Kernenergie (1)

Infotext - Teilchenmodell, Erweiterung durch Thomson

Das Teilchenmodell ist eine der einfachsten Modellvorstellungen zum Aufbau der Materie. Es beruht auf der Grundannahme, dass ausgedehnte Körper aus vielen einzelnen Teilchen bestehen, die erst durch ihr Zusammenwirken die Eigenschaften entstehen lassen, die sich in den makroskopischen Zuständen und Vorgängen zeigen (Begriffserklärung: Makroskopisch → mit bloßem Auge sichtbar, Mikroskopisch → nur mit Gerät zur Vergrößerung, z. B. Lupe oder Mikroskop, sichtbar). Als (nahezu) unveränderliche Teilchen dieser Art wurden die Atome identifiziert. Ihre Anzahl übertrifft schon bei kleinen makroskopischen Körpern leicht die Größenordnung einer 23-stelligen Zahl. 

Erklärungen mit Hilfe des Teilchenmodells

Das Teilchenmodell geht davon aus, dass die Teilchen eines reinen Stoffs alle identisch zueinander sind. Sie unterscheiden sich aber von den Teilchen anderer Stoffe, zum Beispiel in ihrer Größe, Form oder Masse. Über den inneren Aufbau der Teilchen wird keine Aussage gemacht.

Im einfachsten Ansatz werden die Teilchen als harte Kugeln dargestellt. Dieses Teilchenmodell ist schon geeignet für die Beschreibung der Körper im gasförmigen Zustand. In der nächsten Stufe des Modells werden Teilchen angenommen, die sich nach festen Regeln mit anderen Teilchen stabil verbinden können. Schließlich wird das Teilchenmodell dadurch erweitert, dass die Teilchen bei starker Annäherung abstoßende und bei mittlerer Entfernung anziehende Kräfte aufeinander ausüben können. Unter anderem lassen sich folgende Beobachtungen im Rahmen dieses Teilchenmodells erklären:

• Mechanische Festigkeit von festen Körpern
• Leichte Verformbarkeit von Flüssigkeiten und Gasen.
• Die Aggregatzustände (fest, flüssig, Gasförmig) und deren Umwandlung ineinander. Sie werden bestimmt durch die Anziehung der Teilchen zueinander. 
• Die Komprimierbarkeit der Gase durch große Abstände zwischen den Teilchen.
• Bei Flüssigkeiten und Feststoffen kann das Volumen fast gar nicht verringert werden, weil die Teilchen bereits nahe beieinander sind.

Was mit dem Teilchenmodell aber nicht erklärt werden konnte: Die elektrische Aufladung von Körpern! Dafür muss das Modell erweitert werden! Einen ersten Schritt machte der britische Physiker Joseph John Thomson (1856 – 1940):

Das thomsonsche Atommodell ist ein Atommodell, nach dem das Atom aus gleichmäßig verteilter, positiv geladener Masse besteht, in der sich die negativ geladenen Elektronen bewegen. Dieses Modell wurde 1903 von Joseph John Thomson entwickelt. Aufgrund der angenommenen Anordnung der Elektronen in der Masse, vergleichbar mit Rosinen in einem Kuchen, wird es auch als Pudding- oder Rosinenkuchenmodell bezeichnet. Die positive Ladung der Masse und die negative Ladung der Elektronen gleichen sich dabei aus. Nach außen hin wirkt das Atom also neutral. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Teilchenmodell I Atome I Moleküle

2) → Das Teilchenmodell einfach erklärt ("Expertenvideo" mit Zusatzinformationen)

3) → FWU - Teilchenmodell und Aggregatzustände

4) → Entwicklung der Atomtheorie - (3) Joseph John Thomson Atommodell

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Aufgaben:

Infotext 1 - Kernenergie (02) - Rutherfordsches Atommodell

Das rutherfordsche Atommodell ist ein Atommodell, das 1909 bis 1911 von Ernest Rutherford aufgestellt wurde. Das rutherfordsche Atommodell bildet die Grundlage für das heutige Bild vom Atom, indem es den Atomkern einführte, der als außerordentlich kleine, positiv geladene Kugel im Zentrum des Atoms fast dessen ganze Masse besitzt. Damit überwand das rutherfordsche Atommodell das 1904 aufgestellte thomsonsche Atommodell und diente als Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung von Atommodellen.
Bis zum rutherfordschen Streuversuch (1909) war lediglich bekannt, dass Atome negativ geladene Elektronen und die gleiche Menge positiver Ladungen enthalten. Einen dazu passenden Erklärungsversuch für den Atomaufbau stellte das thomsonsche Atommodell dar. Rutherford zeigte allerdings in Versuchen, dass dieses Modell nicht die Realität abbildet. 

Rutherfordscher Streuversuch

Rutherford führte Versuche mit energiereichen positiv geladenen Teilchen durch. Diese ließ er auf eine dünne Metallfolie auftreffen und beobachtete dabei, dass die Teilchen geradlinig durch die Folie hindurchflogen. Einige der Teilchen wurden aber auch mehr oder weniger leicht abgelenkt. Rutherford stellte aber auch fest, dass einige wenige der Teilchen von einer Metallfolie zurückgeworfen wurden. Das war völlig unerwartet, es war mit der bisherigen Vorstellung von Atomen nicht zu erklären. Die Beobachtung war sogar so erstaunlich, dass Rutherford dazu bemerkte: „Es war beinahe so unglaublich, als ob man mit einem 15-Zoll-Geschoss auf ein Stück Seidenpapier schießt und das Geschoss zurückkommt und einen selbst trifft.“ Rutherford zog aus seinen Versuchen dir Schlussfolgerung, dass die Gesamtheit der positiven Ladungen des Atoms und praktisch seine gesamte Masse in einem Atomkern vereinigt sein müssen, dessen Größe nur einen winzigen Bruchteil des gesamten Atoms ausmacht. Nach außen hin sind die Atome aber elektrisch neutral. Dies erklärte Rutherford dadurch, dass der Atomkern von negativ geladenen Elektronen umgeben ist, deren Anzahl der Kernladungszahl entspricht. Über die räumliche Verteilung der Elektronen ließen sich aber keine weiteren Informationen ableiten, da die Elektronen aufgrund ihrer geringen Masse im Streuversuch nicht zur Ablenkung der schwereren (positiv geladenen) Teilchen um große Winkel beitragen. 

Ernest Rutherford 
Rutherford (1871 - 1937) war ein britischer Physiker, der 1908 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Rutherford gilt als einer der bedeutendsten Experimentalphysiker.
Rutherford wies erstmals 1917 experimentell nach, dass ein Atomkern eines bestimmten Elements durch das Auftreffen von positiven Teilchen (ähnlich wie in seinen Streuversuchen) in einen Atomkern eines anderen Elements umgewandelt werden kann. Bei diesen Experimenten entdeckte er das Proton. Einem weiteren Wissenschaftler in Cambridge, James Chadwick, gelang es 1932, das Neutron experimentell nachzuweisen, welches Rutherford bereits Jahre vorher theoretisch vorausgesagt hatte.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Infotext 1 - Kernenergie (02) - Bohrsches Atommodell

1. Dem Elektron stehen nur bestimmte ausgewählte Umlaufbahnen um den Atomkern zur Verfügung. Dies sind die stationären (d.h. „erlaubte“) Zustände des Atoms.
2. Auf jeder stationären Bahn hat das Elektron eine bestimmte Energie. Das Elektron kann von einem stationären Zustand in einen anderen springen (Quantensprung). Dabei wird die Energiedifferenz der beiden Zustände als elektromagnetische Strahlung (Lichtquant) emittiert oder absorbiert. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Entwicklung der Atommodelle - REMAKE

2) → Rutherfords Streuversuch ● SIMPLECLUB

3) → Bohrs Atommodell ● SIMPLECLUB

4) → MdNT John Dalton und Niels Bohr Das Atom

1) → Atommodell nach Ernes Rutherford I musstewissen Chemie

2) → Atommodell nach Niels Bohr I musstewissen Chemie

3) → Der rutherfordsche Streuversuch und das rutherfordsche Atommodell

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Aufgaben:

1. Warum werden Atome durch "Modelle" beschrieben? 
2. Atome wurden im Laufe der Zeit durch verschiedene Modelle beschreiben. Warum hat man verschiedene Atommodelle? 
3. Was bedeutet die Beschreibung durch ein "Modell" eigentlich?
4. a) In welchem Atommodell wurde die Eigenschaft der elektrischen Ladungen erstmals berücksichtigt und wie?
   b) Aus welchem Grund wurde das Atommodell dann aber schnell wieder durch ein neues Modell erstetzt?
5. Atome bestehen aus einem kleinen Kern. a) Wer kam man zu dieser Erkenntnis? b) Wie kam er darauf? c) Beschreibe das Vorgehen.
6. Welche wichtigen Konsequenzen konnte man aus den Streuversuchen von Rutherfor schließen? Fasse die Ergebnisse und Schlussfolgerungen kurz zusammen.
7. Nils Bohr erweiterte das Modell von Rutherford. Er stellte Postulate auf. Was ist ein Postulat und weche Postulate stellte er auf?

Infotext - Der Atomkern (Kernladungszahl / Ordnungszahl)

Zum Verständnis der inneren Struktur der Atome wurde in einem weiteren Schritt der Atomkern noch genauer untersucht. Einen großen Anteil hatte dabei James Cadwick (1891 – 1974). Er war ein englischer Physiker. Cadwick studierte an der University of Manchester, anschließend verbrachte er zwei Jahre bei Ernest Rutherford am Physical Laboratory in Manchester, wo er an verschiedenen Problemen der Radioaktivität arbeitete. 1919 wurde er enger Mitarbeiter von Ernest Rutherford. 
Gemeinsam arbeitete Chadwick mit Rutherford weiter an der Erforschung des Aufbaus des Atomkerns. Dazu dienten erneut Streuversuche wie sie Rutherford zur Entdeckung des Atomkerns durchgeführt hatte. Die Ergebnisse führten dabei zu wichtigen Informationen bezüglich des Durchmessers von Atomkernen. Außerdem konnte man direkt Rückschlüsse auf die Kernladung erhalten, d.h. auf die Anzahl der positiv geladenen Kernbausteine (Protonen) der streuenden Substanz. Es stellte sich heraus, dass die Ladung eines Atomkerns gleich der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente (PSE) ist. Damit wurde eine wichtige Verbindung zur Chemie hergestellt.

Streuversuch: 1: Radioaktives Radium, 2: Bleimantel zur Abschirmung, 3: Teilchenstrahl (positiv geladene Teilchen), 4: Leuchtschirm bzw. Fotografieschirm 5: zu untersuchende Streusubstanz 6: Punkt, an dem die Strahlen auf die Folie treffen, 7: Teilchenstrahl trifft den Schirm, nur wenige Teilchen werden abgelenkt.

Neben der Kernladung wurde auch die Masse des Atomkerns in Versuchen untersucht. Die Massenspektrometrie bezeichnet ein Verfahren zum Messen der Masse von Atomen oder Molekülen. Erste Massenspektrometer wurden um 1918 gebaut. Einen entscheidenden Anteil an der Entwicklung der Massenspektrometer hatte der britische Chemiker und Physiker Francis William Aston, er war ein Schüler von Joseph Thomson. Die Massenspektrometrie findet in vielen Bereichen Anwendung. Eingesetzt wird sie unter anderem bei der Charakterisierung von chemischen Verbindungen, zur Identifizierung von Substanzen, in kriminaltechnischen Untersuchungen, bei Dopingkontrollen oder in der Umweltanalytik.

Die Massenspektrometrie basiert auf einer Hypothese die besagt, dass jede Art von Atomen eine definierte Masse hat – damals als Atomgewicht bezeichnet. Man hatte festgestellt, dass die Masse der Atome einiger chemischer Elemente dem ganzzahligen Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms entsprach. Die zu untersuchenden Atome oder Moleküle werden in einem Massenspektrometer nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis „sortiert“. Dies führte zu einem erstaunlichen Ergebnis: Erste Untersuchungen zeigten bei den beiden leichtesten Elementen des Periodensystems (Wasserstoff H, Helium He), dass Helium zwar die doppelte Kernladung im Vergleich zum Wasserstoffatomkern trägt, allerdings ist seine Masse ca. vierfach so groß. Das führte zu der Schlussfolgerung, dass es neben den positiv geladenen Kernbausteinen (Protonen) noch andere Kernbausteine geben musste, diese aber nicht elektrisch geladen (also neutral) sind. Aufgrund dieser Tatsache werden diese Kernbausteine als „Neutron“  bezeichnet. Die Masse eines Neutrons entspricht dabei ziemlich genau der Masse eines Protons.
1932 gelang James Chadwick der experimentelle Nachweis für die Existenz des Neutrons, die in den 1920er Jahren vorausgesagt worden war. Für seine Leistung erhielt er 1935 den Nobelpreis für Physik.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Ordnungszahl - Massenzahl - Isotop | Atomphysik | Lehrerschmidt

2) → Ordnungszahl und Atomgewicht - einfach erklärt

3) → Ordnungszahl erklärt im Periodensystem der Elemente

4) → Massenspektrometer

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Infotext - Isotope

Als Isotope (altgriechisch isos „gleich“ und tópos „Ort, Stelle“) bezeichnet man Atomarten, deren Atomkerne gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen enthalten. Sie haben die gleiche Ordnungszahl, stellen daher das gleiche Element dar, weisen aber verschiedene Massenzahlen auf; es gibt also z.B. Sauerstoffisotope, Eisenisotope usw.. Die verschiedenen Isotope eines Elements verhalten sich chemisch fast identisch.

Der Name kommt daher, dass die Isotope eines Elements im Periodensystem am gleichen Ort stehen. Der Begriff „Isotop“ ist deshalb als Bezeichnung der verschiedenen Atomkerne eines Elements „aus Sicht des Periodensystems der Elemente (PSE)“ zu verstehen. Allerdings sind dem PSE die detaillierten Informationen zu den verschiedenen Isotopen nicht zu entnehmen. Getrennt voneinander werden sie in einer Nuklidkarte dargestellt. Die Bezeichnung „Isotop“ ist älter als der Begriff „Nuklid“ (abgeleitet von lat. nucleus „Kern“), der ganz allgemein „Atomart“ bedeutet. Der Begriff „Isotop“ wird oft auch im Sinne von „Nuklid“ benutzt. 

Grundsätzlich kann also jedes Element in Form verschiedener Isotope vorkommen (s. Liste der Isotope und Nuklidkarte). Insgesamt gibt es rund 3300 bekannte Nuklide. Etwa 240 davon sind stabil. Alle anderen sind instabil, das heißt, ihre Atome wandeln sich durch radioaktiven Zerfall nach mehr oder weniger langer Zeit in andere Atome um. Bei manchen traditionell als stabil angesehenen Nukliden ist diese Zeit so lang, dass ihr Zerfall erst in heutiger Zeit entdeckt wurde oder noch in Experimenten gesucht wird.
Von den 91 natürlich vorkommenden Elementen werden in der Natur 69 als Gemische mehrerer Isotope (Mischelemente) vorgefunden. Die übrigen 22 heißen Reinelemente. 

Bezeichnung und Formelschreibweise

Formelmäßig wird ein Nuklid wie folgt bezeichnet:

Dabei ist A die Massenzahl (Nukleonenzahl, d. h. die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen) und Z die Kernladungszahl (Zahl der Protonen, Ordnungszahl). Als Formelzeichen wird die Massenzahl also dem Elementsymbol links oben hinzugefügt. Die Kernladungszahl ist schon durch den Namen (das Elementsymbol) gegeben, kann aber zusätzlich links unten an das Elementsymbol geschrieben werden. (In einem Fließtext wird ein Isotop mit dem Elementnamen oder -symbol mit der angehängten Massenzahl bezeichnet, beispielsweise Sauerstoff-16 oder O-16, Eisen-56 oder Fe-56).

Ausnahmen bilden manchmal die Wasserstoffisotope. Ihre Massenunterschiede sind sehr groß (¹H : ²H : ³H wie 1 : 2 : 3), weshalb sie chemisch leicht unterschiedlich reagieren und sogar eigene Namen und chemische Symbole erhielten:

• Das weitaus häufigste Wasserstoffisotop ¹H wird auch als Protium oder leichter Wasserstoff bezeichnet.
• Das Isotop ²H wird auch als Deuterium oder schwerer Wasserstoff bezeichnet. Symbol: D.
• Das Isotop ³H wird auch als Tritium oder überschwerer Wasserstoff bezeichnet. Symbol: T

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Was sind Isotope? I musstewissen Chemie

2) → Isotope

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Aufgaben:

1. Wie genau ist ein Atom aufgebaut? Beschreibe am Beispiel eines Kohlenstoff-Atoms.
2. Aus welchen "Bausteinen" ist ein Atomkern aufgebaut und welche "Sorte" davon definiert das Element?
3. Was versteht man unter geladenen Ionen?
4. Die Anzahl welcher "Bausteine" eines Atoms muss man ändern, damit man zwar die gleiche Atomsorte, aber verschiedene Isotope erhält? Erkläre am Beispiel von Kohlenstoff.
5. Erläutere jeweils die Schreibweise: a)  ¹³C     b) ⁵He   
6. Was genau ist für die chemischen Eigenschaften eines Atoms maßgeblich?
7. Nenne die drei "Bausteine" aus denen ein Atom zusammengesetzt ist und vergleiche ihre Massen miteinander. Sind die Massen der verschiedenen "Bausteine" alle gleich?
8. Nenne drei Isotope der Atomsorte "Beryllium" (Be).
9. Was versteht man unter "schwerem Wasser"?
10. Für welche Anwendung sind ¹⁴C-Isotope besonders wichtig und warum?

Infotext - Kernenergie (05) - Wirkung von Radioaktivität (Radiographie, Autoradiographie)

Am 8. November 1895 entdeckte der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg bei der Durchführung seiner Experimente zufällig Hinweise auf unsichtbare Strahlen mit einem hohen Durchdringungsvermögen, die bestimmte Stoffe zum Leuchten anregen konnten. Diese Erscheinung wird als „Lumineszenz“ bezeichnet. Röntgen gilt als Entdecker der heute nach ihm benannten Röntgenstrahlen (auch X-Strahen genannt). Hierfür erhielt er 1901 den ersten Nobelpreis für Physik. Im Jahr 1896 wurden dann von dem französische Physiker Henri Bequerell weiterführende Experimente mit Uransalzen durchgeführt. Nachdem er auf einige in einem dunklen Raum deponierte Präparate eine Fotoplatte gelegt hatte, bemerkte er am 1. März 1896, dass die Platte geschwärzt wurde, obwohl zuvor kein Licht einfallen konnte. Dies war ebenfalls ein Hinweis darauf, dass eine mit dem Auge nicht sichtbare Strahlung existiert – diese Strahlung nannte Becquerel Uranstrahlen. Becquerel hatte mit seinem Versuch die Radioaktivität entdeckt. 

Radioaktivität (lat. radiare „strahlen“ und activus „tätig“, „wirksam“) bezeichnet die Eigenschaft instabiler Atomkerne (Isotope) sich spontan umzuwandeln. Der Atomkern wandelt sich dabei unter Aussendung von Teilchen in einen anderen Kern um oder ändert unter Energieabgabe seinen Zustand. Man nennt den Umwandlungsprozess auch „radioaktiver Zerfall“ oder „Kernzerfall“. Atomsorten mit instabilen Kernen nennt man Radionuklide. Umgangssprachlich wird auch oft von „radioaktiver Strahlung“ gesprochen. Radioaktivität ist für den Menschen – ebenso wie Röntgenstrahlung – nicht direkt wahrnehmbar und kann je nach den Umständen schädlich (Strahlenschäden) oder nützlich (medizinisch) sein. 

Anwendungen

Radioaktiven Zerfall nutzt man beispielsweise in der Archäologie den zur Altersbestimmung (Radiokarbonmethode). Radioaktive Substanzen finden weiterhin Anwendung u. a. in Radionuklidbatterien und -Heizelementen zur Energieversorgung in der Raumfahrt sowie in der medizinischen ​Strahlentherapie.

Die Autoradiographie ist ein bildgebendes Verfahren und findet Anwendung in der Biologie oder Medizin. Sie bezeichnet die Sichtbarmachung radioaktiver Nuklide, ursprünglich durch Schwärzung eines fotografischen Filmes, inzwischen vermehrt mit Hilfe eines Strahlungsdetektors. Für die Autoradiographie müssen zunächst in die zu analysierenden Objekte radioaktive Nuklide eingeschleust werden. Dann wird eine bestimmte räumliche Verteilung der Nuklide abgebildet die sich „automatisch“ ergibt. Dies lässt Rückschlüsse über biologische oder medizinische Vorgänge im Körper zu. Bei einem sogenannten Szintigramm sammeln sich die Nuklide nach Verabreichung beim Patienten beispielsweise in der Schilddrüse an. Die Verteilung der Nuklide lässt auf das Vorhandensein eines Tumors schließen. In der Biologie lassen sich beispielsweise Kreisläufe von Nähstoffen in Pflanzen darstellen und dadurch besser verstehen. Die dabei erhaltene Aufnahme wird Autoradiogramm genannt.

Die Radiographie ist ebenfalls ein Bildgebungsverfahren zur Darstellung der internen Struktur eines zu untersuchenden Gegenstands oder Körpers. Dabei kann Röntgenstrahlung auf das Objekt gerichtet werden. An verschiedenen Stellen wird die Strahlung dann mehr oder weniger stark absorbiert. Die Absorption hängt von der Zusammensetzung der verschiedenen im Gegenstand enthaltenen Bestandteile ab und führt zu einer Abbildung des Gegenstands. In der Medizin dient das Verfahren zur Feststellung von Anomalien im Körper. Die unterschiedlich dichten Gewebe des Körpers absorbieren die Röntgenstrahlen unterschiedlich stark, so dass man eine Abbildung des Körperinneren erreicht. Das Verfahren wird zum Beispiel häufig bei Verdacht auf einen Knochenbruch angewendet. Auch in den Materialwissenschaften liefert die Untersuchung der inneren Struktur von Objekten und Bauteilen mit Hilfe der Radioaktivität wichtige Informationen. So können auch hier beispielsweise Risse oder Brüche in Bauelementen entdeckt werden.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → WIe entstehen Roentgenstrahlen? - Planet Schule - SWR

2) → Wie können Dosimeter schützen?

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Infotext - Nachweis von Radioaktivität: Geiger-Müller-Zählrohr

Zählrohre dienen zum Nachweis und zur Messung sogenannter ionisierender Strahlung, sie gehören also zu den Strahlungs- und Teilchendetektoren. Die ionisierende Strahlung ist eine Bezeichnung für Strahlung, die in der Lage ist, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen (meist durch Stoßprozesse), sodass positiv geladene Ionen oder Molekülreste zurückbleiben. Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Gewöhnlich haben Atome und Moleküle genauso viele Elektronen wie Protonen (neutraler Zustand). Besitzt ein Atom oder Molekül jedoch ein oder mehrere Elektronen mehr oder weniger als im Neutralzustand, dann hat es dadurch elektrische Ladung und wird als Ion bezeichnet.
Der häufig anzutreffende Ausdruck Geigerzähler bezeichnet fachsprachlich das Geiger-Müller-Zählrohr. 

Aufbau

Die einfachsten Zählrohre bestehen aus einem an beiden Seiten verschlossenen zylindrischen Metallrohr. In der Achse des Zylinders befindet sich ein Draht von z. B. 0,1 mm Durchmesser der an einem Ende durch einen Isolator (Glas) aus dem Zählrohr herausgeführt wird. Der Rohrdurchmesser beträgt einige Zentimeter. Im Inneren des Rohres befindet sich eine Gasfüllung.
Funktion
Zunächst wird eine konstante elektrische Spannung zwischen dem zylindrischen Metallrohr (negativ geladen) und dem Draht (positiv) angelegt (ca. 500V). Wenn ionisierende Strahlung in das Metallrohr einfällt werden Elektronen aus den Gasatomen „herausgeschlagen“. Die freien Elektronen werden dann zum positiv geladenen Draht beschleunigt. Die Elektronen können auf diesem Weg dann noch weitere Elektronen aus anderen Gasatomen herausstoßen. Die so erzeugte Elektronenlawine erzeugt dadurch messbare elektrische Impulse die durch einen Zähler registriert werden können und oft auch über einen Lautsprecher akustische Signale erzeugen. Zur Auslösung eines Impulses genügt schon ein einziges freigesetztes Elektron, der Detektor hat also die bestmögliche Empfindlichkeit.

Geschichte

Ein Vorläufer der Zählrohre wurde erstmals 1913 von dem deutschen Physiker Hans Geiger beschrieben. Das Geiger-Müller-Zählrohr geht auf Geigers Entwicklungsarbeiten zusammen mit seinem Mitarbeiter Walther Müller an der Universität Kiel zurück. Es war der erste bekannte und allgemein genutzte Detektortyp, der auf Teilchen oder Strahlungsquanten mit einem elektrischen Impuls reagierte. 
Da die Impulse des Geiger-Müller-Zählrohrs für alle Teilchen gleich sind, eignet es sich vor allem zum Zählen der einfallenden Teilchen/Quanten. Die Bezeichnung „Geigerzähler“ oder „Geiger-Zählrohr“ erscheint daher natürlich. Diese Bezeichnung hat sich auf die später entwickelten Detektoren übertragen, obwohl diese nicht nur zum Zählen, sondern auch zur Energiemessung und zur Unterscheidung von Strahlenarten dienen.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Geiger-Müller Zählrohr/Geigerzähler- einfach erklärt! |ElenAlina

2) → Geigerzähler - Geiger-Müller-Zähler - einfach und anschaulich erklärt

3) → Dosimeter Radiometer BR-6 Aliexpress Geiger Counter

4) → ABC-Basisequipment, Geigerzähler und Dosimeter. Erkennen, Schützen, Helfen!

5) → LekkerWissen - Wir machen Radioaktivität sichtbar (Nebelkammer)

6) → Radioaktivität in Haushaltsgegenständen - Teil 1: Radium

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Infotext - Kernenergie (07) - Ursprung von Radioaktivität

Radioaktivität in der Umwelt

Radioaktivität (radiation, engl. für „Strahlung“) kommt in unserer Umwelt teils natürlich, also ohne Zutun des Menschen vor, teils wurde oder wird sie aber auch durch menschliche Tätigkeiten erzeugt. Ursachen natürlicher Radioaktivität sind sogenannte primordiale Radionuklide (primordial, spätlateinisch „ursprünglich“) mit ihren daraus entstehenden Zerfallsprodukten sowie Nuklide, die durch die kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre erzeugt werden. Die kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung, die von der Sonne, der Milchstraße und fernen Galaxien kommt, sie besteht vorwiegend aus Protonen. Menschlich verursachte Radioaktivität weist meist eine von der natürlichen abweichende Isotopenzusammensetzung auf, denn sie enthält auch kurzlebige und eindeutig nicht auf natürlichem Wege entstandene radioaktive Atomkerne.

Natürlich vorkommende Radioaktivität

Die primordialen Radionuklide stammen aus dem Material der Urerde. Sie zerfallen teilweise extrem langsam und sind deshalb heute noch vorhanden. Zu ihnen gehören das im menschlichen Körper stets enthaltene Kalium-40 und die als Kernbrennstoff wichtigen Isotope des Urans. Weitere Radionuklide entstehen indirekt als ständig nachproduzierte Zerfallsprodukte anderer Radionuklide, wie das überall aus dem Erdboden austretende Gas Radon. Solche Nuklide werden als „radiogen“ bezeichnet. 
Weitere, kosmogene Radionuklide werden laufend in der Atmosphäre durch Kernreaktionen mit der kosmischen Strahlung erzeugt. Zu ihnen gehört Kohlenstoff-14, der ebenso wie Kalium-40 durch den Stoffwechsel in alle Organismen gelangt.
Die Strahlung der überall vorhandenen natürlichen Radionuklide wird als Terrestrische Strahlung bezeichnet.

Vom Menschen erzeugte oder freigesetzte Radioaktivität

Schon lange vor Entdeckung der Radioaktivität wurden durch menschliche Tätigkeiten wie Bergbau und Kohleverbrennung radioaktive Stoffe freigesetzt. Paracelsus beschrieb 1567 die „Schneeberger Krankheit“. (Die Schneeberger Krankheit ist eine veraltete Bezeichnung für eine besondere Form des Lungenkrebses. Erstmals wurde diese Tumorform bei Schneeberger Bergleuten beschrieben.) Metallerze und Kohle enthalten mehr Radionuklide als die durchschnittliche Biosphäre; Schachtanlagen befördern Radon aus dem Erdinnern an die Oberfläche.
Mit der Förderung von Uran, dem Bau von Kernkraftwerken und vor allem dem Bau und dem oberirdischen Test von Kernwaffen wurde Radioaktivät in die Biosphäre entlassen, die globale Auswirkungen hatte.
Große Mengen an radioaktiven Substanzen wurden (neben den Atomtests bis 1963) durch Unfälle kerntechnischer Anlagen frei. Am bekanntesten sind die Nuklearkatastrophe von Tschernobyl und die Nuklearkatastrophe von Fukushima. 
Medizinische Anwendungen oder Materialuntersuchungen mit ionisierender Strahlung tragen nicht zur menschlich bedingten Radioaktivität bei. Soweit überhaupt radioaktive Stoffe genutzt werden, sind dies kurzlebige Nuklide in geringen Mengen, wie z. B. in der Positronen-Emissions-Tomographie (Die Tomographie oder Tomografie (von altgriechisch tome ‚Schnitt‘ und graphein ‚schreiben‘) ist ein bildgebendes Verfahren, das die schichtweise Darstellung eines Objekts liefert.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Kosmische Strahlung | Einfach Erklärt (2019)

2) → Radioaktivität im Alltag - Welt der Wunder

3) → Alpha Centauri - Was ist kosmische Strahlung - Folge 122

4) → Strahlung im Weltall - Schutz der Astronauten • Cafe & Kosmos

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Infotext 1 - Kernenergie (08) - Strahlungsarten

Ernest Rutherford gelang im Jahr 1898, durch Untersuchungen zum Durchdringungsvermögen der von Röntgen und Bequerell gefundenen unsichtbaren Strahlung, zwei Strahlungskomponenten zu unterscheiden, die er als α-(Alpha)- und β-(Beta)-Strahlung bezeichnete. 1900 entdeckte dann der französische Physiker Paul Villard noch eine dritte Komponente, die besonders durchdringend war. Da die Natur dieser Vorgänge zur Zeit ihrer Entdeckung unbekannt war, bezeichnete man die drei Strahlenarten in der Reihenfolge zunehmenden Durchdringungsvermögens mit den ersten drei (Klein-) Buchstaben des griechischen Alphabets: α, β und γ. Erst später gelangte man dann zu weitreichenderen Erkenntnissen.

Alpha-Strahlung (α-Strahlung) besteht aus sogenannten Alpha-Teilchen, diese bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Das Alpha-Teilchen hat somit die gleiche Zusammensetzung wie ein Helium-4-Kern. Alpha-Strahlung ist eine sogenannte Teilchenstrahlung. Sie entstehen beim Zerfall eines Atomkerns. Alpha-Strahlung (oder α-Strahlung) ist eine ionisierende Strahlung. Das Alpha-Teilchen wird vom Atomkern mit einer Austrittsgeschwindigkeit von etwa 10.000 km/s emittiert.

Beta-Strahlung (β-Strahlung) ist eine ebenfalls ionisierende Strahlung und auch eine Teilchenstrahlung.  Sie besteht aus sogenannten „Beta-Teilchen“, bei der β^--Strahlung sind dies negativ geladene Elektronen. Die Geschwindigkeit der emittierten Beta-Teilchen ist nicht einheitlich und liegt ca. zwischen 100.000 km/s bis zu 99,9% der Lichtgeschwindigkeit (Die Lichtgeschwindigkeit liegt bei ca. 300.000 km/s). (Neben dem β^--Strahlung gibt es noch den β⁺-Zerfall. Dieser soll im Rahmen unserer Betrachtungen aber nicht weiter vertieft werden.)

Gamma-Strahlung (γ-Strahlung) hochenergetische elektromagnetische Strahlung, also im Gegensatz zur Alpha- und Beta-Strahlung keine Teilchenstrahlung. Der Atomkern gibt dabei lediglich überschüssige Energie ab, dabei ändert sich dann nur der energetische Zustand des Kerns. Gamma-Strahlung tritt meist unmittelbar nachdem Zerfall eines Atomkerns auf, bei dem ein Alpha- oder ein Beta-Teilchen vom Kern emittiert wurde.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Infotext 2 - Kernenergie (08) - Abschirmung, Reichweite und Wechselwirkung

Abschirmung, Reichweite und Wechselwirkung

• α-Strahlung kann besonders leicht abgeschirmt werden. Schon mit einem Blatt Papier, dünne Pappe oder durch Luft genügen zur Abschirmung. In Luft hat α-Strahlung eine Reichweite von wenigen Zentimetern.
• β−-Strahlung (Elektronen) können z.B. durch dünne Schichten aus Plexiglas oder Blech abgeschirmt werden, wobei sich Materialien mit geringer Ordnungszahl besser eignen. 
• Zur Abschirmung von γ-Strahlung werden Materialien hoher Ordnungszahlen verwendet, z. B. Blei oder Beton.

Generell steigt die Reichweite ionisierender Strahlung mit ihrer Energie und fällt mit der Dichte des Abschirmmaterials. Hauptsächlich gibt ionisierende Strahlung Energie durch Stöße mit den Atomen des Abschirmmaterials ab, dabei werden Atome ionisiert oder angeregt, wodurch wiederum Sekundärelektronen und Röntgenstrahlung innerhalb des Abschirmmaterials entstehen.

Im Jahr 1899 konnten die beiden österreichischen Physiker Stefan Meyer und Egon Schweidler sowie der deutsche Chemiker Friedrich Giesel zeigen, dass α- und β-Strahlung in magnetischen Feldern in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden. γ-Strahlung lässt sich dagegen nicht durch magnetische Felder beeinflussen.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Radioaktivität: Ein Informationsfilm für den Unterricht

2) → Radioaktiver Zerfall - Alpha-, Beta- und Gammazerfall - einfach und anschaulich erklärt

3) → Experiment: Ablenkung radioaktiver Strahlung im Magnetfeld - Corona Home learning

4) → Radioaktive Strahlung-Ablenkung-Atom- und Kernphysik-Physik-Lernvideo

5) → Radioaktivität sichtbar machen

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Aufgaben:

1. Ein radioaktives Präparat kann drei Arten von Strahlung abgeben. Nenne die Strahlungsarten und beschreibe wie sie zustande kommen.
2. Bezüglich der Reichweite und der Absorption unterscheiden sich die drei Strahlungsarten. 
3. Wieso ist die von radioaktiven Stoffen ausgehende Strahlung ist für den Menschen gefährlich?
4. Was versteht man unter "Kontamination" und warum ist das gefährlich?
5. Durch den Gesetzgeber werden Grenzwerte für die Belastung durch Radioaktivität festgesetzt. Bedeutet das, dass Strahlungen mit niedrigeren Werten als diese Grenzwerte dann für uns ungefährlich sind?
6. Wie kann die Strahlung von radioaktiven Präparaten abgelenkt werden?
7. Was genau ist Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung?
   

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

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→ Themenseite Elektrizität

Infotext - Kernenergie (09) - Kernumwandlungen

Instabile Atomkerne haben die Eigenschaft spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Die Art und Eigenschaft der Strahlung ist dabei für das jeweilige Radionuklid typisch. Der Atomkern wandelt sich dann entweder unter Aussendung von Teilchen in einen anderen Kern um oder ändert unter Energieabgabe seinen Zustand.

Beim Alpha-Zerfall emittiert ein Atomkern (radioaktives Nuklid) ein sogenanntes Alpha-Teilchen. Der Atomkern, der diese ionisierende Strahlung aussendet, wird als Alpha-Strahler bezeichnet. Ein Alpha-Strahler wandelt sich beim Zerfall in einen Atomkern eines anderen chemischen Elements um. Alpha-Strahlung ist eine Teilchenstrahlung, denn der zerfallende Atomkern (Mutterkern) sendet das Alpha-Teilchen aus. Es besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, es handelt sich also um einen Helum-4-Kern, er wird in diesem Fall als Alpha-Teilchen bezeichnet. Der übrigbleibende Atomkern ist nach dem Zerfall der sogenannte Tochterkern. Der α-Zerfall tritt hauptsächlich bei schwereren und relativ neutronenarmen Nukliden auf. Die Massenzahl (=Protonenzahl + Neutronenzahl) des Kerns nimmt beim Alpha-Zerfall um vier Einheiten ab, die Kernladungszahl um zwei Einheiten. 
Für den Alpha-Zerfall gilt allgemein:

X ist dabei der Mutter- und Y das Tochterkern.

Beim Beta-Zerfall (β^--Zerfall, gesprochen: Beta-Minus) emittiert der Atomkern ein Elektron. Besonders zu beachten ist, dass beim Beta-Zerfall das Beta-Teilchen, also ein Elektron (!), aus dem Kern des Atoms emittiert wird! Bei einem β^--Zerfall wandelt sich dabei im Atomkern ein neutrales Neutron in ein positiv geladenes Proton um. Entsprechend der Ladungserhaltung muss bei diesem Prozess dann ein negativ geladenes Elektron entstehen. Die Massenzahl bleibt dabei gleich, die Kernladungszahl ändert sich um +1. Der Atomkern eines Beta-Strahlers wandelt sich beim Beta-Zerfall, wie schon beim Alpha-Zerfall, in einen Atomkern eines anderen chemischen Elements um. Bei einem β^--Zerfall ist dies das Element mit der nächsthöheren Ordnungszahl. 

Für den Beta-Zerfall gilt allgemein:

Ein Gamma-Zerfall (oder γ-Zerfall) tritt allgemein auf, wenn ein Atomkern nach einem vorherigen anderen Zerfall in einem angeregten Zustand verbleibt. Durch Emission hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (γ-Strahlung) gibt der Atomkern Energie ab und geht in einen Zustand niedrigerer Energie über. Die Anzahl der Neutronen und Protonen des Kerns ändern sich dabei nicht, der Kern wandelt sich dabei also nicht in einen anderen um. Die Bezeichnung Gamma-„Zerfall“ ist insofern etwas irreführend, aber trotzdem übliche Nomenklatur. Ein Gamma-Zerfall ist meist eine Begleiterscheinung des Alpha- oder Beta-Zerfalls. 

Manche Nuklide können auf mehrere Arten zerfallen. Eine Nuklidkarte ist eine graphische Übersicht aller stabilen und instabilen Nuklide. Außer den drei Umwandlungsarten α-, β- und γ-Zerfall wurden später noch weitere entdeckt. Die meisten davon sind sehr selten und in erster Linie nur für die physikalische Forschung selbst von Interesse.

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Nuklidkarte - Ausschnitt

Infotext - Kernenergie (10) - Kernumwandlungen und Halbwertszeit

Der radioaktive Zerfall eines gegebenen Radionuklids nimmt in gleichen Zeitspannen immer um den gleichen prozentualen Anteil ab. Man bezeichnet einen solchen Vorgang als „exponentielle“ Abnahme. Die sogenannte Halbwertszeit ist die Zeitspanne, in der die Menge eines gegebenen Radionuklids durch den Zerfall auf die Hälfte gesunken ist. 50 % der Atomkerne haben sich dann in ein anderes Nuklid umgewandelt; dieses kann seinerseits ebenfalls radioaktiv sein oder auch nicht. Für jedes Nuklid ist die Halbwertszeit eine spezifische physikalische Größe.

Die Halbwertszeit (auch Halbwertzeit, abgekürzt HWZ, Formelzeichen meist T_½) ist allgemein ausgedrückt die Zeitspanne, nach der eine mit der Zeit abnehmende Größe die Hälfte des anfänglichen Werts erreicht. Die Zeitspanne der Halbwertszeit immer die gleiche, auch wenn man die Restmenge, die nach einer beliebigen Zeit übrig ist, als neue Anfangsmenge nimmt. 

Vorgänge mit exponentieller Abnahme finden in der Natur häufig statt, nicht nur beim radioaktiven Zerfall. Man kann sie auch bei ganz alltäglichen Dingen beobachten. Das Auslaufen eines mit Wasser gefüllten Eimers durch ein kleines Loch im Boden ist ebenfalls ein exponentieller Vorgang: Je tiefer der Wasserstand fällt, desto geringer wird der Wasserdruck im Bereich des Lochs und desto langsamer strömt das Wasser aus. Ein weiteres Beispiel ist die Abkühlung eines Metallgegenstands. Seine Temperatur gleicht sich exponentiell an die Umgebungstemperatur an.

Beim radioaktiven Zerfall ist zu beachten, dass die Halbierung der Anzahl der Atome durch den Zerfallsprozess aber nur als statistischer Mittelwert gilt. Das bedeutet, dass man immer von sehr vielen Atomen in einer betrachteten Probe ausgeht. Man findet die Halbierung der Ausgangsmenge also umso genauer bestätigt, je mehr nicht zerfallene Atome die betrachtete Probe noch enthält. Diese Voraussetzung bezeichnet man bei statistischen Betrachtungen deshalb auch als „das Gesetz der großen Zahlen“.

Der Zeitpunkt der Umwandlung eines einzelnen Atomkerns kann nicht vorhergesagt werden, es kann nur die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung pro Zeitintervall angegeben werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein betrachteter einzelner Kern innerhalb der ersten Halbwertszeit umwandelt, beträgt 50 %.
Radioaktive Halbwertszeiten gibt es im Bereich von weniger als einer Mikrosekunde bis zu einigen Quadrillionen Jahren (1 Quadrillion = 1·10²⁴ = Eine „1“ mit 24 Nullen). Polonium-212 beispielsweise hat eine Halbwertszeit von ca. 0,3 µs (= 0,3 Mikrosekunden), Tellur-128 dagegen etwa 7·10²⁴ (7 Quadrillionen) Jahre.

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Infotext - Kernenergie (10) - Zerfallsreihen

Zerfallsreihen

Beim Zerfall eines Radionuklids bleibt immer ein Tochterkern übrig. Dieser kann erneut ein instabiler Atomkern sein, er wird dann selbst ebenfalls wieder zerfallen. Dadurch ereignet sich eine Abfolge nacheinander entstehenden Zerfallsprodukte eines radioaktiven Nuklids, die immer nacheinander in gleicher Weise stattfinden. Man nennt das eine Zerfallsreihe. Sie bildet sich also, indem sich ein Radionuklid in ein anderes, dieses dann in ein drittes umwandelt usw. („zerfällt“). Am Ende einer Zerfallsreihe steht ein stabiler Atomkern. 
Praktisch und historisch wichtig sind die Zerfallsreihen der drei primordialen Radionuklide Uran-238 (Uran-Radium-Reihe), Uran-235 (Uran-Actinium-Reihe) und Thorium-232 (Thorium-Reihe). Sie werden auch „Natürlich radioaktive Familien“ genannt. Sie entstehen durch Alpha- und Beta-Zerfälle, die mehr oder weniger regelmäßig abwechselnd aufeinander folgen. In allen drei Fällen endet die Reihe bei einem Bleinuklid. Neben den drei genannten Zerfallsreihen gibt es noch eine vierte, es ist die sog. Neptunium-Reihe des Neptuniumisotops Np-237.  In der Natur kommt diese Zerfallsreihe allerdings nicht (mehr) vor und ist deshalb eher aus wissenschaftlicher Sicht von Interesse..

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Videos:

1) → BG ETEM - Strahlungsarten, Aktivität, Halbwertszeit

2) → Was ist Radioaktivität?

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• Simulation by PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, licensed under CC-BY-4.0 (https://phet.colorado.edu).

Hintergrundbild: (power-plant-2899861.jpg) Bild von Qubes Pictures auf Pixabay