Atome. Definition: das kleinste Teilchen eines chemischen Elementes, das mit chemischen Verfahren nicht mehr zerlegbar ist.

Transkript

1 Atome Definition: das kleinste Teilchen eines chemischen Elementes, das mit chemischen Verfahren nicht mehr zerlegbar ist. Das Atom besitzt einen positiv geladene Atomkern und eine negative Elektronenhülle. mk m e = 1836 ρ Kern = kg / m Atome sind ihrerseits aus kleineren Bausteinen wie Elektronen, Protonen und Neutronen aufgebaut. Eigenschaften der Elementarteilchen Teilchen Proton Neutron Elektron Masse g 1, , Relative Atommasse in u 1, , , Ladung in As +1, , Protonen und Neutronen bezeichnet man als Nucleonen. Die Protonen (Z) werden in dem Atomkern durch die Kernkräfte zusammengehalten. 1

2 Masse der Atome - im Bereich von bis g - relative Atommasseneinheit (u): ein Zwölftel der Masse des 12 C-Nuclids 1u = 1g/N A = 1, g N A = 6, (Avogadro-Zahl) Kernkräfte Radius eines Atoms: m In einem Abstand von etwa r<10-15 m sind die Kernkräfte etwa 35 mal größer als die elektrostatische Abstoßung. Bei Nukleonenabständen r >10-14 m werden die Kernkräfte wirkungslos. r K = r A 3 0 r r K Kernradius r 0 1,3*10-15 A r Atommasse 2

3 Ordnungszahl und Massenzahl Die Zahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Kernladungszahl Z oder Ordnungszahl. Die Massenzahl A gibt die Gesamtzahl der Nukleonen im Atomkern, also die Zahl der Protonen Z plus der Zahl der Neutronen N an. A = Z + N Elemente, deren Atome aus identischen Nukliden aufgebaut sind, bezeichnet man als Reinelemente. Elemente, die aus verschieden Isotopen zusammengesetzt sind, nennt man Mischelemente. Wichtige natürliche Isotope Isotop Stabilität rel. Mengenverhältnis H 2 1H 3 1H 10 5 B 11 5 B stabil 1 stabil 1,6 x 10-4 radioaktiv stabil 1 stabil 4,3 12 6C 13 6C 14 6C 14 7 N N 15 7 stabil 99 stabil 1 radioaktiv (β) Spuren stabil 272 stabil 1 3

4 Isotopeneffekte Physikalische Eigenschaften von H 2 O und D 2 O Verbindung Siedepunkt Gefrierpunkt Temperatur des Dichtemaximums H 2 O ,8 D 2 O 101,2 3,8 11,6 Kernreaktionen Die Summe der Einzelmassen der Nukleonen eines bestimmten Kerns ist größer, als die betreffende Kernmasse. Massendefekt entspricht die Bindungsenergie des Atomkerns, der nach der Einstein-Gleichung berechnet werden kann: E = m c 2 E = Energie; m = Massendifferenz; c = Lichtgeschwindigkeit. 1 ev = 1, J (=V A s) Ein Elektronvolt ist die Energie, die einem Elektron zugeführt wird, wenn es durch eine Potentialdifferenz von einem Volt beschleunigt wird. 4

5 Durch Verschmelzung leichter Kerne (Kernfusion) und durch Spaltung schwerer Kerne (Kernspaltung) lässt sich Energie gewinnen. Radioaktive Strahlung α-strahlen: Heliumkerne β-strahlen: Elektronen γ-strahlen: elektromagnetische Strahlung (Welle) 5

6 Radioaktive Strahlung Bild der Wissenschaft Dossier 1/97, S. 22 Nachweis radioaktiver Strahlung Ionisation von Atomen der Moleküle (Geiger-Müller- Zählrohr, Wilson sche Nebelkammer, Elektroskop). Vogt/Schulz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, 2. Aufl. 6

7 Nachweis radioaktiver Strahlung Szintilation: Absorption von radioaktiver Strahlung und Umwandlung in sichtbares Licht (Zinksulfid, Anthracen, NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Eu) ) Vogt/Schulz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, 2 Aufl. Nachweis radioaktiver Strahlung Ionisation (Geiger-Müller-Zählrohr, Wilson sche Nebelkammer, Elektroskop). Szintilation: Absorption von radioaktiver Strahlung und Umwandlung in sichtbares Licht Schwärzung photographischer Platten (Autoradiographie): Durch die Einwirkung der Strahlen wird aus dem AgBr des Films elementares Silber abgeschieden. Chemische Reaktionen an organischen Molekülen 7

8 Radioaktiver Zerfall Von den Elementen mit der Ordnungszahl 1 bis 83 existieren über 260 stabile Nuklide, es sind aber ca instabile, radioaktive Nuklide bekannt. Die Elemente mit den Ordnungszahlen 43 (Tc) und 61 (Pm) und alle mit Z>83 besitzen nur instabile Isotope. Radioaktive Zerfallsreihen Name der Reihe Ursprung Mutterkern t 1/2 Endkern Thorium natürlich 209 Bi 1, Pb Uran-Radium natürlich 238 U 4, Aktnium natürlich U 7, Neptunium künstlich Np 2, Pb Pb Bi 8

9 Radioaktiver Zerfall α-zerfall α-zerfall findet man für Ordnungszahlen Z 60 und Massenzahlen A 144 und vor allem für die schwere Kerne mit Z 83. A Z X M α + A 4 Z 2 X T Beispiele: 84 Po α Pb 92 U α Th Die von Radionukliden emittierten a-teilchen haben eine Energie zwischen 4 und 6 MeV. α- Strahlung energiereiche Teilchenstrahlung, die aus Heliumkernen besteht kann aufgrund ihrer Ladung und Masse in elektrischen und magnetischen Feldern abgelenkt werden. Reichweite in Luft nur wenige Zentimeter. werden mit Geschwindigkeiten zwischen und km/s emittiert. Energie zwischen 4-6 MeV. 9

10 β - -Zerfall β - -Zerfall tritt bei solchen Kernen auf, die im Vergleich zu ihrer Protonenzahl zu viele Neutronen besitzen. Dieser Neutronenüberschuß wird durch den β - -Zerfall abgebaut und es entsteht ein (Tochter)Nuklid X T mit gleicher Massenzahl A, jedoch mit einer um eins erhöhten Ordnungszahl Z. Beispiele sind: A Z X M Z + Po β + Pb β + A 0 1 X T + 1e At Bi 0 0 v β - -Strahlen β - -Strahlen sind hochenergetische Elektronen, die aus dem Kern stammen. n p+β - + v e entstehen aufgrund der Umwandlung eines Neutrons zu einem Proton und einem Elektron bewegen sich in einigen Fällen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit kinetische Energie zwischen 0,02 und 4 MeV Reichweite von β - -Strahlen in Luft beträgt 3.9 m, in Wasser 5 mm. 10

11 β + -Zerfall tritt bei Kernen auf, die im Vergleich zur Neutronenzahl zu viele Protonen enthalten. A Z X p n + β + + v e Umwandlung ist nur durch Energiezufuhr möglich Es entsteht ein Nuklid mit gleicher Massenzahl A, aber mit einer um eins geringerer Ordnungszahl Z. A 0 0 M Z 1 X T + 1e+ 0 β + -Teilchen sind hochenergetische Positronen. Das Positron besitzt dieselben Masse und Eigenschaften wie das Elektron, es ist Antiteilchen zum Elektron. v e γ-zerfall Als allgemeine Darstellung für γ-zerfall kann man Schreiben: A A ( X ) X + γ Z * Z Massen- und Ordnungszahl bleiben unverändert. Die Energien der γ-quanten liegen zwischen 0,1 MeV und 20 MeV. γ-strahlen werden weder in einem elektrischen noch in einem magnetischen Feld abgelenkt. elektromagnetische Wellen von außergewöhnlich großem Durchdringungsvermögen und hoher Energie. 11

12 Zerfallsgesetz Der radioaktive Zerfall erfolgt spontan und kann weder mit chemischen noch physikalischen Methoden beeinflußt werden. ist eine Eigenschaft des Atomkerns und gehorcht einem Zeitgesetz erster Ordnung. N = N 0 e -λt N: Anzahl der zur Zeit t noch nicht zerfallenen Kerne N 0 : Anzahl der zur Zeit t=0 vorhandenen Kerne λ: Zerfallskonstante 12

13 Zerfallskonstante und Halbwertszeit Zerfallskonstante λ für jede Kernart charakteristisch. Wahrscheinlichkeit, mit der ein Kern innerhalb einer Sekunde zerfällt Einheit s -1 Halbwertszeit t 1/2 Zeitspanne, nach der die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Kerne zerfallen ist 1 λt N ln 1/ NH = N0 e = = N0 e = N0 e 2 ln 2 λ t 1/ 2 = ln 2 t1/ 2 = λ ln 2 Aktivität A = Anzahl Sekunde Einheit: Becquerel (Bq) 1Bq = 1 s -1 A = N λ = N 0 λ e - λt = A 0 e - λt Zahl der aktiven Kerne N multipliziert mit der Zerfallswahrscheinlichkeit (Zerfallskonstante) 13

14 Aktivität Alte Einheit: Curie (Ci) 1 Ci entspricht derjenigen Menge einer Substanz, bei der 3, Zerfälle pro Sekunde stattfinden. 1Ci = 3, Bq 1 g Radium besitzt die Aktivität von 1 Ci, denn m=1 g Radium (M=226 g/mol) enthält N A m 6 10 N = = M = 22,6 10 radioaktive Kerne. Bei einer Zerfallswahrscheinlichkeit von λ =1, s -1 ergibt sich eine Aktivität von: 21 A = N λ = 22, , =3, Bq Kernreaktionen Die im Atomkern auftretenden Veränderungen können in einer kernchemischen Gleichung wiedergegeben werden. z.b. die erste Transmutations-Reaktion durchgeführt von Rutherford in He+ N H O Bei jeder freiwillig ablaufenden Kernreaktion ist die Gesamtmasse der Produkte kleiner als die der Reaktanden. Die freigesetzte Energie E entspricht der Massendifferenz m und kann nach E = m c 2 berechnet werden. 14

15 Gewinnung radioaktiver Nuklide, künstliche Elementumwandlungen Erste künstliche Kernumwandlung (E. Rutherford, 1919): N + 2He 1H O 7 N(α, p) O + Q Q=-1,2 MeV Erste Kernreaktion, die zur Bildung eines künstlich radioaktiven Nuklids führte (F.Joliot und I.Curie): Al(α, n) P + Q 30 + P Si + ß + 14 Q=-2,69 MeV v e Kernumwandlungen unter dem Beschuss mit Heliumkernen α,p-prozeß N + 2He 8O+ α,n-prozeß Be+ 2He 0n H C 15

16 Kernspaltung Entstehen bei Kernreaktionen mit schweren Kernen neben einer bestimmten Anzahl von Neutronen auch noch zwei radioaktive Kerne mittelgroßer Masse, dann hat eine Kernspaltung stattgefunden (Hahn und Strassmann) [ U ] X + Y + n Wärme 1 U + n Bei gesteuerten Kernreaktionen muß der Neutronen- Reproduktionsfaktor nahe 1 gehalten werden (Gewinnung elektrischer Energie). Anwendungen Stromerzeugung Energiegewinnung an schlecht zugänglichen Orten Konservierung von Nahrungsmitteln Analytik (Isotopenmarkierung) Diagnostik Onkologische Therapie Altersbestimmung von organischem Material N + 0p 6C H 16

17 Anwendungen (II) Gewinnung von Nukliden für pharmazeutische Anwendungen Kernreaktor Zyklotron Nuklidreaktor 17

18 Nuklidgenerator 99 Mo 99m Tc + β +γ t 1/2 = 67 h t 1/2 = 6 h Emrich D: Nuklearmedizin; Funktionsdiagnostik, Thieme 1971 Nuklidgenerator: Aktivitätsverlauf Emrich D: Nuklearmedizin; Funktionsdiagnostik, Thieme

19 Biologische Effekte der radioaktiven Strahlung Bildung freier Radikale DNA-Schäden Zelltod Funktionsstörungen Mutationen Biologische Effekte der radioaktiven Strahlung (II) Absorbierte Energiedosis D: D= E/m Einheit Gray (Gy) [J/kg], früher rad 1 Gy= 100 rad Äquivalentdosis H: H=D*Q Q=Qualitätsfaktor Einheit Sievert (Sv) [J/kg], früher rem 1 Sv = 100 rem Q für α-strahlung 20, für β, γ, und Röntgen-Strahlen 1 Natürliche Strahlenbelastung 2-5 msv/a mehr als 7,5 Sv sind tödlich 19

20 Aufgaben 20. Ordnen sie den in Liste 1 aufgeführten Elementarteilchen die jeweils entsprechenden Masse aus Liste 2 zu. Elektron Proton Neutron (A) 1, g (B) 6, g (C) 1, g (D) 1, g (E) 0, g 20

21 18: 4 2+ Die Masse des Heliumskerns 2 He ist kleiner als die Summe der Massen von zwei Protonen und zwei Neutronen weil ein Heliumatom außer den Elementarteilchen des Kerns noch zwei Elektronen enthält. Fragentyp: Kausale Verknüpfung Antwort Aussage 1 Aussage 2 Verknüpfung A richtig richtig richtig B richtig richtig falsch C richtig falsch D falsch richtig E falsch falsch 60: Beim β Zerfall eines Kerns nimmt die Ordnungszahl um 1 ab weil beim β Zerfall ein Proton in ein Neutron und ein Elektron übergeht, dass emittiert wird. Fragentyp: Kausale Verknüpfung Antwort Aussage 1 Aussage 2 Verknüpfung A richtig richtig richtig B richtig richtig falsch C richtig falsch D falsch richtig E falsch falsch 21

22 36: Welche der folgenden Aussagen über Isotope treffen zu? (1) Isotope Atome desselben Elements unterscheiden sich in der Zahl der Elektronen. (2) Isotope eines Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen. (3) Isotopeneffekte treten nur bei Isotopen mit hohen Massenzahlen auf. (4) Isotope sind stets radioaktiv. A. nur 2 ist richtig B. nur 1 und 2 sind richtig C. nur 3 und 4 sind richtig D. nur 2, 3 und 4 sind richtig E. 1-4 = alle sind richtig 40: Welches der folgenden Nuclide ist nicht radioaktiv? (A) (B) (C) (D) (E) U K 14 6C 3 1H C

23 52: Welche der folgenden Strahlen können in Luft keine Ionen erzeugen? (A) α-strahlung (B) β-strahlung (C) γ-strahlung (D) Infrarot-Strahlung (E) Röntgenstrahlung Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls wird durch folgende Gleichung dargestellt: N=N 0. e -λt N=N 0. e +λt N=(N 0 N = N 0 ) -1. e λt e -λt (A) nur 1 ist richtig; (B) 2 und 3 sind richtig; (C) 1, 4 und 6 sind richtig; (D) nur 5 ist richtig; (E) 4 und 5 sind richtig; N = ln(-λt) N 0 N ln = -λt N 0 23

24 36: Welche der folgenden Aussagen treffen zu? Beim Einsatz radioaktiver Tracer für pharmakokinetische Untersuchungen muss man beachten, dass die Zerfallskonstante (1) von der Wertigkeit der chemischen Bindung abhängt. (2) umgekehrt proportional zur Temperatur ist. (3) nicht von der Zeit abhängt. (A) nur 1 ist richtig (B) nur 2 ist richtig (C) nur 3 ist richtig (D) nur 1 und 3 sind richtig (E) nur 2 und 3 sind richtig 24