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Kernenergie (2)

Hier findest du die Folien zur Unterrichtseinheit

Allgemeine Hinweise zu den Themenseiten

 

Die hier angebotenen Themenseiten fassen die grundlegenden Inhalte, Informationen und Hefteinträge zu den Unterrichtsinhalten von verschiedenen Themenbereichen der Fächer Mathematik, Physik und dem Wahlpflichtfach MINT/Technik zusammen. Diese sind online, kostenlos und ohne Registrierung verfügbar und sollen zur besseren Selbstorganisation der Schüler beitragen.

 

Die im Internet bereitgestellten Materialien bieten aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten: Sie sollen den Schülern einen Leitfaden zur Vorbereitung auf Kursarbeiten, aber auch bei Fehlstunden zur Nacharbeit der versäumten Unterrichtsinhalte dienen und weiterhin den Eltern die Möglichkeit zur Unterstützung bei den unterrichtsbegleitenden Hilfestellungen geben. Die Zusammenfassungen zu den Unterrichtsinhalten auf den Themenseiten werden dabei jeweils ergänzt durch Lernvideos, Infotexten, Aufgaben, Bildergalerien und interaktiven Tools. Diese sollen dabei helfen selbstständig eigene Ergebnisse zu überprüfen oder zusätzliche Informationen zu den Inhalten erhalten. Bei den Lernvideos handelt es sich teilweise um die YouTube-Video des YT-Kanals Mathe-Physik-Technik. Weiterhin sind bei den einzelnen Folien zusätzliche Videovorschläge von anderen YouTube-Kanälen zugeordnet. Der jeweilige Link leitet dann ggf. direkt auf die YouTube-Video-Seite weiter.

 

Bei den klassischen physikalischen Themenbereichen sind die jeweiligen Folien für den digitalen Unterricht weitestgehend angepasst und optimiert worden. Insbesondere durch die Corona-Krise rückt der digitale und eigenverantwortliche Unterricht immer mehr in den Fokus. Du den einzelnen Folien sind deshalb jeweils passende Videos zu den Inhalten zugeordnet und zu vielen Folien auch passende Aufgaben eingearbeitet worden. Dadurch sind die Themenbereiche in Teilabschnitten strukturiert und für die Arbeit mit Wochenplänen optimiert worden. Sie ermöglichen den Schülern so die selbstständige Arbeit daheim und geben jedem Schüler die Möglichkeit die Lernziele auch unter den gegebenen Umständen bestmöglich zu erreichen. Dabei können Schüler dann sogar die positiven Seiten des digitalen Unterrichts (Eigenes Lerntempo festlegen, optimale Anpassung von Lernzeit und Zeitpunkt an den eigenen Biorhythmus zum effizienten Lernen, etc.) für sich besonders gut nutzen.


Siehe hierzu auch: → Konzept - mathe-physik-technik.de


Kernenergie - Inhalt

 

→ Teil 1:

Atommodelle 

   Teilchenmodell (Kugelmodell)

   Weiterentwicklung durch Rutherford 

   Erweiterung durch Bohr 

   Ein weiteres Atommodell ist das Orbitalmodell

Der Atomkern 

   Das Atom besteht aus Kern und Hülle 

   Experimentelle Bestimmung der Kernladungszahl 

   Experimentelle Bestimmung der Massenzahl

Isotope 

Wirkung von Radioaktivität

   Anwendungen 

Nachweis von Radioaktivität

Ursprung von Radioaktivität

   Natürliche Radioaktivität 

   Künstliche Radioaktivität 

Strahlungsarten und ihre Eigenschaften 

Kernumwandlungen 

Die Halbwertszeit 

   Unterscheide 4 Zerfallsreihen 

   Wir unterscheiden hier zwei Aufgabentypen

      Beispiel zu Aufgabentyp 1

      Beispiel zu Aufgabentyp 2

   Rückblick: Mathematische Grundlagen 

   Aufgaben

 

Teil 2:

Gefahren durch Radioaktivität 

   Aktivität 

   spezifische Aktivität 

   Energiedosis D 

   Äquivalentdosis Dq (!) 

   Qualitätsfaktor Q 

Schädigungen des Körpers

   Somatische Schäden (Körperschäden) 

   Genetische Schäden 

Energie aus Atomkernen 

   Energiegewinnung durch Kernspaltung  

   Energiegewinnung durch Kernfusion 

Radioaktivität – weitere Anwendungen 

Periodensystem der Elemente 

Nuklidkarte 

 

Alle Folien in einem Heft:

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. (Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.)

Publikationen

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung eines ersten Eindrucks zur Thematik. Im Rahmen des Physikunterrichts werden einzelne Inhalte der Unterrichtseinheit besprochen. Im Rahmen des technisch-naturwissenschaftlichen Wahlpflichtfachs der 9. Jahrgangsstufe werden die Inhalte vertieft.


Infotext - Kernenergie (10) - Gefahren durch Radioaktivität (1)


Die durch radioaktive Zerfälle ausgestrahlte ionisierende Strahlung ist für unseren Körper sehr schädlich. Hierbei sind verschiedene physikalische Größen zu beachten und zu unterscheiden. 

 

Aktivität A

Als Aktivität A (oder Zerfallsrate) bezeichnet man die Anzahl der Zerfallsereignisse pro Zeiteinheit, die in einer Probe eines radioaktiven Präparats auftritt. Angegeben wird die Aktivität in der Einheit Becquerel (Bq). 1 Becquerel entspricht einem Zerfall pro Sekunde. Das Formelzeichen der Aktivität ist A. Durch die Angabe der Aktivität A ist aber noch keine Aussage über die Masse des Stoffs gemacht worden. Die Aktivität von beispielsweise einer Tonne (1t) eines bestimmten Stoffs kann 5000 Bq betragen, d.h. es zerfallen pro Sekunde 5000 Radionuklide des Stoffs. Die gleiche Aktivität kann aber auch eine Masse von 10 Gramm (10g) eines anderen Stoffs aufweisen. Die Aktivität A macht deshalb also noch keine ausreichende Aussage über die schädigende Wirkung für den Menschen!

 

Spezifische Aktivität a

Die auf eine Masse m bezogene Aktivität wird als spezifische Aktivität a bezeichnet. Sie berechnet sich also gemäß dem Zusammenhang: a = A / m 
Die Maßeinheit der spezifischen Aktivität ist Becquerel durch Kilogramm: Bq/kg   Wenn also beispielsweise die Aktivität von 10 kg eines bestimmten Stoffs A = 400Bq beträgt, dann ist die Aktivität von 20 kg (also der doppelten Masse) auch doppelt so hoch, im Beispiel also A = 800 Bq. Die spezifische Aktivität wird auf die Masse bezogen, sie ist deshalb in beiden Fällen des Beispiels gleich. (Der Quotient beträgt: a = 400Bq/10kg = 800 Bq/2 kg = 40Bq/kg). Die spezifische Aktivität ist eine typische Eigenschaft eines bestimmten Radionuklids.

 

Bei den Größen und Maßeinheiten, die sich auf die Wirkung ionisierender Strahlung beziehen, sind noch weitere Dinge zu beachten:

 

Energiedosis D

Die Energiedosis D beschreibt die absorbierte Energie pro Masse (hier also die Masse des biologischen Gewebes). Die Energiedosis hätte deshalb ganz allgemein eigentlich die Einheit Joule/Kilogramm (J/kg). Im Zusammenhang mit der ionisierenden Strahlungswirkung auf unseren Körper wird dafür aber die Maßeinheit Gray (Gy) verwendet (1Gy = 1J/kg). Die Maßeinheit ist nach dem britischen Physiker und Vater der Radiobiologie, Louis Harold Gray (1905–1965), benannt worden.

 

Äquivalentdosis Dq und Qualitätsfaktor Q

Die Energiedosis D beschreibt zwar die absorbierte Energie pro Masse, allerdings wirken verschiedene Strahlungsarten unterschiedlich auf biologisches Gewebe! Diese Tatsache wird erst durch die sogenannte Äquivalentdosis Dq berücksichtigt. Sie ist also ein Maß für die biologische Wirkung der Radioaktivität unter Berücksichtigung der Strahlungsart (Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung) und damit die wirklich entscheidende physikalische Größe. Die Energiedosis D muss dafür dann noch mit einem Faktor gewichtet (d.h. multipliziert) werden. Dieser Faktor ist der sogenannte Qualitätsfaktor Q, er hat für Alpha-Strahlung den Wert „20“, für Beta- und Gamma-Strahlung beträgt er jeweils „1“. Es gilt also:  Dq=Q∙D
Die Einheit der Äquivalenzdosis Dq wäre eigentlich auch hier Joule/Kilogramm (J/kg), bzw. Gray (Gy). Im hier beschriebenen Zusammenhang wird aber die Maßeinheit Sievert (Sv) verwendet (1Sv = 1J/kg). Dadurch wird klar, dass der Qualitätsfaktor Q berücksichtigt wurde. Die Maßeinheit ist nach dem schwedischen Mediziner und Physiker Rolf Sievert benannt. Da eine Dosis von 1 Sv ein sehr großer Wert ist, werden die üblicherweise vorkommenden Werte mithilfe eines Vorsatzes für Maßeinheiten in Millisievert (mSv) oder Mikrosievert (μSv) angegeben.

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


Infotext 1 - Kernenergie (13) - Gefahren durch Radioaktivität (2) - ALARA-Prinzip


Das ALARA-Prinzip
 
ALARA (Abkürzung für „As Low As Reasonably Achievable“, d.h. deutsch so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar) bezeichnet ein Prinzip des Strahlenschutzes. Das ALARA-Prinzip fordert beim Umgang mit ionisierenden Strahlen eine so niedrige Strahlenbelastung von Menschen, Tieren und Material (auch unterhalb von Grenzwerten), wie sie unter Einbeziehung praktischer Vernunft und Abwägung von Vor- und Nachteilen machbar ist. 
 
Beispielsweise wäre es nicht zielführend, wenn verängstigte Patienten notwendige Untersuchungen aus Angst vor Strahlung verweigern würden. Auch dürfen die medizinische Diagnostik und Therapie nicht gefährdet werden. Würden Gerätehersteller die Strahlung so weit senken, dass die damit gewonnenen Ergebnisse teilweise unbrauchbar wären und gegebenenfalls deshalb Mehrfachuntersuchungen nach sich zögen oder es zu falschen Diagnosen käme, dann würde das ALARA-Prinzip natürlich falsch verstanden. Es gilt medizinische Vor- und Nachteile gegeneinander abzuwägen.
 
Nicht nur im strahlenmedizinischen Bereich ist das ALARA-Prinzip anzuwenden, sondern auch bei Bewertung von Strahlenbelastungen durch kerntechnische Anlagen. ALARA wird dabei schärfer eingefordert, d. h. eine deutliche Unterschreitung von Grenzwerten ist zwingend, wenn das im Gesamtrahmen auch kostenmäßig vertretbar ist. 
 
Ein Grenzwert für die Strahlenbelastung gibt dabei ganz allgemein an, bis zu welchem Wert die Gesundheit von Beschäftigten im Allgemeinen nicht beeinträchtigt wird. Dabei ist aber zu bedenken, dass Grenzwerte von Fachleuten festgelegt werden (In Deutschland legt das Bundesministerium für Arbeit und Soziales die Grenzwerte fest). Auch hier sind Vor- und Nachteile abzuwägen. Dabei ist die Festlegung zulässiger Grenzwerte oft auch sehr umstritten. Ein Grenzwert ist nämlich keine physikalische Naturkonstante, er kann deshalb in verschiedenen Ländern sehr unterschiedlich sein. Grenzwerte können aus unterschiedlichen Gründen, wenn beispielsweise neue Forschungsgrundlagen existieren, auch neu festgelegt werden. Ein unterschrittener Grenzwert ist deshalb auch nicht damit zu verwechseln, dass die Wirkung dann absolut ungefährlich ist. Die Gefahr wird aber durch die zuständigen Fachleute als sehr gering und akzeptabel eingestuft. 
 
Das ALARA-Prinzip lässt sich auf jede Art des Umgangs mit schädlichen Einflüssen übertragen, hat aber im Strahlenschutz einen wesentlichen Einfluss.
 
Hinsichtlich der Gefährlichkeit der Radioaktivität werden verschiedene Risiken unterschieden:
  • Strahlenbelastung als Fernwirkung.
  • Kontamination (Verunreinigung) mit radioaktivem Material, die unter Umständen zu lange andauernder Bestrahlung führen kann, z. B. bei Kontamination der Haut.
  • Inkorporation (Aufnahme) radioaktiver Substanzen in den Körper durch die Atmung oder durch Nahrungsmittel.

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


Infotext 2 - Kernenergie (13) - Gefahren durch Radioaktivität (2) - Strahlenschäden


Strahlenschäden
 
Strahlenschäden sind Schäden, die durch ionisierende Strahlung an Lebewesen oder Material hervorgerufen werden. Lebende Organismen – wie auch der Mensch – verfügen über komplexe, bislang nur im Ansatz verstandene Reparatursysteme, die viele dieser Schäden rückgängig machen können. Die Reparaturmechanismen haben aber natürlich auch nur eine begrenzte Kapazität. Die verbleibenden mikroskopischen Schäden sammeln sich mit der Zeit an. 
 
Strahlenschäden bei Mensch und Tier lassen sich einteilen in:
Somatische Schäden, die beim bestrahlten Organismus selbst auftreten. Dabei werden die Zellen im Organismus beschädigt oder zerstört.
Genetische Schäden, die erst bei den Nachkommen auftreten. Davon sind dann nicht nur direkte Nachkommen, sondern auch spätere Generationen betroffen.
 
Somatische Schäden
Somatischen Schäden sind Körperschäden. Dabei unterscheidet man Akut- und Spätschäden. Trifft ionisierende Strahlung auf einen Organismus, kann das zu Zellveränderungen oder zum Zelltod führen.
 
Somatische Akutschäden treten nach Stunden oder spätestens nach einigen Wochen auf (Strahlenkrankheit). Wenn bei Überschreitung einer bestimmten Schwellendosis genügend viele Körperzellen absterben, kann das betroffene Gewebe seine Funktion nicht mehr erfüllen. Die ionisierende Strahlung kann dabei bewirken, dass Wasser (H2O), aus der eine Zelle zu etwa 80% besteht, in Wasserstoffperoxid (H2O2) umgewandelt wird. Diese Verbindung hat eine toxische Wirkung. Krankheitserscheinungen können beispielsweise ein verändertes Blutbild, Haarausfall, Hautrötungen, Übelkeit, Entzündung der Schleimhäute oder Fieber sein.
 
Somatische Spätschäden machen sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit erst Jahre oder Jahrzehnte nach der Bestrahlung äußerlich bemerkbar, obwohl die Zellen schon unmittelbar nach der Bestrahlung geschädigt wurden. Die Folgen können Krebserkrankungen sein.
 
Genetische Schäden
Die ionisierende Strahlung bewirkt dabei Veränderungen an den Chromosomen, also an den Bestandteilen der Zellkerne auf denen die für die Vererbung von Eigenschaften notwendigen Erbinformationen gespeichert sind. Diese Zellveränderungen können dann zu Zellen führen, die nach einem falschen oder zumindest veränderten genetischen Code aufgebaut wurden. Die Folgen können Mutationen oder Erbkrankheiten in den folgenden Generationen sein.

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




Infos zum Thema:

Tschernobyl



Bildergalerie - Kernenergie

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des DEUTSCHEN MUSEUMS München)


Infotext 1 - Energie aus Atomkernen (1) - Anfänge und Anwendungen der Kernspaltung


Die Entdeckung der Kernspaltung am 17. Dezember 1938 im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin ist eines der bedeutendsten und folgenreichsten Ereignisse in der Geschichte der Naturwissenschaften

 

Das Experiment

Die deutschen Radiochemiker Otto Hahn und Fritz Straßmann kamen bei einem kernphysikalischen und radiochemischen Experiment zu einem erstaunlichen Ergebnis. Bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen kam es zur Spaltung des Urankerns. Bei dem Experiment kam es offenbar zu einem – wie es Hahn formulierte – „Zerplatzen“ des Atomkerns, das sich die Chemiker zunächst nicht erklären konnten. Dieses „Zerplatzen“ stand zu diesem Zeitpunkt im Widerspruch zu den bisherigen physikalischen Modellen eines "unteilbaren" Atoms. Hahn und Straßmann entdeckten bei dem Experiment die induzierte (d.h. künstlich herbeigeführte) Kernspaltung von Uran durch Beschuss mit einem Neutron

 

Deutung des Experiments

In interdisziplinärer Zusammenarbeit wurde dieses unerwartete Ergebnis des Hahn-Straßmann`schen Experiments im Januar 1939 durch die österreichischen Physiker*in Lise Meitner und Otto Frisch erstmals theoretisch und kernphysikalisch gedeutet. Ihr Modell beschrieb den Urankern als elektrisch geladenen Flüssigkeitstropfen, der durch das Einfangen des Neutrons so in Schwingungen versetzt wurde, dass er sich in zwei annähernd gleich große Fragmente teilte, wobei eine hohe Energie freigesetzt wurde. Frisch gab diesem bisher unbekannten Kernreaktionstyp den Namen „nuclear fission“ (Kernspaltung), der sich schnell international durchsetzte. 

 

Die Hahn-Straßmann`sche Entdeckung löste eine außerordentliche Resonanz unter den Naturwissenschaftlern aus, weil die Kernspaltung eine neue Energiequelle von bisher unbekannter Größenordnung erschloss, die Kernenergie. Weitere Untersuchungen zeigten, dass bei der Spaltung des Urankerns eine Kettenreaktion möglich ist, weil bei jeder durch ein Neutron ausgelösten Kernspaltung mehrere weitere Neutronen freigesetzt werden. Diese können dann selbst wieder weitere Spaltprozesse auslösen. 

 

Militärische und zivile Anwendungen

Zuerst wurden die neuen Erkenntnisse zur Kernspaltung für die militärische Forschung während des Zweiten Weltkrieges genutzt. Damals wuchs bei der amerikanischen Regierung die Sorge, dass das nationalsozialistische Deutschland als erste Nation eine Atombombe bauen könnte. Um dieser Bedrohung zuvorzukommen, wurde mit dem sogenannten „Manhattan-Projekt“ die Entwicklung einer amerikanischen Atombombe forciert. Der amerikanische Physiker Robert Oppenheimer war Leiter des Projekts, in alle Tätigkeiten der Vereinigten Staaten während des Zweiten Weltkrieges zur Entwicklung und zum Bau einer Atombombe ausgeführt wurden. Am 2. Dezember 1942 gelang die erste kontrollierte nukleare Kettenreaktion in einem Kernreaktor in Chicago. Während das Ziel des Manhattan-Projekts mit der ersten erfolgreich gezündeten Atombombe am 16. Juli 1945 (Kernwaffentest) erreicht wurde, gelang es der deutschen Forschungsgruppe unter Werner Heisenberg und Carl Friedrich von Weizsäcker bis zum Kriegsende nicht, einen funktionierenden Kernreaktor zu entwickeln. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde dann parallel zur militärischen Forschung die zivile Verwendung der Kernenergie entwickelt. Das erste Kraftwerk wurde 1954 Moskau in Betrieb genommen. 

 

Vergleichswerte

Der Energieausbeute pro einem Gramm Uran-235 entspricht der gleichen thermische Energie die durch Verbrennen von 2,8 t Steinkohle, 10 t Braunkohle oder 1,9 t leichtem Heizöl gewonnen werden kann.

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


Infotext 2 - Energie aus Atomkernen (1) - Hintergründe und Grenzen der Kernspaltung


Energieumwandlung durch Kernspaltung

Bei der induzierten Kernspaltung zerfällt ein Atomkern eines Uran-Isotops, nachdem er ein Neutron absorbiert hat, in (meist) zwei leichtere Kerne (die Spaltfragmente). Die freiwerdende Energie wird in Form von Bewegungsenergie der Spaltfragmente und als Gammastrahlung freigesetzt. Außer den Spaltprodukten werden bei der Spaltung auch 2–3 Neutronen freigesetzt. Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt bei jeder Kernspaltung erhalten. Der bei weitem häufigste Fall ist die Spaltung in nur zwei neue Kerne (Spaltfragmente). Ein Beispiel ist die neutroneninduzierte Kernspaltung von Uran-235. Durch den Beschuss mit Neutronen werden viele verschiedene Spaltreaktionen ausgelöst. Ein Beispiel ist hier gegeben:
 

Der Urankern U-235 zerfällt also in die beiden kleineren Kerne Barium-141 und Krypton-92. Dabei werden dann noch drei weitere Neutronen freigesetzt.

 

Woher kommt die Energie?

Anschaulich lässt sich die Spaltung durch Schwingungen und Zerreißen des Kerns verstehen. Die beiden Spaltfragmente haben nach der Kernspaltung eine geringere Masse als der gesamte Kern vorher. Scheinbar ist bei dem Prozess ein Teil der Masse „verschwunden“. Diese „verschwundene Masse“ wird bei der Spaltung in eine für uns nutzbare Energieform umgewandelt. Die physikalischen Grundlagen für diesen Prozess wurden von Albert Einstein bereits lange vor der ersten Kernspaltung theoretisch beschrieben und können mit den von ihm durchgeführten Berechnungen genau dargestellt werden. 

 

Grenzen der Energiegewinnung durch Kernspaltung

Kernspaltung wird nur bei genügend schweren Nukliden beobachtet, von Thorium-232 aufwärts. Nur bei ihnen ist die Zerlegung in leichtere Kerne auch aus Sicht einer sich lohnenden Energiebilanz für eine Umwandlung und Bereitstellung von elektrischer Energie sinnvoll. Bei kleineren Kernen übersteigt dann der notwendige finanzielle Aufwand für die technische Umsetzung den möglichen wirtschaftlichen Gewinn. Die Kosten wären dann also größer als der Gewinn. Neben den wirtschaftlichen Überlegungen Kernspaltung als Energiequelle zu nutzen gibt es aber auch prinzipielle physikalische Grenzen. Grundsätzlich ist die Freisetzung von Kernenergie bei einem Spaltprozess umso größer, je größer der gespaltene Kern, also seine Massenzahl ist. Je kleiner die Massenzahl des ursprünglichen Kerns ist, desto weniger Energie wird bei einer Kernspaltung freigesetzt. Die untere Grenze ist rein physikalisch bei einer Massenzahl von 60 erreicht. Bei kleineren Atomkernen kann keine Energie durch eine Kernspaltung mehr freigesetzt werden. Im Gegenteil, bei Kernen mit weniger als 60 Kernbausteinen muss für eine Spaltung dann sogar Energie aufgebracht werden. Im Umkehrschluss führt das dann aber zu der Konsequenz, dass man diese notwendige Energie beim Zusammenführen der Spaltfragmente wieder zurückgewinnen müsste. Genau das ist auch der Fall. Dieser Prozess wird Kernfusion genannt und ist eine alternative Möglichkeit Energie aus Atomkernen zu gewinnen. 

 

Vor- und Nachteile

Zu den Vor- und Nachteilen der Kernenergie gibt es unterschiedliche Ansichten, insbesondere wird ihre Sicherheit kontrovers diskutiert. Große Probleme sind die Unfallgefahr und die Endlagerung der radioaktiven Abfälle. Bei der Katastrophe von Tschernobyl, dem bis dahin größten Nuklearunfall der Geschichte, wurden 1986 große Landflächen – auch in Deutschland – mit radioaktiven Nukliden kontaminiert. 

 

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


Video zur Kernphysik: Energiegewinnung - Kernspaltung

Energiegewinnung im AKW

Infotext 1 - Kernenergie (15) - Physikalische Grundlagen


Als Kernfusion werden Kernreaktionen bezeichnet, bei denen je zwei Atomkerne zu einem neuen Kern verschmelzen. Dabei kann dann Energie aus dem Atomkern freigesetzt und in andere Energieformen umgewandelt werden. 

 

Von entscheidender Bedeutung für das Zustandekommen einer Fusion ist, dass die beiden Kerne mit hoher Geschwindigkeit aufeinanderprallen. Diese ist nötig, um die elektrische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Kernen, zu überwinden. Bei einem sehr kleinen Abstand der beiden Kerne kommen dann anziehende Kernkräfte ins Spiel. Diese wirken stärker also die elektrische Abstoßung, die Kerne können dann miteinander verschmelzen. Fusionsreaktionen setzen sehr hohe Temperaturen voraus (ca. 100 Mio. °C). Durch die Freisetzung der Energie aus dem Fusionsprozess können die hohen Temperaturen aufrechterhalten werden, die nötig sind, damit weitere Fusionsreaktionen stattfinden können. Der Prozess erzeugt also selbst die Grundlage für weitere Kernfusionsprozesse. Solche thermonuklearen Prozesse laufen in Sternen und Fusionsbomben unter extrem hohem Druck ab. 

 

Energiebilanz und physikalische Grenzen

Die Kernfusion als thermonuklearer Vorgang soll in Zukunft zur Bereitstellung elektrischer Energie in Kernfusionsreaktoren genutzt werden: Kerne von Deuterium (2H) und Tritium (3H) verschmelzen zu einem Heliumkern (4He) unter Freisetzung eines Neutrons (n) sowie von Energie. Wie schon bei der Kernspaltung wird durch den Prozess der Kernfusion sehr viel Energie freigesetzt. Auch bei der Kernfusion wird Masse in andere Energieformen umgewandelt. Die beiden Kerne haben vor dem Fusionsprozess zusammen eine größere Masse also der verschmolzene Kern danach. Energiefreisetzende Fusionsreaktionen treten nur bei der Verschmelzung leichter Kerne auf. Die physikalische Grenze zur Freisetzung von Energie durch Kernfusion liegt bei der Massenzahl 60. Die Fusion von Wasserstoff (H) zu Helium-4 setzt besonders viel Energie frei. Die Umsetzung von einem Gramm Deuterium-Tritium-Gemisch in einem Kernfusionsreaktor würde eine thermische Energie von etwa 12,3 t Steinkohle liefern.

 

Stellare Kernfusion

In vielen Sternen, wie unserer Sonne, steht eine lange Phase des sogenannten „Wasserstoffbrennens“ am Beginn der Entwicklung. Dabei verschmelzen die Atomkerne des Wasserstoffs (Protonen) unter Energiefreisetzung zu Helium. Wenn im Kern der Wasserstoff knapp geworden ist, beginnt die Fusion von Helium. Größere Sterne erzeugen am Ende auch schwerere Elemente durch Fusion. Dieser Prozess führt zur Entstehung von Kernen mit Massenzahlen um 60. Elemente mit noch größeren Massenzahlen können nicht mehr durch Kernfusion entstehen. Kann keine Energie durch Kernfusion freigesetzt werden, dann ist die Lebensdauer des Sterns beendet. Bei großen Sternen kann das zu einer Explosion führen, dieser Vorgang wird als Supernova bezeichnet.

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


Infotext 2 - Kernenergie (15) - Anwendungen


Technische Anwendungen

 

Bereitstellung von elektrischer Energie

In internationaler Kooperation wird erforscht, ob und wie sich Fusionsenergie zur Bereitstellung elektrischer Energie nutzen lässt. Der erste wirtschaftlich nutzbare Reaktor wird aus heutiger Sicht nicht vor 2050 erwartet. Noch gibt es zu viele ungelöste technische Probleme. Diese führen dazu, dass der Aufwand (noch) großer ist als der Nutzen. Das zurzeit aufwendigste und teuerste Projekt ist der experimentelle Kernfusionsreaktor ITER (englisch für International Thermonuclear Experimental Reactor). Der Betriebsbeginn in dieser Versuchsanlage, die seit 2007 in Südfrankreich errichtet wird, ist für Mitte der 2020er-Jahre geplant. DEMO (DEMOnstration Power Plant, „Kraftwerk“) könnte das Nachfolgeprojekt von ITER werden. Damit soll gezeigt werden, dass dass großtechnische Stromerzeugung durch Kernfusion prinzipiell möglich ist.

 

Militärische Nutzung

In Wasserstoffbomben läuft die Deuterium-Tritium-Reaktion unkontrolliert ab. Aber auch viele Atombomben enthalten einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs im Inneren der Hohlkugel aus Nuklearsprengstoff. Nach Beginn der Kettenreaktion wird diese ausreichend aufgeheizt, um die Kernfusion zu starten. Seit Einstellung der Kernwaffen-Testexplosionen werden Fragen der Funktionssicherheit und der Weiterentwicklung von Fusionswaffen unter anderem mit Computersimulationen untersucht. 

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


Video zur Kernphysik: Kernfusion

Energiegewinn durch Kernfusion (Proton-Proton-Zyklus)


Infos zum Thema:

Kernkraftwerk



Infos zum Thema:

Kernkraft

Tschernobyl



Auf dem Energiegipfel der Großregion im März 2014 wurde in einer gemeinsamen Erklärung beschlossen, eine gemeinsame Internetplattform einzurichten, die den Bürgerinnen und Bürgern den Zugang zu den regionalen Radioaktivitätsmesswerten ermöglicht. Hierzu wurde im geografischen Informationssystems für die Großregion (GIS-GR) eine Karte mit den Radioaktivitätsmesswerten eingebunden, die die Europäische Union im Rahmen von EURDEP (EUropean Radiological Data Exchange Platform) zur Verfügung stellt.


Infos zum Thema:

Energiewende



Infotext: Kernenergie (17) - PSE


Das Periodensystem der Elemente (abgekürzt PSE) ist eine Liste aller chemischen Elemente, geordnet nach steigender Kernladung (Ordnungszahl). Die Liste wird so in Zeilen (Perioden) unterteilt, dass in jeder Spalte (Hauptgruppe/Nebengruppe) der entstehenden Tabelle Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften stehen. Der Name Periodensystem weist darauf hin, dass sich mit ansteigender Ordnungszahl viele Eigenschaften der Elemente periodisch wiederholen.

 

Das Periodensystem wurde 1869 von dem Russen Dmitri Mendelejew (1834–1907) vorgestellt. Historisch war das Periodensystem für die Vorhersage von noch unentdeckten Elementen und deren Eigenschaften von besonderer Bedeutung, da die Eigenschaften eines Elements näherungsweise vorhergesagt werden können, wenn die Eigenschaften der umgebenden Elemente im Periodensystem bekannt sind. Heute dient es vor allem als übersichtliches Organisationsschema der Elemente und zur Ermittlung möglicher chemischer Reaktionen.

 

Darstellung

Die waagerechten Zeilen der Darstellung werden als Perioden bezeichnet, die senkrechten Spalten als Gruppen. Innerhalb jeder Periode nimmt die Ordnungszahl der Elemente von links nach rechts zu. Die Zeilenumbrüche sind so gewählt, dass chemisch ähnliche Elemente jeweils in derselben Spalte (Gruppe) stehen. Die Elemente einer Gruppe weisen also ähnliches chemisches Verhalten auf. 

 

Dmitri Mendelejew

Mit dem Periodensystem in seiner heutigen Form ist hauptsächlich Mendelejews Name verbunden. Sein Periodensystem war vollständiger als andere Systeme jener Zeit, er bewarb und verteidigte sein System engagiert, arbeitete es über Jahrzehnte hinweg immer weiter aus und nutzte es für weit umfangreichere und detailliertere Vorhersagen als andere Ersteller periodischer Systeme. Auf der Suche nach einem Gliederungsschema für sein Chemielehrbuch erstellte Mendelejew 1869 einen ersten Entwurf seiner Version des Periodensystems. 

Er ordnete die Elemente der bereits als zusammengehörg bekannten „natürlichen Gruppen nach ihren Atommassen und fand, dass diese Anordnung ohne weiteres Zutun „der unter den Elementen herrschenden natürlichen Ähnlichkeit“ entsprach. Er stellte fest: „Die nach der Größe ihres Atomgewichtes angeordneten Elemente zeigen eine deutliche Periodizität ihrer Eigenschaften,“ und versuchte, auf dieser Grundlage auch die übrigen Elemente gemäß ihrem chemischen Verhalten in das Schema einzupassen.

Mendelejew sagte bereits aufgrund von Lücken, die in seinem System geblieben waren, die Existenz von neuen Elementen voraus. Im Jahr 1871 erschien ein umfangreicher Artikel, in dem Mendelejew zwei weiterentwickelte Varianten seines Periodensystems vorstellte. In diesem Artikel demonstrierte er unter anderem, wie sich anhand des Periodensystems die Atommasse eines Elements ermitteln oder korrigieren ließ, wenn sein chemisches Verhalten bekannt war. Der Artikel enthält auch die drei bekanntesten Vorhersagen über die Eigenschaften noch unbekannter Elemente, deren Existenz Mendelejew aus verbliebenen Lücken in seinem Periodensystem erschloss. Durch geschickte Interpolation zwischen den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Nachbarelemente gelang es ihm, zahlreiche Eigenschaften der noch unbekannten Elemente zutreffend vorherzusagen. 

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


Infotext: Kernenergie (18) - Nuklidkarte


Eine Nuklidkarte (auch Isotopenkarte, Isotopentafel) ist eine grafische Darstellung aller bekannten Nuklide (Atomsorten). Sie ist für die Kernphysik von ähnlicher Bedeutung wie das Periodensystem der Elemente für die Chemie.
 
Ein Nuklid ist durch die Anzahlen seiner Protonen und Neutronen bestimmt. Daher bietet sich eine zweidimensionale Darstellung aus kleinen Schriftfeldern an, in denen Namen und wichtige Eigenschaften genannt werden. Es sind verschiedene Anordnungen der Felder möglich. In der meist verwendeten Form nach dem amerikanischen Physiker Emilio Gino Segrè (1905 - 1989) wird die Anzahl der Protonen nach oben zunehmend, die der Neutronen nach rechts zunehmend aufgetragen.
 
Nuklidkarten listen jeweils einige Eigenschaften der Nuklide auf, wie die Massenzahl, Häufigkeit im natürlichen Element, Halbwertszeit, Zerfalls¬arten und Zerfallsenergien. Oft werden die Nuklide nach ihren Zerfallseigenschaften (stabil, radioaktiv, Zerfallsart, Halbwertszeit-Größenordnung) farbig markiert. 
 
Radioaktive Zerfälle und Kernreaktionen auf der Nuklidkarte
In Nuklidkarten lassen sich radioaktive Zerfälle leicht verfolgen. 
  • Bei einem Alpha-Zerfall trägt das Alphateilchen zwei Protonen und zwei Neutronen fort, das Tochternuklid findet sich also zwei Spalten links vom Mutternuklid und zwei Zeilen höher.
  • Beim Beta-minus-Zerfall wird aus einem Neutron ein Proton, das Tochternuklid befindet sich also einen Schritt weiter links oben.
  • Bei einem Gamma-Zerfall ändert sich der Platz nicht.

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


Links zur Nuklidkarte:

1) Programm zur Darstellung der Nuklidkarte und des PSE:

Download unter dem Link

2) Download: http:/ie.lbl.gov/toi/pdf/chart.pdf

(>BERKELEY LAB [www.lbl.gov] - Nuclear Science Division [LBNL])


Video als Zusammenfassung der wichtigsten Inhalte zur Atomphysik:

  Einführung in die Physik: Atomphysik (Physikus Lernteil)




Infos zum Thema:

Energie




Wärmelehre - Thermodynamik
Optik
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Produktplatzierungen

Weiterführende Links für Interessierte, "Bastler" und Fortgeschrittene:



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"Warum" gibt Antworten auf ganz alltägliche aber dennoch spannende Fragen. Schon der einleitende Film bietet eine erste Erklärung des Phänomens an. Tiefer in die Thematik einsteigen kann man über die Einzelkapitel, die geschichtlichen Aspekte und naturwissenschaftlichen Grundlagen samt ihrer Anwendung aufgreifen. Das Besondere an "Warum?": Zu jedem Thema gibt es Simulationen, die zum Experimentieren einladen.

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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite


Infotext ([12] Kernenergie - Gefahren durch Radioaktivität (1))

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Radioaktivität, Sievert (Einheit), Äquivalentdosis, Gray, Aktivität (Physik) und Qualitätsfaktor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotexte 1 und 2 ([13] Kernenergie - ALARA-Prinzip und Strahlenschäden

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Text basiert auf den Artikeln Radioaktivität, ALARA, Strahlenschaden, Biologischer Grenzwert, Zellkern und Chromosom aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotexte 1 und 2 ([14] Kernenergie - Energie aus Atomkernen (1) - Die Kernspaltung)

Creative Commons Lizenzvertrag Diese Texte basieren auf den Artikeln Kernenergie, Entdeckung der Kernspaltung, Robert Oppenheimer und Manhattan-Projekt aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotexte 1 und 2 ([15] Kernenergie - Energie aus Atomkernen (2) - Die Kernfusion)

Creative Commons Lizenzvertrag Diese Texte basieren auf den Artikeln Kernfusion, Fusionsenergie, ITER und DEMO aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([16] Kernenergie - Periodensystem der Elemente)

Creative Commons Lizenzvertrag Diesre Text basiert auf den Artikeln Periodensystem und Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


Infotext ([17] Kernenergie - Nuklidkarte)

Creative Commons Lizenzvertrag Dieser Texe basiert auf den Artikeln Nuklidkarte und Emilio Segrè aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.