EL-MO I Elemente, Schulbuch

PLUS Arten der radioaktiven Strahlung 1.3 Radioaktivität 12 12 Protonenabstoßung - Kernbindungskraft Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford beruht auf elektrischen Wechselwirkungs- kräften. Die Hülle mit den Elektronen wird vom positiv geladenen Kern elektrisch angezogen, die Elektronen können daher den Bereich um den Atomkern nicht verlassen. Die elektrische Kraft zwischen Ladungen beschreibt das Coulomb`sche Gesetz (Abb. 12–1). Demnach nimmt die Kraft mit dem Quadrat der Entfernung zwischen den Ladungen ab. Es erhebt sich nun die Frage, weshalb der Atomkern selbst stabil ist, da sich die Protonen im Kern abstoßen. Wie wir wissen, ist die Entfernung zwischen den Pro- tonen 10 4 bis 10 5 mal kleiner als die Entfernung zwischen Kern und Elektronen (Größenverhältnis Kern – Hülle). Durch die quadratische Beziehung ist die Absto- ßungskraft der Kernprotonen also etwa 1 Milliarde Mal so groß wie die Anzie- hungskraft zwischen Kern und Hülle. Wären nur elektrische Kräfte wirksam, so könnten Atomkerne also nicht stabil sein. Im Kern muss es daher eine weitere Kraft geben, die die Atomkerne zusammen- hält. Diese Kernbindungskraft (starke Wechselwirkung) wirkt zwischen allen Kern- teilchen. Sie ist extrem stark, hat aber nur eine sehr kurze Reichweite. Sie nimmt mit der Entfernung so rasch ab, dass sie praktisch nur zwischen benachbarten Kernteilchen wirksam ist. Insgesamt muss die Kernbindungskraft die Protonenabstoßung deutlich über- wiegen, wenn der Kern stabil sein soll. Daher enthalten alle Kerne außer 1 H Neu- tronen. Diese „bringen“ Kernbindungskraft, werden aber als neutrale Teilchen nicht abgestoßen. Die Neutronenzahl im Kern kann aber nicht beliebig groß werden. Ein freies Neu- tron ist kein stabiles Teilchen. Es zerfällt leicht in ein Proton und ein Elektron (Abb. 12–3). Im Kern sind Neutronen mit Protonen durch die schwache Wechselwirkung verbunden, eine Kraft, die nur zwischen Protonen und Neutronen wirkt, und die Neutronen stabil hält, wenn ihre Zahl die der Protonen nicht zu stark übersteigt. Daher gibt es nur eine beschränkte Anzahl 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. Diese Kernzerfälle nennt man radioak- tive Zerfälle, da die Kerne beim Zerfall Strahlung in Form von Teilchen und Energie aussenden. In einer Nuklidkarte sind alle bekannten Nuklide angeführt. Die x-Achse bildet die Neutronenzahl N , die y-Achse die Ordnungszahl Z . In einer waagrechten Linie fin- den wir also die Isotope zu einem Element. In der (etwas vereinfachten) Nuklid- karte (Abb. 12–5) sieht man die stabilen Nuklide schwarz eingezeichnet, Nuklide mit Neutronenmangel rot, Nuklide mit zu vielen Neutronen blau. Sehr große Kerne sind gelb (Neutronenmangel) oder blau (Neutronenüberschuss) eingezeichnet. Die Farben entsprechen unterschiedlichen radioaktiven Zerfällen. Aus der Karte kann man erkennen, dass die stabilen Nuklide kleiner Kerne aus etwa gleich vielen Protonen und Neutronen aufgebaut sind, bei größeren Kernen (ab etwa Z = 20) aber ein immer größerer Neutronenanteil erforderlich ist. Die elektrische Abstoßung hat ja eine viel größere Reichweite, wirkt also durch den ganzen Kern, die Kernbindungskraft wirkt aber nur zwischen Nachbarteilchen. Das führt dann dazu, dass ab Z = 83 keine stabilen Nuklide mehr möglich sind. Die benötigte Neutronenzahl wäre dann so groß, dass bereits zu wenige Protonen zum Erhalt der Neutronenstabilität vorhanden sind. Auch die Elemente 43 Tc und 61 Pm gibt es nicht als stabile Nuklide. Dies kann aber nur mit einer genaueren Theorie des Atomkerns begründet werden. Arten der radioaktiven Strahlung Bei natürlichen radioaktiven Stoffen, wie zB Uranerz, welches ein Gemisch ver- schiedener radioaktiver Nuklide ist, hat man drei Arten der radioaktiven Strah- lung entdeckt, die sich beim Durchgang durch ein elektrisches Feld aufspalten lassen. Man hat sie α -, β - und γ -Strahlung genannt (Abb. 12–4). Abb. 012–4: Arten des radioaktiven Zerfalls Abb. 012–3: Zerfall des Neutrons Abb. 012–2: Kräfte zwischen Nukleonen Abb. 012–1: Coulomb´sches Gesetz 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 F ..... Kraft zwischen den Ladungen k ..... Proportionalitätsfaktor r ..... Abstand der Ladungen Abb. 012–5: Nuklid-Karte radioaktives Stoffgemisch Bleiblock Schirm β γ α + + + + + + + + + + – – – – – – – – – – starkes elektrisches Feld H 1 He 2 Li 3 Be 4 B 5 C 6 N 7 O 8 F 9 Ne 10 Na 11 Mg 12 Al 13 Si 14 P 15 S 16 Cl 17 Ar 18 K 19 Ca 20 Sc 21 Ti 22 V 23 Cr 24 Mn 25 Fe 26 Co 27 Ni 28 Cu 29 Zn 30 Ga 31 Ge 32 As 33 Se 34 Br 35 Kr 36 Rb 37 Sr 38 Y 39 Zr 40 Nb 41 Mo 42 Tc 43 Ru 44 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cd 48 In 49 Sn 50 Sb 51 Te 52 I 53 Xe 54 Cs 55 Ba 56 La 57 Ce 58 Pr 59 Nd 60 Pm 61 Sm 62 Eu 63 Gd 64 Tb 65 Dy 66 Ho 67 Er 68 Tm 69 Yb 70 Lu 71 Hf 72 Ta 73 W 74 Re 75 Os 76 Ir 77 Pt 78 Au 79 Hg 80 Tl 81 Pb 82 Bi 83 Po 84 At 85 Rn 86 Fr 87 Ra 88 Ac 89 Th 90 Pa 91 U 92 Np 93 Pu 94 Am 95 Cm 96 Bk 97 Cf 98 Es 99 Fm 100 Md 101 No 102 Lr 103 Rf 104 Db 105 Sg 106 Bh 107 Hs 108 Mt 109 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Fl 114 Mc 115 Lv 116 Ts 117 Og 118 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32 31 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 Protonenanzahl Neutronenanzahl Halbwertszeiten stabilesNuklid 10bis50Mio. Jahre 1000bis 100000 Jahre 10bis 1000 Jahre 1Tagbis 10 Jahre 1Stundebis 1Tag 1Minutebis 1Stunde < 1Minute PrimordialesNuklid (war schonbeiderEntstehungderErde vorhanden und istnochnicht vollständig zerfallen) H 1 He 2 Li 3 Be 4 B 5 C 6 N 7 O 8 F 9 Ne 10 Na 11 Mg 12 Al 13 Si 14 P 15 S 16 Cl 17 Ar 18 K 19 Ca 20 Sc 21 Ti 22 V 23 Cr 24 Mn 25 Fe 26 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32 31 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Protonenanzahl Neutronenanzahl Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv