Big Bang HTL 4, Schulbuch

138 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Gibt es zu viele Neutronen, wandelt sich ein Neutron in ein Proton um und ein Elektron wird aus dem Kern geschleudert. Das nennt man β – -Zerfall (Abb. 15.7 a). Gibt es zu viele Protonen, wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und ein Positron wird aus dem Kern geschleudert. Das nennt man β + -Zerfall (Abb. 15.7 b). n → p + + e – + — ν e p + → n + e + + ν e Abb. 15.7: Schematische Darstellung von β – -Zerfall (a) und β + -Zerfall (b): Die Kernenergie sinkt, weil das zerfallende Nukleon auf ein niedrigeres Niveau springt. Der einfachste β – -Zerfall ist der eines einzelnen Neutrons. Dieses zerfällt nach etwa 15 Minuten von selbst ( F4 ). Warum ist das möglich? Weil das Neutron eine größere Masse hat als Proton und Elektron zusammen. Gibt es einen β + -Zerfall eines freies Protons? Nein, weil seine Masse kleiner ist als die des Neutrons. Und das ist gut so, weil sonst wären etwa Wasserstoffatome instabil und somit auch Wassermoleküle. Daraus besteht aber der Großteil deines Körper. Info: Zerfallendes Neutron Zusammenfassung Hat ein Kern zu viele Protonen oder Neutronen, ist er insta- bil, und es kommt zum Beta-Zerfall. Dabei wandelt sich ein Neutron in ein Proton um oder umgekehrt. Ein Elektron oder Positron wird aus dem Kern geschleudert und dieser wird dadurch stabiler. 15.1.3 γ -Emission Nach einem α - oder β -Zerfall befinden sich Kerne manchmal noch in einem angeregten Zustand. Das heißt, dass zumin- dest ein Nukleon nicht das niedrigstmögliche Niveau be- setzt. Wenn es „zurückspringt“, gibt es die überschüssige Energie in Form eines hochenergetischen Photons ab, eines sogenannten γ -Quants. Man kann also salopp von einem „Quantensprung im Kern“ sprechen (Abb. 15.8; Tab. 15.1). Es ist auch der Begriff γ -Zerfall üblich, der historisch bedingt aber nicht günstig ist, weil ja im Gegensatz zu α - und β -Zer- fall nichts zerfällt. An der Position in der Nuklidkarte ändert eine γ -Emission nichts. Z Zusammenfassung Eine γ -Emission entsteht durch einen „Quantensprung im Kern“. Ein angeregtes Nukleon springt auf ein niedrigeres Niveau und sendet ein hochenergetisches Photon ( γ -Quant) aus. Ladungs- und Massenzahl bleiben dabei erhalten. 15.1.4 Biologische Wirkung Jeder weiß, dass radioaktive Strahlung für den Menschen gefährlich ist, aber was verursacht sie eigentlich im Körper ( F5 )? Ihr Eindringen führt vor allem zur Erzeugung von Ionen (Abb. 15.9), indem etwa Elektronen aus den Atom- hüllen abgelöst werden. Deshalb spricht man auch von ioni- sierender Strahlung. Weiters kommt es zur Spaltung von Molekülen und zur Erzeugung von freien Radikalen. Das sind chemisch sehr aggressive Molekülteile mit ungepaar- ten Elektronen. Z Zerfallendes Neutron Sehen wir uns die Energiebilanz beim Neutronenzerfall an: Ein Neutron hat 1,674927· 10 –27 kg, Proton und Elektron haben in Summe 1,67353 · 10 –27 kg. Die Differenz beträgt 1,39 · 10 –30 kg. Nach E = mc 2 entspricht das einer Energie von 1,25 · 10 –13 J oder 0,78 MeV. Man kann das so schreiben: n → p + + e – + — ν e + 0,78 MeV Die Energie verteilt sich auf die kinetische Energie von Elek- tron und Proton und auf das Neutrino. Freie Protonen können auf Grund der Energiebilanz nicht von selbst zerfallen: p + + 1,8 MeV → n + e + + ν e Es wäre eine Energie von etwa 1,8 MeV notwendig, die aus dem Nichts kommen müsste (rechne nach). Warum kann aber ein Proton im Kern zerfallen? Weil die nötige Energie aus der Verringerung der Kernmasse gewonnen wird. i Abb. 15.8: Schematische Darstellung einer γ -Emission: Es handelt sich dabei um einen „Quanten- sprung im Kern“. (Anm.: In der Regel treten γ -Zerfälle nur bei sehr hohen Nukleonenzahlen auf). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

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