Atom- & Kernphysik Flashcards
Aufbau der Atomhülle
Aufbau der Atomhülle:
Elektronen schwirren in Orbitalen in der Hülle um den Atomkern
Orbital: Bereich, in dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons sehr groß ist
s-Orbitale: kugelförmig
p-Orbitale: hantelförmig
d-Orbitale: doppel-hantelförmig
f-Orbitale: rosettenförmig
Orbital
Orbital: Bereich, in dem die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons sehr groß ist
s-Orbitale: kugelförmig
p-Orbitale: hantelförmig
d-Orbitale: doppel-hantelförmig
f-Orbitale: rosettenförmig
s-Orbitale
s-Orbitale: kugelförmig
p-Orbitale
p-Orbitale: hantelförmig
d-Orbitale
d-Orbitale: doppel-hantelförmig
f-Orbitale
f-Orbitale: rosettenförmig
Aufbau des Atomkerns
Aufbau des Atomkerns:
- besteht aus Protonen & Neutronen (immer so viele Protonen im Kern wie Elektronen in der Hülle)
- Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks mit verschiedenen Geschmäckern & Farben (nur für Benennung)
Isotope
Isotope: Atomkerne mit gleich vielen Protonen aber verschieden vielen Neutronen
Nummer im Periodensystem
Nummer im Periodensystem: Anzahl der Protonen
Rutherford‘scher Streuversuch
Rutherford‘scher Streuversuch:
er schoss alpha-Teilchen auf dünn ausgewalzte Goldfolie und untersuchte ihr Verhalten nach dem Aufprall (durchschnittliche Ablenkung 1°, manche Teilchen wurden aber stark abgelenkt)
-> Atome sind keine Kugeln gleichmäßiger Dichte sondern bestehen zum Großteil aus leerem Raum, die Masse ist fast vollständig auf den Kern konzentriert (nur jene alpha-Teilchen, die in die Nähe des Kerns kamen wurden durch elektrische Abstoßung stark abgelenkt)
Quantenmodell des Lichts 19, Jh. vs. 1905
Quantenmodell des Lichts:
19. Jh.: Licht=Welle
1905: Licht=Teilchen, deren Energie proportional zu ihrer Frequenz ist:
E=h • f
(photolytischer Effekt bestätigt)
Atommodell Antike
Atommodell Antike:
Leukipp & Demokrit: kleinstes Teilchen (atomos = unteilbar)
Aristoteles: Materie ist immer weiter teilbar
Atommodell 1800
Atommodell 1800:
Proust & Dalton: Gesetz der konstanten Proportionen & Gesetz der multiplen Porportionen (Elemente in Verbindungen kommen immer in bestimmten Verhältnissen vor; unter Annahme, dass Materie aus kleinsten Teilchen aufgebaut ist)
Atommodell 1897
Atommodell 1897:
Thomson: Atome bestehen aus gleichmäßig verteilten positiven Ladungen & negativ geladenen Elektronen Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen (Rosinenkuchenmodell)
Atommodell Rutherford
Atommodell Rutherford:
er war der erste Physiker, der die Hülle und den Kern trennte
Atommodell Bohr
Atommodell Bohr:
Elektronen dürfen nur auf bestimmten Kreisbahnen (Radien berechnet) kreisen, dort sind sie strahlungsfrei und stürzen nicht in den Kern (1. Postulat), sie dürfen Bahnen wechseln, wofür sie Energie aufnehmen müssen (2. Postulat);
aus Radien wurden Hauptquantenzahlen entwickelt, Begründung für Postulate gab es jedoch nicht
Atommodell Schrödinger
Atommodell Schrödinger:
er ordnete den Elektronen eine Wellenlänge zu, suchte Bedingungen unter denen sich eine stehende Welle ausbreiten kann, ein Atom ist jedoch 3-dimensional & daher auch eine Welle, das Ergebnis der Differenzialgleichung stimmte jedoch mit den Radien von Bohr überein
Atommodell Max Born
Atommodell Max Born:
Bahnbegriff nicht mehr sinnvoll, Orbitale = Bereiche in denen Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons sehr groß ist (s-, p-, d-, f-Orbitale)
Existieren kleinste Bauteilchen?
Frage ob kleine Bauteilchen existieren immer noch nicht gelöst
Standardmodell seit 1978
Standardmodell seit 1978:
25 Elementarteilchen, kann alle Elementarteilchen erklären, Einteilung nach Kriterium Spin
Spin
Spin:
1925 von Wolfgang Pauli entdeckt, der Spin ist eine Eigenschaft aller Quanten
Elektron: 1/2 Spin -> 1/2 • h
Fermionen
Fermionen:
- halbzahliger Spin
- Pauli-Verbot
- nach Physiker Enrico Fermi benannt
- zu Fermionen zählen: Elektronen, Protonen, Neutronen,…
Bosonen
Bosonen:
- ganzzahliger Spin
- kein Pauli-Verbot
- nach Nath Bose benannt
- dazu zählen: Photonen,..
Pauli-Verbot
Pauli-Verbot:
in einem System dürfen zwei Teilchen mit halbzähligem Spin nie in gleichen Zusatnd sein, sie müssen sich mindestens in einem Merkmal unterscheiden;
ohne Pauli-Verbot wären alle Elektronen immer im untersten Orbital
Leptonen
Leptonen:
-Materiebauteile
-Pauli-Verbot (leptos=leicht)
-nicht weiter teilbar wie Quarks
-dazu gehören:
Elektronen (bekanntestes Lepton, 1897 entdeckt, punktförmig, ~2000 mal leichter als Proton)
Tauon & Myon (doppelt so schwer wie ein Proton)
Neutrinos (entstehen beim beta-Zerfall und bei der Kernfusion, treten sehr selten mit dem Rest der Materie in Wechselwirkung, können sich ineinander umwandeln (Neutrino Oszillation))
Quarks
Quarks:
- entdeckt von Murray Gell-Mann
- bei Versuch Protonen & Neutronen in kleinere Teilchen zu zerschlagen: 300 neue Teilchen; Entdecker findet Ordnungsprinzip, das mit 6 Bausteinen auskommt (Quarks), 6 verschiedene Arten/Geschmäcker
- kein ganzzahliger Spin, Summe muss immer ganzzahlig sein
- Geschmäcker: up, down, bottom, top, strange, charm
- nachdem Delta++ Teilchen aus 3 up-Quarks besteht (geht nicht wegen Pauli-Verbot) wurden auch noch Farben zugewiesen
- Bosonen = Kraftträger, kein Pauli-Verbot
Starke Wechselwirkung
Starke Wechselwirkung:
Kernkräfte (Quarks -> Neutronen und Protonen -> Atome)
Reichweite: 10^-15 m
Relative Stärke: 1
Elektromagnetische Wechselwirkung
Elektromagnetische Wechselwirkung: Struktur von Flüssigkeiten & Festkörpern
Reichweite: unendlich
Relative Stärke: 10^-2
Schwache Wechselwirkung
Schwache Wechselwirkung: Kernfusion
Reichweite: 10^-18 m
Relative Stärke: 10^-15
Gravitative Wechselwirkung
Gravitative Wechselwirkung: Wirkungsbereich unbekannt
Reichweite: unendlich
Relative Stärke 10^-38
Massendefekt & Bindungsenergie
Massendefekt & Bindungsenergie:
die Masse eines Atomkerns ist immer etwas geringer als die Summer der Massen seiner Bestandteile, da Energie frei wird wenn sich Nukleonen binden (E=m • c^2), diese Energie muss man dann auch wieder aufbringen um die Nukleonen zu trennen (Bindungsenergie in MeV);
bei großen Atomkernen (Uran235 & Uran238) können die Kernkräfte die elektrische Anziehungskraft nur schwer kompensieren -> es genügt eine kleine Aktivierungsenergie um den Atomkern zu spalten
Kernkräfte
Kernkräfte:
sind die stärksten uns bekannten Kräfte, haben aber nur eine geringe Reichweite;
sie müssen die sich abstoßenden elektrischen Kräfte im Kern kompensieren und sind von der Ladung unabhängig;
Kraft wird von Gluonen übertragen, die 10^20 Mal pro Sekunde hin- und herfliegen
Kernspaltung
Kernspaltung:
durch Zuführen von Energie können Kernkräfte aber (vor allem bei großen Kernen) überwunden & der Kern geteilt werden;
beschießt man einen Atomkern (z.B. Uran) mt einem Neutron entstehen 2 kleinere Kernhälften und 2-3 freie Neutronen, die wieder andere Kerne treffen und spalten -> Kettenreaktion (exponentiell)
Streufaktor
Streufaktor k:
gibt an, wie viele weitere Kerne durch die Neutronen, die bei der Kernspaltung entstehen, getroffen werden
k>1: Reaktion außer Kontrolle, Atombombe
k=1: Reaktion verläuft geordnet, Atomreaktor
k<1: Resktion kommt zum Erliegen, Abschalten eines Reaktors
Verschiedene Arten von Atomreaktoren
Verschiedene Arten von Atomreaktoren:
Forschungsreaktoren
Leistungsreaktoren
Brutreaktoren
Atomreaktoren allgemein
Atomreaktoren allgemein:
- mit Wasser gefüllte Spaltzone + Brennstäbe und radioaktives Material (30% Uran235 und 70% Uran 238)
- über der Spaltzone: Regelstäbe (Bor/Cadmium) die zwischen die Brennstäbe gebracht werden um die Reaktion zu stoppen
- Wände mit Reflektoren (Graphit/Beryllium) damit Neutronen nicht verloren gehen
- Druckwasserreaktor: Wasserkreislauf mit Brennstäben unter 150 bar Druck damit das Wasser bei ~300° nicht verdampft
Alphastrahlung
Alphastrahlung:
- Alphateilchen = 2 Protonen, 2 Neutronen
- nach Abgabe des Alphateilchens ist die Ordnungszahl des Elements um 2 Nummern niedriger
- die Heißenberg‘sche Unschärferelation erklärt wie die Kernkräfte überwunden werden können: 🔺E • 🔺t = ~h -> bei genau definiertem Zeitintervall kann das Teilchen sehr viel Energie haben und aus seinem Potentialtopf ausbrechen
Betastrahlung
Betastrahlung:
- bei manchen Isotopen zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron, ein Neutrino und 0,77 MeV
- Elektron=Betateilchen, Proton bleibt im Kern und verändert damit das Element (höhere Ordnungszahl)
Gammastrahlung
Gammastrahlung:
Welle, die abgegeben wird, wenn ein angeregtes Atom (wegen Abgabe von Alpha-/Betateilchen) in den Grundzustand zurückfällt
Anwendung der Radioaktivität
Anwendung der Radioaktivität: C-14 Methode Strahlungstherapie Markierungsverfahren Röntgenaufnahmen
C-14 Methode
C14-Methode:
- in der Natur ist eines von einer Million Kohlenstoffatomen ein 14C (radioaktives Isotop von Kohlenstoff), dessen Halbwertszeit 5670 Jahre beträgt
- solange ein Organismus lebt, kommt immer neuer radioaktiver Kohlenstoff in den Körper, doch nicht nach dem Tod -> dies benutzt man um das Alter archäologischer Funde nachzuweisen (bis zur 10-fachen Längr der Haöbwertszeit)
Strahlungstherapie
Strahlungstherapie:
- Bestrahlung (z.B. bei Tumoren) zur Zerstörung der Krebszellen
- Nebenwirkungen abhängig von Intensität, Bestrahlungsdauer, bestrahlter Fläche
Markierungsverfahren
Markierungsverfahren: Teile eines Gletschers die nach Vermutung bald schmelzen, werden mit radioaktiven Präparaten markiert, die nachverfolgt werden können
Röntgenaufnahmen
Röntgenaufnahmen:
bildgebendes Verfahren, bei dem der Körper mit Röntgenstrahlen durchstrahlt wird; die Bilder werden durch einen fluoreszierenden Bildschirm sichtbar oder es entstehen durch elektrische Sensoren digitale Bilder
Aktivität eines radioaktiven Präparates
Die Aktivität eines radioaktiven Präparates wird in Bequerel Bq = 1 Zerfall pro Sekunde gemessen
Ionisierung
Ionisierung (/Energiedosis): Auswirkung radioaktiver Strahlung
1 Coulomb/kg
die Strahlung erzeugt pro kg Materie so viele Ionen, dass ihre Gesamtladung 1 Coulomb ist
Energiedosis
Energiedosis:
1 Gray
Stoff absorbiert 1J/kg
Äquivalentdosis
Äquivalentdosis: wie schädlich eine Strahlung für Menschen ist
Energiedosis • Q
Einheit: 1 Sievert Sv
- Röntgenstrahlen, gamma-/beta-Strahlung: Q=1
- Neutronen: Q=10
- Alphastrahlung: Q=20
Ausmaß der Schäden hängt von Fläche, Dauer, Stärke,.. ab
Ausmaß der Schäden bei Strahlenbelastung
Ausmaß der Schäden bei Strahlenbelastung:
• 0,5-1 Sv: Nachweisgrenze, Veränderung der Anzahl der roten & weißen Blutkörperchen
• 1-5 Sv: Übelkeit, Erbrechen, Störung des Immunsystems
• 5 Sv: Organe funktionieren nicht mehr
• 10 Sv: Schädigung des Blutsystems (innere Blutungen), Nervenschäden,.. (50% Todesrate)
Besonders betroffen sind Zellen, die sich schnell teilen (z.B. Knochenmark), Embryos, genetisches Material und Blut
Strahlenschutz
Strahlenschutz: Abstand
- Alphastrahlung in Gasen: Reichweite von einigen Zentimetern; in festen/flüssigen Materialien 0,1 cm; außerdem leicht abschirmbar durch z.B. Karton
- Betastrahlung in Gasen: Reichweite von 10-20 m, in Flüssigkeiten 1-2 cm, in Blei 0,1-0,2 cm
- Gammastrahlung in Gasen: große Reichweite, in Blei ca. 10 m
Strahlenschutz in Atomreaktoren
Strahlenschutz in Atomreaktoren: Wasser, Abluft wird gefiltert Gebäude steht unter Druck Überwachungssysteme (=Schutzvorrichtungen)
