Radioaktiver Zerfall < Atom- und Kernphysik < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
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(Frage) beantwortet  | | Datum: | 21:07 So 10.04.2011 | | Autor: | Paivren |
Guten Abend.
Ich sitze gerade in der Vorbereitung meiner Facharbeit (Thema GAU von Tschernobyl)und versuche gerade, mir ein bisschen Grundwissen über Kernphysik anzueignen.
Was Radioaktivität ist, nämlich das Aussenden von Strahlung, weiß ich und auch, dass Atomkerne instabil sind, die diese Eigenschaft haben. Durch den Zerfall (mit dem das Strahlen einhergeht) "versucht" der Kern quasi stabil zu werden.
Eben durch jene Strahlung wandelt sich das Element in ein anderes um, das entweder selbst radioaktiv ist oder über einen stabilen Kern verfügt.
Was ich mich allerdings nun frage:
Warum genau zerfällt ein Kern eigentlich?
D.h. was bedeutet es, wenn ein Kern "instabil" ist?
Ich bin auf Begriffe wie "Große Wechselwirkung" und "elektrostatische Abstoßung" gestoßen, welche da wohl einen entscheidenden Faktor spielen.
Aber kann mir das vielleicht mal jemand genau erklären?
mfG.
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Hallo!
Statt "großer" meinst du wohl eher "starke" Wechselwirkung, oder "Starke Kraft".
Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen. Aber die protonen sind alle positiv geladen, daher muß es eine Kraft geben, die stärker ist, als die Elektrostatische, und die wird daher die "starke Kraft" genannt. Die hat allerdings die Eigenschaft, daß sie nur eine extrem kurze Reichweite hat, sodaß theoretisch ein Proton, einmal vom Kern gelöst, sofort weg fliegen würde, da die starke, anziehende Kraft nicht mehr wirkt, und statt dessen nur noch die abstoßende elektrostatische.
Nun kann sich klassisch gesehen ein Teil des Kerns nicht einfach vom Rest trennen, weil die starke Kraft dem im Weg steht. Aber: In der Quantenphysik gibt es den Tunneleffekt. Das bedeutet: ein teilchen kann eine Barriere überwinden und in einen Bereich dahinter gelangen, auch wenn das Überwinden der Barriere mehr Energie erfordert, als das Teilchen hat. Die Wahrscheinlichkeit, daß es da tut, hängt von der Höhe der Barriere, als auch von ihrer Dicke ab.
Anschaulich: Ne Kugel mit 10m/s kann klassisch wegen Energieerhaltung nur einen Berg von 5m Höhe überwinden, beim Tunneleffekt darf der berg auch höher sein, wobei er nicht unendlich hoch sein darf, und hinter'm Berg darf es nicht höher als 5m sein, dort muß sich die Kugel mit ihrer Energie auch nach klassischen Gesetzen aufhalten dürfen.
Breite und Dicke sind bei unterschiedlichen atomen unterschiedlich ausgeprägt, sodaß manche Kerne niemals zerfallen, und andere mit mehr oder weniger hoher Wahrscheinlichkeit, und damit unterschiedlicher Halbwertszeit.
Natürlich verliert der Kern durch das wegfliegende Teilchen Energie, er wird kleiner und leichter. Deshalb ist dieser Zerfall eher bei schweren Elementen anzutreffen, es handelt sich um den Alpha-zerfall, oder den Zerfall in mehrere Tochternuklide.
Du kannst hierzu auch mal nach der "Weizäcker-Formel" suchen, die beschreibt die Energie eines Kerns als Summe verschiedener Komonenten, wie der generellen Nukleonenzahl, der Oberfläche, dem Volumen und dem Verhältnis von Neutronen zu Protonen.
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 15:26 Mo 11.04.2011 | | Autor: | Paivren |
Hallo!
Genau, die "starke Kraft".
Sie ist dafür verantwortlich, dass der Atomkern zusammenhält.
Das bedeutet, bei einem Zerfall ist die elektrostatische Abstoßung größer?
Das würde erklären, warum Atomkerne ab einer bestimmten Masse instabil sind.
Aber gibt es nicht auch andere Gründe für Radioaktivität, oder wirklich nur diesen Fall?
Und das mit dem Tunnel versteh ich irgendwie nicht =(
Geht es da um ein Teilchen, dass man auf den Kern schießt (Kernspaltung) oder was?
Danke schonmal für die Antwort.
mfG.
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Hallo!
Wäre die ES-Kraft größer, würde der Kern ja sofort auseinander fliegen, und würde gar nicht lange existieren.
Das mit dem Tunneleffekt ist wirklich so gemeint, daß je zwei Neutronen und Protonen, also zusammen ein Alpha-Teilchen eigentlich nicht genügend Energie haben, um den Kern zu verlassen, weil sie die anziehende starke Kraft spüren. Das ist für die, als wäre da ein Wall, den sie nicht hoch kommen können, um ihn zu überwinden.
Nach den Klassischen gesetzen würden die Teilchen dann immer im Kern bleiben, und nie raus kommen können.
In der Quantenphysik ist das aber ein wenig anders: Hier können die Teilchen den Wall überwinden, auch wenn ihnen die Energie dazu fehlt, und das ganze klassisch gerechnet in einer Verletzung der Energieerhaltung endet.
Das ist der Tunneleffekt.
Man kann das mathematisch sehr eleganz beschreiben, aber wirklich verstehen oder sich das vorstellen, kann man sich das nicht, wie so viele Dinge der Quantenphysik.
Generell verliert die starke Kraft bei großen Kernen an Einfluß, denn ihre Reichweite ist so gering, daß sie praktisch immer nur zwischen direkt benachbarten Nukleonen wirkt, während die ES-Kraft durch die zunehmende Anzahl an Protonen zunimmt.
Das heißt, daß die Nukleonen dann "lockerer sitzen": Der Wall ist nicht mehr ganz so hoch, und auch nicht mehr so dick, und damit ist es einfacher, hindurchzutunneln, die Kerne neigen eher dazu, zu zerfallen. Aber wie gesagt: Ohne so einen Wall würden die Isotope gar nicht erst existieren.
Wie stark der Kern zusammen gehalten wird, ist daneben auch noch von anderen Faktoren abhängig. So sind z.B. Kerne mit grader Anzahl an Protonen und Nukleonen tendenziell stabiler als andere. Aber irgendwann wird es sehr kompliziert 
Das ist nun der Alpha-Zerfall, dazu kommt noch der Beta-Zerfall, der ist noch ein wenig anders. Aber versuch erstmal, den Alpha-zerfall zu verstehen.
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 23:17 Mo 11.04.2011 | | Autor: | Paivren |
Das mit dem Tunneleffekt scheint mir wirklich ein wenig kompliziert zu sein =/
Da es nur eine verhältnismäßig kleine Facharbeit sein soll (10 Seiten), werde ich mich wohl von Quantenphysik fernhalten .__.
Aber hier:
>
> Generell verliert die starke Kraft bei großen Kernen an
> Einfluß, denn ihre Reichweite ist so gering, daß sie
> praktisch immer nur zwischen direkt benachbarten Nukleonen
> wirkt, während die ES-Kraft durch die zunehmende Anzahl an
> Protonen zunimmt.
>
> Das heißt, daß die Nukleonen dann "lockerer sitzen": Der
> Wall ist nicht mehr ganz so hoch, und auch nicht mehr so
> dick, und damit ist es einfacher, hindurchzutunneln, die
> Kerne neigen eher dazu, zu zerfallen. Aber wie gesagt: Ohne
> so einen Wall würden die Isotope gar nicht erst
> existieren.
>
Bedeutet das, schwerere Kerne spalten sich leichter auf, wenn man sie mit einem Neutron beschießt?
Ist das der Grund, weshalb Uran 135 in Kernkraftwerken verwendet wird (ist doch ein sehr schweres Isotop, oder)?
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 23:50 Mo 11.04.2011 | | Autor: | leduart |
Hallo
ja so ist es. zusätzlich solltest du dir noch unter dem massendefekt ansehen, dass atome in der gegend von eisen besonders stabilsind, und man die die deutlich schwerer sin wie Uran, deshalb in 2 kerne in der Nähe von Fe spalten kann. die 2 bruckstücke sind dann aber nicht stabil , sondern sehr oft radioaktiv. Das ist die radioaktivität, die man dann in den "ausgebrannten" brennstäben hat, und für die es bis jetzt keine "entsorgung gibt, weil teile davon noch nach 100 jahren nicht zerfallen sind.
Gruss leduart
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 00:11 Di 12.04.2011 | | Autor: | Paivren |
> Hallo
> ja so ist es. zusätzlich solltest du dir noch unter dem
> massendefekt ansehen, dass atome in der gegend von eisen
> besonders stabilsind, und man die die deutlich schwerer sin
> wie Uran, deshalb in 2 kerne in der Nähe von Fe spalten
> kann. die 2 bruckstücke sind dann aber nicht stabil ,
> sondern sehr oft radioaktiv. Das ist die radioaktivität,
> die man dann in den "ausgebrannten" brennstäben hat, und
> für die es bis jetzt keine "entsorgung gibt, weil teile
> davon noch nach 100 jahren nicht zerfallen sind.
> Gruss leduart
>
Hallo!
*sich den Massendefekt mal angeschaut hat*
Also, das gesamte Subjekt ist leichter als die Summe seiner Bestandteile. Weil beim Zusammentreffen jener Teile Masse in Energie umgewandelt wurde, die für die Verschmelzung verantwortlich ist.
Oder kann man sogar sagen, die Masse hat sich in die Starke Kraft zwischen den Nukleonen verwandelt?
Was ich dann nicht ganz verstehe.
Wenn ich bei der Kernspaltung ein schweres Objekt spalte, benutze ich dazu ja die Energie eines fliegenden Neutrons, richtig? Aber wo genau wird beim Spalten nun Energie frei ?_?
Der Zusammenhang zwischen Massendefekt und Kernspaltung fehlt mir irgendwie...
mfG.
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Hallo Paivren,
> Also, das gesamte Subjekt ist leichter als die Summe seiner
> Bestandteile. Weil beim Zusammentreffen jener Teile Masse
> in Energie umgewandelt wurde, die für die Verschmelzung
> verantwortlich ist.
> Oder kann man sogar sagen, die Masse hat sich in die
> Starke Kraft zwischen den Nukleonen verwandelt?
Na, nicht ganz. Nein, das kann man so nicht sagen.
> Was ich dann nicht ganz verstehe.
> Wenn ich bei der Kernspaltung ein schweres Objekt spalte,
> benutze ich dazu ja die Energie eines fliegenden Neutrons,
> richtig?
Jein. Wichtiger ist, dass das Neutron kurzzeitig dem Kern "beitritt" und ihn dadurch instabil macht.
> Aber wo genau wird beim Spalten nun Energie frei
> ?_?
> Der Zusammenhang zwischen Massendefekt und Kernspaltung
> fehlt mir irgendwie...
Mal ganz platt: je größer die Masse des Kerns, umso größer ist (auch anteilig!) der Massendefekt. Zerfällt der Kern also in zwei kleinere Teile, so sinkt der Massendefekt anteilig und daher auch absolut.
Und ansonsten gilt auch dann [mm] e=mc^2.
[/mm]
Woraus die Freisetzung von Energie offensichtlich wird.
Grüße
reverend
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Hallo Reverend!
Das ist so nicht richtig. Ein Kern aus mehreren Nukleonen ist bekanntlich leichter als die Summe seiner Teile, diese Differenz ist der Massendefekt. Baut man ein Atom aus den Einzelteilen zusammen, würde man dabei via E=mc² aus dem Massendefekt Energie bekommen.
Der MAssendefekt ist, wie von Leduart gesagt, etwa bei Eisen an größten, und wird zu schwereren und leichteren Kernen hin geringer!
Beim Spalten von Uran erhält man leichtere Bruchstücke, die zusammen einen höheren Massendefekt als das Uran selbst haben. Man gewinnt aus der Spaltung also Energie.
Auf der anderen Seite gewinnt man Energie, wenn man sehr leiche Elemente zu schwereren verschmilzt, das ist die Kernfusion.
Unter http://de.wikipedia.org/wiki/Massendefekt gibt es ein schönes Diagramm dazu, das das veranschaulicht. Nebenbei sieht man da auch, was ich schon angesprochen habe: Es gibt Isotope wie He-4, C-12 und O-16, die stabiler als die umliegenden sind, und daher nen besonders hohen Massendefekt haben.
Daraus kann man sich auch erklären, warum Alpha-Strahlung ausgerechnet Helium-4-kerne sind: Alles, was leichter ist, hat so wenig Massendefekt, daß sich ne Spaltung energetisch nicht lohnt, und nach dem He-4 dauert es auch wieder ne Weile, bis Isotope mit ähnlichem Defekt auftreten.
Nebenbei gibts da auch nen Link zur Bethe-Weizsäcker-Formel, das könnte ein interessantes Thema für ne Arbeit sein!
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 01:31 Di 12.04.2011 | | Autor: | Paivren |
Leute, ich kapier das irgendwie immer noch nicht.
Liegt vielleicht an der Uhrzeit?
Wenn ich 2 Kerne miteinander fusioniere, geben sie Teile ihrer Masse in Form von Energie an die Umgebung ab.
Massendefekt und Fusion ist damit klar.
Aber wie sieht es bei der Spaltung aus?
Ich habe einen schweren Atomkern. In den muss ich, damit er sich spaltet, doch genau die Energie reinstecken, die dem Massendefekt entspricht, oder? Ich dachte immer, dass das über das fliegende Neutron geschieht.
Wenn sich der Kern nun aufspaltet, haben wir 2 kleinere Kerne, die je über einen größeren Massendefekt verfügen.
Das bedeutet, ich müsste mehr Energie in die Spaltprodukte stecken, um sie erneut zu spalten, als ich in den Ursprungskern stecken musste. Aber wo genau krieg ich denn jetzt Energie zurück?
Nochmal für ganz doofe, bitte xD"
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(Antwort) fertig | | Datum: | 01:53 Di 12.04.2011 | | Autor: | leduart |
Hallo
Noch mal die Kerne schwerere als Eisen haben einen geringeren massendefekt als eisen, (die kleineren auch). warum führt hier zu weit weg für die Schule. aber sieh dir die kurve für den massendefekt pro teilchen in wiki an.
beim Spalten von schweren Kernen gewinnt man also aus demselben Grund Energie wie beim Fusionieren. Beim Spalten geht Masse verloren und wird in hauptsächlich kinetische Energie der Bruchteile verwandelt.
Manche Kerne zerfallen spontan, also ohne den Anstoß von Neutronen, andere brauchen den "schubs"durch die Neutronen. Stell dir das energetisch so vor: ein Stein liegt af einem Berg, hat also eine große potentielle Energie,er liegt aber in einer kleinen Mulde, über die er nicht von alleine rauskann. Gibt man ihm nun nur einen kleinen Stoß rollt oder fliegt er dann den ganzen Berg runter seine pot. Energie wird in kinetische umgesetzt, die viel größer ist, als die kleine Energie, die man zum anschubsen brauchte. Wenn er dabei weitere Steinchen anschubst, die wieder größere aus mulden heben hast du eine "Kettenreaktion" am Berg eine Steinlawine
Klarer?
Gruss leduart
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 01:58 Di 12.04.2011 | | Autor: | Paivren |
> Hallo
> Noch mal die Kerne schwerere als Eisen haben einen
> geringeren massendefekt als eisen, (die kleineren auch).
> warum führt hier zu weit weg für die Schule. aber sieh
> dir die kurve für den massendefekt pro teilchen in wiki
> an.
> beim Spalten von schweren Kernen gewinnt man also aus
> demselben Grund Energie wie beim Fusionieren. Beim Spalten
> geht Masse verloren und wird in hauptsächlich kinetische
> Energie der Bruchteile verwandelt.
Aber wieso geht denn beim Spalten Masse verloren?
Wenn das Ganze LEICHTER ist als die Summe seiner Teile, müsste man doch eher Masse DAZUgewinnen, wenn man das Ganze aufspaltet, oder ?___?
> Manche Kerne zerfallen spontan, also ohne den Anstoß von
> Neutronen, andere brauchen den "schubs"durch die
> Neutronen. Stell dir das energetisch so vor: ein Stein
> liegt af einem Berg, hat also eine große potentielle
> Energie,er liegt aber in einer kleinen Mulde, über die er
> nicht von alleine rauskann. Gibt man ihm nun nur einen
> kleinen Stoß rollt oder fliegt er dann den ganzen Berg
> runter seine pot. Energie wird in kinetische umgesetzt, die
> viel größer ist, als die kleine Energie, die man zum
> anschubsen brauchte. Wenn er dabei weitere Steinchen
> anschubst, die wieder größere aus mulden heben hast du
> eine "Kettenreaktion" am Berg eine Steinlawine
> Klarer?
> Gruss leduart
Das dagegen verstehe ich gut, danke =)
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(Antwort) fertig | | Datum: | 08:11 Di 12.04.2011 | | Autor: | chrisno |
Für die Atomkerne, die schwerer als Eisen sind gilt:
Nach der Spaltung eines Atomkerns ist die Masse der Bruchstücke kleiner als die Masse des Ausgangskerns. Es ist also Masse verloren gegangen. Diese ist nun als Energie vorhanden.
Für die Atomkerne, die leichter als Eisen sind gilt:
Nach der Spaltung eines Atomkerns ist die Masse der Bruchstücke größer als die Masse des Ausgangskerns. Es muss also Masse dazugewonnben werden. Das kann man tun, indem man genug Energie in den Kern steckt.
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 13:07 Di 12.04.2011 | | Autor: | Paivren |
Nach der Spaltung ist die Masse der Bruchstücke KLEINER als die Masse des ganzen?
Ich dachte, der Massendefekt würde genau umgekehrt funktionieren.
Oder ist das für Elemente, die schwerer als das Eisen sind, so?
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(Antwort) fertig | | Datum: | 15:42 Di 12.04.2011 | | Autor: | leduart |
Hallo
warum siehst du dir nicht endlich mal die Kurve für den Massendefekt an statt einfach zu "denken". Hier wurde dir mehrfach gesagt, dass der Defekt bei eisen (Fe) am größten ist. warum dann diese Nachfrage?
in wiki unter Kernspaltung wird da z. Bsp eine Beispielrechnung vorgeführt, wieviel energie etwa pr spaltung frei werden kann, ausserdem kann man das an der graphik des Massendefektes leicht selbst sehen. aber den solltest du endlich ansehen und notfalls dazu fragen stellen!
hier noch ein Arbeitsblatt auf Schulniveau:
![[]](/images/popup.gif) klick
Gruss leduart
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(Antwort) fertig | | Datum: | 21:08 Di 12.04.2011 | | Autor: | chrisno |
Ich war der Meinung, das sehr klar geschrieben zu haben. Bitte teile mir mit, was an meiner Darstellung nicht zu verstehen ist.
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(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 21:20 Di 12.04.2011 | | Autor: | Paivren |
Ich habe mir die Grafik angesehen, war beim Googeln schon vorher drauf gestoßen, aber meine Fragen wie bei einer Kernspaltung Energie entstehen kannte, konnte die nun nicht beantworten^^
Wie auch immer, ich denke, ich habs jetzt:
Wenn man statt "Massendefekt" das Wort "Bindungsenergie" verwendet, klingt das viel einleuchtender.
Ein schwerer Kern wird aufgespalten und es entstehen leichtere Bruchstücke, die jedoch eine höhere Bindungsenergie haben. Um diese zu erreichen, also die Differenzen der Bindungsenergien auszugleichen, muss halt weitere Energie ausgestoßen werden (Bindungsnenergie wird negativ gerechnet, da sie zum Binden ausgestoßen wird).
Danke an alle Antwort-Menschen =)
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