Physik1.231Aktualisiert 9. Okt. 20264 Seiten

Kernphysik Abitur: Formeln & Zusammenfassung zu Nukliden und Strahlung

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Der winzige Atomkern macht fast die gesamte Masse eines Atoms aus und birgt gigantische Kräfte, die unsere Welt im Innersten zusammenhalten. Dieses Material erklärt, wie Atomkerne aufgebaut sind, warum manche von ihnen instabil sind und wie sie unter Abstrahlung von Energie zerfallen. Du erfährst, wie diese unsichtbare Radioaktivität gemessen wird, wie man ihren zeitlichen Verlauf berechnet und was es mit dem mysteriösen Massendefekt auf sich hat.
Kernphysik & Formelherleitungen Abitur Zusammenfassung – Seite 1

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Grundlagen der Kernphysik

Atomaufbau und Nuklide

Der Atomkern ist extrem dicht und besteht aus positiv geladenen Protonen (ZZ) und neutralen Neutronen (NN), zusammen genannt Nukleonen.

  • Massenzahl AA: Ergibt sich aus der Summe von Protonen und Neutronen (A=Z+NA = Z + N).
  • Isotope: Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl.
  • Kernkraft: Hält die Nukleonen trotz der abstoßenden Coulomb-Kräfte auf engstem Raum zusammen.

Kernumwandlung

Instabile Atomkerne wandeln sich unter Abgabe von energiereicher Strahlung spontan um.

  • Radioaktivität: Spontane (natürliche) oder künstlich herbeigeführte Kernumwandlung, bei der sich der Stoff ändert.

💡 Tipp: Bei jeder Kernumwandlung gelten die Erhaltungssätze für Energie, Impuls und Ladung.

Kernphysik & Formelherleitungen Abitur Zusammenfassung – Seite 2

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Strahlungsarten und Nachweis

Nachweisgeräte

Der Nachweis von Kernstrahlung erfolgt über Ionisationseffekte in Detektoren.

  • Geiger-Müller-Zählrohr: Strahlung ionisiert ein Gas, erzeugt eine Elektronenlawine und löst einen messbaren Stromstoß aus.
  • Totzeit: Kurze Zeitspanne (10−4 s10^{-4}\text{ s}), in der das Zählrohr nach einem Impuls unempfindlich ist.

Strahlungsarten und Abschirmung

  • α\alpha-Strahlung: Heliumkerne (24α_{2}^{4}\alpha); leicht abschirmbar durch Papier.
  • β\beta-Strahlung: Elektronen (−10e_{-1}^{0}e) oder Positronen (+10e_{+1}^{0}e); benötigt dünnes Metall zur Abschirmung.
  • γ\gamma-Strahlung: Hochenergetische elektromagnetische Wellen; extrem durchdringend, benötigt dickes Blei.

💡 Tipp: Die Intensität aller Strahlungsarten nimmt exponentiell mit der Entfernung ab.

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Das Zerfallsgesetz

Exponentieller Zerfall

Instabile Kerne zerfallen rein zufällig, wobei die Menge pro Zeitintervall prozentual gleichmäßig abnimmt.

  • Halbwertszeit T1/2T_{1/2}: Zeitspanne, in der sich die Anzahl der instabilen Kerne halbiert.
  • Zerfallsgesetz: N(t)=N0⋅e−λ⋅tN(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda \cdot t} (oder analog mit der Masse m(t)m(t)).
  • Aktivität AA: Zerfälle pro Sekunde in Becquerel (1 Bq=1 s−11\text{ Bq} = 1\text{ s}^{-1}), berechnet über A(t)=A0⋅e−λtA(t) = A_0 \cdot e^{-\lambda t}.

Beispiel: Berechnung der Halbwertszeit aus der Zerfallskonstanten λ\lambda: T1/2=ln⁡2λT_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}

💡 Tipp: Merk dir den Unterschied: N(t)N(t) ist die Anzahl der noch vorhandenen Kerne, nicht der bereits zerfallenen.

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Bindungsenergie und Massendefekt

Der Massendefekt

Ein zusammengesetzter Atomkern ist überraschenderweise immer leichter als die Summe seiner einzelnen Nukleonen.

  • Massendefekt Δm\Delta m: Die verschollene Masse, die beim Zusammenfügen des Kerns als Energie frei wird.
  • Kernbindungsenergie EBE_B: Entspricht dem Massendefekt nach Einsteins Formel EB=Δm⋅c2E_B = \Delta m \cdot c^2.

Beispiel: Berechnung des Massendefekts Δm\Delta m für einen Kern (mkm_k) aus Protonen (mpm_p) und Neutronen (mnm_n): Δm=(Z⋅mp+N⋅mn)−mk\Delta m = (Z \cdot m_p + N \cdot m_n) - m_k

💡 Tipp: Je höher die Bindungsenergie pro Nukleon ist, desto stabiler ist der jeweilige Atomkern.

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