Physik 8C Mündliche Prüfung

Wie ist der Atomkern aufgebaut? Welche Kräfte wirken auf die Kernteilchen? Was ist ein

Isotop? Gib 3 Beispiele an. Ein Nuklid-Symbol wie z.B. 17/8O interpretieren können.

Atomkern: Nukleonen (Kernteilchen): Neutronen und Protonen

Kräfte: Coulombkraft (Elektrische Abstoßung zwischen Protonen). Starke Kraft (hält den Kern zusammen)

Isotop: gleiche Protonen Zahl, unterschiedliche Neutronenzahl,

Bsp. Kohlenstoff 14(C-14 Isotop von C-12 à 6P.) , Uran 235 (U-235 Isotop von U-238 à92P.), Deuterium (H 2) ( Isotop von Wasserstoff (H-1) à 1P. ) à Karte

Interpretiere Massenzahl: Gesamtzahl der Nukleonen (Protonen + Neutronen)

Interpretiere Protonenzahl: bestimmt das Element

Ein Nuklid-Symbol wie z.B. 17/8O interpretieren können:

Was versteht man unter der atomaren Masseneinheit u und wie ist sie definiert?

(Zahlenwert unnötig, nur die rein verbale Definition) Die Definition der Energieeinheit eV

(MeV) kennen.

Atomare Masseneinheit ist: 1 u , ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms.

eV (Elektronenvolt) = Energie die ein Elektron beim Durchqueren eines elektrischen Felds (Batterie) mit einer Spannung von 1 Volt aufnimmt: (Mega = Million)

Warum ist die Atommasse von Eisen (…) nicht, wie man erwarten würde, eine ganze Zahl, sondern 55,845 (…) u?

Eisen besteht nicht nur aus einer Sorte Atomen, sondern aus mehreren Isotopen mit leicht unterschiedlicher Masse → deshalb ergibt sich ein Durchschnittswert.

Worum handelt es sich beim Massendefekt? Wie hängt er mit der Bindungsenergie zusammen?  Wie kann man sich die Bindungsenergie eines Atomkerns vorstellen?

 Wenn man alle Protonen und Neutronen einzeln wiegt und dann den ganzen Kern wiegt, ist der Kern leichter à Diese fehlende Masse nennt man Massendefekt.

 

Die Masse ist nicht wirklich weg. Sie wurde in Energie umgewandelt, die den Atomkern zusammenhält à Diese Energie nennt man Bindungsenergie.

 Die Bindungsenergie ist die Energie, die den Atomkern zusammenhält oder die man braucht, um ihn zu zerlegen.

 

 

Warum hat der H-Kern die Bindungsenergie 0?

 

Der Wasserstoffkern hat Bindungsenergie 0, weil er nur aus einem Proton besteht und nichts gebunden werden muss.

Erläutere die Kernkraft; wie kommt sie zustande, zwischen welchen Teilchen wirkt sie? Reichweite?

Die Kernkraft ist eine sehr starke, aber kurzreichweitige Kraft, die alle Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält – unabhängig von ihrer Ladung.

 

Die Kernkraft wirkt stärker zwischen Teilchen mit parallelem Spin als zwischen Teilchen mit antiparallelem Spin.

 

Die Reichweite der Kernkraft ist sehr klein und beträgt ungefähr einen Nukleonendurchmesser (etwa 10^{-15} m).

    Was sind Leptonen und wodurch unterscheiden sich Quarks und Leptonen? Warum gibt es in der Natur keine einzelnen Quarks?

Leptonen sind leichte Teilchen, die die starke Kraft nicht spüren und daher keine Hadronen bilden. Quarks spüren die starke Kraft.

Confinement: Einzelne Quarks gibt es nicht, weil die Kraft beim Trennen immer stärker wird und neue Quark–Antiquark-Paare entstehen. Sehr nah beieinander sind Quarks fast frei (asymptotische Freiheit).

Wer entdeckte die Radioaktivität und welchen 3 Aspekten der klassischen Physik widerspricht diese Entdeckung?

Henri Becquerel

Wiedersprüche: Elementumwandlung, Energien ungeklärten Ursprungs, Unvorhersagbarkeit des Zerfalls

  Erkläre das prinzipielle Wesen der Radioaktivität und den Begriff der Halbwertszeit.  Welche 3 Arten sind die wichtigsten?

Atomkerne zerfallen spontan und senden dabei Strahlung aus (Alphazerfall, Betazerfall, Gammazerfall) Halbwertszeit = die Zeit, bis die Hälfte des vorhandenen Materials zerfallen ist

Erkläre den Alphazerfall anhand eines selbstgewählten Beispiels aus der Nuklidkarte und auch allgemein. (Warum wird dabei stets ein Helium-Kern ausgesandt? Was ist ein quasigebundenes Energieniveau? Inwiefern spielt der Tunneleffekt eine Rolle? Vergleich zu chem. Reaktionen

Beim Alphazerfall stößt ein instabiler Atomkern ein Alpha-Teilchen aus, also einen Heliumkern (2 Protonen + 2 Neutronen). Dadurch wird die Massenzahl um 4 kleiner und die Protonenzahl um 2 kleiner – es entsteht ein neues Element.

 

Es wird immer Helium ausgesendet, weil dieser Kern besonders stabil ist (sehr hohe Bindungsenergie). Die frei werdende Energie wird dem Alpha-Teilchen als kinetische Energie mitgegeben und liegt im MeV-Bereich, also viel höher als bei chemischen Reaktionen (eV).

 

Im Kern ist das Alpha-Teilchen schon „vorgebildet“ und sitzt auf einem quasigebundenen Energieniveau: Es hat fast genug Energie, um rauszukommen, wird aber noch von der starken Kernkraft festgehalten. Eigentlich dürfte es den Kern wegen einer Energiebarriere nicht verlassen.

 

Trotzdem ist der Heliumkern leicht genug und energiereich genug, um nahe an dieser Barriere zu liegen. Er hat aber nicht genug Energie, um sie klassisch zu überwinden.

 

Durch den Tunneleffekt (Quantenphysik) kann es diese Barriere trotzdem „durchdringen“ und aus dem Potentialtopf des Kerns heraustunneln. Ohne Tunneleffekt gäbe es keinen Alphazerfall.

 

Im Unterschied zu chemischen Reaktionen wird beim Alphazerfall der Kern verändert (neues Element) und es wird viel mehr Energie frei.

 

Woher stammt das Helium auf der Erde? Verwendung von Alphastrahlern mit kurzer Halbwertszeit? 

Helium entsteht auf der Erde durch radioaktive Alphazerfälle im Erdinneren (z. B. von Uran, Thorium).

Alphastrahler nutzt man in Radionuklidbatterien und in der Krebstherapie.

Erkläre den Beta-Plus-Zerfall anhand eines selbstgewählten Beispiels auf der Nuklidkarte und auch allgemein. 

Beim Beta-Plus-Zerfall wird im Atomkern ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Dabei entstehen ein Positron (e⁺) und ein Elektron-Neutrino.

• Massenzahl bleibt gleich

• Protonenzahl −1 → neues Element

·       Beispiel (Nuklidkarte): Kohlenstoff-11 → Bor-11 + Positron + Neutrino

Allgemein passiert das, wenn ein Kern zu viele Protonen hat und stabiler werden will. Ein Proton wird deshalb in ein Neutron umgewandelt.

Das Positron verlässt den Kern und trifft später meist auf ein Elektron → Annihilation (es entstehen Gamma-Strahlen).

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Formularende

 

  Erkläre den Beta-Minus -Zerfall anhand eines selbstgewählten Beispiels auf der Nuklidkarte und auch allgemein.

Beim Beta-Minus-Zerfall wird im Atomkern ein Neutron in ein Proton umgewandelt. Dabei entstehen ein Elektron (e⁻) und ein Elektron-Antineutrino.

• Massenzahl bleibt gleich

• Protonenzahl +1 → neues Element

• Beispiel (Nuklidkarte):Kohlenstoff-14 → Stickstoff-14 + Elektron + Antineutrino

 

Allgemein passiert das, wenn ein Kern zu viele Neutronen hat und stabiler werden will. Ein Neutron wird deshalb in ein Proton umgewandelt.

Das Elektron wird aus dem Kern herausgeschleudert und als Beta-Strahlung beobachtet.

  Warum ist das freie Proton stabil, das freie Neutron jedoch nicht? Warum ist das Neutron im Atomkern stabil? 

Ein freies Proton ist stabil, weil es leichter als das Neutron ist und nicht in schwerere Teilchen zerfallen kann (Energieerhaltungssatz à freie Protonen zerfallen nicht in schwerere Teilchen).

 

Ein freies Neutron ist instabil, weil es schwerer ist und daher in ein Proton zerfällt (Beta-Minus-Zerfall).

 

Im Atomkern kann ein Neutron nur zerfallen, wenn darunter ein freies Protonen-Energieniveau vorhanden ist sonst bleibt es stabil.

  Erkläre den Gamma-Zerfall anhand eines Beispiels.

Beim Gamma-Zerfall gibt ein Atomkern überschüssige Energie in Form eines Gamma-Photons (γ) ab. Dabei ändert sich weder die Massenzahl noch die Protonenzahl.

Beispiel:
Cobalt-60 zerfällt zuerst durch Beta-Minus-Zerfall zu einem angeregten Nickel-60-Kern (⁶⁰Ni*). Dieser ist instabil (höheres Energieniveau) und geht dann in den Grundzustand über, indem er ein Gamma-Photon aussendet:
→ ⁶⁰Co → ⁶⁰Ni* → ⁶⁰Ni + γ

 

·       Der Kern bleibt das gleiche Element, gibt aber Energie ab.

·       Man kann sich das wie ein „Zurückfallen“ auf ein niedrigeres Energieniveau vorstellen.

  Was ist auf der Nuklidkarte dargestellt? (Was auf der x-Achse, was auf der y-Achse, was bedeuten die Farben? Erkläre bei welchem Zerfall man wie auf der Karte „herumspringen“ muss und warum. Wieso sind bei den stabilen schweren Kernen überproportional viele Neutronen vorhanden?)

Die Nuklidkarte zeigt alle Atomkerne (Isotope), geordnet nach ihrer Zusammensetzung.

• x-Achse: Anzahl der Neutronen

• y-Achse: Anzahl der Protonen

 

Farben:

• zeigen, ob ein Kern stabil oder instabil ist

• und bei instabilen Kernen, welche Zerfallsart auftritt

 

 „Bewegung“ auf der Karte bei Zerfällen:

• Alpha-Zerfall: 2 nach links (−2 Protonen), 2 nach unten (−2 Neutronen)

• Beta-Minus: 1 nach oben (Neutron → Proton)

• Beta-Plus: 1 nach unten (Proton → Neutron)

• Gamma: keine Bewegung (nur Energieabgabe)

 

Warum haben schwere stabile Kerne viele Neutronen?
Je mehr Protonen im Kern sind, desto stärker ist die elektrische Abstoßung zwischen ihnen.
Die Neutronen stabilisieren den Kern, weil sie zur starken Kernkraft beitragen, aber selbst keine elektrische Abstoßung verursachen à Deshalb braucht man bei schweren Kernen überproportional viele Neutronen, um stabil zu bleiben.

 

Welche 4 Zerfallsreihen gibt es und warum sind es nur 4? Wo enden die meisten Zerfallsreihen

Es gibt 4 Zerfallsreihen:

• Thorium-Reihe

• Uran-Radium-Reihe

• Uran-Actinium-Reihe

• Neptunium-Reihe (heute praktisch ausgestorben)

 

Warum genau 4?
Beim Alpha-Zerfall wird die Massenzahl immer um 4 kleiner. Beta- und Gamma-Zerfälle ändern die Massenzahl gar nicht. → Wie eine Treppe, bei der man immer nur in 4er-Schritten nach unten gehen kann.

 

Wo enden die Reihen?
Die meisten Zerfallsreihen enden bei stabilen Blei-Isotopen.

 

Was ist eine magische Zahl? Gib einen doppelt-magischen Kern an.

 

Eine magische Zahl:  ist eine bestimmte Anzahl von Protonen oder Neutronen, bei der der Atomkern besonders stabil ist.
Der Grund: Die Energieniveaus (Schalen) im Kern sind dann vollständig gefüllt.

 

Ein doppelt-magischer Kern hat sowohl eine magische Protonenzahl als auch eine magische Neutronenzahl.

Beispiel: Helium-4 (He-4)

Gib die Zerfallsreihe von x an. (irgendein Nuklid wird vorgegeben)

Die Zerfallsreihe hängt davon ab, welchen Rest die Massenzahl (A) bei Division durch 4 hat.

→  Rechne: A ÷ 4 und schau auf den Rest:

• Rest 0 → Thorium-Reihe (4n)

• Rest 1 → Neptunium-Reihe (4n+1)

• Rest 2 → Uran-Radium-Reihe (4n+2)

• Rest 3 → Uran-Actinium-Reihe (4n+3)

 

Warum?
Beim Alpha-Zerfall wird die Massenzahl immer um 4 kleiner, daher bleibt der Rest immer gleich.

 

Beispiel: Uran-238:  238 ÷ 4 = Rest 2 → Uran-Radium-Reihe

Erkläre das Funktionsprinzip einer radiometrischen Datierung anhand der C-14 oder der Uran Blei-Methode. Gehe dabei auch auf das Problem ein, dass man ja nicht wissen kann, wieviel des betrachteten Radionuklids ursprünglich in der Probe war. Gib auch das mit diesen Methoden bestimmte Erdalter an.

  

Bei der radiometrischen Datierung bestimmt man das Alter über den radioaktiven Zerfall von Isotopen.

 

Bei der C-14-Methode ist das Verhältnis der Kohlenstoffisotope (C-12, C-13, C-14) in der Atmosphäre konstant, da C-14 ständig neu gebildet wird. Lebewesen übernehmen dieses Verhältnis. Nach dem Tod zerfällt C-14 und das Verhältnis zu C-12 ändert sich – daraus kann man das Alter bestimmen.

 

Bei der Uran-Blei-Methode wird beim Entstehen eines Gesteins ein Isotopenverhältnis festgelegt, das sich danach nur noch durch Zerfall von Uran zu Blei verändert. Aus diesem Verhältnis kann man das Alter berechnen, ohne die ursprüngliche Menge kennen zu müssen.

Mit dieser Methode wurde das Erdalter auf etwa 4,55 Milliarden Jahre bestimmt.

Erläutere die bei der Strahlenwirksamkeit wesentlichen physikalischen Größen und Strahlarten und gib mind. 3 Beispiele an. (Was ist die Energiedosis, wodurch

unterscheidet sich davon die Organdosis? Die beiden Maßeinheiten kennen. Was ist der Strahlengewichtungsfaktor, inkl. Bsp?)

 

·       Die Strahlenwirksamkeit beschreibt, wie stark Strahlung Gewebe schädigt.

 

·       Die Energiedosis D gibt die aufgenommene Energie pro Kilogramm an (Einheit: Gray, Gy = J/kg) und ist eine rein physikalische Größe.

 

·       Die Äquivalentsdosis H (Organdosis) beschreibt das biologische Risiko (Einheit: Sievert, Sv = J/kg) und berücksichtigt, dass verschiedene Strahlungsarten unterschiedlich schädlich sind.

 

·       Dazu verwendet man den Strahlengewichtungsfaktor, der die Schädlichkeit angibt:
Photonen (γ) und Elektronen (β): 1, Protonen: 5, Alpha-Strahlung: ca. 20.

 

·       Die Äquivalentsdosis ergibt sich aus: Energiedosis × Strahlengewichtungsfaktor.

Beschreibe die Kernspaltung. (Welche Nuklide sind geeignet? Warum kann man nur Neutronen als Spalt-Geschosse verwenden? Wieso werden bei der Spaltung Energie und auch immer einige Neutronen freigesetzt? Erkläre den Begriff der Kettenreaktion anhand einer vorgegebenen Skizze.)

Bei der Kernspaltung werden schwere Kerne wie Uran-235 oder Plutonium-239 durch den Beschuss mit Neutronen in zwei leichtere Kerne gespalten.

Neutronen eignen sich, weil sie keine Ladung haben und daher nicht vom positiv geladenen Kern abgestoßen werden.

Dabei wird Bindungsenergie als Wärme und Strahlung frei, und es entstehen weitere Neutronen, weil schwere Kerne einen Neutronenüberschuss besitzen, den die leichteren Spaltprodukte nicht mehr benötigen.

Eine Kettenreaktion entsteht, wenn diese freigesetzten Neutronen weitere Kerne spalten und die Reaktion sich selbst erhält oder verstärkt.

  Welche Probleme treten bei der regelbaren Kernspaltung auf und wie werden sie gelöst? (Unterschied der Spaltfähigkeit schneller/langsamer Neutronen, Moderator (warum ist Wasser besonders geeignet?). Absorption von Neutronen durch Verunreinigungen. Warum ist Natururan ungeeignet, wie löst man das Problem? Warum kann man mit schwerem Wasser als Moderator doch Natururan verwenden? Wie regelt man die Kettenreaktion in einem Kernkraftwerk?)

1. Problem: schnelle vs. langsame Neutronen
Bei der Spaltung entstehen schnelle Neutronen, aber Uran-235 wird viel besser durch langsame Neutronen gespalten.

Lösung: Moderator
Ein Moderator (z. B. Wasser) bremst die Neutronen durch Stöße mit Wasserstoffkernen ab.

2. Warum ist Wasser als Moderator geeignet?
Wasser enthält viele leichte Wasserstoffkerne, die Neutronen sehr effektiv abbremsen.

3. Problem: Absorption von Neutronen
Normales Wasser bremst gut, absorbiert aber auch Neutronen.
Zusätzlich können Verunreinigungen Neutronen aufnehmen → weniger Neutronen für die Kettenreaktion.

4. Warum ist Natururan ungeeignet?
Natururan enthält nur ca. 0,7 % Uran-235 → zu wenig, weil viele Neutronen verloren gehen.

Lösung:
Uran wird auf 3–5 % Uran-235 angereichert, damit die Kettenreaktion stabil bleibt.

5. Warum funktioniert Natururan mit schwerem Wasser?
Schweres Wasser absorbiert fast keine Neutronen → kaum Verluste →
→ auch Natururan reicht aus, ohne Anreicherung.

6. Wie wird die Kettenreaktion geregelt?

• Steuerstäbe: absorbieren Neutronen → Reaktion wird gebremst

• Wasser: bei Erwärmung verdampft es → weniger Moderation → Reaktion wird schwächer