Telekolleg Physik Physik, 3.Trimester - Atomphysik

Auf den Kern gekommen

Die Entdeckung der Radioaktivität um 1900 startete eine intensive Forschung, die zur Entwicklung neuer medizinischer Heilmethoden und zu bahnbrechenden Kenntnissen über den Aufbau der Atomkerne führte. Mit der Kernphysik verknüpfen viele Menschen aber auch Ängste, sei es wegen der Bedrohung durch Kernwaffen oder wegen der Gefahren, die von Kernkraftwerken ausgehen. Zur Überprüfung der Intensität und der Art der radioaktiven Strahlung stehen verschiedene Messgeräte zur Verfügung. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

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Radioaktive Strahlung

Bild aus der Sendung

Antonie Becquerel entdeckte radioaktive Strahlung eher zufällig. Eine Fotoplatte war offensichtlich schon vor der gewünschten Aufnahme durch eine bis dahin unbekannte Strahlung teilweise belichtet worden. Da damals das wertvolle Fotomaterial sehr gewissenhaft in lichtundurchlässiger Verpackung aufbewahrt wurde, musste es sich um eine Strahlung handeln, die mühelos dickes Papier durchdringt. In der Sendung wird die Entdeckung von Becquerel nachempfunden. Auf ein unbelichtetes Polaroid-Fotopapier wurde längere Zeit ein uranhaltiger Gesteinsbrocken gelegt. Damit wird nun das Studio fotografiert, nach der Entwicklung zeigt sich im Bild ein stärker belichteter Streifen, der von einer radioaktiven Strahlung des Gesteins stammt. Das Forscher-Ehepaar Curie fand heraus, dass die radioaktive Strahlung von bisher unbekannten chemischen Elementen ausgeht, die natürlicher Weise bei der Entstehung der Erde gebildet wurden. Man spricht hier von "natürlicher Radioaktivität", während radioaktive Endprodukte aus Reaktoren zur künstlichen Radioaktivität gezählt werden.

Der Mensch verfügt über keinerlei Sinneswahrnehmung für Radioaktivität, deshalb werden zum Nachweis spezielle Geräte benötigt. Das Geiger-Müller-Zahlrohr wird später in der Sendung näher erklärt. Damit wird nun die Strahlung eines Radium-Präparats "gezählt". Mit einem starken Magnetfeld senkrecht zum Strahl spaltet sich die radioaktive Strahlung in drei Teile auf. Die Richtungen der Ablenkungen zeigen, dass der erste Teil ("alpha-Strahlung") positiv geladene Teilchen enthält - es sind Heliumkerne. Der zweite Teil ("ß-Strahlung") enthält negativ geladene Teilchen - es sind Elektronen. Der dritte Teil ("gamma-Strahlung") enthält ungeladene Teilchen - es sind elektromagnetische Wellenpakete mit sehr hoher Energie bzw. Frequenz.


Absorption in Materialien

Bild aus der Sendung

Die drei Sorten radioaktiver Strahlung verhalten sich in Materialien ganz verschieden. alpha-Strahlung wird bereits in dünnen Schichten von Papier absorbiert, ß-Strahlung erst in dickeren Schichten von Metall. gamma-Strahlung dagegen kann auch von dicken Schichten Blei oder Beton nur abgeschwächt, aber nie völlig absorbiert werden. Wie kann man dieses unterschiedliche Verhalten von alpha-, ß- und gamma-Strahlen erklären. Bei alpha- und ß-Strahlen gibt es in Materie eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie mit dem Kern oder mit Elektronen wechselwirken. alpha-Teilchen geben wegen ihrer großen Masse bei jedem Stoß mit einem Kern viel Energie ab und haben deshalb eine sehr kurze Reichweite. ß-Teilchen können wegen ihrer kleinen Masse Energie eher an Leitungselektronen übertragen. Deshalb werden sie besonders gut in Metallen absorbiert. Bei gamma-Photonen ist die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Materieteilchen sehr gering, weil sie nicht auf elektrische Kräfte reagieren. Wenn sie an einen Kern Energie abgeben, dann kann es sein, dass das Photon dabei verschwindet (Fotoeffekt). Deshalb werden gamma-Strahlen in Materie nur abgeschwächt. All diese Ergebnisse lassen sich übersichtlich in einer Tabelle zusammenfassen.


Nachweisgeräte

Bild aus der Sendung

Nachweisgeräte für Radioaktivität nützen die besonderen Eigenschaften radioaktiver Strahlen. Neben der Schwärzung von Fotopapier ist die Ionisation von Luft ein interessanter Ansatz. Ein geladenes Elektroskop entlädt sich bei radioaktiver Bestrahlung, egal ob die Ladung positiv oder negativ ist. Die Ionisationswirkung der Radioaktivität ist deshalb kein Fotoeffekt. In einem Geiger-Müller-Zählrohr bewirkt ein radioaktives Teilchen, egal ob es ein alpha-, ß- oder gamma-Teilchen ist, eine Spur von ionisierten Gasteilchen und von freien Elektronen. Beide Ladungssorten werden durch ein elektrisches Feld zwischen der Blechröhre und dem Draht in der Mitte getrennt. Die Feldstärke ist um den Draht so groß, dass dort beschleunigte Elektronen eine Lawine weiterer Ionen und Elektronen erzeugen. So tritt pro Teilchen ein starker Stromimpuls auf, der gezählt wird und an einem Lautsprecher ein Knackgeräusch verursacht.

Das Prinzip einer Nebelkammer lässt sich leicht mit den Kondensstreifen von Flugzeugen erklären. Die Luft in der Kammer wird mit Wassermolekülen angereichert. Sobald "Kondensationskeime" eingebracht werden, formen sich feine Wassertröpfchen, die eine Nebelspur bilden. Diese Kondensationskeime liefern die radioaktiven Teilchen, die entlag ihres Weges Luftmoleküle ionisieren.


Ladung des Atomkerns

Bild aus der Sendung

Die Entdeckung der radioaktiven Strahlen brachte neue Erkenntnisse über den Aufbau der Atomkerne. Im Atomkern befinden sich positiv geladene Protonen mit einer etwa 2000fachen Masse gegenüber Elektronen. Bei einem nach außen hin neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen in der Hülle gleich der Anzahl der Protonen im Kern; man spricht von der Kernladungszahl Z. Bei Streuversuchen mit alpha-Teilchen kann die Kernladungszahl aus der Winkelverteilung der gestreuten alpha-Teilchen ermittelt werden. Es ist anschaulich, dass mit zunehmendem Z alle Teilchen unter größeren Winkeln gestreut werden. Das richtige Z finden die Forscher, indem Sie die experimentellen Daten mit Computersimulationen vergleichen. Mit den ersten Forschungsarbeiten trat ein bemerkenswertes Ergebnis zutage. Die Kernladungszahl Z eines Elements ist identisch mit seiner Ordnungszahl im Periodensystem. Daraus kann man schließen, dass die Chemiker, die das Periodensystem fast hundert Jahre vorher aufstellten, schon fast alle der leichteren und mittelschweren Elemente kannten und deshalb in ihrer Reihenfolge nach Masse keine Lücken für Z auftraten.


Kernmasse

Bild aus der Sendung

Die Ablenkung von Ionen in elektrischen und magnetischen Feldern hängt von ihrer Masse und ihrer Ladung ab. Francis Aston entwickelte mit dieser Idee ein Massenspektrometer, das eine Analyse eines Gases nach seinen Bestandteilen erlaubt. Im Studio werden zuerst die Anteile der Raumluft aufgezeichnet, um dieses Ergebnis mit der ausgeatmeten Luft des Moderators zu vergleichen. Wie leicht zu vermuten, bleibt der Stickstoffanteil (Doppelbalken ganz links) dabei konstant, der Sauerstoffanteil (2. Anzeige von links) ist etwas abgesenkt und der Kohlenstoffdioxidanteil (Anzeige ganz rechts) deutlich erhöht. Bitte beachten Sie, dass die Balkenhöhen nicht dem Verhältnis in Prozent entsprechen, sondern in "logarithmischer" Weise die kleineren Anteile stark vergrößert sind.

In einem zweiten Versuch wird untersucht, ob ein schwebender Luftballon Wasserstoff oder Helium enthält. Zur sicheren Analyse mit dem Massenspektrometer reichen bereits die geringfügigen Ausdünstungen durch die Gummihaut; der Luftballon muss nicht einmal geöffnet werden. Dabei wird festgestellt, dass Helium viermal so schwer ist wie Wasserstoff: Helium besteht aus zwei Protonen, die dem Kern zwei positive Elementarladungen geben und aus zwei Neutronen, die genau so schwer sind wie Protonen, aber ungeladen.

Mit einem Massenspektrometer können also Atommassen unterschieden werden, die sich um einen einzigen Baustein des Kerns unterscheiden. Damit konnte herausgefunden werden, dass chemisch gleichartige Elemente mit leicht verschiedenen Massen vorkommen. Diese Isotope (griechisch: "gleiche Orte") stehen dann im Periodensystem am gleichen Platz und haben mit der gleichen Ordnungszahl die gleiche Kernladungszahl, aber verschieden viele Neutronen. Bei Wasserstoff gibt es drei Isotope: Den einfachen Wasserstoff (kein Neutron), das Deuterium (ein Neutron) und das Tritium (zwei Neutronen).


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