Zuerst rede ich, dann geht‘s los!

• Diese Dokumentation ist der Schlusspunkt einer Unterrichtsreihe in einem Physik Lk zum Ende der Stufe 13. Der Kurs erarbeitete im Rahmen eines Jigsaw-Puzzles die Materialien zu dieser Präsentation. Als Abschluss diente dann diese Präsentation als Grundlage zu einem Vortrag im Vorlesungsstil durch den Fachlehrer. Insbesondere soll diese Präsentation kein Fachbuch ersetzen sondern beispielhaft zeigen, wie physikalische Sachverhalte präsentiert werden können.

• Das Männchen, das Sie auf der Startseite gesehen haben, wird Ihnen immer dann begegnen, wenn ich aus Copyright-Gründen eine Abbildung durch eine Skizze ersetzen musste. Ich hoffe, dass Sie diese Skizzen ertragen können. Wenn Sie diese Präsentation benutzen, können Sie natürlich meine Skizzen durch eigene ersetzen. Und jetzt geht es los.

• Es war einmal vor langer Zeit, das eine Schule gegründet wurde.

Zum Verständnis dieser Präsentation

Zu dieser Zeit wusste man nichts

• vom Aufbau der Atome mit Kern und Hülle

• war die Elektrizität für das tägliche Leben ohne Bedeutung

• von Elektronen, Protonen und Neutronen, von Quarks und Leptonen ganz zu schweigen

• von elektromagnetischen Wellen

• von E = mc²

• von Telefon, Rundfunk und Fernsehen

• Von Röntgenstrahlen und Radioaktivität

150 Jahre später

• Die Menschen fliegen zum Mond.

• Die Menschen werden immer älter.

• Die Menschen werden nicht weiser.

• Die Schülerinnen und Schüler am Rats lernen immer noch. Es bleibt nur die Frage, was sie da lernen!

Der radioaktive Zerfall

• Eine Präsentation, die die Schülerinnen und Schüler des Ratsgymnasium zu Münster am Ende ihrer Schulzeit im März und April 2001 zusammengetragen haben.

• Eine Präsentation, die späteren Jahrgängen als Leitfaden zur Einarbeitung in dieses Thema dienen soll.

• Eine Präsentation, die einen Beitrag zu der Methode des Arbeitens mit Hypermedien darstellen will.

Die Ausgangslage

• Diese Präsentation geht davon aus, das der Hörer bzw. Leser sich ein Atom aufgebaut denkt aus einem Atomkern, der aus Protonen und Neutronen besteht und der fast die gesamte Masse des Atoms besitzt. Der Atomkern wird umkreist von Elektronen

Instabile Atome leben nicht ewig!

Wer hat zu diesem Wissen beigetragen?

• Alle beteiligten Personen hier aufzuführen wäre eine eigene Präsentation. Deshalb stellvertretend für alle das Ehepaar Curie. Marie und Pierre Curie isolieren 1898 nach fast vierjähriger harter Arbeit unter primitiven Bedingungen die stark strahlenden Elemente Polonium und Radium.

Wie „funktioniert“ denn nun Radioaktivität?

Der Alpha-Zerfall

• 1897 : Ernest Rutherford erkennt verschiedene radioaktive Strahlungsarten (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung). Fünf Jahre später prägt er in seinem radioaktiven Zerfallsgesetz den Begriff der „Halbwertszeit“.

Der Beta Minus Zerfall

• Ein Jahr zuvor, also 1896: Henri Becquerel entdeckt die natürliche Radioaktivität bei der Untersuchung von Uransalzen . Er stellt fest, dass von ihnen eine Strahlung ausgeht, die lichtempfindliche fotografische Materialien noch durch schwarzes Papier

hindurch verändert.

Der Beta Plus Zerfall

• Entdeckt wurde das Positron 1932 von Anderson. 1932 „brauchte“ Joliot das Positron zur Erklärung gewisser Zerfallsakte künstlich radioaktiver Kerne.

Gammaquanten

• Bei einer Gamma-Emission erhält der Kern einen Rückstoß und damit kinetische Energie, so dass nicht die ganze freiwerdende Energie in das Quant übergeht. Nur wenn der emittierende Kern in ein Kristallgitter eingebaut ist, das als Ganzes die Rückstoßenergie aufnimmt, bleibt dieser Effekt aus und die Gammaquanten haben eine sehr scharfe Energie.

Wer zerfällt und wer bleibt?

Im Einzelfall schwer zu sagen!

Das Zerfallsgesetz

Ein instabiler Kern zerfällt über verschiedene andere instabile Kerne in einen stabilen Kern, so daß eine gesetzmäßige Reihe sich ineinander umwandelnder Kerne entsteht, eine Zerfallsreihe. Am Anfang einer solchen Zerfallsreihe steht ein so genanntes Mutternuklid, das in Tochternuklide zerfällt. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls lautet:

N (t) = N0 e-t

Für die Aktivität A = –(dN/dt) folgt aus dem Zerfallsgesetz

A (t) = N0 e-t = N (t).

Für die Halbwertszeit tH, nach der die Aktivität einer Substanz auf die Hälfte ihres

Anfangswertes gesunken ist, gilt: tH = ln 2 / .

Der Wert der Zerfallskonstante gibt die Wahrscheinlichkeit für den Zerfall eines Atomkerns in einer Sekunde an. Für die Zerfallswahrscheinlichkeit in der Zeit t (t << tH) gilt: p = t.

Wie untersucht man radioaktive Strahlung?

• Woher bekommt man eigentlich die zu untersuchenden Strahlen. Was sind die Quellen?

• Mit welchen experimentellen Aufbauten untersuch man die Strahlen?

Strahlenquellen wie bei den Curies

Protonenquelle

• Ernest Rutherford gelang 1919 der erste Nachweis für die Existenz des Protons.

Neutronenquelle

• James Chadwick entdeckte 1932 das Neutron. Die Mechanismen der Kernbindung und des Kernzerfalls wurden Forschungsschwerpunkte. Dies markiert den Beginn der Kernphysik.

Die Nebelkammer

• Lässt man unmittelbar nach der Expansion in die Kammer Strahlen eintreten, die auf ihrer Bahn Ionen erzeugen, so bilden sich daran Nebeltröpfchen, ehe sich die Ionen durch Diffusion merklich verschieben. Beleuchtet man diese Bahnen von der Seite, so kann man sie vor dem schwarzen Hintergrund fotografieren.

Eine Nebelkammeraufnahme

Das Zählrohr

• Das Metallrohr von wenigen cm Durchmesser ist mit Luft oder Argon von einigen mbar bis zum Atmosphärendruck und mit etwa 10 mbar Alkoholdampf gefüllt. Der Draht ist möglichst dünn und besteht aus Stahl oder Wolfram und ist hochohmig gegen die Erde. Die Spannung ist so eingestellt, dass es noch nicht zu einer selbstständigen

Glimmentladung kommt.

Eine komplette Untersuchung

• Im ersten Schritt lässt man die radioaktiven Strahlen ( alpha und beta ) durch einen Geschwindigkeitsfilter laufen. Dieser besteht im Prinzip aus einem E-Feld und einem dazu senkrecht stehenden B-Feld.

• Anschließend bringt man die Strahlung in den Bereich eines B-Feldes und bestimmt so die spezifische Ladung.

• Dann lenkt man die Strahlung in einen Faraday-Becher , der mit einem empfindlichen Elektrometer verbunden ist.

• Gleichzeitig misst man mit einem Zählrohr oder einem Szintillations-zähler die Anzahl der in den Faraday-Becher einfallenden Teilchen.

• Kombiniert man nun die einzelnen Messergebnisse, so bestimmt man

die Ladung und die Masse von alpha- und beta-Teilchen.

Stop! Da stimmt was nicht?!

• Das Diagramm zeigt die Anzahl der bei einem ß-Zerfall emittierten Elektronen gegen ihre kinetische Energie. Da die Elektronen ein kontinuierliches Energiespektrum besitzen und keine einheitliche kinetische Maximalenergie, postulierte W. Pauli die Existenz eines bisher unbekannten Teilchens, das beim ß-Zerfall auftreten muss. Dieses Teilchen erhielt den Namen Neutrino. Es wurde 1956 experimentell nachgewiesen

Beim alpha-Teilchen ist das anders

Und wozu führt das? 3 Beispiele

Beispiel für eine Kernspaltung

Beispiel für eine Kettenreaktion

Aufnahme einer Schilddrüse

Und in 150 Jahren ?

up charm top Quark down strange bottom

e Lepton e

Generation 1 Generation 2 Generation 3

Das Standartmodell, wird es noch Gültigkeit besitzen?

Ob das dann noch gilt?

• "The standard-model is working too well", "das Standardmodell funktioniert einfach zu gut" (...als dass es falsch sein könnte), dieser Satz von Richard P. Feynman steht symbolisch für die Stärke des Standardmodells. Die vielen experimentell bestätigten Vorhersagen, die damit gemacht wurden und noch gemacht werden, lassen kaum Zweifel an ihm aufkommen. Die meisten Teilchenphysiker halten das Standardmodell für so überzeugend, dass sie glauben, es könnte vielleicht einmal ergänzt oder verbessert werden, aber sicherlich wird es nie völlig verworfen, wie es mit so vielen anderen - vor allem Atommodellen - vorher schon geschehen ist. Das Standardmodell erklärt den Aufbau aller Materie aus nur wenigen elementaren Teilchen.

Also, an die Arbeit!

Denn: Physik macht Spaß!

Auch wenn es manchmal sehr verwirrend ist!

Quellenangaben

• Die Grafiken stammen von Herrn Marcus Broda• Die Abbildungen stammen aus der Zeitschrift Radioaktivität

und Strahlenschutz von Martin Volkmer ISBN 3-925986-06-5 und dürfen zu Unterrichtszwecken vervielfältigt werden. Nur zu diesem Zweck ist diese Präsentation entstanden.

• Sollte mir ein Fehler bei dieser Präsentation unterlaufen sein, bitte ich um eine möglichst schnelle Rückmeldung an Matthias Luft, luftmaut@muenster.de

• Sollte jemand mit meinen Zeichnungen nicht zufrieden sein, so kann er sie ja durch bessere ersetzen.