Skript Atombau und Periodensystem - Teil 2

SKRIPT

ATOMBAU UND PERIODENSYSTEM ZENTRALGEWERBESCHULE BUCHEN (ODENWALD)

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INHALTSVERZEICHNIS

1. EINFÜHRUNG

2. HISTORISCHE ENTWICKLUNG DES MODERNEN ATOMBILDES

2.1. GRIECHISCHE NATURPHILOSOPHIE

2.1.1. Einleitung

2.1.2. THALES VON MILET

2.1.3. ANAXIMANDER VON MILET

2.1.4. ANAXIMENES VON MILET

2.1.5. PARMENIDES VON ELEA

2.1.6. HERAKLIT VON EPHESOS

2.1.7. EMPEDOKLES VON AKRAGAS

2.1.8. ANAXAGORAS VON KLAZOMENAI

2.1.9. DEMOKRIT VON ABDERA

AB1: GRIECHISCHE NATURPHILOSOPHIE

2.1.10. PLATON

AB2: DIE PLATONISCHEN KÖRPER

2.1.11. ARISTOTELES

2.1.12. Quellen

Anhang I: Ausschnitt philosophen aus JOSTEIN GAARDER

Anhang II: aus JOSTEIN GAARDER

2.2. A NEW SYSTEM OF CHEMICAL PHILOSOPHY: DALTONS ATOMHYPOTHESE

2.2.1. 2000 Jahre naturwissenschaftlicher Stillstand

2.2.2. The atom reborn

AB3: DALTONS ATOMMODELL

2.3. ENTDECKUNG DER SUBSTRUKTUR DER ATOME

2.3.1. Einleitung

2.3.2. Entdeckung des Elektrons

2.3.3. THOMSONs Atommodell: Plum pudding oder Rosinenkuchen?

2.3.4. RUTHERFORDs Streuversuch

AB4: RUTHERFORDS STREUVERSUCH

AB5: BERECHNUNG DER KERNDICHTE

2.3.5. Entdeckung des Protons

2.3.6. Entdeckung des Neutrons

2.3.7. Nuklide und Isotope

AB6: NUKLIDE UND ISOTOPE

2.3.8. Substruktur der Nukleonen

2.3.9. Quellen

AATTOOMMBBAAUU UUNNDD PPEERRIIOODDEENNSSYYSSTTEEMM DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

SSEEIITTEE 22

ZZEENNTTRRAALLGGEEWWEERRBBEESSCCHHUULLEE

BBUUCCHHEENN ((OODDEENNWWAALLDD))

2.4. RADIOAKTIVITÄT

2.4.1. Entdeckung der Radioaktivität

AB7: RADIOAKTIVE STRAHLUNG IM ELEKTRISCHEN FELD

2.4.2. Arten des radioaktiven Zerfalls

2.4.2.1. -Zerfall

2.4.2.2. -Zerfall

2.4.2.3. -Zerfall

2.4.3 Natürliche Zerfallsreihen

AB8: NATÜRLICHE ZERFALLSREIHEN

2.4.4. Zerfallsgesetz und Halbwertszeit

AB9: ZERFALLSGESETZ UND HALBWERTSZEIT

2.4.5. Künstliche Radioaktivität

2.4.6. Radioaktive Strahlung Physiologische Wirkung und Schutz

2.4.6.1. Messung von Radioaktivität

2.4.6.2. Physiologische Wirkung und Strahlenschutz

2.4.6.3. Radioaktivität die pure Lebenskraft?

2.4.7. Quellen

3. DAS MODERNE BILD VOM ATOM

3.1. ANFÄNGE DER QUANTENPHYSIK

3.1.1. NATURA NON FACIT SALTUS DIE SITUATION UM 1900

3.1.2. QUANTISIERUNG DER ENERGIE

3.2. NIELS BOHR UND SEIN ATOMMODELL

3.2.1. KRITIK AM RUTHERFORDSCHEN ATOMMODELL

3.2.2.

3.3. DAS ORBITALMODELL

3.4. AUFBAU DER MATERIE: EINE ZUSAMMENFASSUNG

3.5. QUELLEN

4. DAS PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE

4.1.


SSEEIITTEE 33

ZZEENNTTRRAALLGGEEWWEERRBBEESSCCHHUULLEE

BBUUCCHHEENN ((OODDEENNWWAALLDD))

2.2. A NEW SYSTEM OF CHEMICAL PHILOSOPHY: DALTONS ATOMHYPOTHESE

2.2.1. 2000 JAHRE NATURWISSENSCHAFTLICHER STILLSTAND

ür ARISTOTELES war Materie rein passiv. Damit ein Körper sich bildet, muß die passive

und erst einmal eigenschaftslose Materie eine art- und substanzspezifische Form auf-

nehmen23. Diese Auffassung regierte auch bei den mittelalterlichen Alchimisten, deren

mythische Rituale wenig mit tatsächlicher Wissenschaft zu tun hatten. Im Mittelpunkt standen

die Herstellung des Steins der Weisen (Lapis phi losophorum), mit dem u.a. die Transmuta-

tion von Blei o.ä. in Gold gelänge. Unedle Metalle (wie z.B. Blei) sollten sich in edle Metalle

(eben Gold) umwandeln lassen, indem man ihrer Materie alle unedlen Eigenschaften nimmt,

um dann neue, edle Eigenschaften auf sie übergehen zu lassen. Auch die Suche nach dem

Universallösemittel Alkahest oder dem Allheilmittel Panacea e-24.

Erst im 17. Jahrhundert verdrängte ein neues Wissenschaftsverständnis die aristotelische Tra-

dition. Viele Meinungen und Hypothesen des griechischen Philosophen konnten nach und nach

widerlegt werden.

Ein erster Wendepunkt war sicherlich die erstmalige Darstellung von Phosphor25 durch den

deutschen Apotheker HENNIG BRAND im Jahre 1669 (bei einem alchimistischen Experiment al-

lerdings), ebenso wie die Definition des modernen Elementbegriffes durch ROBERT BOYLE

(1627 1692) The Sceptical Chymist

mystischen Alchimie hin zur modernen Chemie war eingeleitet.

2.2.2. THE ATOM REBORN: JOHN DALTON

n Lehrbüchern der Chemie wird häufig suggeriert, daß der englische Naturforscher JOHN

DALTON (1766 1844) der erste (oder gar einzige) gewesen sei, der DEMOKRITs Atomidee

wieder aufgegriffen habe. Diese Behauptung kann schwerlich aufrechterhalten werden,

denn: Atomic theories became common in the seventeenth century. CHAL-

MERS (2005) in seinem Essay über die Entwicklung des Atomismus.

23 Diese Denkweise wird auch Hylemorphismus (Kompositum aus , , griech. Stoff und morphé, griech.

Form) genannt. 24 Auf diese Weise konnten z.B. Schwarzpulver und Porzellan (wieder-)entdeckt werden. 25 Phosphor ist damit das erste Element der Neuzeit, gegenüber den elf bereits im Altertum bekannten Elementen (siehe

Abschnitt 4.1.).

F

I


SSEEIITTEE 2233 ZZEENNTTRRAALLGGEEWWEERRBBEESSCCHHUULLEE BBUUCCHHEENN ((OODDEENNWWAALLDD))

Schriften von BOYLE, aber auch einige Arbeiten des Universalgenies NEWTON zeigen, daß sie

Atomisten waren, wenn auch im ursprünglichen Sinne26.

JOHN DALTON hingegen wählte einen anderen Ansatz: er kombinierte DEMOKRITs Ideen mit den

wissenschaftlichen Erkenntnissen des 17. und 18. Jahrhunderts. Dazu zählten die Gasgesetze

(BOYLE 1662, MARIOTTE 1676, AMONTONS 1699[?], CHARLES 1787 und GAY-LUSSAC 1802), der

Massenerhaltungssatz (LOMONOSSOW 1748 und LAVOISIER 1789), das Gesetz der konstanten

Proportionen (PROUST 1794), das er selbst zum Gesetz der multiplen Proportionen erweiterte.

All dies führte DALTON zu seiner Atomhypothese, die er 1808 (zusammen mit anderen Er-

A New System of Chemical Philosophy ) veröf-

fentlichte.

26 NEWTON erklärt Dichteunterschiede zwischen verschiedenen Stoffen beispielsweise in terms of the amount of space

intervening between the [hard and impenetrable] atoms



In the early 1800s, he announced his Law of Multiple Proportions and published his atomic

weights and symbols list.

DALTON literally committed his life to his science. He never married. Prior to his experiences,

he was already loved as a teacher. With the success of his atomic theory his reputation and

popularity soared, but he remained a simple man, dressed in the plain Quaker style.

In 1810, his scientific achievements were recognized with an invitation to join the Royal So-

ciety. Short of money he declined it, but in 1822, the society elected him a member and paid

his election fee. The French Academy of Sciences made him the only permitted foreign mem-

ber.

DALTON and his brother found out they had colour blindness (later called daltonism) in the

middle of his life. In his will he asked for his eyes to be examined for possible physical cause.

None was found. He died of a stroke on July 27, 1844, aged 78. The people of Manchester

gave him a state funeral.

JJOOHHNN DDAALLTTOONN (1766 1844) a short biography

JOHN DALTON was born on 5 or 6 September 1766 in the Cockermouth

English Lake District to a Quaker tradesman family. He was always

alert and inquisitive as a boy. At the age of 12, he was appointed

teacher at his local school, and tutored in science by ELIHU ROBINSON, a

Quaker relative.

Three years later, he went on the far side of the lake at Kendal to

teach at a boarding school. While there he was introduced to mathe-

matics and natural sciences by JOHN GOUGH, a blind philosopher.

There he began to make meteorological observations.

For the next 15 years, DALTON recorded numerous weather observations. He also collected marsh gas, but it was his observation of gases that first planted the seeds of atomic theory in his mind.

DALTON was the first to realize that atmospheric moisture turns to rainfall not as a result of

pressure changes, but because of reductions in temperature, reducing the air's capacity to

hold water vapour. He is credited for DALTON's Law of Partial Pressures.

DALTON contributed a series of papers to the Manchester Society of which he became presi-

dent in 1817, a post he held for the rest of his life. He developed and wrote about his atomic

theory of matter. DALTON claimed that the elements, including hydrogen, oxygen and nitro-

gen, are made up of atoms the key idea that chemists had been looking for. His theory was

immediately accepted and became the focus of most chemical research.

The key assumption of DALTON e-

ments (he knew about BOYLE Sceptical Chymist ul-

timate particles or atoms. According to DALTON, all atoms of a given

substance whether simple or compound, are alike in shape, weight and

any other particular (this much already entails the law of constant propor-

tions). Some other notes are cited from a digital scan of the original work.

Conclusions: 1. Matter consists of a great number of tiny particles called atoms.

2. Atoms are indestructible and unchangeable. They cannot be created or de-

stroyed.

3. All atoms of the same element have identical weights, atoms of different

elements have different weights.

4. When elements react, their atoms combine in s imple, whole -number ra-

tios.

Note: New System DALTON thought atoms to be perfect unyielding spheres (just as billiard balls for example).

TASK: Work out similarities and differences between DEMOKRIT DALTON s atomic theory!

AABB33:: DDAALLTTOONNSS AATTOOMMMMOODDEELLLL DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 33

ZZEENNTTRRAALLGGEEWWEERRBBEESSCCHHUULLEE BBUUCCHHEENN ((OODDEENNWWAALLDD))

AABB33:: DDAALLTTOONNSS AATTOOMMMMOODDEELLLL DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 33


DDEEMMOOKKRRIITT JJOOHHNN DDAALLTTOONN

JOHN DALTON veröffentlichte ebenfalls eine Symbolsprache zur Wiedergabe von chemischen

Verbindungen, Reaktionen usw. ( für Wasserstoff, für Sauerstoff und für Wasser27)

sowie eine Tabelle von Atommassen (siehe Abb.18). Während erstere keine größere Reputati-

on erfuhr (BERZELIUS 1814 entwickelte Schreibweise H für Wasserstoff, O für Sauerstoff und

H2O für Wasser wurde schnell zum chemischen Standard), bildete die table of relative

atomic weights e-

mente.

Abb.18: DALTONs Elementsymbole und Tabelle der Atomgewichte28

27 DALTON nahm für Wasser fälschlicherweise die Formel HO an. 28 Zum damaligen Zeitpunkt sprach man in der Regel von Atomgewichten statt korrekt von Atommassen, auch sind die

Zahlenwerte (H = 1, N = 5, C = 5, O = 7 usw.) noch sehr ungenau.



. .

2.3. ENTDECKUNG DER SUBSTRUKTUR DER ATOME

2.3.1. EINLEITUNG

immt man z.B. die Zahl der entdeckten Elemente als Maßstab, so kann man im

19. Jahrhundert mit Recht von einer chemischen Revolution sprechen29. Neue Zwei-

ge der Chemie wurden begründet (z.B. die Organische Chemie), die industrielle Re-

volution führte auch zu einem schnelleren Fortschritt der Technologie. Auf dem eher theore-

tisch ausgerichteten Gebiet des Atombaus war von diesem Fortschritt aber nur wenig zu spü-

ren. DALTONs Modell war allgemein anerkannt und schien mehr oder weniger abgeschlossen.

Abgesehen von einigen eher theoretisch begründeten Arbeiten, dauerte es bis in die 90er Jah-

re des 19. Jahrhunderts, bis es zu einer dann aber sehr stürmischen Weiterentwicklung

kam. Während die Entwicklung zuvor eher linear verlief, mit aufeinander aufbauenden Kennt-

nissen, gilt es nun zwei Handlungsstränge zu verfolgen: Auf der einen Seite die Entdeckung

des Elektrons als Atombestandteil sowie die Entdeckung des Atomkerns, parallel dazu die Er-

forschung radioaktiver Phänomene. Auch wenn beide letztlich in der Substruktur der Atome

begründet sind, wird die Radioaktivität in einem eigenen Abschnitt im Anschluß an die Erarbei-

tung der Atombausteine Elektron, Proton und Neutron näher beleuchtet.

2.3.2. ENTDECKUNG DES ELEKTRONS

iele elektrische Phänomene wurden bereits während der ersten Jahrzehnte des 19.

Jahrhunderts entdeckt, konnten aber nicht vollständig interpretiert werden, da die

Natur bzw. der Ursprung der Elektrizität unklar war.

Der englische Chemiker und Physiker MICHAEL FARADAY (1791 1867) lieferte schon in den

1830er Jahren mit seinen Ergebnissen zur Elektrolyse einen ersten Anhaltspunkt, daß es

RICHARD LAMING

(1798 1879), ein englischer Chemiker und Erfinder, veröffentlichte zwischen 1838 und 1851

mehrere Schriften, in denen er postulierte that the atom was made up of a core of ma-

terial surrounded by concentric shells of these electrical 'atoms', or particles Der Be-

griff Elektron wurde durch den irischen Physiker GEORGE J. STONEY (1826 1911) geprägt

(spätestens 1894 electricity, like matter, consists of ultimately

indivisible equal particles or atoms

29 So wurden zwischen 1800 und 1850 30 neue Elemente entdeckt, zwischen 1850 und 1900 ebenfalls 25.

N

V



Experimentelle Hinweise auf die Existenz eines kleinsten Ladungsträgers gab es viele. Als be-

sonders fruchtbar erwiesen sich JOSEPH THOMSONs Versuche mit sogenannten Kathoden-

strahlen30 in Zusammenhang mit der von EDISON 1883 entdeckten Glühemission (auch

glühelektrischer oder EDISON-RICHARDSON-Effekt31 genannt).

Abb.19: Prinzip einer Glühkathode

JOSEPH JOHN THOMSON (1856 1940), ein britischer Physiker, hatte

die Ergebnisse seiner wissenschaftlichen Vorgänger und Konkur-

renten eingehend studiert. 1896 ließ er in der entscheidenden Ver-

suchsanordnung (Abb.21) senkrecht zum Kathodenstrahl (violett)

ein elektrisches Feld anlegen, daß diesen vertikal ablenkte. Durch

ein zusätzliches Magnetfeld (ebenfalls senkrecht zum Strahl, aber

um 90° zum elektrischen Feld versetzt) kann die Ablenkung auf-

gehoben werden. Hieraus kann die spezif ische Ladung des

Elektrons (heute mit bezeichnet) berechnet werden.

Abb.21: THOMSONs Kathodenstrahlröhre

30 Kathoden- bzw. Elektronenstrahlen sind auch die Grundlage (in Form der BRAUN -

Fernsehgerät. 31 Hierbei handelt es sich um die thermische Emiss ion (Aussendung) von Elektronen aus einer beheizten (Temperatu-

ren ab 700 °C) Glühkathode. Die für den Austritt notwendige Austr i t tsarbe it ist charakteristisch für das verwendete Metall.

Abb.20: JOSEPH THOMSON



Unter der Voraussetzung, daß die Ladung der Kathodenstrahlen konstant sei, schloß THOMSON 1

2000 der

Masse des Wasserstoffatoms besaß. Relativ schnell setzte sich der Name Elektron für dieses

Kathodenstrahlteilchen durch. THOMSON schrieb später in seinen autobiographischen Aufzeich-

nungen:

Schlußfolgerungen zu ziehen sind: Erstens, daß Atome nicht unteilbar sind, denn

negativ elektrische Partikel können von ihnen weggerissen werden durch die

s-

se sind und die gleiche Ladung negativer Elektrizität tragen, aus welcher Art von

Atomen sie auch stammen, und daß sie Bestandteile aller Atome sind. Drittens,

daß die Masse dieser Teilchen geringer ist als der tausendste Teil eines Wasser-

Abb.22



Elektron

Masse: 9,1 10-31 kg ( u)

Grösse: < 10-19 m Lebensdauer: > 1024 a

Nach allen bisherigen Kenntnissen besitzt das zur Gruppe der Leptonen gehörende Elektron keine innere Struktur!

VORSICHT: Das Elektron macht rücksichtslos von seiner negativen elektrischen Ladung (etwa -1,6 10-19 C) Gebrauch!

Abb.23: THOMSON-Atom

2.3.3. THOMSONS ATOMMODELL: PLUM PUDDING ODER ROSINENKUCHEN?

usgehend von seinen Ergebnissen formulierte THOM-

SON 1904 ein Modell des Atoms. Die Elektronen stell-

te er sich als diskrete, negat iv geladene Tei l-

chen in einem Körper homogener Masseverteilung mit

delokalisierter positiver Ladung vor. Oder um mit seinen eige-

We suppose that the atom con-

sists of a number of corpuscles moving about in a sphere

of uniform positive electrification.

Wegen seiner Ähnlichkeit zu der britischen Weihnachtsspezialität

Plumpudding32 (siehe Abb.24), bekam das Modell bald den popu-

plum pudding model

Pflaumen oder Rosinen die Elektronen veranschaulichen sollten. Im

Deutschen ist THOMSONs Atommodell unter dem Namen Rosinen-

kuchen-Modell bekannt33.

Das Modell besitzt mehrere Schwächen, u.a. kann es nicht befriedi-

gend erklären, warum das Wasserstoff-Atom mit einem einzigen

Elektron ein relativ kompliziertes Spektrum (siehe Abb.26) aufweist.

Abschließend bleibt noch hervorzuheben, daß J. J. THOMSON den Nobelpreis 1906 nicht für die

Entdeckung des Elektrons, sondern für seine Arbeiten über die elektrische Leitfähigkeit in Ga-

sen erhielt. Außerdem gehört er mit seinem Sohn GEORGE PAGET THOMSON (1892 1975) zu

den wenigen Vater-Sohn-Paaren, die jeweils den Nobelpreis erhielten (GEORGE im Jahre 1937

für die Entdeckung zur Elektronenbeugung).

32 Ein Plumpudding e-

zeichnet. 33 Beide Vergleiche geben THOMSONs ursprüngliche Idee nur sehr undeutlich wieder: Anders als Rosinen o.ä. in einem Pud-

ding oder Kuchen ging sein Modell von bewegl ichen Elektronen aus.

A



Abb.24: Plumpudding

Abb.25: Rosinenkuchen Abb.26: Spektrallinien des Wasserstoffs

2.3.4. RUTHERFORDS STREUVERSUCH

ERNEST RUTHERFORD (1871 1937), ein neuseeländischer Physiker, versuchte 1909 zusammen

mit seinen Schülern HANS GEIGER34 (1882 1945) und ERNEST MARSDEN (1889 1970) das

Atommodell seines eigenen Lehrers THOMSON durch sogenannte Streuversuche 35 (engl.

scattering experiments) zu überprüfen.

34 Der deutsche Physiker HANS GEIGER erfand den Geigerzähler zur Messung radioaktiver Strahlung, der später von seinem

Schüler WALTHER MÜLLER zum GEIGER-MÜLLER-Zählrohr weiterentwickelt wurde. 35 Möglicherweise waren RUTHERFORD und seine Arbeitsgruppe die ersten, die Streuversuche r-

nahmen, zuvor waren lediglich Streuung mit Licht durchgeführt worden. Ein gutes Analogiemodell zu Streuversuchen findet man unter http://www.weltderphysik.de/de/250.php. (20.02.2010)



In 1907, RUTHERFORD took the chair of physics at the University of Manchester. There, he dis-

covered the nuclear nature of atoms and was the world's first successful "alchemist": he con-

verted nitrogen into oxygen. In 1919, he succeeded SIR JOSEPH THOMSON as Cavendish Professor

of Physics at Cambridge. He also became Chairman of the Advisory Council, H.M., Govern-

ment, Department of Scientific and Industrial Research; Professor of Natural Philosophy,

Royal Institution, London; and Director of the Royal Society Mond Laboratory, Cambridge.

By 1911, after studying the deflection of alpha particles shot through gold foil, he had estab-

lished the nuclear theory of the atom. In June of 1919, RUTHERFORD announced his success in

artificially disintegrating nitrogen into hydrogen and oxygen by alpha particle bombardment.

RUTHERFORD then spent several years directing the development of proton accelerators (atom

smashers).

Knighted in 1914, RUTHERFORD was raised to the peerage as the first BARON RUTHERFORD OF NELSON

in 1931 a barony that ceased to exist after his death. He died at Cambridge on October 19,

1937, and was buried at Westminster Abbey, in London.

In order to honour the New Zealand physicist, element 104 was named after ERNEST RUTHER-

FORD (Rutherfordium).

EERRNNEESSTT RRUUTTHHEERRFFOORRDD (1871 1937) a short biography

ERNEST RUTHERFORD was born on August 30, 1871, in Spring Grove, New

Zealand. He was the second son in a family of seven sons and five

daughters. He studied at Nelson Collegiate School, and in 1889 won a

scholarship to study at Canterbury College, University of New Zealand.

He graduated M.A. in 1893 with a double major in Mathematics and

Physical Science, and he continued with research work at the College

for a short time, receiving his Bachelor of Science degree the following

year.

That same year, he was awarded a Science Scholarship, enabling him to go to Cambridge as a

research student at the Cavendish Laboratory under J.J. THOMSON. During the investigation of

radioactivity, he coined the terms alpha, beta and gamma rays.

When the Macdonald Chair of Physics at McGill University in Montreal became vacant in 1898,

Rutherford left for Canada to take up the post. There, he did the work that gained him the

1908 Nobel Prize in Chemistry, demonstrating that radioactivity was the spontaneous disinte-

gration of atoms. This is ironic given his famous remark, "In science there is only physics; all

the rest is stamp collecting." He noticed that in a sample of radioactive material, it invaria-

bly took the same amount of time for half the sample to decay - its "half-life" - and created a

practical application for this phenomenon using this constant rate of decay as a clock, which

could then be used to help determine the actual age of the Earth that turned out to be much

older than most scientists at the time believed.

Abb.27: Apparatur von RUTHERFORD, GEIGER und MARSDEN

Bei den letztlich bahnbrechenden

Experimenten gingen RUTHER-

FORD, GEIGER und MARSDEN fol-

gendermaßen vor: Ein Kollima-

tor36 (1) blendet einen schmalen,

parallelen, von einer Strahlen-

quelle (2) ausgehenden -Teil-

chenstrom37 aus. Dieser trifft

senkrecht auf die Goldfolie38 (3).

Hinter dieser Folie austretende -Teilchen treffen unter Aussendung von Lichtblitzen auf einen

Leuchtschirm (4). Die Lichtblitze können mit einem Mikroskop (5) beobachtet und die in einer

gewählten Zeitspanne auftreffenden -Teilchen gezählt werden.

Der obere Teil der Apparatur ist drehbar in einem Konus (6) gelagert. Dadurch kann das Mi-

kroskop um eine senkrechte, durch den Auftreffpunkt der -Teilchen auf der Metallfolie ge-

hende Achse gedreht werden. Es werden dann nur die um diesen zur Einfallsrichtung gemes-

senen Streuwinkel abgelenkten -Teilchen registriert. Der Winkel kann an einer Skala abgele-

sen werden. Damit die -Teilchen keine Geschwindigkeit bzw. Bewegungsenergie durch Stöße

mit Luftmolekülen verlieren, wird die Kammer (7) über eine Öffnung (8) und ein Rohr (9) mit-

tels Vakuumpumpe evakuiert.

Die Apparatur erlaubt es, die Abhängigkeit der Anzahl gestreuter -Teilchen vom Streuwinkel,

der Geschwindigkeit (Bewegungsenergie) der -Teilchen, der Metallfoliendicke und dem Me-

tallfolienmaterial zu untersuchen.

36 Kollimator (lat. collimare, in gerader Linie führen): Gerät zur Erzeugung eines parallelen Strahlenverlaufs, für Teilchen-

strahlen in der Regel durch eine Art Lochblende verwirklicht. 37 Zu diesem Zeitpunkt war lediglich bekannt, daß es sich bei -Strahlung um einen Strom von positiv geladenen Teilchen

handelte. Die genauere Natur der -Teilchen (als Kerne des Elements Helium) war nicht bekannt. 38 Gold wurde wegen seiner hohen Duktilität verwendet: Es lassen sich so Folien mit einer Dicke von etwa 2000 Atomlagen

(und dünner) herstellen.



AUFGABE: Wie würde ein THOMSON-Atom auf den Beschuß mit -Teilchen reagieren?

Folgende Beobachtungen machten die drei Forscher mit der Apparatur

Die in einer festen Zeitspanne registrierte Anzahl der -Teilchen ist in Einfallsrichtung (= 0°) am größten und wird mit zunehmendem Streuwinkel schnell kleiner.

Fast alle -Teilchen durchqueren die Metallfolie ohne größere Richtungsänderungen (ca. 90% zwischen 0° und ± 10°).

Bei größeren Streuwinkeln und ausreichend langer Meßdauer werden hinter der Metallfolie, aber auch vor der Metallfolie bei Rückstreuung, -Teilchen registriert (nur ca. 50 von 109 -Teilchen).

Für gleich große Streuwinkel links und rechts zur Einfallsrichtung der -Teilchen wird im statisti-

schen Mittel die gleiche Anzahl -Teilchen registriert.

Diese qualitativen Ergebnisse sind unabhängig von der Geschwindigkeit bzw. der kinetischen En-ergie der -Teilchen, dem Folienmaterial und der Foliendicke.

AUFGABE: Geben Sie diese Ergebnisse schematisch in der Abbildung wieder und interpretieren Sie die überraschenden Befunde!

AABB44:: RRUUTTHHEERRFFOORRDDSS SSTTRREEUUVVEERRSSUUCCHH DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 44


+ hohe Geschwindigkeit

hohe Geschwindigkeit

+

Abb.28: Schematische Ergebnisse des Streuversuchs

Abb.29: RUTHERFORD-Atom

Erst einige Zeit später, im Jahr 1911, kam

RUTHERFORD auf die Erklärung des erstaunlichen

Phänomens: Die Häufigkeit, mit der die -Teil-

chen um einen bestimmten Winkel gestreut

wurden, lieferte ihm den entscheidenden Hin-

weis: Daß die meisten Teilchen einfach durch

die Folie hindurchflogen, ohne abgelenkt zu

werden, ließ darauf schließen, daß die Goldato-

me im wesentlichen leer sind. Diejenigen Teil-

chen, die mit Wucht zurückgestreut wurden, also große Streuwinkel aufwiesen, mußten dage-

gen auf einen kleinen, schweren Körper innerhalb des Atoms gestoßen sein, der fast die ge-

samte Masse der Goldatome in sich konzentriert. RUTHERFORD selbst äußerte sich so:

It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life.

It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper

and it came back and hit you. On consideration, I realized that this scattering

backward must be the result of a single collision, and when I made calculations I

saw that it was impossible to get anything of that order of magnitude unless you

took a system in which the greater part of the mass of the atom was concen-

trated in a minute nucleus. It was then that I had the idea of an atom with a

minute massive centre, carrying a charge.

Durch statistische Berechnungen und weitergehende Überle-

gungen kamen die Wissenschaftler zu einem Atommodell, daß

heute unter den Namen RUTHERFORDsches Atommodell 39

oder Kern-Hülle-Modell bekannt ist: Die positive Ladung ei-

nes Atoms ist vollständig in einem sehr kompakten Atomkern

konzentriert, dessen Durchmesser etwa um den Faktor 10000

kleiner ist als der Atomdurchmesser. Der Kern ist von einer

Atomhülle aus Elektronen umgeben, deren räumliche Vertei-

lung offen ist.

Allerdings trug auch dieses Modell von Beginn an einen Fehler in sich, denn es vermochte

ebenso wenig wie THOMSONs Atommodell das Auftreten diskreter Spektrallinien erklären. Dazu

aber später detailliertere Informationen.

39 Der Name ist eine Interpretation späterer Autoren, RUTHERFORD selbst hat kein Atommodell formuliert oder publiziert.



AUFGABE: Der Radius eines Atomkerns ist naheliegenderweise abhängig von der Anzahl der

Kernbausteine (Nukleonen) , approximiert beträgt er etwa = 1,07 3

10 15 m . Berechnen

Sie mit Hilfe der aufgeführten Parameter die Dichte eines Atomkerns des Elements Gold ( = 197;

= 197 u) = 19,3 g

cm 3). Gehen Sie

davon aus, daß der Atomkern kugelförmig ist. Hinweis: 1 u = 1,661 10 24 g.

BERECHNUNG:

[Lösung: Mit = 6,226 fm ergibt sich eine Dichte = 3,237 1014 g

cm 3, d.h. 1 cm3 Kernmaterie wöge etwa 324 Millionen Tonnen.]

AABB55:: BBEERREECCHHNNUUNNGG DDEERR KKEERRNNDDIICCHHTTEE DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 55


Abb.30

2.3.5. ENTDECKUNG DES PROTONS

UTHERFORDs Rolle ist an dieser Stelle noch nicht zu Ende. Zwar war 1911 die grund-

sätzliche Natur des Atoms mit der Aufteilung in Atomkern und hülle geklärt, Rätsel

gab aber noch die mögliche Struktur des Atomkerns auf.

Dazu müssen wir zunächst einmal 25 Jahre zurückblenden: Im Jahr 1886 entdeckte

der deutsche Physiker EUGEN GOLDSTEIN (1850 1930) in sogenannten Gasent la-

dungsröhren (siehe Abb.30, hier mit Wasserstoff [Druck etwa 0,01 Pa] gefüllt)

den Kathodenstrahlen analoge Anodenstrahlen, die aufgrund des speziellen Baus der

Röhre (siehe Abb.31) Kanalstrahlen genannt werden. Im Gegensatz zu den Ka-

thodenstrahlen war die spezifische Ladung (Verhältnis von Ladung und Masse der

abhängig vom verwendeten Gas. Der Deutsche WILHELM

WIEN (1864 1928) konnte aber 1898 zeigen, daß die Kanalstrahlen bei der Ver-

wendung von Wasserstoff als Füllgas die größte spezifische Ladung aufweisen.

Abb.31: Entstehung der Kanalstrahlen

Nach Entdeckung von RÖNTGEN- und radioaktiver Strahlung und der Erkenntnis, daß es sich

um Teilchenstrahlung handelt, nahm das wissenschaftliche Interesse an den Kanalstrahlen

merklich ab.

ZUM NACHDENKEN: Welche sind die wesentlichen Unterschiede (Eigenschaften, Entstehung,

apparative Aspekte) zwischen Kathoden- und Kanalstrahlen?

Erst 1919 konnte RUTHERFORD das Proton als Kernbaustein (Nukleon) identifizieren. Beim Be-

schuß von Stickstoff-Atomen mit -Teilchen konnte er neben Sauerstoff-Atomen Atomkerne

von Wasserstoff nachweisen, die er Protonen40 nannte. In der Schreibweise der Kernphysik

liest sich diese geschichtlich erste künstl iche Elementumwandlung folgendermaßen41:

N714 + He2

4 O817 + H1

1 oder kurz: N14 ( , ) O17 40 Nach , , den englischen Physiker

WILLIAM PROUT (1785 1850) erinnern, der 1815 die Hypothese aufstellte, daß alle anderen chemischen Elemente aus Wasserstoff aufgebaut seien.

41 Die Schreibweise von Atomsorten wird später im Abschnitt über Radioaktivität näher erläutert.

R



Auch wenn das Proton als Nukleon keine direkte Rolle bei chemischen Reaktionen spielt, ist es

doch für den chemischen Charakter eines Elementes verantwortlich, da die Anzahl der

Protonen die Ordnungszahl eines Elementes bestimmt.

Unklar war zu diesem Zeitpunkt noch, warum Atomkerne jenseits des Wasserstoffs aufgrund

der elektrostatischen Wechselwirkung nicht spontan zerfallen oder warum die Elektronen auf-

Abb.32:

Proton

Masse: 1,7 10-27 kg ( 1,007 u) Grösse: ca. 1,7 10-15 m Lebensdauer: > 1033 a

Das zur Gruppe der Baryonen gehörende Proton besitzt eine innere Struktur; es ist aus zwei up- und einem down-Quark zusammengesetzt.

VORSICHT: Das Proton macht rücksichtslos von seiner positiven elektrischen Ladung (etwa +1,6 10-19 C) Gebrauch!



2.3.6. ENTDECKUNG DES NEUTRONS

ach dem Lauf der bisher geschilderten Ereignisse mag es wenig verwunderlich sein,

daß RUTHERFORD zumindest indirekt auch an der Entdeckung des zweiten Nukleons,

des Neutrons, beteiligt war. 1921 stellte er das Postulat auf, daß es neben Protonen

eine zweite Sorte von Kernbausteinen geben müsse. Grund hierfür war die Diskrepanz zwi-

schen der Ordnungszahl eines Elements (die identisch mit der Protonenzahl im Kern ist) und

seiner Atommasse.

1930 beschrieben die Gießener Wissenschaftler BOTHE und BECKER einen ungewöhnlichen, weil

außerordentlich energiereichen Typ von -Strahlung, der beim Beschuß von Beryllium (und

anderen leichten Elementen wie Lithium oder Bor) mit -Teilchen entstehen sollte. Ein Jahr

später nahmen IRÈNE und FRÉDÉRIC JOLIOT-CURIE diesen Befund auf und konnten bei Durch-

gang der vermeintlichen -Strahlung durch Paraffin42 feststellen, daß hierbei ebenfalls sehr

energiereiche Protonen aus dem Material herausgeschlagen werden. JAMES CHADWICK

(1891 1974) konnte 1932 nachweisen, daß es sich bei der Strahlung um einen Teilchen-

strom von elektrisch neutralen Teilchen handelt, die nachweisbar durch einfach kinemati-

sche Berechnungen eine Masse in der Größenordnung der Protonen besitzen:

43 disappear, however, if it be assumed that the radiation consists

of particles of mass 1 and charge 0, or neutrons. The capture of the -particle by

the Be-9 nucleus may be supposed to result in the formation of a C-12 nucleus

Abb.33: Nachweis der Neutronenemission

Tatsächlich fand bei den beobachteten Kernreaktionen eine Neutronenemission statt, z.B.:

Be49 + He2

4 C612 + n0

1

Die Vorstellung von den Atomen war vorläufig komplett. Für seine Forschungen erhielt CHAD-

WICK 1935 den Nobelpreis für Physik.

42 Paraffine sind reaktionsträge Kohlenwasserstoffe, die naturgemäß sehr viele Wasserstoff-Atome enthalten. 43 CHADWICK spielt an auf die Schwierigkeiten, die überraschenden Ergebnisse von BOTHE und JOLIOT-CURIE zu interpretieren.

N



Abb.34: Neutronen-Zerfall

Neutronen, die nicht in einem Atomkern gebunden sind (soge-

llen nach knapp 15 Minuten in

ein Proton, ein Elektron und ein exotisches Anti-Elektronneutri-

no: 0 + + +

Zwar besitzt das Neutron keine Ladung, aber magnetische Mes-

sungen haben früh Anlaß zu Überlegungen über eine Substruk-

tur gegeben (siehe Abschnitt 2.3.8.).

Abb.35

Neutron

Masse: 1,7 10-27 kg ( 1,009 u) Grösse: ca. 1,5 10-15 m Lebensdauer: 886 s (in freiem Zustand)

Das zur Gruppe der Baryonen gehörende Neu-tron besitzt eine innere Struktur; es ist aus ei-nem up- und zwei down-Quarks zusammenge-setzt.

VORSICHT: Das neutrale Neutron ist im freien Zustand nicht lebensfähig und zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Elektron-neutrino!



2.3.7. NUKLIDE UND ISOTOPE

ie Anwesenheit von Neutronen ist der Grund dafür, daß Atome gleicher Sorte unter-

schiedliche Masse haben können. Man spricht in diesem Fall von Isotopen44 eines

Elements.

Isotope Kerne sind Beispiele von Nukliden (nach lat. nucleus, Kern), also durch ihre Mas-

senzahl (auch Nukleonenzahl genannt) und Ordnungszahl (auch Kernladungszahl oder

Protonenzahl genannt) festgelegte Atomsorten. Um Nuklide in Kernreaktionen oder Zerfallsrei-

hen kurz bezeichnen zu können, hat man sich darauf geeinigt, die Massenzahl oben links, die

Ordnungszahl dagegen unten links an das Elementsymbol anzufügen:

Bekannte Beispiele für Isotope von Elementen sind das Element Wasserstoff (siehe Abb.36

bzw. AB6) oder auch die (militär-)technisch wichtigen Isotope des Urans, U92235 und U92

238 . Oft

spricht man auch nur kurz von Uran-235 (U-235) und Uran-238 (U-238).

Abb.36: Schematische Darstellung der Wasserstoff-Isotope H1

1 , H12 und H1

3 (nicht maßstäblich)

Längere Zeit war unklar, wieso manche Elemente nicht-ganzzahlige Atommassen aufweisen

(z.B. = 35,453 u). Erst F.W. ASTON (1877 1945, Nobelpreis für Chemie 1922) konnte

zeigen, daß die meisten Elemente eine sogenannte Isotopenverteilung aufweisen, d.h. die

verschiedenen Isotope kommen mit einer ganz bestimmten natürlichen Häufigkeit vor; die re-

lative Atommasse ist dann ein gemittelter Wert der Isotopenmassen.

AUFGABE: Chlor kommt in der Natur als Mischelement zweier Isotope, nämlich Chlor-35

(zu 75,8% vertreten) und Chlor-37 (24,2%). Berechnen Sie die relative Atommasse .

Warum weicht Ihr Ergebnis vom oben genannten Wert ab?

44 Kompositum aus , ísos, und , tópos, griech.

Periodensystem an derselben Stelle.

D



Element A

Z

Massenzahl

Ordnungszahl

Elemente, von denen natürlich nur ein einziges Isotop auftritt, nennt man anisotope Elemen-

te oder Reinelemente. Nur etwa ein Fünftel aller chemischen Elemente sind Reinelemente,

darunter Fluor ( F919 ), Aluminium ( Al13

27 ) und Gold ( Au79197 ).

Chemisch reagieren isotope Verbindungen in der Regel gleich, die physikalischen Kenngrößen

wie Schmelz- und Siedepunkt, Dichte usw. weichen voneinander ab, wie der Vergleich zwi-

2 2

Wasser T2O zeigt (siehe auch AB6, Tab.2):

EIGENSCHAFT H2O D2O T2O

. ° 0,00 3,82 4,49

. ° 100,00 101,42 101,51

° 0,9982 1,1047 1,2138

Tab.1: Vergleich von H2O, D2O und T2O

Neben dem isotopen Verhältnis zwischen zwei Atomkernen ( = , ) kennt man

die Isobarie45 ( , = ) und die Isotonie46 ( , = ). Tab.2

zeigt diese Beziehungen im Überblick:

ISOTOP ISOBAR ISOTON ISODIAPHER47

MASSENZAHL .

PROTONENZAHL . = .

NEUTRONENZAHL .

BEISPIELE H11 , H1

2 , H13 N7

17 , O817 , F9

17 C613 , N7

14 , O815 U92

238 , Th90234 , Ra88

230

Tab.2: Isotopie, Isobarie, Isotonie und Isodiapherie

Alle Varianten von Atomsorten werden unter dem Oberbegriff Nuklid zusammengefaßt. Z.Zt.

sind etwa 3100 verschiedene Nuklide bekannt, ca. 300 davon kommen natürlich vor (stabile

und sogenannte Radionuklide), die übrigen können künstlich hergestellt werden.

Zur besseren Anschauung sind alle Nuklide in der sogenannten Nukl idkarte (auch N-Z-

Diagramm, mit der Neutronenzahl auf der X-Achse und der Protonenzahl auf der Y-Achse)

aufgetragen (siehe Abb.37 und 38 auf der nächsten Seite).

45 Kompositum aus gleich und , barýs, griech. schwer 46 Das Wort Isoton ist als Kunstwort aus Isotop (konstante Protonenzahl) durch Austausch des p gegen ein n (für kon-

stante Neutronenzahl) entstanden. 47 Der Vollständigkeit halber sind auch isodiaphere Kerne aufgeführt; hierbei ist die Differenz zwischen der Neutronenzahl

N und der Protonenzahl Z konstant. Dies tritt beim -Zerfall radioaktiver Kerne auf (siehe dort).



Die stabilen Kerne befinden sich entlang der leicht nach unten gekrümmten Kurve und zeigen

einen mit der Ordnungszahl zunehmenden Neutronenüberschuß. Dieser ist besonders bei

schweren Kernen ausgeprägt, da die starke elektrische Abstoßung der Protonen in schweren

Kernen durch eine überproportionale Zunahme der elektrisch neutralen Neutronen kompen-

siert werden muß. Für kleine Ordnungszahlen sind die Protonen- und Neutronenzahl bei stabi-

len Kernen nahezu gleich.

Abb.37: Einfaches N-Z-Diagramm

Abb.38: Ausschnitt aus der Nuklidkarte



AUFGABEN

1. Füllen Sie Tab.1 aus, die die wichtigsten Ergebnisse zum Aufbau der Atome zusammenfaßt.

2. Ergänzen Sie die fehlenden Angaben in Tab.2, eventuell mit Hilfe eines Periodensystems.

NAME

SYMBOL

MASSE IN U

ELEKTRISCHE LADUNG

Tab.1: Elementarteilchen der Materie

ELEMENT SYMBOL MASSENZAHL A PROTONENZAHL

Z NEUTRONEN-

ZAHL N ELEKTRONEN-

ZAHL E

Wasserstoff 1

1 1

3 1

He 4 2

Kohlenstoff 6 6

Sauerstoff 16 8

Cl 35 17

17 19

U 238 92

277 112

Uuo 176 118

Tab.2: Chemische Elemente und ihr innerer Aufbau

AABB66:: NNUUKKLLIIDDEE UUNNDD IISSOOTTOOPPEE DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 66


Abb.39: MURRAY GELL-MANN

2.3.8. SUBSTRUKTUR DER NUKLEONEN48

ie Geschichte der Aufklärung der Nukleonenstruktur ist ein außerordentlich span-

nendes Beispiel für die Physik des 20. Jahrhunderts. Da diese in ihren Einzelheiten

den Rahmen unseres Unterrichts bei weitem sprengen würde schließlich sind wir

in der Chemie sei auf die Quellen bzw. auf die eher populärwissenschaftlichen Internet-

Seiten von DESY oder CERN verwiesen.

Wie bereits im vorletzten Abschnitt erwähnt, schien nach der Entdeckung des Neutrons die

physikalische Welt in Ordnung , es gab eine überschaubare Anzahl von Elementarteilchen, die

den Aufbau der Materie schlüssig erklären konnten.

In den folgenden Jahrzehnten wurden aber immer mehr vermeintliche Elementarteilchen ent-

Gedanke entstehen konnte, daß die Elementarteilchen eventuell doch aus kleineren Teilchen,

zunächst Partonen genannt, aufgebaut sind.

Der amerikanische Physiker MURRAY GELL-MANN (* 1929) postulierte

1964 die Existenz von Quarks, Teilchen, aus denen Protonen und

Neutronen (neben weiteren bekannten Teilchen) aufgebaut sein

sollten.

Den Namen Quark hat er dem Roman Finnegans Wake49 des iri-

schen Autoren JAMES JOYCE (1882 1941) entlehnt. Dort heißt es:

GELL-MANN bemerkt später zu seiner Wahl:

"In 1963, when I assigned the name 'quarks' to the fundamental constituents of

the nucleon, I had the sound first, without the spelling, which could have been

'kwork'. Then, in one of my occasional perusals of Finnegans Wake, by JAMES

JOYCE

,

48 Didaktisch sehr schön aufbereitete Materialien findet man unter http://particleadventure.org/german/frameless/

index.html. (01.03.2010) 49 JOYCEs

D



Abb.40: Protonstruktur

Abb.41: Neutronstruktur

Tatsächlich bestehen Protonen und Neutronen aus Tripletts von sogenannten up- und down-

Quarks50. Nachgewiesen werden konnte dies mit Streuversuchen auf ganz ähnliche Weise,

mit der RUTHERFORD den Atomkern entdeckte.

Bei diesen von R. HOFSTADTER (Nobelpreis für Physik 1971) und H.W.

KENDALL, R.E. TAYLOR und J. I. FREEMAN (zusammen Nobelpreis für

Physik 1990) durchgeführten Versuchen wurden sehr energiereiche

Elektronen an Protonen gestreut. Kurz zusammengefaßt ergaben

diese Experimente, daß sowohl Proton als auch Neutron eine innere

Struktur besitzen, wobei das Proton aus zwei up-Quarks (mit + 2

3 der

Elementarladung) und einem down-Quark (mit 1

3 der Elementarla-

dung) aufgebaut ist (Abb.40, kurz: uud; Gesamtladung: 2 + 2

3 +

1 1

3= +1), während das Neutron aus einem up- und zwei

down-Quarks aufgebaut ist (Abb.41, kurz: udd; Gesamtladung:

1 + 2

3 + 2

1

3= ±0).

2.3.9. QUELLEN

AIP CENTER FOR HISTORY OF PHYSICS http://www.aip.org/history/ electron/. (17.02.2010)

ATOMIC ARCHIVE http://www.atomicarchive.com/Bios/Rutherford.shtml. (20.02.2010)

ASIADO, TEL http://great-scientists.suite101.com/article.cfm/ john_dalton_biography. (16.02.2010)

CHADWICK, JAMES Nature 192, 312.

CHALMERS, ALAN (2005): th to the 20th http://plato.stanford.edu/entries/ atomism-modern/. (16.02.2010)

DALTON, JOHN (1808): URL: http://www.archive.org/download/ newsystemofchemi01daltuoft/newsystemofchemi01daltuoft.pdf. (15.02.2010)

FLEGEL, ILKA URL: http://www.weltderphysik.de/ de/250.php. (20.02.2010)

MCPHEE, ISAAC M. http://atomic-molecular-optical-physics.suite101.com/article.cfm/rutherford_and

_the_atomic_nucleus. (20.02.2010)

MCPHEE, ISAAC M. http://atomic-molecular-optical-physics.suite101.com/article.cfm/the_discovery_of_the_electron. (18.02.2010)

MCPHEE, ISAAC M. http://atomic-molecular-optical-physics.suite101.com/article.cfm/the_discovery_of_the_neutron. (16.02.2010)

50 Auf die Gründe für diese Bezeichnung können wir hier nicht näher eingehen.



TEICHMANN, JÜRGEN; SCHREIER, WOLFGANG; SEGRE, MICHAEL Mün-chen: Bayerischer Schulbuch-Verlag. S. 138 144.

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Atomkern. (18.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Elektron URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektron. (18.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Ernest Rutherford URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Ernest_Rutherford. (20.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Francis William Aston URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Francis_William_Aston. (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Isobar (Kernphysik) URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Isobar_(Kernphysik). (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Isodiapher URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Isodiapher. (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Isoton (Kernphysik) URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Isoton_(Kernphysik). (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Isotop URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Isotop. (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ James_Chadwick. (27.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE URL: http://de.wikipedia.org/wiki/John_Dalton. (15.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Joseph John Thomson URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Joseph_John_Thomson. (18.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Kanalstrahlen URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Kanalstrahlen. (22.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Kathodenstrahlen URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Kathodenstrahlen. (18.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Mischelement URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Mischelement. (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Neutron URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Neutron. (27.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Nuklid URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Nuklid. (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Nuklidkarte URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Nuklidkarte. (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Proton URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Proton. (20.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Quark (Kernphysik) URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Quark_(Kernphysik). (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Reinelement URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Reinelement. (01.03.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Rutherford-Streuung Rutherford-Streuung. (20.02.2010)

WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPÄDIE Thomsonsches Atommodell URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Thomsonsches_Atommodell. (18.02.2010)

WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA Alpha particle http://en.wikipedia.org/wiki/ Alpha_particle. (20.02.2010)

WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA http://en.wikipedia.org/wiki/ Ernest_Rutherford. (20.02.2010)



WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA Geiger-Marsden experiment http://en.wikipedia.org/wiki/ Geiger-Marsden_experiment. (20.02.2010)

WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (18.02.2010)

WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA http://en.wikipedia.org/wiki/ James_Chadwick. (27.02.2010)



WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA

WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA http://en.wikipedia.org/wiki/ Plum_pudding_model. (18.02.2010)



WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA http://en.wikipedia.org/wiki/ .02.2010)


ZENTRALES ABFALLAGER FÜR RADIOACTIVE STOFFE DER UNIVERSITÄTSKLINIK FÜR NUKLEARMEDIZIN AM ALLGEMEINEN KRANKENHAUS

DER STADT WIEN URL: http://www.meduniwien.ac.at/zal/ strahlen-schutz/physikalischegrundlagen/einteilungderradionuklidenuklidkarte.html. (01.03.2010)



Abb.42: Warnschild bis 2007

Abb.43: Röntgenaufnahme 1896

2.4. RADIOAKTIVITÄT

it der Entdeckung der Radioaktivität eigentlich sogar mit

der Entdeckung der RÖNTGEN-Strahlen zuvor wurde ein

zweiter Pfad beschritten, der nicht nur unser Bild vom

Aufbau der Materie nachhaltig geprägt hat. Parallel zur Identifizie-

rung der verschiedenen Bausteine des Atoms machte das Phänomen

des radioaktiven Zerfalls den Wissenschaftlern klar: Was zerfallen

kann, kann nicht elementar sein.

2.4.1. ENTDECKUNG DER RADIOAKTIVITÄT

nde des Jahres 1895 veröffentlichte der deutsche Physiker WILHELM

CONRAD RÖNTGEN51 (1845 1923) einen Artikel, in dem er über eine

neue, bis dahin unbekannte Art durchdringender Strahlung berich-

tet. Nie zuvor hatte sich die Nachricht von einer wissenschaftlichen Entde-

ckung so schnell verbreitet wie im Falle der X-Strahlen52 , denn auch für

Laien war die Nützlichkeit in der Medizin unmittelbar verständlich.

Nur wenige Monate später experimentierte der französische Phy-

siker HENRI BECQUEREL (1852 1908) wohl auch inspiriert durch

die Arbeiten RÖNTGENs mit lumineszierenden53 Materialien, spe-

ziell Uran-Salzen. Dabei entdeckte er zufällig, daß diese Mineralien

selbst in völliger Dunkelheit photographische Platten schwärzen

(siehe Abb.45 und 46). BECQUEREL vermutete eine Verwandtschaft

mit den X- rayons uraniques

rayons de BECQUEREL BECQUEREL-Strahlen, wie sie für

kurze Zeit genannt wurden) im Gegensatz zu RÖNTGENs Strahlung

ohne äußere Beeinflussung spontan auf.

BECQUEREL gelang außerdem der Nachweis des ionisierenden Charakters der Strahlung (Entla-

dung eines Elektroskops), dessen Entdeckung zunächst nahezu unbemerkt blieb. 51 RÖNTGEN wurde für seine Entdeckung der 1901 der erste Nobelpreis für Physik zugesprochen. 52 RÖNTGEN-Strahlung wird hauptsächlich in der deutschsprachigen Literatur so genannt, in der übrigen Welt gilt wie zu Zei-

ten der Entdeckung die Bezeichnung X-Strahlen. 53 Unter Lumineszenz versteht man die Emission optischer Strahlung eines Körpers beim Übergang aus einem angereg-

ten, energiereichen Zustand in einen energieärmeren Grundzustand. Bekannt sind Photolumineszenz-Phänomene Phos-phoreszenz und Fluoreszenz (siehe BOHRsches Atommodell).

M

E



Abb.44: HENRI BECQUEREL

Abb.48: Elementsymbole Po/Ra

Abb.45: Schwärzung der Original-Photoplatte Abb.46: Schematische Darstellung des Belichtungsvorgangs

Das Ehepaar MARIE CURIE (1867 1934) und

PIERRE CURIE (1859 1906) gehörte zu den

wenigen, die sich mit den Arbeiten BECQUE-

RELs näher beschäftigten. PIERRE CURIE war

bereits ein renommierter Physiker und hatte

mehrere bemerkenswerte Arbeiten veröffent-

licht54. Seine Frau MARIE, gebürtige Polin,

studierte Physikerin, schrieb damals zur Moti-

tivation der Untersuchungen:

Es galt also, die Herkunft der übrigens sehr geringen Energie zu untersuchen, die

von dem Uran in Form von Strahlung ständig ausgesandt wurde. Die Erforschung

dieser Erscheinung erschien uns ungewöhnlich interessant, umso mehr, da dieses

Problem völlig neu war und noch nirgends beschrieben worden war.

Beide entdeckten Stoffe, deren Strahlung wesentlich stärker als die der Uran-Salze war. Da-

raus schlossen sie, daß die Radioaktivität (ein Begriff, den MARIE CURIE 1898 prägte) keine be-

sondere Eigenschaft des Urans sei, und daß es andere Elemente mit dieser Eigenschaft geben

müsse.

Tatsächlich konnten die CURIEs die Elemente Polonium und Radium

entdecken, wobei sie zur Isolierung des letzteren etwa 0,1 g RaCl2

aus rund 500 kg Erz extrahierten in vier Jahren Laborarbeit!

54 So ist nach ihm die CURIE-Temperatur bzw. benannt, bei der Substanzen, die Ferromagnetismus aufweisen, diese

Eigenschaft reversibel einbüßen.



Abb.47: MARIE und PIERRE CURIE im Labor

MARIE und PIERRE CURIE teilten sich 1903 den Nobelpreis für Physik mit HENRI BECQUEREL für ih-

re Forschungen um die Radioaktivität, MARIE erhielt 1911 außerdem den Nobelpreis für Che-

mie für die Entdeckung von Polonium und Radium55.

55 Sie ist damit die einzige Frau (neben drei Männern, L. PAULING, J. BARDEEN und F. SANGER), die zwei Nobelpreise erhalten

hat. Eine ihrer Töchter, EVE, hat eine sehr bemerkens- und lesenswerte Biographie ihrer Mutter geschrieben (siehe Quel-len).



MME. CURIE throughout her life actively promoted the use of radium to alleviate suffering and

during World War I, assisted by her daughter, IRENE, she personally devoted herself to this

remedial work. She retained her enthusiasm for science throughout her life and did much to

establish a radioactivity laboratory in her native city - in 1929 President HOOVER of the United

States presented her with a gift of $ 50,000, donated by American friends of science, to pur-

chase radium for use in the laboratory in Warsaw.

The importance of MME. CURIE's work is reflected in the numerous awards bestowed on her.

She received many honorary science, medicine and law degrees and honorary memberships

of learned societies throughout the world. Together with her husband, she was awarded half

of the Nobel Prize for Physics in 1903, for their study into the spontaneous radiation dis-

covered by BECQUEREL, who was awarded the other half of the Prize. In 1911 she received a

second Nobel Prize, this time in Chemistry, in recognition of her work in radioactivity. She

also received, jointly with her husband, the Davy Medal of the Royal Society in 1903 and, in

1921, President HARDING of the United States, on behalf of the women of America, presented

her with one gram of radium in recognition of her service to science.

MME. CURIE died from cancer, almost certainly contracted from exposure to radiation, on July

4, 1934. Due to their levels of radioactivity, her papers from the 1890s are considered too

dangerous to handle. Even her cookbook is highly radioactive. They are kept in lead-lined

boxes, and those who wish to consult them must wear protective clothing.

In order to honour both, MARIE and PIERRE CURIE, element 96 was named after them (Curium).

MMAARRIIEE CCUURRIIEE (1867 1934) a short biography

MARIE CURIE, née MARIA SKLODOWSKA, was born in Warsaw on November

7, 1867, the daughter of a secondary-school teacher. She received a

general education in local schools and some scientific training from

her father. She became involved in a students' revolutionary organi-

zation and found it prudent to leave Warsaw, then in the part of Pol-

and dominated by Russia, for Cracow, which at that time was under

Austrian rule. In 1891, she went to Paris to continue her studies at

the Sorbonne where she obtained Licentiateships in Physics and the

Mathematical Sciences.

She met PIERRE CURIE, Professor in the School of Physics in 1894 and in the following year they

were married. She succeeded her husband as Head of the Physics Laboratory at the Sorbonne,

gained her Doctor of Science degree in 1903, and following the tragic death of PIERRE CURIE in

1906, she took his place as Professor of General Physics in the Faculty of Sciences, the first

time a woman had held this position.

Her early researches, together with her husband, were often performed under difficult con-

ditions, laboratory arrangements were poor and both had to undertake much teaching to

earn a livelihood. The discovery of radioactivity by HENRI BECQUEREL in 1896 inspired the CURIEs

in their brilliant researches and analyses which led to the isolation of polonium, named after

the country of MARIE's birth, and radium. MME. CURIE developed methods for the separation of

radium from radioactive residues in sufficient quantities to allow for its characterization and

the careful study of its properties, therapeutic properties in particular.

Schon 1899 konnte RUTHERFORD aufgrund des unterschiedlichen Durchdringungsvermögens zwi-

schen - und -Strahlung unterscheiden1, die schwierig abzuschirmende -Strahlung wurde ein Jahr

später durch den französischen Physiker P.U. VILLARD (1860 1934) identifiziert die Bezeichnung

stammt aber ebenfalls von RUTHERFORD.

Untersuchungen über das Verhalten radioaktiver Strahlung im elektrischen Feld wurden von M. und

P. CURIE wie auch von RUTHERFORD durchgeführt. Abb.1 gibt vereinfacht die Ergebnisse dieser Expe-

rimente wieder.

Abb.1: Verhalten radioaktiver Strahlung im elektrischen Feld

AUFGABE: Welche Schlüsse können Sie allein aus den Beobachtungen ziehen?

1 Im gleichen Jahr gelang es österreichischen Physikern (MEYER, SCHWEIDLER und GIESEL) die unterschiedliche Ablenkung

beider Strahlenarten im magnetischen Feld nachzuweisen, die wir aufgrund fehlender Kenntnisse hier jedoch nicht näher erläutern können.

AABB77:: RRAADDIIOOAAKKTTIIVVEE SSTTRRAAHHLLUUNNGG IIMM EELLEEKKTTRRIISSCCHHEENN FFEELLDD DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 77


2.4.2. ARTEN DES RADIOAKTIVEN ZERFALLS

902 identifizierten MARIE und PIERRE CURIE Elektronen als Teilchen der -Strahlung,

1903 konnte RUTHERFORD feststellen, daß es sich bei -Strahlung um einen Strom

massereicher Teilchen mit positiver Ladung handelte. Erst 1907 konnte er durch einen

einfallsreichen Versuch beweisen, daß es sich hierbei um Helium-Ionen handeln muß-

te. Diese Beobachtung stützte die Hypothese RUTHERFORDs und seines Schülers FREDERICK

SODDY56 (1877 1956, Nobelpreis für Chemie 1921), die die Radioaktivität mit der Umwand-

lung von Elementen verknüpften.

Für unsere Betrachtungen sind die Vertiefung von -, - und -Zerfall

Zerfallsarten genannt ausreichend.

2.4.2.1. -Zerfall

Beim -Zerfall geht das Mutternuklid unter Emission eines Helium-Kerns in ein um 4 u

leichteres Tochternuklid, dessen Ordnungszahl um zwei verringert ist, über:

+

Bsp.: U92

238 Th90234 ; Rn86

222 Po84218

Alpha-Zerfall ist ein typischer Prozeß schwerer bis sehr schwerer oder neutronenarmer Atom-

kerne. Die von einem gegebenen Nuklid emittierten -Teilchen haben, anders als beispiels-

weise beim -Zerfall, nur ganz bestimmte Werte der kinetischen Energie, d.h. ihr Energie-

spektrum ist ein Linienspektrum, das charakteristisch für das jeweilige Radionuklid ist.

2.4.2.2. -Zerfall

Je nach Art der emittierten Teilchen muß beim -Zerfall unterschieden werden zwischen dem

-Zerfall (Emission von Elektronen) und dem +-Zerfall (Emission von Positronen 57).

Beim -Zerfall wandelt sich ein Neutron im Atomkern in ein Proton um58. Dabei werden ein

Elektron und ein sogenanntes Anti-Elektronneutrino emittiert. Das Tochternuklid besitzt die

gleiche Massenzahl, seine Ordnungszahl ist um eins erhöht:

56 SODDY NUKLIDE UND ISOTOPE). 57 Positronen sind die Ant i te i lchen der Elektronen, d.h. sie besitzen u.a. die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte

Ladung. 58 Mit Kenntnis von Abschnitt 2.3.8. läßt sich hier genauer begründen, daß sich ein down-Quark unter bestimmten Vor-

aussetzungen in ein up-Quark umwandelt.

1



Abb.49: Radioaktiver Zerfall in der Nuklidkarte

+ + +

Bsp.: Th90

234 Pa91234 ; Au79

178 Hg80178

-Prozeß sind Nuklide mit großem Neutronenüberschuß.

Beim +-Zerfall wandelt sich ein Proton im Atomkern in ein Neutron um. Dabei werden ein

Positron und ein sogenanntes Elektronneutrino emittiert. Das Tochternuklid besitzt die glei-

che Massenzahl, seine Ordnungszahl ist um eins verringert:

+ + +

Bsp.: Cu29

64 Ni2864 ; K19

40 Ar1840

Protonenreiche Nuklide zerfallen oft über den +-Prozeß. Für beide Zerfallsarten gilt: Die

emittierten Teilchen haben im Gegensatz zur -Strahlung keine bestimmte (diskrete) kine-

tische Energie, sondern ihre Energien sind von Null bis zu einem für den zerfallenden Kern

charakteristischen Maximalwert kontinuierlich verteilt.

2.4.2.3. -Zerfall

Gamma-Strahlung im ursprünglichen Sinne des Wortes entsteht als Folge eines vorherge-

henden radioaktiven Zerfalls (z. B. - oder -Zerfall) eines Atomkerns. Das Tochternuklid be-

findet sich in der Regel in einem angeregten Zustand: es schwingt oder rotiert beispielswei-

se. Beim Übergang in einen weniger angeregten Zustand oder den Grundzustand gibt das

Tochternuklid die freiwerdende Energie in Form von -Strahlung ab. Daher kann die Strah-

lung nur ganz bestimmte Energien (gleich der Energiedifferenz zwischen den beiden Zustän-

den) haben, sie ist also durch ein diskretes Energiespektrum gekennzeichnet. Es handelt sich

darüber hinaus nicht um eine Teilchen-, sondern eine elektromagnetische Strahlung.

Graphisch lassen sich die verschiedenen Zerfallsarten59 auch sehr

ansprechend in der Nuklidkarte wiedergeben.

59 Neben den erwähnten Zerfallsarten gibt die Graphik außerdem die Neutronenemiss ion (n) bzw. Protonenemis -

s ion (p) sowie den sogenannten -Zerfal l (eigentlich Elektroneneinfang) wieder.



Abb.50: Thorium-Reihe

Abb.51: Neptunium-Reihe

Abb.52: Uran-Radium-Reihe

Abb.53: Uran-Actinium-Reihe

2.4.3. NATÜRLICHE ZERFALLSREIHEN

enn das Produkt eines radioaktiven Zerfalls selbst wieder instabil ist, kann sich

eine Abfolge von Zerfallsprodukten ergeben, eine sogenannte Zerfallsreihe. Am

Ende einer jeden Zerfallsreihe steht ein stabiles Isotop.

In der Natur kennt man vier Zerfallsreihen, da Änderungen der Massenzahl nur in Vierer-

schritten auftreten können (durch -Zerfall). Sie werden nach typischen Isotopen benannt:

Thorium, Neptunium, und Uran.

THORIUM-REIHE60

NEPTUNIUM-REIHE

61 URAN-RADIUM-

REIHE URAN-ACTINIUM-

REIHE

STARTKERN

ENDKERN

MASSENZAHL + + +

Tab.3: Natürliche Zerfallsreihen

Da die Zerfallsreihen auch Bestandteil der Übungsaufgaben sind (AB8), werden sie hier nur

graphisch in Z-N-Diagrammen wiedergegeben:

60 Seitdem man weiß, daß Plutonium in sehr geringen Mengen (um 2 10 19 %) in der Natur vorkommt, kann das Isotop

Pu-244 als Mutterkern der Reihe angesehen werden. Thorium-232 ist aufgrund seiner hohen Halbwertszeit das häufigste Isotop.

61 Diese Reihe wird auch als prähis tor i sche Reihe

W



AUFGABE: Ergänzen Sie die Zerfallsreihe durch die passenden Nuklide in korrekter Schreibweise

bzw. die Zerfallsart ( oder ).

AABB88:: NNAATTÜÜRRLLIICCHHEE ZZEERRFFAALLLLSSRREEIIHHEENN DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 88


U 238 92

U 234 92

Ra 226 88

Po 218 84

Tl 210 81

Pb 210 82

Po 214 84

Tl 206 81

Pb 210 82

Abb.54: Überblick über die natürlichen Zerfallsreihen



2.4.4. ZERFALLSGESETZ UND HALBWERTSZEIT

er radioaktive Zerfall folgt einem exponentiel len Gesetz; die Zahl der nicht zerfal-

lenen Kerne ( ) beträgt = , wobei 0 die Zahl der zum Zeitpunkt

= 0 vorhandenen Atomkerne und die stoffspezifische Zerfallskonstante sind.

Letztere gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein radioaktiver Atomkern zerfällt.

Der radioaktive Zerfall ist nämlich ein nicht vorherbestimmbarer, zufälliger Prozeß, daher sind

nur statistische Aussagen über eine große Anzahl von beobachteten Atomkernen möglich. Der

Kehrwert der Zerfallskonstante = 1 gibt die eines Atomkerns an.

Eine weitere charakteristische Größe zur Beschreibung ist die sogenannte Halbwertszeit

12, die angibt, nach welcher Zeit noch genau die Hälfte einer ursprünglich vorhandenen

Menge radioaktiver Atomkerne vorhanden ist:

Die Halbwertszeiten der bekannten Isotope reichen von Bruchteilen von Mikrosekunden hin zu

Vielfachen des Alters des Universums (sogenannte quasistabile Isotope). Wichtig ist die

Kenntnis von Halbwertszeiten z.B. für die Altersbestimmung mit C-14 ( 12

= 5730 a) oder

K-40 ( 12

= 1,25 109 a).

D



AUFGABEN:

1. Leiten Sie aus dem Zerfallsgesetz = 0 einen Ausdruck für die Halbwertszeit 12

ab. [ 12

= ln 2

]

2. Americium-241 dient in sogenannten Ionisations-Rauchmeldern als -Emitter.

a) Geben Sie die kernphysikalische Reaktionsgleichung für den -Zerfall von Am-241 an.

b) Berechnen Sie aus der Halbwertszeit ( 12

= 432,2 a) die Zerfallskonstante sowie die mitt-

lere Lebensdauer . [ = 1,60 10 3 1

a; = 623,5 a]

3. Platin-201 besitzt eine Halbwertszeit 12

= 150 s. Zum Zeitpunkt = 0 beträgt die Masse Platin

= 1 g. Wie groß ist die Masse Platin nach = 10 min? [ = 62,5 mg]

4. Von einer bestimmten Menge Natrium-24 sind nach 2,5 Tagen 93,75% der Atome zerfallen. Wie

groß ist die Halbwertszeit 12? [ 1

2= 15 h]

AABB99:: ZZEERRFFAALLLLSSGGEESSEETTZZ UUNNDD HHAALLBBWWEERRTTSSZZEEIITT DDrr.. BBeerrnndd SSttaannggee,, FFeebbrruuaarr 22001100

AABB 99


Abb.55: IRÈNE und FRÉDÉRIC JOLIOT-CURIE

2.4.5. KÜNSTLICHE RADIOAKTIVITÄT

s ist immer wieder interessant zu beobachten, wie Kinder die Forschungen ihrer El-

tern aufnehmen und mit großem Erfolg weiterführen: Dies trifft auf THOMSON sr. und

jr. zu (Nobelpreis für Physik 1906 bzw. 1937), auf den im nächsten Abschnitt ken-

nenzulernenden NIELS BOHR und seinen Sohn (Nobelpreis für Physik 1922 bzw. 1975), aber

auch auf MARIE und PIERRE CURIE und ihre Tochter IRÉNE JOLIOT-CURIE (und ihren Ehemann

FRÈDÈRIC) zu.

Beide arbeiteten 1933/34 an der Bestrahlung von Alumini-

um-Folien mit Helium-Kernen. Dabei beobachtete das Ehe-

paar die Emission eines Neutrons und eines Positrons. Am

11. Januar 1934 gelang der Nachweis, daß durch die Be-

strahlung unter Aussendung eines Neutrons zuerst ein

Phosphor-Isotop (30P, sogenannte - e-

bildet wurde, das danach unter Aussendung eines Positrons

in ein stabiles Silicium-Isotop (29Si) zerfiel. Dies konnten sie

daraus schließen, daß die Positronenemission auch nach der

Entfernung der -Quelle noch anhielt. Als Kernreaktion läßt sich die Entdeckung der JOLIOT-

CURIEs wie folgt formulieren:

Al1327 + He2

4 P1530 + n0

1

P1530 Si14

30 + + +

Unmittelbar danach erzeugten sie noch aus Bor ein Stickstoff-Isotop und aus Magnesium ein

radioaktives Aluminium-Isotop.

-

vität gebe. 1935 erhielten IRÉNE und FRÈDÈRIC JOLIOT-CURIE gemeinsam den Nobelpreis für

Chemie für die erstmalige Synthese eines Radionuklids.

Hiermit war der Startschuß gefallen, um eine Vielzahl von bis dahin unbekannten Radionukli-

den herzustellen, die heute vielfältig z.B. in der Medizin (Diagnostik und Therapie in der Nuk-

learmedizin) eingesetzt werden. Außerdem war schnell klar, daß man grundsätzlich

Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 92 (sogenannte Transurane) herstellen konnte.

So wird das Element 118 (Ununoctium, Uuo) aus der Kollision von Kernen von Californium-249

und Calcium-48 synthetisiert:

Cf98249 + Ca20

48 Uuo118294 + 3 n0

1

E



Abb.56: Nebelkammeraufnahme

Abb.57: GEIGER-MÜLLER-Zählrohr

2.4.6. RADIOAKTIVE STRAHLUNG PHYSIOLOGISCHE WIRKUNG UND SCHUTZ

2.4.6.1. Messung von Radioaktivität

infache Nachweismethoden für Radioaktivität sind die Entladung eines Elektro-

skops, wie es auch schon von MARIE und PIERRE CURIE genutzt wurde, auf einem

fluoreszierenden Schirm (siehe RUTHERFORDscher Streuversuch) oder eine soge-

nannte Nebelkammer.

Eine Nebelkammer ist meist mit einem übersättigten Ethanol-Dampf gefüllt. Wenn ein gela-

denes Teilchen die Dampfphase durchquert, ionisiert es einzelne Moleküle des Dampfes. Ist

die Kammer staubfrei, wirken die so entstandenen Ionen als Kondensationskerne und somit

entstehen auf dem Weg der Ladung durch die Nebelkammer sichtbare Kondensations-

streifen (siehe Abb.56 unten).

Der Hauptbestandteil des bekannten GEIGER-MÜLLER-Zählrohres 62 (Abb.57) ist ein Metall-

rohr, das die Kathode bildet, und in dessen Mitte sich ein Draht befindet, der als Anode

dient. Am vorderen Ende befindet sich ein strahlendurchlässiges Fenster (z. B. aus Glimmer),

während im hinteren Teil ein Isolator steckt, der auch die Anode hält und sie von der Katho-

de isoliert. Im Innern befindet sich ein Edelgas (z. B. Argon) mit geringem Druck.

Tritt ionisierende Strahlung ein, so trennt diese auf ihrer Flugbahn Hüllenelektronen des

Edelgases von ihren Atomkernen. Die Elektronen werden in Richtung Anode beschleunigt

und kollidieren dabei mit weiteren Gasatomen, die so ebenfalls ionisiert werden (Stoßionisa-

tion, Gasentladung).

62 Konstruiert von HANS GEIGER (1882 1945), zusammen mit seinem Doktoranden WALTHER MÜLLER (1905 1979).

E





Abb.58: Szintillationszähler

Die so lawinenartig freigesetzten Elektronen ermöglichen nun einen Stromfluß zwischen An-

ode und Kathode, der in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Dieses Signal wird dann

elektronisch verstärkt und in der Regel als akustisches Signal (Knacken) angezeigt.

Allerdings läßt das Zählrohr keinen Rückschluß auf die Art der Strahlung zu, darüber hinaus

findet eine reine Aktivitätsmessung statt und keine Messung der Strahlungsenergie. Ein

weiterer Nachteil ist außerdem die Totzeit63 von etwa 0,1 1 ms.

Eine andere Möglichkeit der

Messung ist im Szinti l lat ions-

zähler realisiert. Unter Szintilla-

tion (scintillare, lat. funkeln,

flackern) versteht man das Phä-

nomen, daß bestimmte Materia-

lien bei Wechselwirkung mit io-

nisierender Strahlung Licht aus-

senden64. Beispiele für solche Substanzen sind Zinksulfid, Natriumiodid oder komplexere or-

ganische Szintillatoren.

Im Kopf des Messgerätes befindet sich ein nach den Seiten gegen Licht geschützter Szintil-

lator, in dem beim Eintreffen von Strahlung65 ein Lichtblitz ausgelöst wird. Dieser sehr

schwache Lichtblitz löst in einer dahinter liegenden Photokathode Elektronen aus (Photoef-

fekt 66). Diese Elektronen werden durch mehrere Dynoden67 im Verstärker lawinenartig ver-

stärkt. An der Anode kann dann ein gut meßbarer Stromimpuls abgenommen werden. Trifft

ein Elektron ( -Strahlung) auf den Szintillator, so kann dieses durch verschiedene Prozesse

eine Strahlung induzieren, die ebenfalls detektiert werden kann68.

Hauptvorteile von Szintillationszählern gegenüber Zählrohren sind die hohe Nachweiseffekti-

vität und die geringe Totzeit.

63 Unter Totzei t versteht man diejenige Zeitspanne unmittelbar nach dem Nachweis eines Teilchens, während der ein

Teilchendetektor noch nicht wieder bereit ist, ein weiteres Teilchen nachzuweisen. 64 Es handelt sich dabei um einen Lumineszenz-Effekt, der im Abschnitt über Fluoreszenz näher erläutert wird. 65 Genau genommen beim Eintreffen eines sogenannten -Quants (siehe Abschnitt 3.1.). 66 Für seine Erklärung dieses Phänomens erhielt ALBERT EINSTEIN 1922 den Nobelpreis für Physik. 67 Eine Dynode ist eine spezielle Elektrode in einem Photomult ip l ier , der einen Elektronenstrom in einer Art Kettenreak-

tion verstärkt. 68 Eine sehr anschauliche Erklärung (auf Englisch) gibt es unter: http://www.uos.harvard.edu/ehs/radiation/

how_surveymeter.shtml. (13.03.2010)

Abb.59: Warnzeichen ab 2007

2.4.6.2. Physiologische Wirkung und Strahlenschutz

ie Strahlung radioaktiver Substanzen ist in der Lage,

Atome in Molekülen zu verändern und/oder ihre chemi-

schen Bindungen aufzubrechen. Auf diese Weise können

bioaktive Verbindungen ihre ursprüngliche Funktion verlieren, der

Organismus kann (dauerhaft) geschädigt werden.

Die Gefährlichkeit von -, - und -Strahlung hängt zum einen von der Art der Strahlung,

zum anderen aber auch ganz besonders von der Art der Aufnahme ab. Der Nuklearmediziner

unterscheidet hier zwischen der äußeren Strahlenbelastung, der Kontamination (Ver-

unreinigung) mit und der Inkorporation (Aufnahme) von radioaktivem Material.

Alpha-Strahlung besitzt wegen der elektrischen Ladung und der vergleichbaren hohen

Masse der -Teilchen nur eine geringe Eindringtiefe (obere Hautschichten) und ist bei äuße-

rer Bestrahlung relativ ungefährlich. Die Strahlung kann durch wenige Zentimeter Luft oder

ein Blatt Papier abgeschirmt werden. Bei Inkorporation sind -Strahler aber sehr schädlich

(Strahlungswichtungsfaktor 20, das bedeutet eine angenommene zwanzigfache Schadwir-

kung verglichen mit - oder -Strahlung).

Bekannt geworden ist die Vergiftung des ehemaligen KGB- und FSB-Agenten ALEXANDER LIT-

WINENKO durch Polonium-210, einem sehr aktiven -Strahler, im November 2006: Über den

Blutstrom verteilt sich das Polonium im Körpergewebe. Die zerstörerische Wirkung macht

sich als Strahlenkrankheit zunächst an Zellen bemerkbar, die sich häufig teilen (z. B.

Darmepithelien, Knochenmark). Zu den typischen Symptomen gehören neben Alopezie

(Haarausfall) und allgemeiner Schwäche auch Diarrhoe, Anämie sowie Blutungen aus Nase,

Mund, Zahnfleisch und Rektum.

Ist der menschliche Körper -Strahlen ausgesetzt, werden nur Hautschichten geschädigt.

Dort kann es aber zu intensiven Verbrennungen und daraus resultierenden Spätfolgen wie

Hautkrebs kommen. Sind die Augen der Strahlung ausgesetzt, kann es zur Linsentrübung

kommen. Werden -Strahler in den Körper aufgenommen, sind hohe Strahlenbelastungen in

der Umgebung des Strahlers die Folge. Gut dokumentiert ist Schilddrüsenkrebs als Folge von

radioaktivem Iod-131, das sich in der Schilddrüse sammelt. Beta-Strahlen lassen mit einem

einige Millimeter starken Absorber (z.B. einem Aluminiumblech) gut abschirmen.

D



Wird -Strahlung in menschlichem, tierischem oder pflanzlichem Gewebe absorbiert, wird

ihre Energie in Ionisations- und anderen Vorgängen wirksam. Dabei treten im Gewebe Se-

kundärstrahlungen wie freigesetzte Elektronen und Röntgenstrahlung auf. Die Folgen

können am bestrahlten Organismus selbst (somatische Schäden) oder, durch Schädigung

des Erbguts, an seinen Nachkommen als genet ische Schäden auftreten.

Die Funktionsfähigkeit der Zellen bleibt auch bei hohen Strahlendosen zunächst meist erhal-

ten. Sobald aber die Zelle sich teilt oder aus einem anderen Grund eine große Zahl an Prote-

inen neu produzieren muß, führen die Strahlenschäden im Erbgut zu Problemen. Die Strah-

lenkrankheit wirkt deswegen erst nach einiger Zeit tödlich, wenn bestimmte, lebenswichtige

Zelltypen, die auch beim gesunden Menschen regelmäßig absterben und neu gebildet wer-

den, insbesondere Blutzellen, nicht mehr in ausreichender Zahl vorhanden sind. Alternativ

kann es dazu kommen, daß durch die Strahlung nur gering geschädigte Zellen ihre Teilungs-

fähigkeit behalten, sich aber künftig unkontrolliert teilen und zu bösartigen Tumoren (Krebs)

wachsen.

Die Reichweite von -

zu geladenen Teilchen besonders durchdringenden -Strahlung werden deutlich dickere

Materieschichten benötigt als für - oder -Strahlung. Je größer die Ordnungszahl eines Ma-

terials ist, desto größer ist seine Abschirmwirkung. Deshalb verwendet man zum Schutz bei-

spielsweise Bleiplatten.

Abb.60: Abschirmung von -, - und -Strahlung



Abb.61: Aktivität

Abb.62: Energiedosis

Abb.63: Äquivalentdosis

Ionisierende Strahlung tritt in geringer Dosis auch als natürliche Strahlenbelastung auf. Diese

besteht unter anderem aus der kosmischen Strahlung und der Strahlung radioaktiver Stoffe,

die natürlich in Erdkruste und Atmosphäre vorkommen, wie z. B. den radioaktiven Isotopen

der lebenswichtigen Elemente Kohlenstoff und Kalium.

Physikalische und physiologische Kenngrößen

Die Aktivität beschreibt mit dem Quotienten aus der Zahl

der radioaktiven Umwandlungen und dem Zeitintervall, in

dem diese stattfinden, lediglich den reinen physikalischen

Vorgang:

= d

d mit = 1 s 1 = 1 Becquerel (Bq)69

Bezieht man die Aktivität auf die Masse der Probe, so erhält man die aussagekräftigere spe-

zifische Akt ivität mit der Einheit Becquerel pro Kilogramm (Bq

kg).

Physiologische Effekte lassen sich besser mit den Größen

Energiedosis und Äquivalentdosis beschreiben: Die Energie-

dosis einer ionisierenden Strahlung gibt die pro Masse ei-

nes bestrahlten Absorbers aufgenommene Energie an:

= d

d mit = 1

J

kg= 1 Gray (Gy)70

Mit der Energiedosis allein kann die biologische Strahlenwirkung nicht beurteilt werden. Es

zeigt sich nämlich, daß bei gleichen Energiedosen, aber unterschiedlichen Strahlenarten, die

hervorgerufenen Effekte unterschiedlich sein können. Aus

diesem Grund wurde eine weitere Dosisgröße, die Äquiva-

lentdosis , eingeführt. Sie berücksichtigt über den soge-

nannten Strahlungswichtungsfaktor die relative biologi-

sche Wirksamkeit der ionisierenden Strahlung:

= mit = 1 J

kg= 1 Sievert (Sv)71

69 Anders ausgedrückt gibt die Aktivität also die Zerfälle pro Sekunde an, sie ist ein statistischer Erwartungswert. Die alte

Einheit der Aktivität war das Cur ie (Einheitenzeichen Ci) mit der Definition der Aktivität von 1 g Radium-226: 1 Ci = 3,7 1010 Bq = 37 GBq.

70 Diese Einheit wurde zu Ehren des britischen Physikers und Radiobiologen LOUIS HAROLD GRAY (1905 1965) benannt.

GRAY beschäftigte sich mit der Wirkung von Strahlung und Radioaktivität auf biologische Systeme. Zuvor wurde die Ener-giedosis in Rad (nach radiation absorbed dosis) gemessen, es gilt: 1 Gy = 100 rad.

71 Namensgeber für diese SI-Einheit ist der schwedische Physiker ROLF SIEVERT (1896 1966), der als Begründer der Strah-

lenschutz-Forschung gilt. Bis 1986 war das Rem (nach roentgen equivalent in man, 1 Sv = 100 rem) die gültige Einheit.



So gilt für - und -Strahlung der Strahlungswichtungsfaktor 1, während -Strahlen mit ei-

nem Faktor 20 bewertet werden72.

Die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland beträgt etwa 2,5 mSv

a. Ab einer kurzfristigen

Belastung von etwa 0,25 Sv tritt die Strahlenkrankheit auf. Mehr als 4 Sv als Kurzzeitbestrah-

lung sind in der Regel tödlich. Abb.64 gibt in einer Übersicht die Schädigungswege und

mechanismen einer menschlichen Zelle wieder.

Abb.64: Physikalische, chemische und biologische Vorgänge in einer Zelle nach Strahleneinwirkung (nach VOLKMER 2007)

72 Die größere biologische Wirkung von -Strahlen kann durch die größere Anzahl erzeugter Ionen oder Anregungen pro

Weglänge erklärt werden. Eine dichtere lonisierung in einem kleinen Bereich ist viel schädlicher als eine gleich große An-zahl von lonisationen, die auf einen größeren Bereich verteilt sind.



Abb.65: Radium-Schokolade

Abb.66: Radium-Zwieback Abb.67: Doramad-Zahncreme

2.4.6.3. Radioaktivität die pure Lebenskraft?

n der Medizin 73, Heilprozes-

se von Patienten zu fördern.

elektrische oder magnetische Heilverfahren und nach der Entdeckung der Radioaktivität

enutzt. Ge-

meint sind hier nicht wissenschaftlich kontrollierte und im zeitlichen Kontext als sinnvolle Ein-

MARIE CURIE, sondern der

hemmungslose Eifer, den Menschen radioaktive Präparate als nützlich und gesundheitsför-

dernd anzupreisen.

Strahlung positiv beeinflussen zu können, suggerierten auch

radioaktive Lebens- und Genußmittel.

Radium- und Schöffel's Radium-Was-

serz (Abb.66). Es gab außerdem Radium-Bier, Radi-

um-Butter, Radium-Zigaretten, sogar Radium-Kondome und

Radium- .

Darüber hinaus existierten eine Reihe von Präparaten aus

dem Bereich Körperpflege und Kosmetik. So sollte die radio-

aktiv strahlende Doramad-Zahncreme (Abb.67

74.

Diese Produkte sind aus heutiger Sicht natürlich absolut unverständlich, zudem die gefährli-

chen Eigenschaften gerade des Radiums schon MARIE und PIERRE CURIE bekannt waren, die

bereits 1901 über Verbrennungen an Händen usw. berichteten. Der deutsche Mediziner OTTO

WALKHOFF fand an seinem Körper empfindliche Verbrennungen an der Stelle, wo er ein Röhr-

chen mit Radium in der Tasche getragen hatte, ebenso wie BECQUEREL.

73 Die Anführungszeichen sollen verdeutlichen, daß die vermeintlich gesundheitsfördernden Kräfte (die aus physikalischer

Sicht keine sind) aus heutiger Sicht weniger Medizin als vielmehr Quacksalberei sind. 74 Weitere Beispiele kann man z.B. unter http://www.orau.org/ptp/collection/quackcures/quackcures.htm (31.03.2010) fin-

den.

I



Abb.68: Radithor

Der quacksalberische Spuk bekam erste grobe Risse 1924/25, als bekannt wurde, daß viele

der Frauen, die bei der Herstellung von sogenannten Radium-Uhren die Zifferblätter mit der 75, unter dem sogenannten Radiumkiefer (engl.

radium jaw) litten: Das Zahnfleisch blutete häufig, Zähne brachen ab oder fielen aus, es tra-

ten vermehrt Knochentumoren und poröse Unterkiefer auf.

Ein weiterer, prominenter Fall war der amerikanische Industrielle

EBEN BYERS (1880 1932). Nachdem er sich 1927 bei einem Sturz in

der Eisenbahn am Arm verletzt hatte, empfahl ihm ein Arzt das Me-

dikament Radithor (Abb.68), das eine Aktivität von etwa 1 µCi

(37 kBq) in Form der Isotope Ra226 und Ra228 aufwies. BYERS nahm

daraufhin bis 1930 enorme Dosen von Radithor zu sich (angeblich

annähernd 1400 Flaschen), was dazu führte, daß sein Körper die

dreifache Menge der als tödlich geltenden Radium-Dosis aufnahm.

Das Radium lagerte sich in seinen Knochen ab und führte zum Verlust des größten Teils sei-

nes Unterkiefers und zu Gehirnschäden. 1932 starb er an dieser Radiumvergiftung:

When BYERS died, his shriveled body must have been barely recognizable

to friends who had known him as a robust athlete and ladies' man. He

weighed just 92 pounds. His face, once youthful and raffishly handsome,

set off by dark, pomaded hair and deep-set eyes, had been disfigured by

a series of last-ditch operations that had removed most of his jaw and part

of his skull in a vain attempt to stop the destruction of bone. His marrow

and kidneys had failed, giving his skin a sallow, ghostly cast.

Dem Präparat wurde die Zulassung entzogen, gegen den Erfinder WILLIAM J. A. BAILEY (der zu-

dem einen falschen Titel doctor of medicine trug), wurde allerdings niemals Anklage erho-

ben. Mehr noch: Später vermarktete er weitere radioaktive Produkte.

Ohne möglicherweise irrationale Ängste schüren zu wollen, sollten diese Erfahrungen nach-

denklich stimmen, wenn man berücksichtigt, daß gerade in den letzten Jahren alle möglichen

Produkte des Alltags mit Nanopartikeln versehen werden, ohne daß die potentiellen Gefahren

dieser Technologie bekannt oder erforscht sind76.

75 Die mit Radium aktivierte Farbe wurde einfach mit dem Pinsel aufgetragen. Die meist jungen Frauen, die diese Arbeit

ausführten, stellten fest, daß sie am schnellsten waren und am meisten verdienen konnten, wenn sie den Pinsel mit den Lippen anspitzten dabei nahmen sie erhebliche Mengen an Radium in ihren Körper auf.

76 Versicherungen empfehlen aus diesem Grund, Risiken der Nanotechnologie auf keinen Fall unbegrenzt versichern, siehe

auch http://www.swissre.com/resources/48c84780455c7a06b0d0ba80a45d76a0-Publ04_Nanotech_de.pdf. (31.03.2010)



2.4.7. QUELLEN

BAYRISCHES STAATSMINISTERIUM FÜR UMWELT, GESUNDHEIT UND VERBRAUCHERSCHUTZ n-

BERNHARD, GERT (Radiochemische Methoden) an der TU Dresden, Kap. 4. URL: http://www.fzd.de/FWR/DOCS/RC_2009_04.pdf. (06.03.2010)

CURIE, EVE

FRIEDMANN, HARRY (2009 Vorlesung Einführung in die Kernphysik an Universität Wien, Kap.5. URL: http://homepage.univie.ac.at/Harry.Friedmann/Download/ Kernphysik/KP_Kap5.pdf. (06.03.2010)

HELMSTÄDTER, AXEL die pure Schweizerische Ärztezeitung 2006, 87(20), 904 907. URL: http://www.saez.ch/pdf_d/2006/2006-20/2006-20-310.PDF. (31.03.2010)

JURENTSCHK -PP.pdf. (06.03.2010)

KAMMIGAN, JENS Vortrag im Rahmen der Vorlesung Prozeßmeßtechnik an der FH für Technik und Wirtschaft Berlin. URL: http://www.das-koenigliche-wir.de/Semester 4/ Prozessmesstechnik/Vortraege/s0511019/Messung%20von%20Radioaktivitaet.pdf. (06.03.2010)

MACKLIS, R.M. 99.

NOBEL FOUNDATION URL: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/ 1903/marie-curie-bio.html. (02.03.2010)

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Skript Atombau und Periodensystem - Teil 2