Der Zweiteiler "Uran - Das unheimliche Element" beleuchtet die Karriere des chemischen Elements Uran. Der Youtuber und Physiker Derek Muller ist dabei auf seiner Suche nach Antworten zu einem der gefährlichsten Stoffe der Welt. Gleichzeitig werden grundlegende Zusammenhänge bzgl. Atomkernen und Radioaktivität erläutert und anschaulich dargestellt.
Die Zusammensetzung von Atomen und die dazugehörige Symbolschreibweise soll mit der folgenden Simulation und den Aufgaben verstanden werden.
Öffne die Simulation Bau ein Atom – PhET und starte dort die mittlere: "Symbol". Lege das Periodensystem und eine Nuklidkarte bereit (Z.B: Buch S. 248 & 250).
Probiere ein wenig darin herum. Du kannst Protonen oder Neutronen in den Kern oder Elektronen in die Hülle ziehen. Ebenso kannst du sie wieder herausziehen oder mit dem orangenen Kreispfeil wieder alles auf 0 setzen. Rechts wird dir das gebaute Atom als Symbol angezeigt.
Aufgabe 1
In der Simulation wird jeweils das Symbol und daran oben rechts zusätzlich die elektrische Ladungszahl angezeigt.
Ziehe einige Protonen, Neutronen und Elektronen in das Atom und achte darauf, was sich jeweils am Symbol verändert.
a) Wodurch wird das Element bestimmt?
b) Was gibt jeweils die Ordnungszahl und die Massenzahl an?
c) Wodurch kann die Ladungszahl auf 0, +1 und -1 gebracht werden?
Aufgabe 2
Baue ein Atom mit 10 Protonen, 10 Neutronen und 9 Elektronen.
a) Welches Element ergibt das?
b) Beschreibe, wie du anhand der Teilchen-Anzahlen und dem Periodensystem das Element bestimmen kannst.
c) Ist es elektrisch positiv, negativ oder neutral geladen? Wie kann man das schon an den Teilchen-Anzahlen erkennen?
a) Wie groß ist die Anzahl der Neutronen und wie berechnet man diese Anzahl am Symbol?
b) Wie viele Elektronen hat das Atom und wie berechnet man deren Anzahl?
c) Gib ein Atom mit gleicher Ordnungszahl, aber einer um 1 höheren Massenzahl an.
d) Gib ein Atom mit gleicher Massenzahl, aber einer um 1 höheren Ordnungszahl an.
Aufgabe 4
Ergänze die Tabelle. Die Atome sollen jeweils elektrisch neutral (Ladungszahl = 0) sein.
Aufgabe 5
Ab jetzt unterscheiden wir zwischen Atom und Nuklid. Nuklid bezeichnet nur den Aufbau des Atomkerns. Die Elektronen in der Hülle sind dafür unwichtig.
Gib für die folgenden Nuklide jeweils an, wie viele Protonen und Neutronen sie enthalten. Gib dann auch an, um welches Element es sich jeweils handelt.
Aufgabe 6
Wasserstoff kommt in drei Nukliden vor. Mit Deuterium und Tritium versucht man Fusionsreaktoren zu bauen, die eine sichere Atomenergie-Quelle wären. Gib jeweils die Symbol-schreibweise an.
Ein weiterer Begriff zur Beschreibung von Atomen und Kernen ist „Isotop“. Die drei Nuklide des Wasserstoffs unterschieden sich nicht im Element, sondern nur in der Neutronen-Anzahl. Es sind drei Isotope des Elements Wasserstoff.
Aktiviere unten rechts den Haken bei „Zeige Stabil / Instabil“. Füge dann mehrere Neutronen hinzu. Nimm danach viele Neutronen weg. Du hast damit verschiedene Isotope von Sauerstoff gebaut.
a) Für welche Massezahlen sind die Isotope stabil?
b) Woran erkennt man das in der Nuklidkarte?
Aufgabe 8
Hier ist ein Ausschnitt der Nuklidkarte abgebildet:
a) Gib die Elemente an, die dort angeführt sind.
b) Gib die Nuklid-Symbolschreibweise für folgende Isotope an: O-16, N-14, N-15, C-12 und B-11.
Aufgabe 9
Stabile Isotope sind in der Nuklidkarte (z.B. auf S. 250) schwarz gefärbt.
a) Wie findet man in der Nuklidkarte die stabilen Isotope von Magnesium (Mg)?
b) Wo steht dort die Protonen-Anzahl (Ordnungszahl) von Magnesium?
c) Wie viele Neutronen haben die Isotope Mg-24, Mg-25 und Mg-26?
Abschlussaufgabe
Beschreibe ausführlich, wie die Begriffe Atom, Nuklid und Isotop zusammenhängen.
Wiederholungen aus Kl. 9
Entwicklung der Atommodelle
Atomhülle und -kern
Nach dem Modell von Rutherford besteht ein Atom aus einer Hülle und einem Kern. In der fast leeren Hülle befinden sich die negativen Ladungen (leichte Elektronen) und im winzigen Kern positive Ladungen (schwere Protonen) und neutrale Teilchen (schwere Neutronen). Die Kernkraft hält die Protonen und Neutronen im Kern zusammen.
Zur Vostellung der Größe
Eine Million Atome ergeben aneinandergereiht ca. 0,1 mm.
Der Kern macht weniger als 0,00001% der Größe aus. In ihm befindet sich aber über 99,9% der Masse.
Atom, Nuklid, Isotop
Atom
Die Gesamtheit der Teilchen: Elektronen in der Hülle und Protonen und Neutronen im Kern. Die elektrische Ladung eines Atoms ergibt sich aus: Anzahl Protonen Minus Anzahl Elektronen.
Z.B. 3 Protonen - 4 Elektronen = -1
Nuklid = Atomkern
Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt das Element (und damit die chemischen Eigenschaften). Die Neutronen tragen zur Masse und Stabilität des Atoms bei. Zu wenige oder zu viele Neutronen können zu radioaktiver Strahlung durch Kernzerfall führen.
Ein Nuklid kann leicht mit der Symbolschreibweise angegeben werden: \(^{\textnormal{A}}_{\textnormal{Z}}\)X
Isotop
Atomkerne eines gleichen Elements können unterschiedlich viele Neutronen haben. Man nennt sie dann Isotope des Elements. In der Nuklidkarte sind alle möglichen Nuklide aufgeführt. Links steht das jeweilige Element und in der Zeile befinden sich alle Isotope. Die Protonen-Anzahl wird nach oben erhöht und die Neutronen-Anzahl nach links. (Die schwarzen sind stabil und die farbigen zerfallen.)
Beispiel: B-11 ist ein stabiles Bor-Isotop mit 5 Protonen und 6 Neutronen. B-12 ist instabil mit 5 Protonen und 7 Neutronen.
Beispiel: Kohlenstoff
6 Protonen (zu sehen an der Ordnungszahl 6)
Element Kohlenstoff (aufgrund der 6 Protonen)
7 Neutronen (Massenzahl Minus Ordnungszahl)
6 Elektronen (wie Protonen-Anzahl, sofern elektrisch neutral)
Geschrieben als Kohlenstoff-Isotop: C-13
Periodensystem
Nuklidkarte
Ionisierende Strahlung
Es gibt unsichtbare Strahlung, die Atome ionisieren kann. Das heißt, es werden Elektronen aus der Hülle entfernt oder welche hinzugefügt, so dass das Atom nicht mehr elektrisch neutral ist. Dadurch wird z.B. Luft elektrisch leitend. Für Lebewesen ist das gefährlich, weil Zellen (z.B. DNA) dadurch beschädigt werden.
Video: Elektroskop
Es werden drei verschiedene Arten der Strahlung unterschieden: α, β und γ
Bild: Nebelkammer
Alpha-Strahlung: Kurze, dicke Nebelspuren
Beta-Strahlung: Lange, dünne Nebelspuren
Gamma-Strahlung: Kaum sichtbar. Manchmal kleine Schnörkel
Video: Nebelkammer
Strahlung durch Materie
Würfelexperiment
Mithilfe des Arbeitsblattes und eines Würfels wird das unterschiedliche Durchdringungsvermögen der Strahlungsarten untersucht. Auf dem Arbeitsblatt ist für jede Strahlungsart Kasten mit mehreren Zeilen und grauen Balken zu sehen. Die grauen Balken stellen Materieschichten dar (z.B. Papierblätter). Jede Zeile steht für ein Teilchen der Strahlung, dass diese Schichten zu durchdringen versucht. Es sind 24 Teilchen für jede Strahlungsart.
Würfel für jedes Teilchen und entscheide anhand der folgenden Darstellung, ob es eine Schicht durchdringt bzw. wie viel Energie es dabei verbraucht. Ein Teilchen, dass keine Energie mehr hat, verschwindet. Gamma-Strahlung kann nur existieren oder nicht, ohne andere Energien zu haben.
Die erste Zeile ist für jede Strahlungsart schon ausgefüllt. Beim ersten Alpha-Teilchen wurde zuerst eine 1 gewürfelt. Damit hat es 20 Energie verloren und damit noch 80. Danach wurde eine 3 gewürfelt. Damit hat es 60 Energie verloren und damit noch 20. Dann wurde eine 2 gewürfelt. Es verschwindet nun, da es keine Energie mehr hat.
Pro Strahlungsart: Zähle für jede Schicht, wie viele Teilchen noch da sind (0 zählt nicht mehr). Vor der ersten sind es 24. Nach der ersten sind es noch ... Nach der zweiten sind es noch ... usw.
Pro Strahlungsart: Zählt für jede Schicht alle Teilchen-Anzahlen der Klasse zusammen und notiert es an der Tafel (z.B. Klassensprecher*in). Damit werden die Zahlen weniger zufällig und die Regelmäßigkeit wird deutlicher.
Wieder jeder alleine: Trage die Teilchen-Anzahlen der Klasse für die drei Strahlungsarten in ein gemeinsames Diagramm. Auf der x-Achse sind die Schichten 0 bis 7 und auf der y-Achse die Anzahlen 0 bis 24. Verbinde die Anzahlen einer Strahlungsart jeweils mit einer Linie, damit der Verlauf besser sichtbar ist.
Schätze für Alpha- und für Beta-Strahlung ab, wie viele Schichten man jeweils für einen Strahlenschutz braucht.
Beschreibe mit eigenen Worten möglichst ausführlich das unterschiedliche Durchdringungsvermögen der drei Strahlungsarten.
Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Ladungen und Massen lassen sich die Strahlungsarten mithilfe eines Magnetfeldes voneinander unterscheiden.
Halbwertszeit
Die Zeit, in der eine radioaktive Menge bis zur Hälfte ihres Anfangswertes zerfallen ist, nennt sich Halbwertszeit. Sie ist stoffabhängig und wiederholt sich. In der selben Zeit ist dann noch ein Viertel, ein Achtel, ... vorhanden.
Zerfall von Cäsium-137 und Barium-137
In einer kleinen Flasche befindet sich angesäuerte Kochsalzlösung. Aus dieser Flasche werden 2-3 ml Lösung in eine Spritze aufgezogen (linkes Bild) und dann durch den Cs-137-Isotopengenerator (mittleres Bild) in ein darunter befindliches Reagenzglas gepresst.
Die Löslichkeit von Barium und Cäsium in einer sauren Lösung ist höchst unterschiedlich: Barium löst sich sehr gut, während Caesium nahezu unlöslich ist. Daher befindet sich in der Eluationslösung nur gelöstes Barium, kein Cäsium.
Unter dem Reagenzglas ist ein GM-Zählrohr (rechtes Bild) angebracht, das an ein Zählgerät angeschlossen ist. Man erhält nach Abzug der Nullrate die dargestellten Messwerte.
t in s
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
Zählrate
92
72
55
45
33
26
22
19
13
12
8
8
6
5
Aufgaben:
a) Stelle die Messwerte in einem geeigneten Diagramm dar.
b) Ermittle einen Durchschnittswert für die Halbwertszeit T1/2 von Ba-137.
c) Ermittle eine mathematische Beschreibung der Zählrate in Abhängigkeit der Messzeit (z.B. mit dem GTR).
d) (freiwillig) Berechne anhand der Lösung aus c) die Halbwertszeit.
Zerfallsgesetz
Halbierung mit jedem Zeitschritt: N(t) = (1/2)t
Halbierung eines Anfangsbestandes N0 mit jedem Zeitschritt: N(t) = N0 ∙ (1/2)t
Halbierung eines Anfangsbestandes N0 mit jeder Halbwertszeit T: N(t) = N0 ∙ (1/2)t / T
(Die folgende Umwandlung zur Basis e müssen nur eA-Kurs können:)
Basiswechsel zur Basis e: N(t) = N0 ∙ eln(1/2) ∙ t / T
Frage: Wie hängt die Strahlenbelastung mit dem Abstand zur Quelle zusammen?
Untersuche mit einem Geiger-Müller-Zählrohr die Aktivität einer Quelle für drei verschiedene Abstände (10 cm, 20 cm, 30 cm). Miss jeweils 4 Minuten lang.
Von den Werten muss dann die Strahlung der Umgebung (die „Nullrate“) abgezogen werden. Sie muss dafür ebenfalls gemessen werden.
Stelle die Messwerte anschließend im GTR in einem Diagramm dar und ermittle die Funktion zum Verlauf mittels PwrReg.
Begründe den Wert des Exponenten b mithilfe der Abbildung.
Beobachtung: Der Gesamtbestand bleibt trotz Zerfällen noch eine kurze Weile erhalten.
Rn-223 -> Fr-223
Halbwertszeiten: 23,2 Min. -> 21,8 Min.
Beobachtung: Gesamtbestand und Gesamtaktivität verlaufen in etwa proportional zueinander.
Hg-208 -> Ti-208
Halbwertszeiten: 41 Min. -> 3,053 Min.
Beobachtung: Die Gesamtaktivität steigt kurz nach Beginn stark an.
Zusammenfassung
Wenn die Halbwertszeit der Tochter etwa gleich mit der der Mutter ist, verläuft der Bestand und die Aktivität etwa proportional zueinander. Denn wenn beide Nuklide gleichmäßig abnehmen, dann nimmt auch der Bestand und die Aktivität gleichmäßig ab. Es ist eine Proportionalität zu beobachten.
Wenn die Halbwertszeit der Tochter größer als der der Mutter ist, bleibt trotz Zerfälle der Gesamtbestand noch eine kurze Weile erhalten. Denn wenn das Tochternuklid eine wesentlich höhere Halbwertszeit hat, zerfällt das Mutternuklid schneller als das Tochternuklid, weswegen (und durch die lange Halbwertszeit) sich der Bestand von Mutter- zu Tochternuklid „verschiebt“ – Das Tochternuklid zerfällt langsam, es bleibt lange ein hoher Bestand erhalten.
Wenn die Halbwertszeit der Tochter kleiner als der der Mutter ist, steigt der Gesamtaktivität kurz nach Beginn stark an. Denn da das Tochternuklid mit wenig Verzögerung nach dem Mutternuklid zerfällt, gibt es mehr Zerfälle in Kürzerer Zeit, weswegen die Aktivität zu Beginn stark ansteigt.
Halbleiterdetektor
- Halbleiter (Silizium oder Germanium) zwischen zwei Elektroden.
- Radioaktive Strahlung kann Atome ionisieren. Es entstehen Elektron-Loch-Paare.
- Durch anliegende Spannung fließen die Elektronen ab und werden die Löcher wieder aufgefüllt. Es entsteht ein Stromstoß.
- Der gemessene Strom ist proportional zur Energie der ionisierenden Strahlung.
Bremsvermögen und Bragg-Kurve
- Elektrisch geladene Teilchen verlieren beim Durchgang durch Materie kinetische Energie.
- Das Bremsvermögen (Stopping Power) eines Materials ist die kinetische Energie, die ein Teilchen pro Weglängeneinheit verliert (z.B. in MeV/cm).
- Es hängt ab von der Teilchenart, der -energie sowie Art und Dichte des Materials.
- Der Energieverlust steigt pro zurückgelegter Strecke an.
- Kurz vor Ende des Weges besitzt der Energieverlust ein Maximum (Bragg-Peak) und fällt dann abrupt ab.
(nur eA) Anwendung: Strahlentherapie
Bei der Strahlentherapie werden Krebszellen mithilfe ionisierender Strahlung zerstört. Sie schädigt die DNA der Zellen, sodass die Zellteilung aufhört und die Zellen aussterben. Die Tumore werden kleiner oder verschwinden sogar.
Die Bragg-Kurve zeigt, dass bei geeigneter Energie der ausgesandten Strahlung ihre maximale Energieabgabe in einer bestimmten Körpertiefe abgegeben stattfindet.
(nur eA) Potentialtopf
Warum Kerne zusammenhalten
Das Zusammenspiel von abstoßender Coulomkraft (aufgrund der gleichen Ladungen) und Kernkraft (Kernteilchen ziehen sich an) führt zu einem Aufenthaltsort der Kernteilchen, in dem sie nicht einandernfallen und nicht auseinanderfliegen. Durch diesen Ort ist die Größe des Kerns vorgegeben.
Protonentopf
Neutronentopf
Beide zusammen
Strahlungsarten am Potentialtopf
stabil: Beide Töpfe sind bis zum gleichen Niveau gefüllt.
instabil: Es gibt ein freies, niedrigeres Niveau auf einer Seite.
angeregt: Ein Proton oder Neutron ist auf seiner Seite auf einem höheren Niveau.
Gammastrahlung
In einem angeregten Atomkern wird beim Übergang in den Grundzustand ein Photon emittiert. Dies ist die γ-Stahlung. (Wie beim Potentialtopf der Atomhülle.) Dies kann sowohl im Neutronen- als auch im Protonentopf geschehen.
Wenn sich in einem instabilen Kern ein Neutron in ein Proton umwandelt, wird ein Elektron abgestrahlt. Dies ist die β--Strahlung. Umgekehrt würde ein Positron abgestrahlt werden, was dann der β+-Strahlung entspricht.
Wenn sich sehr viele Kernteilchen in einem Kern befinden, kann es passieren, dass sich die äußeren von ihm lösen. Dabei werden die zwei Protonen und die zwei Neutronen auf dem höchsten Niveau abgestrahlt. Dies ist die &alpha-Strahlung, die damit einem Heliumkern entspricht. Fürs Herauslösen wird Energie benötigt, da die Teilchen im Topf weiter nach oben müssen. Durch den Tunneleffekt (Quanten haben einen unscharfen Aufenthaltsort und können dadurch den Coulombwall durchdringen) wird allerdings weniger Energie benötigt.
