung oder α-strahlung ist eine rt von ionisierender Strahlung, die bei einem radioaktiven Zerfall, dem lphazerfall, auftritt. Ein radioaktives Nuklid, das diese Strahlung aussendet, wird als lphastrahler bezeichnet. Es handelt sich um eine Teilchenstrahlung bestehend aus Helium-4-tomkernen, lphateilchen genannt, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Das Symbol für ein lphateilchen ist der kleine griechische Buchstabe lpha: α. Das chemische Symbol ist. Damit wird das Teilchen als zweifach ionisiertes Heliumatom beschrieben, also als zweiwertiges Kation. Deswegen zählt die lphastrahlung auch zur Ionenstrahlung. Die ustrittsgeschwindigkeit aus dem Kern liegt zwischen km/s und km/s. Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in lphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Beispiel: Der Kern des Radium-226 hat 88 Protonen und 138 Neutronen. Seine Kernladungszahl beträgt demnach 88, seine Massenzahl 226. Der Kern ist nicht stabil, da die Kernkräfte die abstoßenden Kräfte der Protonen untereinander nicht vollständig aufheben können. Der Kern hat deshalb das Bestreben, in einen stabileren Zustand überzugehen. Der Ra Rn + He (4,7843 MeV) Kern schleudert einen Heliumkern heraus, wodurch die Kernladungszahl um 2, die Massenzahl um 4 sinkt. Es entsteht das neue Element Radon (Rn). Dieser Vorgang wird auch lphazerfall genannt. Er kann durch folgende Kernreaktionsgleichung beschrieben werden. In der Gleichung wird links vom Reaktionspfeil der Kernaufbau des usgangsatoms, rechts davon das Ergebnis des Zerfalls geschrieben. Dabei müssen auf beiden Seiten die Summe der Kernladungszahlen (86 + 2= 88) und die Summe der Massenzahlen ( = 226) übereinstimmen. Das entstandene Radon gibt zwei überzählige Hüllelektronen an die Umgebung ab. Die ausgesandten lphateilchen nehmen aus der Umgebung zwei Elektronen auf, wodurch Heliumatome entstehen. Bei alphastrahlenden Substanzen, die sich in geschlossenen Behältern befinden, kann deshalb nach einiger Zeit Heliumgas nachgewiesen werden. Energie von lphateilchen Die von einem gegebenen Nuklid emittierten lphateilchen haben, anders als beispielsweise beim Betazerfall, nur ganz bestimmte Werte der Bewegungsenergie, d. h., ihr Energiespektrum ist ein Linienspektrum. Dieses Spektrum ist charakteristisch für das jeweilige Radionuklid. Seine Messung kann also zur Bestimmung dieses Nuklids dienen. Nebenstehend das lphaspektrum der Plutoniumisotope Pu- 242, Pu-239/240 und Pu-238 Wechselwirkung mit Materie lphastrahlung ist die am leichtesten abzuschirmende ionisierende Strahlung. ufgrund ihrer elektrischen Ladung und relativ großen Masse von 4 u haben lphateilchen nur eine sehr geringe Eindringtiefe in Materie. Die Reichweite der lphateilchen ist abhängig von deren Energie und beträgt in Luft bei Normaldruck ungefähr 10 cm. In Wasser oder organischem Material beträgt die Eindringtiefe eines lphateilchens 40 µm. Ein etwas kräftigeres Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft reichen somit im llgemeinen schon aus, um lphateilchen vollständig abzuschirmen. Das kommt dadurch zustande, dass die Ionisationsdichte von lphateilchen d. h. die nzahl Ionen, die das Teilchen pro Längeneinheit seiner Wegstrecke erzeugt viel höher ist als etwa für Beta- oder Gammastrahlung. Und durch jede Ionisation wird es abgebremst. Biologische Wirkung lphastrahlung, die von außen auf den menschlichen Körper wirkt, ist relativ ungefährlich, da die lphateilchen auf Grund ihrer geringen Eindringtiefe überwiegend nur in die oberen, toten Hautschichten eindringen. Ein im Organismus durch Einatmen oder ufnahme mit der Nahrung eingelagerter lphastrahler ist dagegen sehr schädlich, da in diesem Fall nicht die toten Hautschichten, sondern lebende Zellen geschädigt werden. Insbesondere die nreicherung eines mit lphastrahlung zerfallenden Nuklids in einem Organ führt zu einer hohen Belastung dieses Organs, da dabei eine hohe Strahlendosis ihre schädigende Wirkung auf kleinem Raum und auf wichtige Körperzellen ausübt. 2

5 Puzzle Kernenergie: Experten β - Strahler V 2.0 rbeitsauftrag für die Expertengruppe Ihr solltet mit Hilfe des beiliegenden Textes das Thema so vorbereiten, dass ihr es in den Stammgruppen euren Mitschülern innerhalb von 5 Minuten präsentieren und erklären können. Geht dabei wie folgt vor: 1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes. 2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglieder der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können. Erstellt gemeinsam ein halbes DIN 4 Blatt, welche die wichtigsten Punkte und Zeichnungen des Textes enthält. Dieses Blatt solltet ihr in die Präsentation einbeziehen und in die Hefte der anderen Mitglieder der Stammgruppe übertragen werden. Inhalt der Präsentation: Was ist Beta-Strahlung? Woher stammt das Elektron? Was passiert beim Beta-Zerfall mit der Massenzahl und mit der Ordnungszahl? Wie sieht das Kernreaktionsschema des Beta-Zerfalls aus? Wie sieht die Energieverteilung von Beta-Strahlung aus? Wie ist die Reichweite von Beta-Strahlung? Wie schädlich ist Beta-Strahlung von außen, bzw. von innen? Mini-Didaktik: Einfache Erklärung des Vorgangs Notiere dir, wie du dein Thema erklären willst. Wenn du damit Schwierigkeiten hast, überlege dir was du beim Lernen deines Themas zuerst gemacht hast. Was hast du am schnellsten verstanden und wie kann man darauf aufbauen. Hilfsmittel Oft kann man anhand konkreter Beispiele einen Sachverhalt besser erklären. chte darauf, dass das Beispiel nicht zu kompliziert wird - weniger ist oft mehr! Im Notfall nimm das Beispiel aus deiner Expertenrunde. Zeichnungen sind oft einfacher zu verstehen als Text. Kannst du die Kernaussagen deines Themas durch Zeichnungen unterstützen? Zusammenfassung Fasse am Schluss die Wichtigsten Dinge nochmals zusammen. Nur 2-3 Sätze 1

6 Betastrahlen V 2.0 Betastrahlen Betastrahlung oder β-strahlung ist eine ionisierende Strahlung, die bei einem radioaktiven Zerfall, dem Betazerfall, auftritt. Ein radioaktives Nuklid, das Betastrahlung aussendet, wird als Betastrahler bezeichnet. Diese Teilchenstrahlung besteht bei der häufigeren β -Strahlung aus Elektronen, bei der selteneren β+-strahlung dagegen aus Positronen (positiv geladene Elektronen, ntimaterie). Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in lphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Der Betazerfall ist ein radioaktiver Zerfallstyp eines tomkerns. In Folge des Zerfallsvorgangs verlässt ein energiereiches Betateilchen (seine Geschwindigkeit kann zwischen Null und nahezu Lichtgeschwindigkeit liegen) Elektron oder Positron den Kern. Gleichzeitig entsteht ein ntineutrino bzw. Neutrino. In der nfangszeit der Kernphysik führte die Beobachtung von Beta-Elektronen vorübergehend zu dem Fehlschluss, Elektronen seien Bestandteile des tomkerns. Jedoch werden die beiden emittierten Teilchen erst zum Zeitpunkt der Kernumwandlung erzeugt. Nuklide mit einem Überschuss an Neutronen zerfallen über den β -Prozess. Ein Neutron des Kerns wandelt sich in ein Proton um und sendet dabei ein Elektron sowie ein ntineutrino aus. Sowohl Elektron als auch ntineutrino verlassen den tomkern, da beide Leptonen sind und nicht der starken Wechselwirkung (Kernkräften) unterliegen. Da sich nach dem Zerfallsprozess ein Neutron weniger, aber ein Proton mehr im Kern befindet, bleibt die Massenzahl unverändert, während sich die Kernladungszahl Z um 1 erhöht. Das Element geht also in seinen Nachfolger im Periodensystem über. Er kann durch folgende Kernreaktionsgleichung beschrieben werden. Cäsium-137 wandelt sich unter ussenden eines Elektrons in Barium-137 um. Energie von Betateilchen Die beim Betazerfall auftretenden Elektronen besitzen alle unterschiedliche Energien. Sie können zwischen Null und einem Maximalwert liegen, wobei die größte Häufigkeit für jedes Radionuklid bei einem bestimmten Energiewert liegt. Die kontinuierliche Energieverteilung ist auf den ersten Blick eigentlich unmöglich, da bei einem Kernzerfall eines bestimmten Elements immer exakt dieselbe Energie frei wird. Das Betateilchen nimmt davon aber verschieden viel auf. Beim Zerfall eines Neutrons entsteht zusätzlich ein ntineutrino. Die frei werdende Zerfallsenergie verteilt sich dann nach Zufall in beliebigen Bruchteilen der Maximalenergie auf die beiden Elementarteilchen. Wechselwirkung mit Materie n p + e Cs Ba + e Wenn Betateilchen in ein Material eindringen, finden der Energieübertrag auf das Material und die Ionisierung in einer oberflächennahen Schicht statt, die der Eindringtiefe der Teilchen entspricht. In Luft beträgt ihre Reichweite etwa 1m. In organischem Material etwa 1mm. Biologische Wirkung Ist der menschliche Körper Betastrahlen ausgesetzt, werden nur die relativ unempfindlichen Hautschichten geschädigt. Dort kann es bei hoher Bestrahlung aber zu intensiven Verbrennungen und daraus resultierenden Spätfolgen wie Hautkrebs kommen. Sind die ugen exponiert, kann es zur Linsentrübung kommen. Werden Betastrahler in den Körper aufgenommen (inkorporiert), sind hohe Strahlenbelastungen in der Umgebung des Strahlers die Folge. Gut dokumentiert ist Schilddrüsenkrebs als Folge von radioaktivem Iod-131, das sich in der Schilddrüse sammelt. In der Literatur findet man auch Befürchtungen, dass Strontium-90 zu Knochenkrebs und Leukämie führen kann, da sich Strontium wie Calcium in den Knochen anreichert. 2

7 Puzzle Kernenergie: Experten γ - Strahler V 2.0 rbeitsauftrag für die Expertengruppe Ihr solltet mit Hilfe des beiliegenden Textes das Thema so vorbereiten, dass ihr es in den Stammgruppen euren Mitschülern innerhalb von 5 Minuten präsentieren und erklären können. Geht dabei wie folgt vor: 1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes. 2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglieder der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können. Erstellt gemeinsam ein halbes DIN 4 Blatt, welche die wichtigsten Punkte und Zeichnungen des Textes enthält. Dieses Blatt solltet ihr in die Präsentation einbeziehen und in die Hefte der anderen Mitglieder der Stammgruppe übertragen werden. Inhalt der Präsentation: Was ist Gammastrahlung? Was passiert beim Gamma-Zerfall mit der Massenzahl und mit der Ordnungszahl? Wie sieht das Kernreaktionsschema aus? Wie sieht die Energieverteilung von Gammastrahlung aus? Wie ist die Reichweite von Gamma-Strahlung? Wie schädlich ist Gamma-Strahlung? Mini-Didaktik: Einfache Erklärung des Vorgangs Notiere dir, wie du dein Thema erklären willst. Wenn du damit Schwierigkeiten hast, überlege dir was du beim Lernen deines Themas zuerst gemacht hast. Was hast du am schnellsten verstanden und wie kann man darauf aufbauen. Hilfsmittel Oft kann man anhand konkreter Beispiele einen Sachverhalt besser erklären. chte darauf, dass das Beispiel nicht zu kompliziert wird - weniger ist oft mehr! Im Notfall nimm das Beispiel aus deiner Expertenrunde. Zeichnungen sind oft einfacher zu verstehen als Text. Kannst du die Kernaussagen deines Themas durch Zeichnungen unterstützen? Zusammenfassung Fasse am Schluss die Wichtigsten Dinge nochmals zusammen. Nur 2-3 Sätze 1

8 Gammastrahlen V 2.0 Gammastrahlen Gammastrahlung auch γ-strahlung geschrieben im engeren Sinne ist eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung, die beim Zerfall der tomkerne vieler natürlich vorkommender oder künstlich erzeugter radioaktiver Nuklide entsteht. Der Name stammt von der Einteilung der ionisierenden Strahlen aus radioaktivem Zerfall in lphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung mit deren steigender Fähigkeit, Materie zu durchdringen. Im weiteren Sinne wird mit Gammastrahlung jede elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien über etwa 200 kev bezeichnet, unabhängig von der rt ihrer Entstehung (radioaktiver Zerfall, kosmische Strahlung). Sie ist damit noch energiereicher als Röntgenstrahlung Ba* Ba + γ Durch den Gammazerfall ändert sich also nur der Energieinhalt des Kerns, nicht jedoch dessen Kernladungs- und Massenzahl. Die nzahl der Protonen und damit das chemische Element bleiben beim Gammazerfall erhalten. Die von einem radioaktiven tomkern ausgesandten Gammaquanten besitzen alle dieselbe Energie. Diese unterscheidet sich nur von Element zu Element. Energie von Gamma-Strahlung Gammastrahlung im engeren Sinne entsteht als Folge eines vorhergehenden radioaktiven Zerfalls (z. B. α- oder β-zerfall) eines tomkerns. Der nach dem Zerfall zurückbleibende Kern, der Tochterkern, befindet sich in der Regel in einem angeregten Zustand; anschaulich gesagt schwingt oder rotiert er beispielsweise. Diese nregungsenergie kann in Form von Gammastrahlung abgegeben werden. Beim Übergang in einen weniger angeregten Zustand oder den Grundzustand wird γ-strahlung ausgesandt, siehe Zerfallsschema. ufgrund der quantenmechanischen Eigenschaften des tomkerns kann dabei nur Strahlung ganz bestimmter Energien (nämlich der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen) abgegeben werden. Gammastrahlung ist also durch ein diskretes Energiespektrum gekennzeichnet. Wechselwirkung mit Materie Gammastrahlung ist die am schwersten abzuschirmende ionisierende Strahlung. Zur bschirmung der im Vergleich zu geladenen Teilchen besonders durchdringenden Gammastrahlung werden deutlich dickere Materieschichten benötigt als für lpha- oder Betastrahlung. Je größer die Ordnungszahl eines Materials ist, desto größer ist seine bschirmwirkung. Deshalb verwendet man beispielsweise Bleiplatten. n Oberflächen gibt Gamma- Strahlung nur wenig Energie ab. Je tiefer sie in Materie eindringt, umso mehr Energie gibt sie dort ab. In Luft beträgt ihre Reichweite mehrere Kilometer, in Beton mehrere Meter und in Blei mehrere Dezimeter. Ein Mensch kann also durchdrungen werden ohne dabei viel Energie absorbiert zu haben. Biologische Wirkung Wird Gammastrahlung in menschlichem, tierischem oder pflanzlichem Gewebe absorbiert, wird ihre Energie in Ionisations- und anderen Vorgängen wirksam. Dabei treten im Gewebe Sekundärstrahlungen wie freigesetzte Elektronen und Röntgenstrahlung auf. Insgesamt ergeben sich für den Organismus meist schädliche Wirkungen durch das ufbrechen chemischer Bindungen. Das usmaß der Gesamtwirkung wird durch die Äquivalentdosis beschrieben. Die Folgen können am bestrahlten Organismus selbst (somatische Schäden) oder, durch Schädigung des Erbguts, an seinen Nachkommen als genetische Schäden auftreten. Die Funktionsfähigkeit der Zellen bleibt auch bei hohen Strahlendosen zunächst meist erhalten. Sobald aber die Zelle sich teilt oder aus einem anderen Grund eine große Zahl an Proteinen neu produzieren muss, führen die Strahlenschäden im Erbgut zu Problemen. Die Strahlenkrankheit wirkt deswegen erst nach einiger Zeit tödlich, wenn bestimmte, lebenswichtige Zelltypen, die auch beim gesunden Menschen regelmäßig absterben und neu gebildet werden, insbesondere Blutzellen, nicht mehr in ausreichender Zahl vorhanden sind. lternativ kann es dazu kommen, dass durch die Strahlung nur gering geschädigte Zellen ihre Teilungsfähigkeit behalten, sich aber künftig unkontrolliert teilen und zu bösartigen Tumoren wachsen. 2

9 Experten Puzzle Kernenergie: Kernkräfte und Massendefekt V 2.0 rbeitsauftrag für die Expertengruppe Ihr solltet mit Hilfe des beiliegenden Textes das Thema so vorbereiten, dass ihr es in den Stammgruppen euren Mitschülern innerhalb von 5 Minuten präsentieren und erklären können. Geht dabei wie folgt vor: 1. Einzelarbeit: Lektüre des Textes. 2. Gruppenarbeit: Vorbereitung der Präsentation. Stellt sicher, dass alle Gruppenmitglieder der Expertengruppe den Inhalt verstanden haben und erklären können. Erstellt gemeinsam ein halbes DIN 4 Blatt, welche die wichtigsten Punkte und Zeichnungen des Textes enthält. Dieses Blatt solltet ihr in die Präsentation einbeziehen und in die Hefte der anderen Mitglieder der Stammgruppe übertragen werden. Inhalt der Präsentation: Welche zwei Kräfte wirken im Inneren von Kernen? Wie weit reichen diese Kräfte jeweils? Welche Folgen hat dies für große Kerne? Was ist der Massendefekt? Wie wirkt sich der Massendefekt bei kleinen Kernen und wie bei schweren Kernen aus? Mini-Didaktik: Einfache Erklärung des Vorgangs Notiere dir, wie du dein Thema erklären willst. Wenn du damit Schwierigkeiten hast, überlege dir was du beim Lernen deines Themas zuerst gemacht hast. Was hast du am schnellsten verstanden und wie kann man darauf aufbauen. Hilfsmittel Oft kann man anhand konkreter Beispiele einen Sachverhalt besser erklären. chte darauf, dass das Beispiel nicht zu kompliziert wird - weniger ist oft mehr! Im Notfall nimm das Beispiel aus deiner Expertenrunde. Zeichnungen sind oft einfacher zu verstehen als Text. Kannst du die Kernaussagen deines Themas durch Zeichnungen unterstützen? Zusammenfassung Fasse am Schluss die Wichtigsten Dinge nochmals zusammen. Nur 2-3 Sätze 1

10 Kernkräfte V 2.0 Die Eigenschaften der Kernkräfte Im Nuklid befinden sich Protonen und Neutronen auf kleinstem Raum. Sie werden durch Kernkräfte zusammengehalten. Die Kernkräfte haben eine extrem kurze Reichweite und wirken praktisch nur zwischen unmittelbar benachbarten Teilchen. (vergleiche nalogie mit klebrigen Bonbons, die auch erst aneinander haften, wenn sie sich berühren). Kernkräfte wirken zwischen Neutronen und Neutronen, Protonen und Protonen, sowie zwischen Protonen und Neutronen in gleichem Maße. n-n-wechselwirkung p-p-wechselwirkung p-n-wechselwirkung Da Protonen eine positive Ladung besitzen, wirken zwischen ihnen zusätzlich elektrostatische Kräfte (gelbe Pfeile), die wegen der Gleichnamigkeit der Ladung zwischen den Protonen abstoßend wirken. Diese elektrischen Kräfte wirken auch über größere Entfernungen. Ihre Stärke nimmt jedoch quadratisch mit der Entfernung ab. Wegen der geringen Reichweite werden die Kernkräfte nur zwischen unmittelbar benachbarten Kernteilchen wirksam. Das ist immer nur zwischen wenigen Teilchen der Fall. Besteht ein tomkern nur aus wenigen Teilchen, ist jedes Teilchen mit jedem anderen in Kontakt, so dass alle Kernkräfte wirksam werden können. Ist die Teilchenzahl aber größer, kann nicht mehr jedes Kernteilchen über Kernkräfte mit jedem anderen in Wechselwirkung treten. nders ist es aber bei den im Kern auftretenden elektrischen Kräften. Sie stoßen sich alle untereinander ab, auch über die Entfernung vieler Kernteilchen hinweg. Bei größeren Kernen bleibt die bindende Kernkraft gleich, während die elektrische bstoßung mit wachsender Protonenzahl zunimmt. Dadurch werden große Kerne eher instabil. Wie und wodurch die Kernkräfte entstehen, ist noch nicht exakt geklärt. Zurzeit stellt man sich vor, dass zwischen benachbarten Kernteilchen so genannte Mesonen unvorstellbar schnell hin und her ausgetauscht werden und dadurch die Kernkräfte entstehen. Man nennt die Kernkräfte deshalb auch ustauschkräfte. Mesonen sind 1937 erstmals nachgewiesen worden. Kernbindungsenergie und Massendefekt Die Masse zum Beispiel eines -Kerns müsste sich aus der Summe der Massen zweier Protonen und zweier Neutronen zusammensetzen. Sehr genau Messungen haben aber ergeben, dass die Masse des Heliumkerns geringer als die Summe der Massen seiner Kernbausteine ist. Beim Zusammenfügen von Protonen und Neutronen verschwindet also ein kleiner Teil der Masse. Diese Massendifferenz (Massendefekt) wird nach der Einsteinformel E=mc² in Energie umgewandelt. Will man einen solchen Kern wieder in seine Kernbausteine zerlegen, muss genau diese Energie wieder aufgewendet werden. Die Energie wird daher Kernbindungsenergie genannt. Beim Zusammenfügen von Kernbausteinen zu leichten Elementen wird also Energie frei (Kernfusion). Genau umgekehrte Verhältnisse finden sich bei den schweren Elementen. Hier ist der zusammengefügte schwere Kern schwerer als seine kleineren Bruchteile. Beim Zerfall geht also Masse verloren. Diese wird ebenfalls in Energie umgewandelt. (Kernspaltung) 2

11 lphastrahlen Ra Rn + He (4,7843 MeV)

12 Betastrahlen Cs Ba + e

13 Gammastrahlen