Autor Thema: Atomphysik Crashkurs  (Gelesen 9963 mal)

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Offline sergantarkanus

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Atomphysik Crashkurs
« am: 21. Juni 2006, 15:56:40 Uhr »
So, hier ne kleine Einführung in die wunderbare welt der Atomphysik. Ich werde grob Atome, Strahlung und was sonst so dazu gehöhrt abhandeln.

Aufbau von Atomen
Ein Atom besteht wie wahrscheinlich bekannt aus ner Elektronenhülle und einen Atomkern. Dieser ist um einiges kleiner als die Elektronenhülle und dafür trägt er 99% der Atommasse. Im Atomkern haben wir die Protonen, die sich gegenseitig abstoßen(sind ja alle Positiv geladen) und als "Puffer" dazwischen Neutronen. Diese Jungs haben übrigens keine Ladung. Atome werde wie folgt aufgeschrieben. xyZ.
x ist die Anzahl der Kernteile insgesamt(Neutronen+ Protonen), y ist die Anzahl der Protonen(Was den Kern als Element klassifiziert) und Z ist der Elementname
Kernbindungsenergie und Massendefizit
Was hält einen Kern zusammen? Warum zerbricht er teilweise und teilweise nicht. Das hängt von der Stärke der Bindungen ab. Aber dazu einen größeren Bogen. Man kann heutzutage recht genau die Masse von Protonen und Neutronen messen. Wenn man aber nun Atome mißt, so stellt man fest, das sie ein wenig leichter sind als die Summe der Kernbauteile die sie haben. Dies nennt man Massendefizit. Ein Teil der Masse des Kerns ist abgeben worden als Energie. Um den Kern nun wieder aufzubrechen und in seine Bestandteile zu zerlegen muß die entsprechende Menge Energie wieder zugeführt werden.Diese fehlende Masse kann man in Energie umrechen (siehe Einstein, E=mc2)und nennt das Ganze dann: Kernbingungsenergie. Und je mehr davon, umso fester die Bindung. Diese Energien sind für Atomare Verhältnisse recht groß. Dies erklärt auch warum Kernspaltung und Kernfussion so große Mengen an Strom aus so wenig Masse ziehen können. Denn man wandelt Kerne mit geringer Kernbindungsenergie in Kerne mit hoher Kernbindungsenergie um. Und die freiwerdende Energie schöpft man ab.   Es ist aber nicht so das beliebige Energiezustände eingenommen werden. Das ganze folgt einer bestimmten Kurve. Am stabilsten ist es so im Bereich Helium. Wasserstoff , bzw seine Brüder Tritum und Deuterium sind auch recht instabil. Die Kurve müßte irgendtwo im Internet rumgeistern. In Physiklehrbüchern ist sie aber auch drin. Nunja unsere strahlenden Freunde Plutonium usw sind auch recht instabil.
Strahlung
Wenn ein Kern sein Massendefizit vergrößtert , also Stabiler wird, dann muß er ja irgendtwie Energie abgeben. Daß tut er über Strahlung. Ich werde mich nur um Alpha und Beta Strahlung kümmern. Gammastrahlung ist ja nur ein Nebenprodukt und im Grunde genommen recht uninteressant. Also, was haben wir: Alpha Strahlung. Das ist ein 2fach postiv geladener Heliumkern. Und Betastrahlung. Das sind Elektronen(ja, ja es gibt auch Positronen, und bla hier bla da. Das lasse ich mal außen vor. Muß ja nicht unnötig komplex werden). Wie kann ein Kern nun darüber Energie abgeben? Genau, kinetische Energie. Bewegung.Er schießt sozusagen die Strahlung mit einer gewissen Geschwindigkeit ab um Energie los zu werden und einen für ihn besseren Zustand einzunehmen. Und darin liegt ja auch die Gefahr der Strahlung. Den die Strahlungsteile geben die Energie ja ihrerseits selber wieder weiter und heißen damit auf, regen Atome an usw. und so fort. Darüber kann sich z.B. Erbsubstanz verändern, und das ist die Gefahr durch Strahlung die wir fürchten. So nun aber weiter im Text.  Den nicht jeder Kern kann beliebig zerfallen. Zwar gibt es Isotope die sowohl Alpha also auch Betazerfall zeigen, aber am Ende kommen die gleichen stabilen Isotope raus.
Wie sich ein Kern verändert, wenn er Strahlung abgibt
Bei Alphastrahlung ist die Sache klar. Der Kern verliert ein Heliumatom. Also wird aus xyZ nach Abgabe von Alphastrahlung x-4y-2N, wobei N ein neues, stabileres Element ist. Also klettert der Kern die Periodentabelle nach unten. Bei Betazerfall wird es schon deutlich lustiger. Da wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt und nebenbei ein Elektron als Strahlung emittiert. wOOt. Der Kern verändert sich. Ich kann in beide Richtungen. Aus  xyZ wird jetzt xy+1N. Der kern klettert im Periodensystem nach oben. Besser anschaulich wird sowas aber in 3d Plots in denen die Kernbinungsernergie als Fläche aufgetragen ist gegen Protonen und Neutronenzahl. Denn der Kern wird immer seine Kernbinugsernergie maximieren.
Warum uns die Gesetze der Physik immer binden
Es wäre ja zu schön, wenn man einfach Kerne gegen andere Kerne austauschen könnte aber die Physik rigelt uns hier ab. Den Zerfall kann man nur mies anregen. Der geschiet arg zufällig. Und je stabiler umso länger braucht es bis es weiter zerbröselt. Wir können nur Protonen und Neutronen auf den Kern ballern. Das ist ja auch das Atomstromprinzip. Ich schieße ein Neutron auf einen extrem instabilen Kern, und bringen ihn daurch sogar dazu zu zerbrechen, wodurch er buchstäblich die Treppe runterknallt was die Kernbindungsenergie anbetrifft.  Einen Kern hochtreiben können wir aber via Neutronen die in Betazerfällen ja die Protenzahl erhöhen. Dabei ist aber zu beachten, das man dem Kern Energie zuführt und damit instabiler werden läßt. Und damit effektiv wieder eine Strahlungsquelle geschaffen hat.  Stabiliesieren kann ich damit eher schlecht. Dazu müßte ich dem Kern gezielt Energie entziehen und das ist nicht wirklich möglich. Auch ist es enorm aufwändig sowohl technisch als auch energetisch, Neutronen auf Kerne zu ballern (so werde übrigens neue Elemente gefunden)

So erstmal Ende des kleinen Ausflug in die Atomwelt. Wenn ich Lust habe und mir noch was einfällt dann werde ich das ganze mal erweitern und vertiefen. Nen Stick wäre auch ganz fein, damit jeder so die Grundinfos hat.
« Letzte Änderung: 21. Juni 2006, 17:05:54 Uhr von sergantarkanus »
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Offline schrotti

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Re: Atomphysik Crashkurs
« Antwort #1 am: 17. Juli 2006, 14:54:48 Uhr »
"Gammastrahlung ist ja nur ein Nebenprodukt und im Grunde genommen recht uninteressant."

Mag sein, dass du Gammastrahlung uninteressant findest. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie harmloser als alpha- oder beta-Strahlung ist. Alpha-Strahlung ist für den Menschen nur gefährlich wenn der entsprechende radioaktive Stoff in den Körper gelangt (radioaktiven Staub einatmen, Pilze essen oder im Alltag von echter Bedeutung: Einatmen von Radon), weil die Reichweite von alpha-Strahlung in Luft nur einige Zentimeter beträgt, die von beta-Strahlung immerhin einige Meter. Gammastrahlung jedoch ist ziemlich schwierig abzuschirmen und wirkt über relativ große Distanzen.
Für genauere Informationen, auch darüber wieviel Strahlung man so im Alltag abbekommt, hier zwei relativ einfache Texte:

http://b-praktikum.physik.rwth-aachen.de/Vorkurs/files/page1_10.pdf
http://linus.rad.rwth-aachen.de/lernprogramm/stra.htm

Offline sergantarkanus

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Re: Atomphysik Crashkurs
« Antwort #2 am: 17. Juli 2006, 16:09:21 Uhr »
Naja, für die Atomphsik ist Gamastrahlung zumindest in unserem Forum eher untinteressant. Es wird kein Kern  verändert (grund warum ich das ganze geschrieben habe war ja die diskussion, ob ein Bakterium Kerne verändern kann), sondern der Kern geht nur aus dem angregten Zustand, in dem er aus dem Zerfall zurückgeblieben ist. Des weiteren ist Gammastrahlung nix anderes als ne elektromagnetische Welle(daher die miese Abschirmbarkeit). Gammastrahlung spielt in einer Liga mit Radiowellen, Licht, Handynetzen usw... und darum lasse ich sie in der Kernphysik aus. Es wäre einfach zu viel und fehl am Platze, jetzt einen weiteren Riesenexkurs zu machen nur für ein "Nebenprodukt" eines Kernzerfalls.
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Offline Crimson

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Re: Atomphysik Crashkurs
« Antwort #3 am: 20. Januar 2009, 20:20:49 Uhr »
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Kernbindungsenergie und Massendefizit
...Am instabilsten ist es so im Bereich Helium.Am stabilsten ist Eisen. Wasserstoff , bzw seine Brüder Tritum und Deuterium sind auch recht instabil...

Kleine Korrektur meinerseits. Sorry, aber ich bin semi-professioneller Haarspalter.  :s000:
Ansonsten 2 Thubs up  #thumbup  #thumbsup
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Offline sergantarkanus

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Re: Atomphysik Crashkurs
« Antwort #4 am: 09. Februar 2009, 00:58:52 Uhr »
Fast. Eisen ist zwar am Stabilsten, Helium hat einen ganz klaren Peak. Das ist auch der Grund warum die Nukleosynthese gestoppt hat und Sterne Helium verbennen. Die Fusion Richtung Eisen ist nicht wirklich interesant, Deuterium-Tritium Fusion schon.
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