P 141: Der Kern des Ganzen (K)
23. Kernphysik
Wir untersuchen ja eingesperrte Quanten. Bisher haben wir nur Elektronen eingesperrt, in Potenzialtöpfen, Magnetfeldern und dem elektrischen Feld des Atomkerns.
Der Atomkern selbst ist aber auch ein Gefängnis, eins für Nukleonen. Nukleonen sind Protonen und Neutronen.
Aber auch Nukelonen selbst sind Gefängnisse, in ihnen sind die Quarks eingesperrt.
Dann ist Schluss...mehr Freiheitsberaubung für Quanten gibt es nicht!
Wir haben ja schon darauf hingewiesen, dass Rutherford mit Streuversuchen von Helium-Atomkernen (α - Teilchen) an einer dünnen Goldfolie den winzigen Atomkern entdeckt hat, der fast die gesamte Masse des Atoms trägt.
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| tec - science |
Aufgabe: Beschreibe das Bild und erkläre, weshalb Ruhterford schließen konnte, dass Atome fast leer sind und ihre gesamte Masse in einem winzigen Kern steckt.
Beschäftigen wir uns erst einmal mit dem, was manchmal aus dem Kern rauskommt...mit den Ausbruchsversuchen...
23.1 Radioaktive Strahlung
Es gibt drei Arten von Strahlung, die die Radioaktivität ausmacht.
α -Strahlung, β - Strahlung und γ - Strahlung.
Wie kann man feststellen, ob und wie diese Strahlen geladen sind?
Beschreibt das und wendet auch eure rechte und linke Hand dabei an....
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| leifiphysik |
Mit der Drei-Finger-Regel erhält man:
α -Strahlung ist positiv geladen
β -Strahlung ist negativ geladen
γ - Strahlung ist elektrisch neutral.
Durch die Kombination der Bewegung in elektrischen und magnetischen Feldern kann man Masse (Energie) und ladung der Strahlenobjekte bestimmen:
α -Strahlung: Zweifach positiv geladene Heliumatome, also Heliumatomklerne
β -Strahlun:g Elektronen (eigentlich β- -Strahlun, bei β + -Strahlungsind es Positronen)
γ - Strahlung: Photonen sehr kurzer Wellenlänge
Die Wellenlängen von Röntgenstrahlung und Gammastrahlung ist durchaus vergleichbar. Die Unterscheidung macht man eher durch den Ursprung:
Röntgenstrahlung kommt aus der inneren Elerktronenhülle durch Quantensprünge von Elektronen, Gammastrahlung aus dem Atomkern durch Quantensprünge von Protonen oder Neutronen.
Mehr dazu später...
Absorption:
Gammastrahlen sind sehr durchdringend, sie werden erst durch einige cm Blei oder Wasser abgeschirmt.
Für Betastrahlen reichen einige mm Blei aus, auch nach einigen cm durch Luft sind die Strahlen deutlich abgeschwächt.
Die Abschwächung von Beta- und Gammastrahlen folgt einem exponentiellen Gesetz.
Alphastrahlen durchdringen einige cm Luft, aber nur wenige Mikrometer Wasser oder Blei. Sie werden besonders am Ende ihrer Eindringtiefe besonders intensiv absorbiert.
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| physikunterrichtonline.de |
Alle Strahlenarten sind extrem gefährlich, da sie Atome und Moleküle ionisieren und somit Zellen zerstören und DNA abändern können.
23.2 Das Zerfallsgesetz
Wenn ein Atomkern radioaktive Strahlung abgibt, zerfällt er nicht, er wandelt sich nur um...Aber auch bei der Kernspaltung, z.B. bei Uran, gilt das gleiche Gesetz. Da könnte man eher von Zerfall sprechen, weil der Uranatomkern in zwei verschieden große Teile zerbricht (und dabei auch alle Arten der raioaktiven Strahlung abgibt).
Ganz oft meint man mit "Zerfall" immer eine exponentielle Abnahme. Also auch der Ladungszustand eines Kondensators "zerfällt" exponentiell.
23.2.1 Rechnen mit dem Zerfallsgesetz
N(t) ist die Anzahl der noch nicht "zerfallenen" Objekte zur Zeit t, No ist die Ausgangszahl zur Zeit t=0, λ ist die Zerfallskonstante. Ihre Einheit ist 1/sec, sie ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls, Quantensprungs, was auch immer...
Anschaulicher sind die folgenden Angaben:
Mittlere Lebensdauer τ = 1/ λ ist die Zeit, nach der N(t) auf 1/3 = 0,368 abgefallen ist.
Bekannt ist die Halbwertszeit HWZ
Nach der HWZ hat die Anzahl der vorhandenen, noch nicht zerfallenen Objekte, die Hälfte erreicht. Nach der doppelten HWZ sind es nur noch 1/4 usw...
Beim Kondensator ist τ= R*C und somit die Ladekonstante 1/(RC).
Hier nun ein typischer Graph für exponentiellen Abfall:
Hinweis zu verknpüftem Lernen:
Solche Kurven kennt ihr als Entladung von Kondensatoren, komischerweise aber auch für die Aufladung eines Kondensators.
Bitte schaut jetzt nach und ruft es euch in Erinnerung!
Sonst gibt es Lerninterferenzen und euer Gehirn löscht alles, was mit der e-Funktion zu tun hat...
Hier geht es zum Interferenzkiller:
Gerettet...
Aufgaben:
1) Ein radioaktives Präparat hat eine HWZ von etwa 3 Tagen.
- Auf wieviel Prozent ist eine Anfangsmenge nach 7 Tagen zurückgegangen.
- Erkläre, warum auch die Aktivität auf die gleiche Prozentzahl zurückgeht. Wie würde ein Aktivitätsgesetz aussehen?
- Wenn anfangs 15 mg vorhanden waren, nach wieviel Tagen liegt nur noch 1 mg vor?
2) Radium besitzt eine Halbwertszeit von 1590 Jahren. Zeige, dass nach 661 Jahren noch 75% der ursprünglichen Menge vorhanden sind.
3) Für die folgende Aufgabe würde ich das Stichwort "Linearisieren" mit auf den Weg geben...
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