Arbeitsblatt: Radioaktivität

Material-Details

Einführung natürlich Radioaktivität, mit Arbeitsbogen und Folien
Chemie
Anderes Thema
11. Schuljahr
7 Seiten

Statistik

3836
1721
32
19.01.2007

Autor/in

Naëmi Würtz

Berlin

Land: Deutschland
Registriert vor 2006

Downloads Arbeitsblätter / Lösungen / Zusatzmaterial

Die Download-Funktion steht nur registrierten, eingeloggten Benutzern/Benutzerinnen zur Verfügung.

Textauszüge aus dem Inhalt:

Lise-Meitner-Schule OSZ für Chemie, Physik und Biologie Radioaktivität Im Jahre 1896 entdeckte H. BECQUEREL, dass von Uranmineralien dauernd unsichtbare Strahlen ausgehen, die in der Lage sind, fotografische Platten durch schwarzes Papier hindurch zu schwärzen, die Luft zu ionisieren, ein elektrisch aufgeladenes Elektroskop zu entladen und sogar dünne Bleche z. B. aus Aluminium zu durchdringen. Die Natur dieser Strahlung konnte von H. BECQUEREL nicht geklärt werden. Radioaktivität. Das Ehepaar M. und P. CURIE fand 1898 bei der Untersuchung von Uranpechblende zwei neue Elemente, das Polonium und das Radium (Aus 2t Uranerz konnten 0,1 Radiumchlorid gewonnen werden!), welche noch viel stärker als Uran Strahlen aussenden. Die Eigenschaft von Stoffen, Strahlen auszusenden, bezeichnete M. CURIE als Radioaktivität (von lat. radius, Strahl). Zwei Jahre später stellte E. RUTHERFORD fest, dass die von radioaktiven Stoffen ausgehende Strahlung nicht einheitlich ist. Die Ablenkung der Strahlung in einem magnetischen oder elektrischen Feld zeigt, dass sie aus drei Strahlenarten besteht: -, ß-- und Strahlen. Genauere Untersuchungen ergaben schließlich, dass es sich bei den Strahlen um Heliumatomkerne (24He2_ Ionen), bei den ß--Strahlen um Elektronen (e-) und bei den -Strahlen um elektromagnetische Wellen sehr kleiner Wellenlängen (0,01 bis 10pm) handelt. Da sich elektromagnetische Wellen in vielen Fällen wie Teilchenstrahlen (Photonenstrahlen) verhalten, spricht man auch von -Quanten. -Strahlen haben wegen der starken Wechselwirkung mit anderen Atomen in Luft nur eine Reichweite von einigen Zentimetern und werden bereits durch Papier abgeschirmt. ß--Strahlen besitzen in Luft eine Reichweite von einigen Metern und werden durch Aluminium von wenigen Millimetern Stärke zurückgehalten. -Strahlen durchdringen noch Blei von einigen Zentimetern Dicke. Für -Strahlen kann man keine maximale Reichweite angeben. Nachweisverfahren für -, ß-- und Strahlen. Die Verfahren zur Identifizierung und quantitativen Bestimmung der verschiedenen Strahlenarten beruhen auf der Wechselwirkung der Strahlen mit Materie, insbesondere auf der ionisierenden Wirkung der Strahlen. Die energiereichen -Strahlen wirken besonders stark ionisierend, während die lonisation bei ß-und -Strahlen wesentlich geringer ist. Abb.1: Ablenkung der von einem radioaktiven Stoff ausgesandten Strahlen in einem elektrischen Feld (Aufsicht) Lise-Meitner-Schule OSZ für Chemie, Physik und Biologie Radioaktivität Bei der Untersuchung natürlicher radioaktiver Elemente stellte man fest, dass in den Proben neue Elemente auftraten. Dies ist nur erklärbar, wenn bei der Aussendung von Strahlen die Atomkerne der Ausgangselemente verändert werden. Dafür spricht auch das Auftreten der aus Nukleonen zusammengesetzten Heliumionen (-Strahlen). Arten des natürlichen radioaktiven Zerfalls. Die natürliche Radioaktivität ist auf den Zerfall instabiler Atomkerne zurückzuführen. Atomkerne bzw. Atome, die spontan ohne äußere Einwirkung unter Strahlenemission zerfallen, bezeichnet man als Radionuklide. Beispiel: 84210 Po 82206 Pb2- 24He 2 Die Teilchen entstehen zunächst als Ionen. Unmittelbar nach der Emission zieht das Heliumkation Hüllenelektronen von anderen Atomen aus der Umgebung, die dadurch zu Kationen werden, an und wird so zu einem Heliumatom. An die gebildeten Kationen gibt das Bleianion seine Elektronen ab und wird zu einem Bleiatom. Kernchemische Gleichungen werden daher wie in dem nachfolgenden Beispiel ohne Ladungsangaben 238 geschrieben. Symbole wie 92 kennzeichnen also stets den betreffenden Atomkern. Beispiele: 92238U 90234Th 24He Die Atomhülle ist bei den radioaktiven Zerfallsprozessen primär nicht beteiligt. Die Emission von - und ß-Strahlen wird weder durch Temperaturoder Druckänderungen noch durch den Bindungszustand der Atome beeinflusst. Bei den in der Natur vorkommenden radioaktiven Elementen treten hauptsächlich zwei Arten des radioaktiven Zerfalls auf: -Zerfall und ß--Zerfall. Beim -Zerfall wird aus dem Kern eines radioaktiven Atoms, dem Mutternuklid, ein Heliumatomkern (-Teilchen, 24He 2) herausgeschleudert (Abb. 2). Unter Rückstoß entsteht ein neuer Atomkern, das Tochternuklid, das eine um zwei verkleinerte Protonenzahl und eine um vier verkleinerte Nukleonenzahl besitzt. Die von zahlreichen Kernen derselben Atomart ausgesandten Heliumatomkerne bilden die -Strahlen. Die Anfangsgeschwindigkeit der -Teilchen beträgt etwa 15000km/s (5% der Lichtgeschwindigkeit) bei einer durchschnittlichen Energie von 5 MeV. Teilchen derselben Zerfallsreaktion besitzen immer die gleiche Energie. Abb.2: -Zerfall: Emission eines Heliumatomkerns. Lise-Meitner-Schule OSZ für Chemie, Physik und Biologie Radioaktivität Beim ß--Zerfall wird aus dem Kern eines radioaktiven Atoms ein Elektron (-Teilchen, e-) herausgeschleudert, das durch Umwandlung eines Neutrons in ein Proton entsteht (Abb.3). Der neue Atomkern hat eine um eins größere Protonenzahl und eine gegenüber dem Ausgangskern unveränderte Nukleonenzahl. Die von zahlreichen Kernen derselben Atomart ausgesandten Elektronen bilden die ß--Strahlen. Im Gegensatz zu den Teilchen besitzen die Elektronen der ß-Strahlen unterschiedliche Energien (0,02 MeV bis 1 MeV) und Geschwindigkeiten zwischen null und nahezu Lichtgeschwindigkeit. Beispiele: 227 89 Ac 90227Th e- Abb.3: --Zerfall: Emission eines Elektrons (Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron). Für die beiden radioaktiven Zerfallsarten gelten die von K. FAJANS und F. SODDY 1913 aufgestellten radioaktiven Verschiebungssätze. Radioaktive Verschiebungsgesetze: a) Wenn ein Radionuklid ein -Teilchen aussendet, entsteht das Nuklid eines neuen Elements, das im PSE zwei Stellen vor dem Ausgangselement steht. b) Wenn ein Radionuklid ein ß--Teilchen aussendet, entsteht das Nuklid eines neuen Elements, das im PSE eine Stelle hinter dem Ausgangselement steht. Lise-Meitner-Schule OSZ für Chemie, Physik und Biologie Radioaktivität Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls. Bei den radioaktiven Zerfallsprozessen wandeln sich die Atomkerne völlig unabhängig voneinander um. Es ist unmöglich, den Zeitpunkt des Zerfalls für einen einzelnen Atomkern vorauszusagen. Für eine große Anzahl von instabilen Atomkernen können jedoch Aussagen darüber gemacht werden, welcher Anteil der vorhandenen Atomkerne in einer bestimmten Zeit zerfällt. Eine messbare Größe für die Abnahme der Anzahl der instabilen Atomkerne in einer radioaktiven Stoffportion ist die Aktivität A. Darunter versteht man den Quotienten aus der Anzahl NZ der Kernzerfälle und dem Zeitintervall t, in dem diese Zerfälle erfolgen. NZ t bzw. lim NZ t dNZ dt t0 (Einheit: 1 Bq (Bequerel) 1 s-1) Ist N(0) die Anzahl der zu Beginn einer Zählung (t 0 s) vorhandenen instabilen Atomkerne, so bedeutet N(t) N(0) NZ die Anzahl der zur Zeit noch vorhandenen instabilen Atomkerne. Die Aktivität kann damit auch als die Abnahme -dN(t) dieser Anzahl, bezogen auf die zugehörige Zeit dt geschrieben werden: dN/dt ist proportional zum Funktionswert selbst. Diese Bedingung wird erfüllt von der Funktion: N(t) N(0) e- t Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls Da die Aktivität proportional zur Anzahl ist, klingt auch die Aktivität exponentiell ab. heißt Zerfallskonstante (Einheit: 1 s-1) und hat für jedes Radionuklid einen charakteristischen Wert. Diese Werte müssen stets experimentell bestimmt werden. In Abb. 4 ist das Zerfallsgesetz grafisch dargestellt. Von einem bestimmten Radionuklid zerfällt in jeder Zeiteinheit ein gleich bleibender Bruchteil der jeweils noch vorhandenen Atomkerne. Unter der Halbwertszeit T versteht man die Zeit, in der die Hälfte einer vorliegenden Anzahl von radioaktiven Atomkernen zerfallen ist. Es gilt: T ln2 Die Halbwertszeit eines Radionuklids ist vom Alter einer vorliegenden Stoffportion sowie vom physikalischen und chemischen Zustand des Radionuklids unabhängig und wird meist anstelle der Zerfallskonstante zur Kennzeichnung des Radionuklids verwendet. dNZ dt - dN(t) dt Es ist plausibel anzunehmen, dass die Aktivität einer radioaktiven Stoffportion proportional zur Anzahl N(t) der darin enthaltenen instabilen Kerne ist: dN(t) dt N(t) Diese Gleichung beschreibt eine Eigenschaft derjenigen Funktionen N(t), welche die Abhängigkeit der Anzahl von der Zeit ausdrückt: Die Ableitung Abb.4: Grafische Darstellung des Grundgesetzes für den radioaktiven Zerfall. Lise-Meitner-Schule OSZ für Chemie, Physik und Biologie Radioaktivität Ablenkung der von einem radioaktiven Stoff ausgesandten Strahlen in einem elektrischen Feld (Aufsicht) Grafische Darstellung des Grundgesetzes für den radioaktiven Zerfall. Lise-Meitner-Schule OSZ für Chemie, Physik und Biologie Radioaktivität -Zerfall: Emission eines Heliumatomkerns. --Zerfall: Emission eines Elektrons (Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron). Lise-Meitner-Schule OSZ für Chemie, Physik und Biologie Radioaktivität Aufgaben 1. Stellen Sie eine allgemeingültige Reaktionsgleichung für den - und --Zerfall auf. -Zerfall: --Zerfall: 2. Formulieren Sie die kernchemischen Gleichungen für den -Zerfall von 83212Bi, 224 232 Th, 92235U und den --Zerfall von 3685Kr, 53131I, 83212Bi und 94241Pu. 88 Ra, 90 3. Die Halbwertszeit des Radionuklids 86222Rn beträgt 3,8 d. Nach welcher Zeit sind 75% der Atome in einer Probe 86222Rn zerfallen? 4. Eine Probe eines radioaktiven Nuklids ergibt 2500 Impulse/min und 15 Minuten später 2400 Impulse/min. Wie groß ist die Halbwertszeit des Nuklids. 5. Warum hat eine radioaktive Substanz immer eine höhere Temperatur als die in der Nähe befindlichen nicht radioaktiven Substanzen?