Atombau/physik Flashcards
Rosinenkuchenmodell (1903)
- Joseph Jhon Thomson
- zufällige Verteilung der Elektronen in einem positiven Teig
- Ladungen kompensieren sich
Rutherfordsche Streuversuch (1911)
- Beweis, dass positive Ladung in einem Atomkern vereinigt ist und den Großteil der Atommasse ausmacht
- negativ geladenen Elektronen verteilen sich locker in Atomhülle
- Atom ist um Faktor 100.000 mal größert als Kern
- Problem: kann Sprektallinien nicht erklären
Z
Protonenzahl/ Ordnungszahl
Kernladungszahl/Ordnungszahl
Anzahl an Protonen
Neutronen
- verhalten sich elektrisch neutral, keine Ladung
- normalerweise müssten sich Protonen im Kern abstoßen. Durch Neutronen jedoch wird Kern zusammengehalten
- Während der Atomkern immer aus mindestens einem Proton besteht, sind Neutronen nicht immer im Kern vorhanden (z.B. Wasserstoffatom)
Nukleonen
Neutronen und Protonen
Elektronen
- geringe Masse, leisten demnach geringen Beitrag zur Gesamtmasse eines Atoms
- haben halbherzigen Spin und sind deshalb Fermionen und nicht Bosonen
- da starke WW nicht auf sie wirkt, sind sie keine Hadronen, sondern Leptonen
Atom
- jedes Atom besitzt gleich viele Elektronen wie protonen, elektrisch neutral
Elektrisch Neutral
Ordnungszahl ist gleich der Elektronenzahl
Ionen
- je nach ladung höhere bzw. niedrigere Elektronen- bzw. Protonenzahl
Atomare Masseneinheit u
Masse von Proton und Neutron fast gleich
Masse Neutron
1,6750·10-27 kg ≈ u
Masse Proton
1,6727·10-27 kg ≈ u
fast 2000x massiger als Elektron
Masse Elektron
9,109·10-31 kg
Elementarteilchen
- Quarks
- Leptonen (Elektronen gehören zu Leptonen)
- Eichbosomen
Bohr’sches Atommodell (1913)
- Protonen im Kern
- Elektronen kreisen in Bahnen mit festem Radius
- Elektronen in Atomhülle unterscheiden sich lediglich durch Energie, aber nicht durch Masse, Größe oder Ladung
- Kernferne Bahnen sind energiereicher
- Maximalbesetzung Schalen 2n^2
- jede dieser Bahnen ist eine feste Energie zugeordnet
- Anzahl Valenzelektronen bestimmt Reaktionsfreudigkeit
Atomkern
- mit Länge von 10^-14 misst der Atomkern 1/10.000 - 1/100.000 des Durchmesseres der Atomhülle
- Masse nimmt 99,9% der Gesamtmasse des Atoms ein (hohe Dichte)
- etwa 2000 mal so schwer wie Atomhülle
- Wird ein Kern zu groß, so ist er nicht mehr stabil und er wird radioaktiv
Zusammensetzung Atomkerns
- Nukleonen
- Quarks
- Zusammenhalt starke Kernkraft
Massenzahl
- Anzahl an Nukleonen, also Protonen und Neutronen, im Kern an
- repräsentativ für gesamte Masse des Atoms, da diese auf den Kern konzentriert ist
- oben links im Periodensystem
Kernladungszahl
- Gibt die Ladung des gesamten Atomskern an und somit die anzahl der Protonen
Isotope
- Atome die die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen enthalten, aber die Anzahl der Neutronen unterscheidet
- unterschiedliche Massenzahl
- In der Regel haben Elemente ein bis wenige stabilie Isotope, während seine übrigen Isotope radioaktiv sind
Linienspektrum Bohr / Anregung
- Wenn ein angeregtes Elektron von einer höheren Schale auf eine tiefere fällt, emittiert es jenes Photon, das im Linienspektrums-Versuch als Licht bestimmter Wellenlänge zu beobachten war
- Wellenlängen des Linienspektrums entsprechen den Wellenlängen des jeweils emittierten Photons
- Nimmt Elektron von außen Energie auf, kann es auf Bahnen mit höherem Energieniveau wechseln
- von der Wellenlänge können wiir auf Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus schließen
- Wenn ein angeregtes Elektron von einer höheren Schale auf eine tiefere fällt, emittiert es jenes Photon, das im Linienspektrums-Versuch als Licht bestimmter Wellenlänge zu beobachten war
- Nimmt Elektron von außen Energie auf, kann es auf Bahnen mit höherem Energieniveau wechseln
- von der Wellenlänge können wiir auf Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus schließen
Prisma
- sichtbares Licht kann mittels eines Prismas in Einzelbestandteile aufgeteilt werden, sein kontinuierliches Spektrum
Ionisierung
Bei zu hoher Energieeinstrahlung, z.B. UV-Strahlung kann Elektron sich vom Atom vollständig lösen
Energieniveaus
- unterschiedliche Kapazitäten: erste Schale 2 Elektronen, fünfte bis zu 50
- Energieniveaus mit ansteigender Entfernung vom Kern höher
- Elektronen in Atomhülle nur ganz bestimmte, fixe Energiestufen (Hauptquantenzahlen)
- Elektronen, die weniger Energie besitzen, haben kleine Umlaufbahnen und befinden sich näher am Kern
- Elektronenschalen beschreiben Aufenthaltsbereich der Teilchen gleicher oder ähnlicher Bindungsenergien
- Besetzung von innen nach außen
Maximalbesetzung Elektronenschale
2n^2
- gibt keine Auskunft darüber, in welcher Reihenfolge Schalen besetzt werden
N=1
K Schale
max. Elektronenzahl 2
N=2
L Schale
max. Elektronenzahl 8
N=3
M Schale
max. Elektronenzahl 18
N=4
N Schale
max. Elektronenzahl 32
N=5
O Schale
max. Elektronenzahl 50
N=6
P Schale
max. Elektronenzahl 72
N=7
Q Schale
max. Elektronenzahl 92
Grenzen Bohr’sches Atommodell
- Unschärfeprinzip: Elektronen werden nicht mehr als Partikel, sondern als Wellenpakete verstanden
- Elektronenschalen: Elektronen verlieren Energie auf Kreisbahn (da beschleunigte Bewegung) und müssten letzendlich in Kern hineinstürzen
- Spektrum: unterschiedliche Helligkeitsintensitäten und hohe Anzahl an Linien. Es müsste mehr Schalen geben
- Chemische Bindungen: viele chemische Bindungen halten Oktettregeln nicht ein.
Quantenmechanisches Atommodell
- hervorgehend aus Wellen-Teilchen-Dualismus
- Elektronen werden nicht mehr als Partikel, sondern Wellenparkete beschrieben
- Elektronen können nur über Aufenthaltswahrscheinlichkeiten (Schrödinger-Gleichung) lokalisiert werden, da aufgrund derUnschärferelation bewiesen wurde, dass man Impuls und Ort sowie Energie und Zeit eines Teilchens nie zugleich genau bestimmen kann
- Daher kann man Elektron keine wohldefinierte Bahn um den Kern zuordnen, jedoch wo sich ein Elektron mit hoher Geschwindigkeit befindet
- dieses Modell erklärt zudem, warum manche Moleküle bestimmte Formen annehmen
Orbitale
- (wahrscheinlicher) Aufenthaltsord
h
Planksches Wirkungsquantum
h= h = 6,55 · 10-34
Photon
- quantitisiertes Lichtpaket
- erst Messung/Beobachtung entscheidet über den Charakter (Teilchen- oder Wellencharakter)
Quarks
- Grundbausteine Atomkern
- haben 1/3 Ladung
- unterliegen Pauli-Prinzip
- Energie, die man brauch um ein Proton in drei Quarks zu zerlegen, reicht aus, um andere Protonen oder aus Quark aufgebaute Teilchen zu erzeugen
Proton Quarks
- zwei Upquarks
- ein Downquark
Neutron Quark
- zwei Downquarks
- ein Upquark
Baryonen
Teilchen, die aus drei Quarks aufgebaut sind
Mesonen
ein Quark ein Antiquark
Hodronen
alle aus Quarks aufgebaute Teilchen
Elektrische Ladung Quarks
1/3 Elementarladung
Antiteilchen
- zu jedem Elementarteilchen gibt es ein Antiteilchen
- Entgegensgesetzte Ladung (Farbladung, elektrische Ladung)
- Gleiche Masse und gleicher Spin
- Quark/Antiquark
- Elektron/Positron
Bosonen
Elementarladung zur Übertragung von Kräften
- unterliegen nicht Pauli-Prinzip, ganzz. Spin
Leptonen
- nicht weiter teilbar
- 1/2 Spin
- Elektronen
- unterliegen Pauli-Prinzio
Elektromagnetische Wellen
- Transversalwellen
- Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
- brauchen kein Ausbreitungsmedium
- breiten sich immer mit Lichtgeschwindigkeit aus
Licht
Kleiner Ausschnitt des elektromagnetischem Spektrums
Quantenzahlen
- Hauptquantenzahl n
- Drehimpulszahl l
- Magnetquantenzahl m
- Spinquantenzahl s
Pauli-Prinzip
- Fermionen müssen sich in einer Quantenzahl unterscheiden
- heißt: im Atomaufbau darf kein Elektron dem anderen gleichen
- Bosonen mit ganzzahligen Spin unterliegen nicht dem Pauli-Prinzip
- Leptonen mit halbzahligen Spin unterliegen Pauli-Prinzip
Fermionen
Elektronen, Protonen Neutronen
haben halbzahligen Spin
Hauptquantenzahl n
- je höher Hauptquantenzahl, desto höher Energie des Elektrons
- Schale, in der es liegt
Drehimpulsquantenzah/ Nebenquantenzahll l
- l = 0,1,2,3…
- gibt Form des Quantenobjektes an
- je größer Zahl, vermehrte Aufspaltung des Quantenobjektes
- Orbitale können gleichen Wert für n haben, sich aber in l unterscheiden. Man nennt sie dann Unterschalen
s
l=0
p
l=1
d
l=2
f
l=3
g
l=4
Magnetquantenzahl m
- für Ausrichtung verantwortung
m = -l,..,0,..,l
Spinquantenzahl
s = -/+ 1/2
gibt Eigenimpuls der Elektronen an
Regeln der Elektronenkonfiguration
- Schrittweise Besetzung der Orbitale eines Atoms
- Aufbauprinzip
- Hund’sche Regel
- Pauli-Prinzip
Aufbauprinzip
- Besetzung in energetischer Reihenfolge, beginnend mit kernnächsten und stabilsten Orbitale
Hundsche Regel
Bei der Doppelbesetzung der Orbitale eines Energieniveaus ist darauf zu achten, dass der Spin des zweiten Elektrons entgegengesetzt ist.
Elementarteilchen
Elementarteilchen sind die Teilchen, die sich (nach dem derzeitigen Wissensstands) nicht weiter zerlegen lassen. Protonen und Neutronen lassen sich in up- und down-Quarks zerlegen. Auch die Leptone sind eine Klasse der Elementarteilchen.
Massenanzahl
Nukleonen im Kern (Protonen und Neutronen)
Kernladungszahl
Protonenzahl
Ordnungszahl
Kernladungszahl/Protonenzahl
Kern-Kernhülle Verhältnis
- der Kern eines Atoms, mit einem Durchmesser von etwa 10-15m, ist sehr komprimiert, während die weitaus größere Hülle eines Atoms einen Durchmesser von etwa 10-10m hat
- Kern um 100.000 Mal kleiner
Oktettregel
Atome haben immer das Verlangen die selbe Anzahl an Valenzelektronen wie Edelgase zu haben, um die sogenannte Edelgaskonfiguration zu erreichen. Meistens ist dies mit acht Valenzelektronen erfüllt und man spricht in diesem Falle von der Oktettregel.
Ausnahme: Wasserstoff z.B.
Warum stürzen Elektronen nicht in Kern hinein
Dafür, dass das Elektron nicht mit dem Kern verschmilzt sorgen die Unschärferelation und das Pauli-Prinzip. Die Unschärferelation besagt, dass die mittlere Geschwindigkeit eines Elektrons um so größer wird, je kleiner der Bereich ist, in dem sich das Elektron aufhält. Damit kostet es Energie, ein Elektron im Kern zu halten. Die Orbitale sind Aufenthaltsbereiche, in denen die Energie des Gesamtsystems optimiert ist. Das Pauliprinzip schließt zusätzlich aus, dass zwei Elektronen den gleichen Zustand einnehmen. Damit sorgt es dafür, dass Atome mit vielen Elektronen größer sind und nicht alle Elektronen im s-Orbital direkt am Kern sein können.
Eine Vereinigung von Elektron und Proton ist nicht möglich, weil die Zahl der Leptonen und der Baryonen in der Natur erhalten sind. Würde also ein Proton mit einem Elektron verschmelzen, so müssten ein Neutron und ein Neutrino entstehen. Ersteres um die Zahl der Baryonen zu erhalten, letzteres um die Leptonenzahl-Erhaltung zu gewährleisten. In großen Atomen kommt solch ein Elektroneneinfang vor, er kostet aber Energie, weil ein Neutron schwerer ist, als Proton und Elektron zusammen.
Anregung Atomen
- wird Atom angeregt, gibt es diese Energie später beim Zurückfallen in den Grundzustand Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung (im Falle des Linienspektrums Licht) ab
- da es genau definierte Abschnitte gibt, können nur ganz bestimmte quantitisierte Beträge aufgenommen/abgegeben werden
- Elektronen bewegen sich in Energieniveaus um den Kern
- könnten Elektronen jedes Energieniveau annehmen, dürften es keine schwarzen Löcher im Linienspektrum geben
Atomkern quantenmechanisches Atommodell
- besteht aus Protonen und Neutronen, die aus Quarks bestehehen
Kombination Quarks
- Baryonen
- Mesonen
Quantenchromodynamik
- Quantenfeldtherorie, die starke Wechselwirkungen beschreibt, die den Atomkern zusammenhalten
Annihilation
- Trifft ein Teilchen auf sein Antiteilchen, so vernichten sie sich und es entsteht Energie in Form von Strahlung
Eichbosomen
- Vermittlungsteilchen, welche Grundkräfte zwischen Materieteilchen vermitteln
Gluonen
- andere Eichbosomen
- vermitteln starke Kernkraft
Kernkräfte
- Gravitation
- Elektromagnetische Wechselwirkungen
- Starke Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
- wirken im Atomkern
Starke und schwache Wechselwirkung
- wirken nur im Kern (Kernkräfte)
Gravitation
- unendliche Reichweite
- gegenseitige Anziehung von Massen
Elektromagnetische Wechselwirkunge
- unendliche Reichweite
- wirkt zwischen geladenen Teilchen
Starke Wechselwirkung/Kernkraft
- hält Atomkern zusammen
- Bildung der Quarks durch Austausch von Gluonen
- Sorgt für Anziehung zwischen Nukleonen, damit diese nicht durch elektromagnetische Wechselwirkung ausienandergetrieben werden
- Übertragung durch Austausch von Gluonen
- geringe Reichweite (reicht bis zum benachbarten Nukleon aus)
Schwache Wechselwirkung/Kernkraft
- keine gebundenen Zustände
- für Teilchenumwandlung zuständig (Protonen zu Neutronen, beta-Zerfall)
- Durch W- und Z-Bosomen vermittelt
- Umwandlung Quarks in andere Quarks
- geringe Reichweite (10^-16)
Kernfusion
- Verschmelzung leichte/kleine Atomkerne zu schweren/größeren Atomkernen
- Überwindung der abstoßenden Coloumbkräfte bei extrem hoher Temperatur und Druck
- viel Energie entsteht
Coloumbkräfte
- nehmen mit steigender Ordnungszahl zu
Sonne Kernfusion
- vier Wasserstoffatome verschmelzen zu einem Heliumatom
- Nebenprodukt Energie, welche als elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wird und zwei Positronen (Aufrechterhaltung Ladung) und zwei Neutrinos (Aufrechterhaltung Impuls)
Massendefekt Sonne
- vier Wasserstoffatome haben zuvor mehr Masse, als das entstehende Heliumatom (Massendefekt)
- Massendefekt wird in Energie umgewandelt
- Mittels diesem Massendefekt schafft es die Sonne, genug Energie zu produzieren, um unser gesamtes Sonnensystem zu erwärmen
Kernspaltung
- Großer Kern zerfällt in kleineren/leichteren
- Energie wird in Form von Wärme und radioaktiver Strahlung frei
Kernspaltung Arten
- Spontane/freiwillige Spaltung
- Induzierte/unfreiwillige Spaltung
Spontane/freiwillige Spannung
- wichtig bei Altersbestimmung mithilfe C14 Methode
Induzierte/unfreiwillige Spaltung
- Atomkern wird gezielt mit Neutronen beschossen und dadurch zerstört
- Freiwerden von Wärmeenergie und weiteren Neutronen, die andere Uratome zum Spalten bringen
Halbwertszeit für radioaktive Stoffe
- Angabe, nach welcher Zeit t die Hälfte der ursprünglichen Atomkerne zerfallen ist
Radioaktivität
- radioaktive Stoffe besitzen instabilen Atomkern, welcher ionisierte Strahlung aussendet
- existiert, weil Kerne immer einen möglichst niedrigen Energiezustand haben möchten
- Niedrige Energiestufen erreichen sie durch Kernumwandlungen und Abgabe von Energie durch Gamma-Strahlung
Strahlung
- radioaktive Stoffe besitzen instabilen Atomkern, der ionisierte Strahlung aussendet
- Alpha
- Beta
- Gamma
Isotope
- von allen bekannten Isotopen haben 90% instabilen Atomkern und geben dadurch ionisierte Strahlung ab
Alpha-Strahlung
- Teilchenstrahlung (Heliumkern ohne Elektronen)
- Massenzahl des Atoms nimmt um vier Einheiten, die Kernladungszahl um zwei Einheiten ab
- Beim Eintritt in Materie beginnt der Ionisationsprozess, bei welcher die Strahlung Energie verliert
- Tunneleffekt
Abschirmung Alpha-Strahlung
- Durch Größe und Masse schlagen sie beim Auftreffen Elektronen aus den Atomhüllen der Stoßpartner
- Dadurch verlieren sie schnell an Energie und nur geringe Reichweite
- Abschirmung durch Blatt Papier oder Hornhaut
- sehr große Masse, zwei positive Ladungen
- durch Schlucken hohe biologische Wirksamkeit
Beta-Strahlung
- Entstehen im Atomkern durch Beta-Zerfall
- Teilchenstrahlung
- Beta+ und Beta- Strahlung
- Kernladung nimmt um eine Einheit zu
- ionisierende Strahlung
Beta+
Positronen
- in Materie standardmäßig nicht vorkommendes Positron vernichtet sich mit häufig vorkommenden Elektron und kann dabei in weiterer Folge Gamma-Strahlung verursachen
Beta -
Beim Beta-minus-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino (Teilchen-Antiteilchen-Paar)
- Massenzahl A bleibt konstant
- Ordnungszahl Z erhöht sich um 1
Gamma-Strahlung
- Hochenergetische, elektromagnetische Welle/Photon, die über 200 KeV an Energie haben
- Atomkerne, können wie Elektronenhüllen auch, angeregt sein
- in diesem Zustand befinden sie sich meist nach einem Alpha- oder Beta-Zerfall
- beim Zurückfallen in Grundzustand Abgabe der Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung
- biologische Wirksamkeit nicht sehr hoch
- hochgefährlich
Entstehung alpha- beta-Strahlung
- Zerfall von Atomkernen
- Kernumwandlung –> Isotope
Entstehung gamma-Strahlung
- bei Zustandsänderung des Kerns
Heliumkern
- zwei Protonen
- zwei Neutronen
Ionisierende Strahlung
- Überbegriff für alle (radioaktiven) Strahlungsarten, die ionisierende Wirkung haben, d.h. beim Aufprall auf Materie Elektronen aus Atomen/Molekülen herausschlagen können und beim Durchgang Molekülreste hinterlassen
Detektiv ionisierender Strahlung
- mithilfe Nebelkammer:
Moleküle werden aufgebrochen und es entstehen Radikale
Ionisationsprozess
- beim Eintritt von Strahlung in Materie
- Strahlung verliert Energie oder wird gar abgesondert
- Je nach Stärke der Strahlung kann auch Mehrfachionisation oder Sekundärstrahlungen
Abschirmung beta-Strahlung
- kleine Masse
- eine negative Ladung
- Abschirmung Aluminium
Abschirmung gamma-Strahlung
- ungeladen
- keine Ruhemasse
- Abschirmung durch massive Materialien
Abschirmung radioaktiver Strahlung
- je größer die Ladung und Masse, desto einfacher die Abschirmung
Zerfälle
- Abgabe von zwei Neutronen und zwei Protonen
- es gibt kein gamma-Zerfall, sondern nur Strahlung
- beta+ Strahlung
- beta- Strahlung
Becquerel (1Bq)
- Aktivität, wie viele Kernzerfälle pro Sekunde stattfinden und somit die Stärke bzw. Aktivität radioaktiver Strahlung
- Einheit 1/s
Gray (1Gy)
- wie viel Strahlungsenergie ein Körper pro Kilogramm Gewicht aufnimmt
- Organe, die aus vielen Zellen bestehen, sind am strahlungs-/krebsanfälligsten
Schutzmaßnahmen Strahlung
- Intensität nimmt umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes ab: verdreifacht man Abstand, so hat man nur noch 1/9 der Intensität
- Abschirmung
Atomphysik in der Medizin
- Diagnostische Radiologie
- Strahlentherapie
Strahlentherapie
- y Strahlung, Röntgenstrahlung und Elektronenstrahlung
Diagnostische Radiologie
- Radiographie
- Computertomographie
- Magnetresonanztomographie
- Radiopharmaka
Radiopharmaka
- Arzneimittel, die kurzlebiges, radioaktives Nuklid enthalten und besonders starken bestimmten Zellarten z.B. Tumorzellen aufgenommen werden
Radiographie
- Röntgenstrahlung kann fast ungehindert durch weiches Gewebe trinken, jedoch nicht durch Knochen
- Entstehung durch Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung
Charakteristische Strahlung
- Elektron dringt in Atom ein, Ionisieren, Schalenwechsel, Energieabgabe
Energiefreiwerdung
- Kernfusion und Kernspaltung
Exotherme Kernfusion
- entstehen nur bei Verschmelzung leichter Kerne
- da Coulombkräfte mit steigender Ordnungszahl zunehmen, erfordert es mehr Energie, diese Kräfte zu überwinden umso grösser die Kerne werden
Bindungsenergie pro Nukleon
- nimmt mit steigender Massenzahl nur bis zum Eisenatom zu
Endotherme Kernfusion
- Energiebilanz ist nur hin bis zu Kernen, die kleiner als Eisen sind, positiv
- grössere Kerne haben negative Energiebilanz
- bei solchen Kernen muss mehr Energie für Aktivierung aufgewendet werden, als bei Reaktion freiwerden würde
Atomkraftwerk
In einem Atomkraftwerk wird die (bei der Kernspaltung entstehende) Wärmeenergie genutzt, indem sie durch Wärmeaustausch an einen Wasserkreislauf weiter gegeben wird. Das Wasser verdampft und treibt einen Generator an. So wird aus Wärmeenergie elektrische Energie.
Massenverlust
Durch einen Zusammenschluss von Protonen und Neutronen zu einem Kern wird ein kleiner Teil ihrer Massen in Energie umgewandelt, weswegen es zu einem Massenverlust kommt.
Eine radioaktive Substanz hat eine Halbwertzeit von 6 Tagen. Wie viel davon ist nach 12 Tagen zerfallen?
Nach 12 Tagen sind 2 Halbwertszeiten (HWZ) vergangen vergangen. Nach 1 HWZ sind noch 50 % übrig, also sind nach 2 HWZ noch 25 %, also müssen insgesamt 75 % zerfallen sein.
Aktivität
- bezeichnet man die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit eines radioaktiven Stoffes.
- Die Aktivität wird in Becquerel (Bq) gemessen. (1/s)
Becquerel (Bq)
1 Becquerel = 1 Zerfall pro Sekunde.
Radioaktiver Zerfall Zeitpunkt
Der radioaktiven Zerfall passiert spontan, weshalb der exakte Moment des Zerfalls nicht vorhergesagt werden kann. Jedoch ist es möglich die Halbwertszeit für radioaktive Stoffe zu bestimmen
MRT
- Beim MRT werden in starken Magnetfeldern überlagerungsfreie Schnittbilder erzeugt, dabei werden keine Röntgenstrahlen angewandt
- Implantate können erhitzt oder sogar beschleunigt werden
Radiographie
- Röntgenwellen
Oberflächenenergie
- negatives Vorzeichen
bei größerer Oberfläche weniger benachbarte Teilchen pro Nukleon vorhanden sind die die starke Kernkraft aufeinander ausüben können.
Bindungsenergie
Die Bindungsenergie setzt sich wie folgt zusammen:
EBindung = +EVolumen - EOberfläche -ECoulomb +-ESymmetrie +- EPaarung
Coulomb-Energie
Die Coulomb-Energie hat dabei ein negatives Zeichen, da sich im Kern nur Teilchen mit positiver Ladung befinden und gleichnamige Ladungen abstoßend sind.
Coloumbkraft
Entgegen der anziehenden starken Kernkraft zwischen den Nukleonen wirkt zwischen den Protonen die abstoßende Coulombkraft. Umso größer die Ordnungszahl eines Atoms ist, desto mehr Neutronen werden benötigt um die abstoßenden Kräfte zwischen den Protonen auszugleichen. Ab einer gewissen Anzahl an Protonen ist eine kritische Balance zwischen Coulombabstoßung und bindenden Kräften erreicht und der Kern wird instabil und somit radioaktiv (z.B. Uran-92).
Kernfusion komerziell
Um Kerne fusionieren zu lassen, wird sehr viel “aktivierungs Energie” benötigt. Bisher ist kein Weg gefunden worden, Kernfusionen durch eine fortlaufende Kettenreaktion zu erzeugen, welche kommerziell zu Energiegewinnung genutzt werden könnte. In unerer Sonne und auch auf anderen Sternen exitieren derart hohe Temperaturen, dass die “aktivierungs Energie” gegeben ist. Daher finden dort Kernfusionen laufend statt (typischerweise fusionieren zwei Wasserstoffatome zu einem Heliumatom).
Energiedosis
Die Energiedosis gibt an wie viel Energie radioaktive Strahlung an Gewebe abgibt und wird in Gray (Gy) gemessen: 1Gy = 1J/kg.
Die Energiedosis ist von der Äquivalentdosis zu unterscheiden, welche neben der aufgenommenen Energiedosis auch die relative biologische Wirksamkeit miteinbezieht und in Sievert gemessen wird.
Äquivalentdosis
Die Äquivalentdosis bezieht, im Unterschied zur Energiedosis, neben der aufgenommenen Energiedosis auch die relative biologische Wirksamkeit mit ein. Die Äquivalentdosis wird in Sievert gemessen, wobei gilt: 1 Sv = 1 J/Kg.
Unterschied Energiedosis und biologische Wirksamkeit
Die biologische Wirksamkeit hängt neben der Energiedosis auch von der Strahlenart und deren Energie ab. Es spielt zudem eine Rolle, welche Organe exponiert waren und wie lang sie exponiert waren. Diese Faktoren fließen in die Äquivalentdosis mit ein, indem man die Energiedosis mit einem spiezifischen dimensionslosen Faktor multipliziert.
Kosmische Strahlung
Kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung aus dem Weltall und besteht zum Großteil aus Protonen, Elektronen und vollständig ionisierten Atomen.
Kosmische Strahlung
Einfach gesagt, entstehen Polarlichter dadurch, dass kosmische Strahlung mit den in der Erdatmosphere enthaltenen Teilchen reagiert.
ionisierende Strahlung und Ionenstrahlung
Es gibt einen Unterschied zwischen Ionenstrahlung und ionisierender Strahlung. Ionenstrahlung bezeichnet eine Teilchenstrahlung, geladener Teilchen (=Ionen)
alpha Strahlung
Ein α-Teilchen ist ein Heliumkern. Sie verlieren schnell an Energie und haben daher nur eine sehr geringe Reichweite. Beim Eintritt in die Marterie, beginnt der Ionisationsprozess, bei welcher die Strahlung Energie verliert.
ionisierende Strahlung
Die Ionisierende Strahlung kann in lebende Geweben große Schäden anrichten
Sievert
Mit Sievert kann man die Äquivalentdosis, also die Strahlenbelastung eines Organismus angeben. Es unterscheidet sich von Grey, da Sievert zuästzlich noch die biologische Wirkung der verschiedenen Strahlungsarten berücksichtigt.
Masse von Atomen
- primär von Nukleonen bestimmt, da die Masse der Elektronen vernachlässigt werden kann
Positron
- Antiteilchen des Elektrons
- Elementarteilchen aus Gruppe der Leptone
Elektron von Anregung zum Grundzustand
- Aussendung Photonen/Licht
Farbladungen
- Bei Quarks sind drei Farbladungen zu unterscheiden
- rot, grün und blau
- Antiquarks haben Antifarben
Elektronenkonfiguration
- Anordnung der Elektronen von Elementen
Coulomb-Kraft
- treibt Protonen auseinander und macht Kern instabil
Starke Wechselwirkung
- wirkt nur auf Quarks und Gluonen (!), weil sie eine Farbladung tragen
beta- Strahlung
Elektronen
beta+ Strahlung
Positronen
Massendefekt
- Differenz zwischen Massensumme der Nukleonen und der Kernmasse
- in Bindungsenergie des Kerns übergegangen
max. Anzahl Elektronen in einem Orbital
- max. zwei Elektronen
- Spinquantenzahl kann genau zwei Werte annehmen
Nuklid
- genaue Festlegung von Protonen- und Neutronenanzahl
Gluonen
- sorgen für Anziehungskräfte der Quarks im Kern
Gewicht Proton und Neutron
1u
Biologische Wirkung beta-Strahlung
- entsteht durch Prozessen im Kern des Nuklids
- nicht direkt wahrnehmbar
- ionisierende Wirkung auf Gewebe, kann Zellen zerstören
Fermionen
- Fermionen sind Elementarteilchen mit halbzahligem Spin. Zu den Fermionen gehören alle Teilchen, aus denen sich die Materie aufbaut, also sowohl die Quarks als auch die Leptonen. Auch die Kernbausteine sind Fermionen.
- Fermionen unterscheiden sich von den Bosonen darin, dass die dem Pauli-Prinzip unterliegen, zwei Fermionen können also niemals den gleichen quantenmechanischen Zustand einnehmen. Diese “Abstoßung” der Fermionen gibt der Materie ihre Ausdehnung und Festigkeit.
Hadronen
Als Hadronen bezeichnet man alle aus Quarks und Antiquarks zusammengesetzten Teilchen. Man kann zwischen Mesonen und Baryonen unterscheiden.
Alle Hadronen können von starker Kernkraft beeinflusst werden
Mesonen
Mesonen sind aus je einem Quark und einem Antiquark aufgebaut. Mesonen gehören auf Grund ihres ganzzahligen Spins zu den Bosonen.
Reichweite Strahlung
1 : 100 : 10000
Alpha: cm
Beta: m
Gamma: km
Sonne Kernfusion
- Wasserstoffkerne fusionieren zu Heliumkernen und setzen dabei Energie frei
Prozentsatz Alpha-Strahlung in kosmischer Strahlung
12%
Aktivität A
- in (1/s) oder Becquerel (Bq) angegeben
- zeitabhängig
Gray
- Einheit der Strahlendosis
Becquerel
- ein Becquerel bedeutet, dass es einen Zerfall pro Sekunde gibt
- erhöht sich Masse eines radioaktiven Nuklids, erhöhen sich entsprechend die Kernzerfälle pro Sekunde und damit Aktivität
Eichbosonen
- Austauschteilchen der starken und schwachen Wechselwirkungen zusammen
Photonen
- Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkungen
Gluonen
- Austauschteilchen der starken Wechselwirkung
Z-Bosonen
W-Bosonen
- Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung
starke Wechselwirkung
- wirkt auf Quarks und Gluonen, weil sie Farbladungen tragen
Bosonen
- haben allgemein keine Farblaung
- Ausnahme: Gluonens
schwere Elemente
- mit zunehmender Schwere der Elemente weisen stabile Nuklide einen Überschuss an Neutronen gegenüber Protonen auf
leichte Elemente
Verhältnis 1:1 (Protonen/Neutronen)
schwere Elemente
Verhältnis 1,54:1
Protonen/Neutronen
Absorptionsspektrum
- Atome (in Form von Gas) werden mit weissem Licht aller Frequenzen beschienen
- Aufgrund der Bahnstruktur können Elektronen es Atoms Licht bestimmter Energie bzw. Frequenz absorbieren
- Dabei nehmen Elektronen diese Energie auf und die entsprechenden Frequenzen finden sich im Spektrum als schwarze Linien
Teilchen/Antiteilchen
- gleich sind Masse, Lebensdauer, Spin, Art und Stärke der Wechselwirkungen
- nur vom Betrag her gleich gross sind Ladung, magnetischer Moment und ladungsartigen Quantenzahlen
Ladung Quarks
- Quarks besitzen Vielfache der gedrittelten Elementarladung
-
Ladung Up-Quark
+2/3e
Ladung Down-Quark
-2/3e
Elementarladung
1,602*10^-19
Ionisierungsenergie
- Energiebetrag, der benötigt wird, um Elektron aus einem Atom herauszulösen
- nimmt innerhalb Periode von links nach rechts hin zu
- Halogene hohe Ionisierungsenergie
Elektronenaffinität
- beschreibt Energie, die notwendig ist, um einen neutralen Atom ein Elektron beizufügen und somit ein Anion zu erzeugen
- ist der Wert negativ, wird Energie frei, somit nimmt das Elektron freiweillig Energie auf
Aktivität/Zerfallsrate
- gibt Anzahl der Kernzerfälle pro Zeiteinheit eines radioaktiven Nuklids an
Zerfallskonstante
- Geschwindigkeit eines Zerfalls
Isotope Wasserstoff
- drei Isotope
1. Protium
2. Deuterium
3. Tritium
Entstehung Elektronen-Positronen Paar
- Beschiessung mit Photon
Strahlenkrankheit
- brechen chemische Verbindungen auf
- kann zu Übelkeit und Erbrechen führen
- kann zu Gewebeverbrennungen führen
- kann zu Mutation bei Nachkommen führen
Annihilation
- Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen
Paarbildung bzw. Paarerzeugung
- Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Paar
Leptonen
- sechs Stück:
1. Elektron
2. Myon
3. Tauon
und jeweiligen Neutrinos
-schwache Wechselwirkung
- W- und Z- Bosonen
Becquerel
Einheit Aktivität
deterministische Strahlenschäden
Zellen werden im Gewebe oder Organ abgetötet
werden durch hohe Dosen an ionisierender Strahlung hervorgerufen
stochastische Strahlenschäden
Veränderungen im Erbmaterial von Zellen ( DNA ), die durch ionisierende Strahlung verursacht wurden und nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auftreten. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens hängt von der Dosis ab
Emission
Emission (von lat. emittere „aussenden“) ist allgemein die Abgabe von Photonen oder Teilchen aufgrund von chemischen oder Kernreaktionen. Radioaktive Strahlung lässt sich als Emission von Alpha- und Betateilchen sowie Gammaquanten auffassen
Ionisation
durch Ionisation verlieren Atome Elektronen und werden zu Ionen
Farbladung im Zusammenhang mit starker Wechselwirkung
- Farbladung ist eine Eigenschaft, die (Anti)quarks und Gluonen besitzen
Farbladungen
- Rot, Grün und Blau
Antifarbladungen
- Cyan, Magenta und Gelb
Unterschiede Eigenschaften Teilchen und Antiteilchen
- elektrische Ladung
- magnetisches Moment
- ladungsartigen Quantenzahlen
nur vom Betrag her gleich groß
Gemeinsamkeiten Eigenschaften Teilchen und Antiteilchen
- Masse
- Lebensdauer
- Spin
- Art und Stärke der Wechselwirkung
Restwechselwirkung
- ist nicht der Haupteffekt der starken Wechselwirkung
- Anziehung von Nukleonen
Wirkungsbesreich starke Wechselwirkung
- wirkt auf Quarks und Gluonen, weil sie Farbladungen tragen
- Bosonen haben im Allgemeinen keine Farbladungen (außer Gluonen)
Massendefekt
- einzelnen Bausteine des Atomkerns ergeben zusammen eine größere Masse als Atomkern selbst
- wiederlegt die Annahme, dass die Masse bei allen Vorgängen erhalten bleibt
- entspricht der Bindungsenergie des Atomkerns
- setzt Bindungsenergie E=m*c^2 frei
Massenunterschied Neutron und Proton
0,08%
Prozent Alpha-Strahlung in Kosmischer Strahlung
12%
Äquivalentdosis
Dosisgröße für ionisierende Strahlung
Entstehung Elektron-Positron-Paar
- Beschießung eines Atoms mit einem Photon
Alphastrahlung und Gammastrahlung Unterschied
- Alphastrahlung hat um den Faktor 20 größeres Ionisationspotential als Gammastrahliung bei gleicher Energie
- sie kann leicht abgeschirmt werden, Gefahr nur bei Schlucken von Stoffen
Geladene Strahlungen
- alpha und beta- Strahlung
- gamma Strahlung wird durch Photonen vermittelt und ist nicht geladen
Unterschied Masse Proton und Elektron
- Proton 2000 schwerer als Elektron
Auslösung Kernspaltung
- Neutronen mit genügend kinetischer Energie können andere Kerne anregen, sich zu spalten
- da sie bei jeder Kernspaltung entstehen, können sie eine Kettenreaktion in Gang setzen
Absorption
- Aufnahme von Wärmestrahlung aus der Umgebung bis Strahlungsgleichgewicht erreicht wird
Absorptionsspektrum
- Atome (in Form von Gas) werden mit weißem Licht aller Frequenzen beschienen
- Aufgrun der Bahnstruktur können die Elektronen des Atoms aber Licht bestimmter Energie absorbieren
- Dabei nehmen die Elektronen diese Energie auf und die entsprechenden Frequenzen finden sich im Spektrum als schwarze Linien
Radioaktive Nuklide
- ca. 3000 zu 260
- schwere Nuklide mit einer Massenzahl größer als 208 sind immer radioaktiv
- die in radioaktiven Nukleiden ablaufenden Kernreaktionen haben immer ionisierende Strahlung zur Folge
Atomorbitale
- beschreiben Bindung von Elektronen an Atomkern und sind damit Folge der Coloumbkraft
Stabilität leichter Atomkerne
- Reichweite der starken Wechselwirkungen ist sehr klein
- Ab einer Entfernung größer als 2,5 * 10^-15 m nimmt sie schlagartig ab und wirkt nur noch auf benachbarte Nukleonen
- demgegenüebr wirkt die Coloumb-Kraft jedes Protons auf alle Protonen im Kern
- bei schwerer werdenen Atomen steigt die Coloumb-Kraft stärker an als die starke Wechselwirkung
Quark Art
- up
- down
- top
- bottom
- strange
- charm
Ionisierende Strahlung
- Teilchenstrahlung
- elektromagnetische Wellen
- dies hängt von der Energie der Teilchen/der Welle ab
Wasserstoff-Kerne
Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung
Kosmische Strahlung Bestandteile
- Solarstrahlung
- galaktische Strahlung (unsere Galaxie, Milchstraße)
- Entstehung in anderen Galaxien
Bosonen
- Elementarteilchen zur Übertragung von Kräften
Korrenspondenzprinzip
- in makroskopischen Fälen gibt es einen sehr kleinen Bereich für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Dieser Bereich wandert kontinuierlich mit der Zeit, sodass man die Bewegung des Objektes als klassische Teilchenbahn sich vorstellen kann
Orbitale
- rechnerisch die Lösung der Schrödinger-Gleichung
- können verschiedene Anordnungen im Raum haben, die u.a. durch Magnetfelder beeinflusst werden
Quantenzahl m
- Neigung des Drehimpulsvektors gegen äußeres Magnetfeld
p-Orbital
kann drei Werte annehmen, womit drei Stellungen im Raum möglich sind
- weisen Knotenebene auf, in der die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons null ist
d Orbitale
fünf unterschiedliche Aufenthaltswahrscheinlichkeiten
Rekombination
- Wiederhetstellung des Zustandes eines Atoms mit vollständiger Zahl an Elektronen
- Abgabe von Ionisationsenergie in Form von Strahlung
Stoßionisation
- Beschuss von Atomen mit beschleunigten Elektronen
- Plasma
Ionisierungsenergie
- äußere Schalen geringere Ionisierungsenergie
- innere höhere Ionisierungsenergie
potentielle Energie
- Elektronen auf inneren Schalen niedrigere potentielle Energie als die auf den äußeren
Gravitation und Kernkraft
- Gravitation 38 Größenordnungen schwächer
Quarks
- außer up and down quarks, sind strange, charm, bottom und top Quarks instabil und können als höher energetische Zustände der beiden Grundquarks angesehen werden
- Anziehungskräfte untereinander so stark, dass sie niemals als freie Teilchen vorkommen
- Potential der Starken Wechselwirkung nimmt mit dem Abstand der Quarks zunimmt
Trennung Quarks
- bei Trennung Quarks bilden sich aus extrem anwachsenden Energiefeld neue Quark-Antiquark-Paare
Kernkraft
- hält Protonen und Neutronen im Kern zusammen
- Restkraft der starken Wechselwirkung
- stärker als gegenseitige Abstoßung
- wirkt nur zwischen direkt benachbarten Nukleonen
Bindungsenergie pro Nukleon
- steigt mit steigender Nukleonenzahl
Geiger-Nuttal-Regel
- Aktivität einer Substanz ist mit der Energie der austretenden Teilchen gekoppelt
Energie alpha-Teilchen
- umso größer, je instabiler Kern war
- da große Kerne
Neutrino
- elektrisch neutrales Elementarteilchen mit sehr geringer Masse
- so gut wie keine Wechselwirkung mit anderer Materie
- Nachweis schwierig
Vorkommen beta-Zerfall
- wenn Kern zu viele Protonen besitzt, aber nicht alpha-instabil ist
Beta+ Zerfall
- Proton wandelt sich in ein Neuton und es entsteht ein Antielektron (Positron und Neutrino)
- A bleibt konstant, Z nimmt um 1 ab
Positron
- nicht langlebig
- sobald es auf sein zugehöriges Antiteilchen trifft (Elektron) wird es mit diesem zusammen zu gamma-Strahlung vernichtet
Bedeutung beta+ Zerfall
- erster Teilprozess in Wasserstofffusion, der Hauptenergiequelle der Sterne und der Sonne ist
für Kernspaltung geeignetes Isotop
- Uran 235h
- muss man für Brennelement auf 3% anreichern
Kernspaltung
- ereignet sich spontan nur selten
- Aktivierung durch U235 durch Beschießen mit Neutronen
- nach Eindringen des Neutrons entsteht der Zwischenkern 236U mit deutlich höherer Bindungsenergie
- bei dieser Bildung frei werdene Energie wird Kern instabil, er zerplatzt in zwei Bruchstücke
- Entstehung von zwei oder weiteren freien Neutronen, die Aktivierungsprozess fortsetzen
Gleichgewicht der Spaltung
- durch Steuerelement, ein Material, das zu viele Neutronen absorbiert
- Verlangsamung durch Moderator (z.B. Wasser)
- Kühlmittel zum Abtransport kinetischer Energie
Spaltprodukte Kernspaltung
- meist radioaktiv, weil Tochterkerne viele Neutronen enthalten
- lange Halbwertszeiten
Bedeutung Kernfusion
- Energiequelle der Sterne und Sonne
- es gäbe keine Lebewesen im Kosmos
Ionisierende Stahlung
- hochenergetische Teilchen oder Photonen
Teilchenstrahlung
- alpha und beta Strahlung
- Neutronen
- kosmische Strahlung (überwiegend Protonen)
- schnelle schwere Kerne
Photonenstrahlung
- Röntgen und Gamma-Strahlung
Geiger Müller Zähler
- Messgerät zur Messung radioaktiver Strahlung
Biologische Wirkung Alpha-Strahlung
- haben aufgrund Masse hohes spezifisches Ionisationsvermögen und verlieren hohen Energieanteil auf kurzer Strecke
- in Wasser Reichweite einiger mm
- in Luft Reichweite einiger cm
Biologische Wirkung b-Strahlen
- geringes spezifisches Ionisationsvermögen
- bei Wechselwirkung mit Materie erleiden sie im Allgemeinen eine Richtungsstreuung
- Reichweite Luft 5m/MeV, in Wasser 1cm/MeV, Metall 2 mm/MeV
Neutronen
-
Biologische Wirkung Gamma-Strahlen
- hochenergetische Photonen
- verlieren Energie nicht in gleichen Portionen bei vielen Ereignissen wie Teilchenstrahlen, sondern in einem einzelnen Absorptionsvorgang
- Photoeffekt, Compton-Effekt oder Paarbildung
Photoeffekt
- dominiert bei niedrigen Photonenenergien
- Elektron absorbiert Photon, und wird aus Atomhülle befreit
Compton-Effekt
- Photon wird an einem freien Elektron gestreut und gibt Teil seiner Energie an das Lektion ab, wodurch Photon nun niedrigere Energie besitzt
- bei mittleren y-Energien
Paarbildung
- bei hohen Energien
- Photon verwandelt sich in ein symmetrischen Teilchen-Antiteilchen
- Photon muss mindestens Ruhemassenenergie der beiden Teilchen aufweisen
- in Metallen einige cm/MeV und in Wasser einige m/MeV
Aktivität Einheit
- 1 Becquerel
- alt Curie
Gray
in einem Objekt pro Masse aufgenommene Energie
natürlich vorkommende Isotope
500
künstlich hergestellte Isotope
1500
Istope Zinn
besitzt 10 stabile Isotope
Reinelemente
- mit nur einem Isotop
- 22
- Beryllium, Aluminium, Natrium, Fluor, Mn, Au
Chlor Bestandteile
- zu 75% aus C35, zu 25% C37
Isotope Reaktionskinetik
- durch Abweichungen in Masse unterschiedliche Reaktionskinetik
Rutherfordscher Streuversuch
- Bestrahlung einer Goldfolie mit der aus dem radioaktiven Element Radium emittierten Teilchenstrahlung
1 eV
Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1 V erhält
Größter stabilster Kern
Pb208
