Sexl Physik 8, Schulbuch

81 | N S Ionenstrahl langsame Teilchen schnelle Teilchen schweres Isotop leichtes Isotop Detektor 81.1 Prinzip des Massenspektrometers. Die Teilchen des Ionenstrahls werden in einem elektrischen und einem magnetischen Feld nach Masse und Ladung getrennt (siehe auch Physik 7, S. ## ). 1 1 H 2 1 H 3 1 H 10 m -15 Wasserstoff Deuterium Tritium 81.2 Bei Wasserstoff treten drei Isotope auf: Wasserstoff H-1, Deuterium H-2 und Tritium H-3. Protonenzahl Z Neutronenzahl N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 81.3 In der Nuklidkarte ist jeder Kern als Punkt in der N-Z-Ebene dargestellt ( N Neutro- nenzahl, Z Protonenzahl). Dargestellt sind hier nur die stabilen Isotope. Ab Z = 20 haben Kerne mehr Neutronen als Protonen. In der Natur gibt es ca. 270 stabile und 70 radioaktive Nuklide. Elemente sind durch die Ordnungszahl charakterisiert, Nuklide durch Ordnungs- zahl und Massenzahl. Die verschiedenen Nuklide eines Elements werden als Isotope bezeichnet. Druck, die Kohlendioxidemissionen zu vermindern, bewirken gegenwärtig in vie- len Ländern eine Renaissance der Kernenergie. In Österreich wurde der Betrieb von Kernkraftwerken 1978 aufgrund einer Volksabstimmung per Gesetz untersagt. Für Europa ist die Kernenergie nach wie vor eine bedeutende Energiequelle. 1.1 Die Struktur der Atomkerne Die Ausdehnung und die chemischen Eigenschaften eines Atoms werden durch die Elektronenhülle bestimmt. Sie trägt aber nur etwa 0,02 % zur Masse eines Atoms bei, die fast zur Gänze im Atomkern vereint ist. Er trägt die positive Ladung Ze , wo- bei Z die Ordnungszahl des betreffenden chemischen Elements im Periodensystem und e die Elementarladung ist. a) Die Massen der Atomkerne Die Massen der Atomkerne werden mit dem Massenspektrometer ( 81.1 ) gemes- sen. Die Massen von Neutron und Proton sind fast gleich ( m n = 1,6749·10 –27 kg, m p = 1,6726·10 –27 kg ). Die Masse eines Atomkerns ist daher näherungsweise ein ganzzahliges Vielfaches der Protonenmasse. Dieses Vielfache nennt man die Mas- senzahl A des Atomkerns. A gibt die Anzahl der Kernbausteine ( Nukleonen ) im Atomkern an. Die Anzahl der Protonen wird als Kernladungszahl Z bezeichnet. Sie charakterisiert das Element im Periodensystem, da sie die Anzahl der Elekt- ronen und damit das chemische Verhalten des Elements bestimmt. Die Anzahl der Neutronen kann bei ein und demselben Element variieren. Elemente gleicher Pro- tonenzahl aber verschiedener Neutronenzahl bezeichnet man als Isotope ( 81.3 ). Die Isotope eines Elements zeigen dasselbe chemische Verhalten. Ein Atomkern mit der Massenzahl A besteht aus Z Protonen und N = A – Z Neutronen. Isotope eines Elements unterscheiden sich in der Anzahl von Neutronen. Die Angabe der Massenzahl eines Atomkerns kann auf zwei Arten erfolgen. Z. B. schreibt man das Eisenisotop mit A = 56 entweder als Fe-56 oder als 5 2 6 6 Fe, wenn auch die Kernladungszahl Z = 26 angegeben werden soll. Im Allgemeinen gibt man nicht die absolute Masse eines Atoms an, sondern seine relative Masse, d. h. als Vielfaches der atomaren Masseneinheit u. u ist definiert als der zwölfte Teil der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops C-12, es gilt da- her 1 u = 1,660 538 921·10 –27 kg (Physik 6, S. 9). Wie wir bereits im Kapitel Relativitätstheorie (S. 26) gesehen haben, ist die Masse eines Atomkerns etwas geringer als die Summe der Massen der in ihm enthaltenen Protonen und Neutronen. Dieser Massendefekt ∆ m ist auf die Bindungsenergie ∆ E der Teilchen im Atomkern zurückzuführen und beträgt ∆ m = ∆ E / c 2 . Dabei ist ∆ E die Energie, die bei der Bildung des Kerns aus den einzelnen Nukleonen frei wird. Analog ist zur Entfernung eines Nukleons aus einem Kern, der aus A Nukleonen besteht, die Energie ∆ E / A erforderlich. Sie beträgt einige Millionen Elektronen- volt (MeV) und ist damit Millionen mal größer als die Energie, die man aufwenden muss, um Elektronen aus dem Atomverband zu lösen, also ein Atom zu ionisieren. Berechnung der Bindungsenergie für Helium: m p = 1,007276 u m n = 1,008665 u 2 m p +2 m n = 4,031882 u m He = 4,002602 u ∆m = (2 m p +2 m n ) – m He ≈ 0,03 u Aus E = mc 2 folgt: 1 u ≈ 1,5·10 –10 J , d. h. bei der Bindung von zwei Protonen und zwei Neutronen zu einem He-Kern werden rund 0,03·1,5·10 –10 J = 4,5·10 –12 J frei. Die Messung des Massendefekts als Funktion der Massenzahl zeigt, dass Teil- chen in Atomkernen mit Massenzahlen zwischen 50 und 60 besonders stark ge- bunden sind ( 82.2 ). Die größte Bindungsenergie pro Teilchen tritt bei Eisenker- nen ( A = 56 ) auf. Energie wird daher bei der Verschmelzung von leichten Kernen ( A j 56 ) oder bei der Spaltung von schweren Kernen ( A h 56 ) freigesetzt. Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv