Isotope und radioaktivität
Isotope und Radioaktivität
Isotope:
Alle Elemente haben, je nach ihrer Ordnungszahl, eine bestimmte Anzahl an p+ und e-. Die Anzahl der n kann bei einem Element aber schwanken. Elemente vom gleichen Typ aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope. Isotope sind zu vergleichen mit Zwillingen, wobei ein Zwilling schwerer ist als der Andere. D.h.
: Isotope unterscheiden sich nur in ihrer Masse, die Kernladunszahl jedoch ist in allen Isotopen gleich.
Je mehr n in einem Atom vorhanden sind, desto stabiler wird es. Ab einer bestimmten Neutronenzahl beginnt es, Strahlung abzugeben. Solche Isotope nennt man Radioisotope.
Wasserstoff gibt es in 3 Isotopen:
Kein Neutron: Wasserstoff (kommt zu 99,985% vor)
Ein Neutron: Deuterium (kommt zu 0,015% vor)
Zwei Neutronen: Tritium (nur als Spur vorhanden)
Die Isotopie ist jedoch nicht auf H beschränkt. Die meisten Elemente in der Natur kommen als Gemische verschiedener Isotope vor.
Sie werden Mischelemente genannt.
Das Element Chlor z.B. besteht aus 2 Isotopen: zu 75,5% aus Cl-35 und zu 24,5% aus Cl-37. Die durchschnittliche Atommasse ergibt sich aus den prozentuellen Anteilen der beiden Chlor- Isotope (35,453). Ein weiteres Beispiel: Kohlenstoff.
C-12 (98,89%), C-13 (1,11%) und Spuren von C-14. (Atommasse: 12,011)
Es gibt nur wenige natürliche Elemente, die aus einem einzigen Nuklid bestehen. Diese werden Reinelemente genannt (z.B.: Na-23, Al-27 und P-31).
Radioaktivität:
1896: Henri Becquerel (franz.
) entdeckt, dass Uranerze unsichtbare Strahlung aussenden. Diese Strahlen schwärzen Photoplatten sogar durch die Verpackung hindurch. Marie Curie gab diesem Phänomen den Namen „Radioaktivität“. Sie war die Erste, die strahlende Elemente wie Polonium und Radium isolieren konnte.
Rutherford und Soddy kamen 1903 bei der Untersuchung von Salzen des Elementes Thorium zu der Erkenntnis: Atome bestimmter Elemente werden unter Aussendung von radioaktiver Strahlung zu Atomen anderer Elemente.
Strahlungsarten:
Alpha-Strahlung: Manche Atome haben zu viele Kernbausteine.
Sie werfen diese in einem "Paket" ab. Dieses "Paket" besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, also einem Heliumkern. Man nennt sie Alphateilchen. Wandelt sich ein Atom unter Abgabe von Alpha-Teilchen um, so verringert sich seine Masse um 4 (4 Teilchen) und seine Ordungszahl um 2 (2 Protonen).
Beta-Strahlung: Es gibt zwei Arten der Beta-Strahlung. Die Beta-+, und die Beta--strahlung.
Beim Beta--Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um. Das Proton bleibt im Kern und das Elektron wird herausgeschleudert. Die Massezahl verändert sich nicht, da ein Neutron zu einem Proton umgebaut wird. Die Ordnungszahl ändert sich um 1 (+1 Proton).
Es gibt noch eine weitere Art der Beta-Strahlung. Wenn Antimaterie mit Materie in Berührung kommt, zerstrahlen beide zu Energie.
Hier interessiert nur das Anti-Elektron. Es ist genauso schwer wie ein Elektron, aber positiv geladen. Man nennt das Anti-Elektron deshalb auch Positron. Bei der Beta+-Strahlung wandelt sich ein Proton in ein Neutron und ein Positron um. Das Positron wird aus dem Kern geschleudert, das Neutron bleibt im Kern. Die Masse bleibt wieder gleich, die Ordnungszahl vermindert sich um 1 (-1 Proton).
Gamma-Strahlung: Jedes Atom ist bemüht, seine Kernbausteine so anzuordnen, daß der Kern am energieärmsten ist. Man nennt diesen Zustand Grundzustand. Alle anderen Anordnungen der Kernbausteine sind energiereicher, also angeregt. Geht nun ein Atom von einem angeregten in den Grundzustand über, gibt es Gamma-Strahlung ab. Weder Ordnungszahl, noch Massezahl verändern sich. Gamma-Strahlung tritt meist mit anderen Strahlungen auf.
Neutronenstrahlung: Bei der Spaltung von Atomen, egal ob künstlich oder natürlich, werden Neutronen frei. In welche Atome ein Radioisotop zerfällt, kann nicht vorausgesagt werden. Die Protonenzahl bleibt gleich, die Massezahl vermindert sich um 1 oder mehr (abhängig von der Menge der abgestrahlten Neutronen).
Röntgen-Strahlung: Alpha-, Beta- und Neutronenstrahlung bestehen aus Korpuskeln (d.h. sie haben eine Masse).
Röntgen- und Gamma-Strahlung sind elektromagnetische Wellen, die sich unabhängig von Materie oder Anti-Materie mit Lichtgeschwindigkeit (300000 km/s) ausbreiten. Licht und Radiowellen sind z.B. elektromagnetische Wellen. Die Wellen sind um so energiereicher, je größer ihre Frequenz ist.
Ein Atom besteht aus einem Kern und den Schalen.
Elektronen sind, je näher sie sich am Kern befinden, immer energieärmer. Will man ein Elektron auf eine höhere Bahn befördern, muß man ihm eine bestimmte Menge Energie zuführen. Umgekehrt gibt ein Elektron Energie ab, wenn es auf eine niedrigere Schale fällt, und das in Form von elektromagnetischen Wellen. Solch eine Energiemenge wird in der Physik auch Quant genannt. Es gibt nun Atomkerne, die sich aus den Schalen Elektronen einfangen. Diese wandeln sich mit einem Proton zu einem Neutron um.
Die Massezahl bleibt erhalten, die Ordnungszahl vermindert sich um 1 (-1 Proton). In einer Elektronenschale bildet sich aber jetzt eine Lücke, in die ein Elektron einer höheren Schale einspringt. Es gibt dabei ein bestimmtes Quantum Energie frei: die Röntgenstrahlung.
Radioaktive Zerfallsreihen: Radioisotope zerfallen solange, bis sie einen stabilen Zustand erreicht haben.
Zum großen Teil sind die bei einem radioaktiven Zerfall entstehenden Isotope wieder radioaktiv, so daß eine Zerfallskette zustande kommt. Die Zerfallsreihe endet immer mit einem stabilen Element.
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