Elemente, Schulbuch

13 1.3 RadIOaKtIvItÄt F = k • Q 1 • Q 2 r 2 Neutron Proton Abstoßung Proton–Proton (etwas schwächer, aber weit reichender) Anziehung Proton–Neutron (etwas stärker, aber nur kurz reichend) Kern stabil Kern zerfällt radioaktiv n p + e + Energie 1 0 1 1 0 –1 radioaktives Stoffgemisch Bleiblock Schirm αγ β + + + + + + + + + + + – – – – – – – – – – – starkes elektrisches Feld α -Teilchen U He + Th 238 92 4 2 234 90 He 4 2 Th 234 90 U 238 92 F ........ Kraft zwischen den Ladungen k ........ Proportionalitätsfaktor r ........ Abstand der Ladungen Abb. 13.1: Coulomb´sches Gesetz Abb. 13.2: Kräfte zwischen Nukleonen Abb. 13.3: Zerfall des Neutrons Abb. 13.4: Arten des radioaktiven Zerfalls Abb. 13.5: a -Zerfall 1.3 RadIOaKTIVITÄT Kernmodell • α -, β - und γ -Strahler • Natürlicher radioaktiver Zerfall • Halbwerts- zeit • 14C-Methode Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford beruht auf elektrischen Wechselwirkungs- kräften. Die Hülle mit den negativ geladenen Elektronen wird vom positiv geladenen Kern elektrisch angezogen; die Elektronen der Hülle können daher den Bereich um den Atomkern nicht verlassen. Es erhebt sich nun die Frage, weshalb der Atomkern selbst stabil ist, da sich die Protonen sehr stark abstoßen müssten. Die elektrischen Kräfte zwischen Ladungen Q 1 und Q 2 beschreibt das Coulomb´sche Gesetz : Abb. 13.1. Der Abstand zwischen den Protonen ist nun 10 4 – 10 5 mal kleiner als der Abstand zwischen Kern und Hüllenelektronen. Die abstoßende Kraft zwischen den Protonen muss daher (10 4 ) 2 bis (10 5 ) 2 , also ca. 1 Milliarde mal größer sein als die anziehende Kraft zwischen Kern und Hülle. Wären nur elektrische Kräfte wirksam, so könnten Atomkerne nicht stabil sein. Im Kern gibt es eine weitere Kraft, die die Atomkerne zusammenhält. Diese Kern- bindungskraft wirkt zwischen allen Kernteilchen. Sie ist extrem stark, hat aber nur eine sehr kurze Reichweite. Sie nimmt mit der Entfernung so rasch ab, dass sie prak- tisch nur zwischen benachbarten Kernteilchen wirksam ist. Insgesamt muss die Kernbindungskraft die Protonenabstoßung deutlich überwiegen, wenn der Kern stabil sein soll. Daher enthalten alle Kerne außer 1 H Neutronen (Abb. 13.2). Diese „bringen“ Kernbindungskraft, sind aber als neutrale Teilchen nicht der elekt- rischen Abstoßung unterworfen. Die Neutronenzahl im Kern kann aber nicht belie- big groß werden. Ein freies Neutron ist kein stabiles Teilchen. Es zerfällt in ein Proton und ein Elektron (Abb. 13.3). Im Kern sind Neutronen nur dann stabil, wenn ihre Zahl die der Protonen nicht zu stark übersteigt. Daher gibt es nur eine beschränkte An- zahl stabiler Nuklide. Hat ein Kern zu wenig Neutronen, so zerfällt er (zu wenig Kernbindungskraft), hat er zu viel Neutronen, so zerfällt er, weil ein Kernneutron zerfällt. Bei großen Kernen ist für einen stabilen Zustand ein immer größerer Neutronenanteil erforderlich. Das führt dann dazu, dass ab Z = 84 keine stabilen Nuklide mehr möglich sind. (Auch die Elemente Tc [43] und Pm [61] gibt es als stabile Nuklide nicht. Dies kann aber nur mit einer genaueren Theorie des Atomkerns begründet werden.) Bei natürlichen radioaktiven Stoffen, wie zB Uranerz, hat man drei Arten der radio- aktiven Strahlung entdeckt, die sich beim Durchgang durch ein elektrisches Feld aufspalten lassen. Man nennt sie α -, β -, und γ -StrahIung (Abb. 13.4). a -Strahler Schwere Kerne mit Neutronenmangel sind häufig α -Strahler. Beim α -Zerfall zerfällt der Kern in einen 4 He- und den Restkern. Diese 4 He-Kerne nennt man α -Teilchen. Sie werden mit ca. 6 % der Lichtgeschwindigkeit aus dem Kern des α -Strahlers emittiert. Das α -Teilchen zeigt auf Grund seiner zweifachen positiven Ladung sehr starke Wechselwirkung mit der ungeladenen Materie. Es ionisiert längs seiner Bahn die Atome, auf die es trifft. Dadurch verliert es an Bewegungsenergie und bleibt schließ- lich stecken. Durch Einfang von zwei Elektronen wird es zu einem Helium-Atom. Der Restkern gibt seine zwei überschüssigen Elektronen an die ionisierten Atome der Umgebung ab. Die Summe der Ladungen bleibt dabei erhalten. Bei der Zerfallsglei- chung werden auf Grund der viel höheren Energien im Atomkern die Ionenladungen der Gesamtatome nicht angeschrieben. (Abb. 13.5: Eigentlich müssten das α -Teilchen 4 He 2+ und der entstehende Restkern 234 Th 2– angeschrieben werden.) In der Luft beträgt die Reichweite von α -Strahlen einige Zentimeter, in fester Mate- rie nur wenige Millimeter. α -Strahlung ist daher leicht abschirmbar (bereits ein Blatt Papier genügt dazu). Gelangen α -Strahler allerdings durch Einatmen oder mit dem Trinkwasser in den Körper und zerfallen erst dort, so zerstört das α -Teilchen längs seiner Bahn das Gewebe. Inkorporierte α -Strahler sind daher höchst gefährlich. 1.2 atOMMasse – MOl Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv