Atom- und Kernphysik

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Atommodell Jedes Atom hat eine gleichmäßige Masseverteilung, so wie eine Kugel ohne Löcher, die elektrisch positivgeladen ist. Sehr kleine, elektrisch negativ geladene, Elektronen sind im Inneren der Atome eingebettet. Das Atom ist nichtmehr das kleinste Teilchen. In einem Atom gibt es keine Zwischen- oder Hohlräume. Rutherford führte im Jahr 1911 Streuversuche (Radiumexperimente) mit Alphateilchen an Goldfolie durch. Weil fast alle Alphateilchen unabgelenkt durch die Folie hindurchgingen, konnte man nichtmehr von einer kontinuierlichen, gleichmäßigen Masseverteilung ausgehen. Da es nur an vereinzelt auftretenden, kleinen Stellen zur Reflexion der Alphateilchen kam, konnte der Massebereich eines Atoms nur sehr klein sein, was Rutherford selbst sehr erstaunte. Jedes Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle dazwischen gibt es große leere Raumbereiche, also viel Nichts ein Kern ist sehr klein Größenverhältnis von Kern zu Hülle beträgt ca.1 zu 3000 im Kern ist fast die gesamte Massevorhanden im Kern ist genauso viel positive Ladung, wie in der Hülle negative Ladung von den Elektronen getragen wird, d.h. ein Atomist nach außen hin elektrisch neutral die räumliche Verteilung der Elektronen ist unbekannt Bohrsche Atommodell: in der Atomhülle können sich Elektronen nur auf bestimmten Bahnen bewegen Bohrsches Postulat: auf diesen Elektronen bahnen strahlen sie keine Energie ab Für das Volumenverhältnis VAtom:VKern≈10¹2, d. h. ein Kern ist etwa ein billionstel so groß, wie sein Atom. Heutige quantenphysikalische Atommodell: Alle Atome eines Elements sind identisch, also ununterscheidbar, daher muss bei der Betrachtung ihrer Vielteilchensysteme eine stochastische Behandlung durch Kombinationen, also Mengen von Teilchen, vorgenommen werden, z. B. beim ,,Abzählen" von Atomen. Es ist notwendig, neue Untersuchungsmethoden zu entwickeln und anzuwenden, weil einzelne Atome nicht identifizierbar aber als Kollektiv erkennbar sind, insbesondere weil sie Teilchen- und Welleneigenschaften zeigen, sowie die Bausteine aller Stoffe und Körper sind. Daher wird teilweise eine Abkehr von der klassischen Physik, die Weiterentwicklung der Quantentheorie in der Atomphysik und damit die Entwicklung neuer Atommodelle vorgenommen Ein Atom besteht aus einem Kern und Orbitalen, in denen sich Elektronen befinden. Standardmodell der Teilchenpysik: 6 Arten Quarks 6 Arten Leptonen 12Arten Austauschteilchen für die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung, mittels derer je zwei der vorstehend genannten Teilchen aufeinander einwirken Das Higgs-Boson Wichtige Elementarteilchen und ihre Eigenschaften: Boson-Wechselwirkungsteilchen Fermion=Materieteilchen Lepton=Ladungsteilchen Baryon Kernfermion Hadron Kernunterteilchen Größenordnung der Ladungsmenge 1 Coulomb: 1C-1A-1s~6,24-10¹8.e Durchmesse, Masse, Ladung: -10 Atom (-Hülle): 0,1 nm (107 → Längeneinheit: 10-¹⁰ m = Atom-Kern: 10-¹4 m = 10 fm → Längeneinheit: 10-¹5 m = 1 fm = 1 Femtometer = 1 Fermi. m) bis 0,5 nm (0,5-10 m) 1 Å= 1 Angström. Neutron (Nukleon, Fermion, Hadron, Baryon): 1,7-10-¹5 m, 1,67-10-27kg, keine elektrische Ladung. Proton (Nukleon, Fermion, Hadron, Baryon): 1,7-10-¹5m, 1,67-10-27kg, +1,6-10-¹°C (eine positive Elementarladung). Elektron (,,Negatron", Elementarteilchen, Fermion, Lepton): theoretisch: als punktförmig angenommen, experimentelle Obergrenze = 10-¹9, 'm, klassisch gerechnet: 5,6-10-¹5m, 9,1-10-3¹ kg, -1,6-10-C (eine negative Elementarladung). Atome und Elemente: Alle Atome bestehen aus einem kern und einer Hülle, aber sie unterscheiden sich in einigen Details. Der Begriff Element ist eine Sammelbezeichnung für alle Nuklide mit derselben Kernladungszahl. Periodensystem der Elemente: Eine Übersicht darüber, welche Atome, Isotope, Elemente und Stoffe es gibt, bietet das Periodensystem der Elemente. Die Masse eines Atoms wird in der sogenannten atomaren Masseneinheit u angegeben. Sie ist eine Maßeinheit der Masse, die eingeführt wurde, um besser mit den kleinen Massewerten umgehen zu können. Die atomare Masseneinheit wurde festgelegt auf 1/12 der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops C-12. Es gilt: 1u≈1,660.539.04-10-27 kg Atome und Energie: Die Masse eines Atoms entspricht etwa dem Produkt aus der Massenzahl und der atomaren Masseneinheit u, z. B. hat ein Atom des leichtesten Wasserstoffisotops eine Masse von 1,007825. u und das schwerste stabile Nuklid, das Bleiisotop Pb-208, hat eine Masse von207,9766521. u. Die Atommasse eines Atoms entspricht nicht genau dem Vielfachen der Masse seiner Kernbausteine und Elektronen, u. a. weil: -Protonen und Neutronen nicht exakt gleich schwer sind -die Bindungsenergie zwischen den Kernteilchen einen sogenannten Massendefekt verursacht, sodass die tatsächliche Kernmasse stets minimal kleiner ist als die Summe der Massen der Protonen und Neutronen. Erklärung des Massendefekts Einsteins berühmte Formel E=m-c² drückt die sogenannte Masse-Energie-Äquivalenzaus, wonach Masse eine spezielle Energieform und die (Ruhe-) Energie zur Masseproportional ist. Energieaustausch mit Atomen: Wenn in einem Atomkern Bindungen zwischen den Nukliden aufgebrochen (Kernspaltung) oder erweitert (Kernfusion) werden, dann wird ein Teil der Bindungsenergie in Form von Strahlung frei. Dabei können sowohl Energie als auch Teilchen als Strahlung ausgesendet (emittiert) werden. Für die Umrechnungen zwischen Elektronenvolt und Joule gilt: 1 eV 1,602.176.620.9 10-19 J≈ 0,1602 10-18 J≈ 0,1602 aJ (Atto-Joule). Umwandlungsprozesse und Radioaktivität: Weil jeder Atomkern gegen die abstoßend wirkende elektrische Kraft zwischen den gleichgeladenen Protonen aufgrund der Kernkräfte zusammengehalten wird, kann ein Teil der in diesem Zustand gespeicherten Kernenergie freigesetzt werden, wenn es zu Veränderungen eines Kerns kommt. Die Radioaktivität ist die Eigenschaft von instabilen Atomkernen, sich spontan und zufällig von selbst, also ohne äußere Einwirkung zu teilen, in andere Atomkerne, um zu wandeln oder ihren energetischen Zustand zu ändern. Die bei einem derartigen Umwandlungsprozess, der als radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall bezeichnet wird, freiwerdende (Bindungs-) Energie wird von der radioaktiven (strahlenden) Substanz (Radionuklid) als sogenannte ionisierende Strahlung (Energie) ausgesendet. Die Umwandlung eines (radioaktiven) Atomkerns wird als Zerfall bezeichnet. Wenn ein radioaktiver Atomkern zerfällt, dann emittiert er Strahlung. Es gibt drei wichtige Strahlungsarten: ● a -Teilchen = 2 Protonen und 2 Neutronen = Heliumkern (zweifach positiv geladen), • B-Teilchen = Elektron (einfach negativ geladen) oder Positron (einfach positiv geladen), ● y-Strahlung = Röntgen- oder Gammastrahlen (nicht elektrisch geladen) als Photon (,,Lichtteilchen"), also Energie. Elemente und Radioaktivität: 80 stabile Elemente, die in der Natur vorkommen, alle anderen sind radioaktive Elemente. Von den radioaktiven Elementen sind nur Bismut, Thorium und Uran in größeren Mengen in der Natur vorhanden, da diese Elemente Halbwertszeiten in der Größenordnung des Alters der Erde oder länger haben. Elemente mit Ordnungszahlen über 94 können nur künstlich hergestellt werden. Atomkernaufbau und Zerfallstypen: Ob ein Atomkern radioaktiv ist, hängt u. a. davon ab, aus wie vielen Protonen und Neutronen er aufgebaut ist. Beschreibung von Zerfällen: Die verschiedenen Zerfallsmöglichkeiten bezeichnet man als Zerfallskanäle. Welche Umwandlungen wie ablaufen, kann man einer Nuklidkarte entnehmen, in der auch eine Übersicht über alle stabilen und instabilen Nuklide einschließlich ihrer beobachteten Zerfallsarten und Halbwertszeiten dargestellt ist. Reaktionsgleichung und Zerfallswege: Jeden einzelnen Zerfall kann man in einer Reaktionsgleichung formulieren und mit Hilfe von einer Nuklidkarte für das zerfallende Nuklid den Zerfallsweg, den Verlauf und das Endprodukt eines Zerfalls als sogenannte Zerfallskette beschreibe. Ein Zwischenprodukt ist ein Nuklid, das nach einem Zerfall entstanden aber selbst instabil ist und daher ebenfalls zerfällt, so für einen oder mehrere Anschlusszerfälle sorgt und damit die Zerfallskette in Gang hält.