Atomaufbau und -größe

Atomaufbau und -größe

• Atome sind die Bausteine aller Stoffe.
• Alle Atome haben einen kleinen, undurchdringlichen Kern.
• Der Atomkern (Nuklid) ist positiv geladen und besteht aus Neutronen (neutral) und Protonen (positiv).
  • Nukleonen sind die Bausteine des Kerns.
  • Kernladungszahl Z = Anzahl der Protonen.
  • Neutronenzahl N = Anzahl der Neutronen.
  • Massenzahl A = Z + N.
• Kernkräfte halten Nukleonen zusammen, wirken aber nur im Kern
• Elementsymbol: X (Massenzahl A, Kernladungszahl Z).
• Radiumkern (Ra): 226 Teilchen, 88 Protonen, 138 Neutronen
• Isotope eines Elements: gleiche Protonenzahl, unterschiedliche Neutronenzahl.
• Der Versuch dient Messen ein Molekül (hier: Ölmolekül) abzuschätzen.
• Ein Ölfilm auf Wasser breitet sich kreisförmig aus.
• Die Dicke des Ölfilms (h) entspricht der ungefähren Molekülgröße.
• Formel: h = V/A (Volumen V, Fläche A).

Beispielrechnung zur Molekülgröße

• Gegeben: V = 1 cm³, A = 78,5 cm²
• Berechnung: h = 1 cm³ / 78,5 cm² = 1,63 x 10⁻³ cm = 1,63 x 10⁻⁵ m = 1,63 x 10⁻⁷ m

Rutherfords Streuversuch

• Goldatome in Folie sind dicht gepackt.
• Heliumteilchen können die Folie durchdringen wenn Atome durchdringbar sind
• Undurchdringbare Bereiche im Atom müssen vorhanden, da Heliumteilchen abgelenkt oder zurückgeworfen werden.
• Positive Ladung in diesen Bereichen wird vermutet, da Heliumteilchen (positiv) abgestoßen werden.
• und die Bereiche müssen eine große Masse haben
• Diese Bereiche sind sehr klein, da nur wenige Teilchen abgelenkt werden.

Geiger-Müller-Zählrohr

• Radioaktive Strahlung (α, β oder γ) dringt durch ein dünnes Glimmerfenster in das Zählrohr ein.
• Das Zählrohr enthält ein Edelgas (z.B. Argon).
• Die Strahlung schlägt Elektronen aus den Gasatomen.
  • Es entstehen freie Elektronen (negativ) und positiv geladene Atomreste (Ionen).
• Eine hohe Spannung (ca. 500 V) liegt am Zählrohr an.
  • Die Metallwand ist negativ (Kathode).
  • Ein dünner Draht in der Mitte ist positiv (Anode).
• Beschleunigte Elektronen und Ionen verursachen Gasentladungen.
• Ein kurzer Stromstoß wird ausgelöst, der als elektrischer Impuls gezählt wird.
• Verstärkung des Signals durch einen Lautsprecher oder ein Messgerät.
• Spezielle Quenching-Gase stoppen die Gasentladung

• die überschüßigen Ladungen werden dadurch neutralisiert

Zerfallsgesetz und Halbwertszeit

• Der radioaktive Zerfall einzelner Atome ist nicht vorhersagbar (stochastischer Vorgang).
• Wahrscheinlichkeiten für die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit können angegeben werden.
• Radioaktive Stoffe zerfallen exponentiell.
• Die Halbwertszeit ist die Kenngröße der Zerfallsgeschwindigkeit.
• Sie gibt an, in welcher Zeit die Hälfte der ursprünglichen Atomkerne zerfallen ist.

Zerfallsgesetz

• N(t) = N₀ • e^(-λt)
  • N(t): Anzahl der noch vorhandenen radioaktiven Kerne zum Zeitpunkt t.
  • N₀: Anzahl der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kerne.
  • λ: charakteristische Zerfallskonstante.

Zerfallsarten

α-Strahlung

• Bestandteile: positiv geladene Heliumkerne (2 Protonen, 2 Neutronen).
• Äußere Bestrahlung: dringt nicht durch die Haut.
• Innere Bestrahlung: Aufnahme über Nahrung/Atemwege, schlimme Schäden.
• Abschirmung: durch Blatt Papier gestoppt.
• α-Zerfall: Kern gibt einen α-Teilchen ab, es entsteht ein neues Element.

β-Strahlung

• Bestandteile: Elektronen (β⁻) oder Positronen (β⁺)
• Ladung: negativ (-1) für β⁻, positiv (+1) für β⁺.
• Äußere Bestrahlung: dringt wenige Millimeter in die Haut ein.
• Innere Bestrahlung: Aufnahme über Nahrung/Atemwege, schlimme Schäden.
• Abschirmung: durch dünnes Aluminium gestoppt.
• β⁻-Zerfall: Ein Neutron wandelt sich in ein Proton und ein Elektron um.
• β⁺-Zerfall: Ein Proton wandelt sich in ein Neutron und ein Positron um.

γ-Strahlung

• Bestandteile: elektromagnetische Wellen (Licht), besitzt Energie
• Ladung: keine
• Äußere Bestrahlung: dringt tief in den Körper ein.
• Innere Bestrahlung: schädigt die DNA.
• Abschirmung: durch dicke Bleiplatten abschwächbar.

Neutronenstrahlung

• Tritt bei Kernreaktionen auf und ist schwer abzuschirmen
• Abschirmung z.B. Wasser oder Beton.

Sonstige Schäden

• Somatische Schäden:
  • Kurze hohe Dosis: Frühschäden.
  • Niedrige Dosis: Spätschäden (Krebs).
• Genetische Schäden:
  • Schäden in Keimzellen (Veränderung des Erbguts).
  • Weitergabe an nächste Generation (z.B. Totgeburten).

Schutzmaßnahmen

• Strahlung möglichst vollständig abschirmen
• Abstand zur Strahlungsquelle halten.
• Arbeitszeit bei Experimenten mit radioaktiven Quellen minimieren
• Radioaktive Stoffe dürfen nicht in den Körper gelangen (Essen, Trinken, Rauchen verboten!).

Strahlenbelastung und -schäden

• Radioaktiver Staub in der Luft, terrestrische Strahlung, kosmische Strahlung, technische Geräte und Baustoffe tragen zur Strahlenbelastung bei.
• Unterschiedliche Belastungsfaktoren (kurze Belastung bezogen auf die jährliche Belastung):
  • 125- bis 250-fach: verändertes Blutbild, Schäden an Embryos.
  • 500-fach: Strahlenkrankheit.
  • 1000-fach: Übelkeit, Erbrechen, Haarausfall.
  • 1500-fach: Hautschäden.
  • 2000-fach: Blutungen, schwere Veränderungen im Blutbild
  • ab 2500-fach: schwere Entzündungen, 50 % Todesfälle
  • mehr als 90%: Todesfälle
• Geschädigte Körperzellen führen zu Stoffwechselstörungen und unkontrollierten Zellteilungen (Krebs).
• Geschädite Keimzellen werden bei erfolgreicher Befruchtung an das Kind weitergegeben.