EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Arten der radioaktiven Starhlung 1.3 Radioaktivität 12 12 Protonenabstoßung - Kernbindungskraft Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford beruht auf elektrischen Wechselwir- kungskräften. Die Hülle mit den Elektronen wird vom positiv geladenen Kern elektrisch angezogen, die Elektronen können daher den Bereich um den Atom- kern nicht verlassen. Es erhebt sich nun die Frage, weshalb der Atomkern selbst stabil ist, da sich die Protonen sehr stark abstoßen. Wären nur elektrische Kräfte wirksam, so könn- ten Atomkerne nicht stabil sein. Im Kern gibt es eine weitere Kraft, die die Atomkerne zusammenhält. Diese Kern- bindungskraft (auch starke Wechselwirkung genannt) wirkt zwischen allen Kernteil- chen. Sie ist extrem stark, hat aber nur eine sehr kurze Reichweite. Sie nimmt mit der Entfernung rasch ab, da sie praktisch nur zwischen benachbarten Kernteilchen wirksam ist. Insgesamt muss die Kernbindungskraft die Protonenabstoßung deutlich überwie- gen, wenn der Kern stabil sein soll. Daher enthalten alle Kerne außer 1 H Neutronen. Diese „bringen“ Kernbindungskraft, werden aber als neutrale Teilchen nicht abge- stoßen. Die Neutronenzahl im Kern kann nicht beliebig groß werden. Ein freies Neutron ist kein stabiles Teilchen. Es zerfällt in ein Proton und ein Elektron (Abb. 12–1). Im Kern sind Neutronen nur dann stabil, wenn ihre Zahl die der Protonen nicht zu stark über- steigt. 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 Neutro- nen, so zerfällt er, weil ein Kernneutron zerfällt. Bei großen Kernen ist für einen stabilen Zustand ein immer größerer Neutronenan- teil erforderlich. Das führt dann dazu, dass ab Z = 83 keine stabilen Nuklide mehr möglich sind. (Auch die Elemente 43 Tc und 61 Pm gibt es als stabile Nuklide nicht. Dies kann aber nur mit einer genaueren Theorie des Atomkerns begründet werden.) Arten der radioaktiven Strahlung Bei natürlichen radioaktiven Stoffen, wie zB Uranerz, hat man drei Arten der radioaktiven Strahlung entdeckt, die sich beim Durchgang durch ein elektri- sches Feld aufspalten lassen. α -Strahler : Schwere Kerne mit Neutronenmangel sind häufig  -Strahler. Beim  -Zerfall zerfällt der Kern in einen 4 He-Kern und den Restkern. Diese 4 He-Kerne nennt man  -Teilchen. Sie werden mit ca. 6 % der Lichtgeschwindigkeit aus dem Kern des  -Strahlers emittiert. Es entsteht ein neuer Kern mit einer Mas- senzahl, die um 4 und einer Ordnungszahl, die um 2 geringer ist. Bei der Zerfallsgleichung (Abb. 12–2) werden die Ionenladungen der Gesamta- tome nicht angeschrieben. β -Strahler : Kerne mit Neutronenüberschuss sind β -Strahler. Im Kern zerfällt dabei ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (derselbe Prozess, der auch beim freien Neutron stattfindet). Das entstehende Elektron wird mit bis zu 96 % der Lichtgeschwindigkeit vom Kern emittiert. Die raschen Elektronen nennt man β -Teilchen. Der neue Kern besitzt die gleiche Massenzahl und eine um eins höhere Ordnungszahl (Abb. 12–3). γ -Strahler: γ -Strahler sind elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenz. Röntgenstrahlen und γ -Strahlen sind dieselbe Erscheinung. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. γ -Strahlen werden aus Atomkernen emittiert, die einen Energieüberschuss besitzen. γ -Strahlung tritt daher häufig als Be- gleitstrahlung von  - und  -Zerfällen auf. Bei der Abgabe von γ -Quanten selbst ändern sich Z und A des Atomkerns nicht. γ -Strahlen lassen sich nur unvoll- ständig abschirmen. Dezimeterdicke Bleiwände und meterdicke Betonwände werden zur Herabsetzung intensiver γ -Strahlung auf ein gesundheitserträgli- ches Maß verwendet (Abb. 12–4). Abb. 012–4: Der  -Zerfall Abb. 012–3: Der  -Zerfall Be 8 4 Li 8 3 e 0 –1 Li Be + e 8 3 8 4 0 –1 – -Teilchen β n p + e + Energie 1 0 1 1 0 –1 -Teilchen U He + Th 238 92 4 2 234 90 He 4 2 Th 234 90 U 238 92 α Abb. 012–1: Zerfall des Neutrons  -Strahler und  -Strahlung * 4 He-Kerne * 6 % der Lichtgeschwindigkeit * Starke Wechselwirkung mit ungeladener Materie * Reichweite in Luft: einige cm * Leicht abschirmbar (Blatt Papier genügt) * Inkorporation (durch Einatmen oder Verschlu- cken) sehr gefährlich  -Strahler und  -Strahlung * Elektronen * 96 % der Lichtgeschwindigkeit * geringe Wechselwirkung mit ungeladener Materie * Reichweite in Luft: einige cm * Inkorporation (Durch Einatmen oder Verschlu- cken) sehr gefährlich  -Strahler und  -Strahlung * Elektromagnetische Wellen * Lichtgeschwindigkeit * Begleitstrahlung * Fast nicht abschirmbar Stelle die Zerfallsgleichung für den  -Zerfall von 238 U auf. Stelle die Zerfallsgleichung für den  -Zerfall von 239 Np auf. 14 C zerfällt zu 14 N. Stelle die Zerfallsgleichung auf. Üb Übung 12.1 PLUS Abb. 012–2: Der  -Zerfall Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv