Frage von Questiones, 49

Kernenergie und Radioaktivität in bezug auf die bausteine des atoms?

Ich muss bald ein referat zum obwn genannten thema halten und habe bisher einfach NICHTS gefunden.
wenn mir jmd hier helfen kann oder eine seite weiss wo ich was finde würde ich mich sehr freuen.
Lg Questiones

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 9

Die Bausteine des Atomkerns heißen mit Oberbegriff Nukleonen.
Es gibt zwei Arten von Nukleonen, Protonen und Neutronen. Beide haben ungefähr dieselbe Masse, das Neutron etwas mehr.
Nukleonen galten früher als Elementarteilchen, doch ist schnell klar geworden, dass sie eine innere Struktur besitzen, nämlich aus den sogenannten Quarks bestehen, die durch die Starke Wechselwirkung zusammengehalten werden.
Ein Ausläufer der Starken Wechselwirkung, die sogenannte Kernkraft, hält denn auch die Nukleonen im Kern zusammen, und zwar gegen die elektrische Abstoßung der Protonen. Das ist möglich, weil die Kernkraft eine sehr kurze Reichweite hat. Die definiert übrigens auch die eigenen Ausdehnung des Protons, die in der Größenordnung von 10^{-15} Metern liegt ( zum Vergleich: ein typischer Atomdurchmesser liegt in der Größenordnung von 10^{-10} Metern ).

Schon das Neutron ist im isolierten Zustand nicht stabil. Es ist etwas schwerer als das Proton und neigt dazu, sich unter Emission eines Elektrons - dann auch β- Teilchen genannt - und eines Antineutrinos in eines zu verwandeln.
Ähnliches geschieht auch mit Neutronen im Atomkern mit Neutronenüberschuss. Der Vorgang heißt Betazerfall.

Fortsetzung folgt…

Kommentar von Questiones ,

Dankeschöööön

Kommentar von SlowPhil ,

Gern geschehen. Geht aber noch weiter.

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 2

Fortsetzung:

Die Anziehungskraft unter den Nukleonen führt zu einer Bindungsenergie. Die ist natürlich negativ, d.h. es ist erforderlich, Energie aufzuwenden, wenn man die Nukleonen voneinander trennen will. Entscheidend dafür, welche Prozesse im Atomkern unterm Strich Energie freisetzen (exergonisch) und welche Energie erfordern (endergonisch), ist die Bindungsenergie pro Nukleon, die vom Wasserstoff zu Eisen hin immer tiefer wird und darüber hinaus wieder weniger tief ist. Schwerere Elemente als Eisen entstehen daher ausschließlich in einer Umgebung, wo die Energiedichte enorm hoch ist und daher endergonische Prozesse »freiwillig« ablaufen.

So entstehen u.a. auch Nuklide, bei denen ein in sich sehr stabiler Teil des Kerns aus zwei Protonen und zwei Neutronen eine gewisse Wahrscheinlichkeit besitzt, sich außerhalb des Kerns zu befinden und von den Coulombkräften fortgeschleudert zu werden. Dieser Vorgang heißt Alpha-Zerfall. Oft wird dabei auch »Licht« frei, genauer gesagt, Gammastrahlung, da die entstehenden Kerne in einem angeregten Zustand sind und sich »setzen« müssen. Anhand des Gammaspektrums kann man oft Radionuklide identifizieren.

Natürlich wird schon dabei eine Menge Energie frei, viel mehr allerdings bei der Spaltung solch schwerer Atomkerne durch Neutroneneinfang. Dazu benötigt man vorzugsweise sog. thermische Neutronen, also solche, deren
Geschwindigkeitsprofil der der thermischen Bewegung der Teilchen
entspricht. Sie lagern sich an geeignete Atomkerne an und bringen sie in
einen derart angeregten Zustand, dass Kernspaltung stattfindet und
mehrere weitere Neutronen freisetzt. Es entwickelt sich eine Kettenreaktion (Modellvorstellung s. hier:

),  die sich selbst aufrechterhält, sodass man nicht viel Aktivierungsenergie hineinpumpen muss. Dafür muss man den Vorgang in einem Kraftwerk, wo sie ja gleichmäßig und langsam ablaufen soll, unter Kontrolle halten.

In der Bombe wird das Prinzip hingegen ohne Kontrolle bewusst dazu eingesetzt, möglichst viele Reaktionen dieser Art in möglichst kurzer Zeit ablaufen zu lassen.

Noch mehr Energie pro Nukleon, aber ohne die Chance, eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion wie bei der Kernspaltung daraus zu machen, liefert die Fusion der leichtesten Atomkerne, besonders Wasserstoff. Dieses Prinzip findet auch in der Sonne Anwendung, ist aber auf der Erde mit nennenswerter Netto-Energiefreisetzung nur in Form der Wasserstoffbombe realisiert worden. Diese wird durch eine vorausgehende Kernspaltungsreaktion ermöglicht, die die erforderlichen Energiedichten liefert. Die stärkste Bombe, die nach diesem Prinzip funktionierte, wurde vom späteren sowjetischen Friedensaktivisten und -nobelpreisträger Andrej Sacharow konstruiert und setzte bei ihrer Detonation  am 30.10.1961 etwa 3000 mal mehr Energie auf einen Schlag frei als die allererste je getestete nukleare Bombe rund 16 Jahre zuvor.

Man forscht gegenwärtig an Kernfusionsreaktoren. Sie würden sehr viele Energie- und Sicherheitsprobleme auf einen Schlag lösen, weil die Reaktion so viel Energie liefert und sich im Unterschied zur Kernspaltung nicht selbst aufrechterhält, sodass ein Unfall à la Tschernobyl damit nicht drohte.

Antwort
von obsr2016, 12

Radioaktivität ist natürlich ein breit gefächerter Bereich. Bei der Gewinnung von Kernenergie (eigentlich Umwandlung, denn Energie kann nicht erzeugt werden) in einem Akw wird das in den Brennstäben enthaltene hoch235 tief92 Uran von einem Neutron mit hoher Geschwindigkeit und Durchschlagskraft getroffen. Das spaltet das Uran in hoch139 tief56 Barium und hoch95 tief36 Krypton. Dabei werden zwei Neutronen frei, die weitere Uraniumkerne spalten. Dabei werden wieder zwei Neutronen frei usw. Die Kernspaltung ist also eine Kettenreaktion. Unten auf dem Bild ist links das Uraniumisotop 235 | 92, rechts oben das Bariumisotop 139 | 56 und rechts unten das Kryptonisotop 95 | 36. Hier einiges zur Kernspaltung: https://de.m.wikipedia.org/wiki/Kernspaltung

Kommentar von obsr2016 ,

Leider sind die Elementsymbole U, Ba und Kr auf dem Bild nicht ordentlich zu sehen.

Kommentar von Questiones ,

Danke danke danke danke danke danke danke :)))

Kommentar von obsr2016 ,

Kein Problem.

Antwort
von Fordfahrer123, 15

Die radioaktiven Atome geben schon von sich aus ein wenig Energie in Form von Radiostrahlung ab. Nur bei denen lohnt sich die Kernspaltung, dabei werden Neutronen auf das Atom geschossen, so daß dieses "gespalten" wird. Da dabei ein klein wenig Masse verloren geht, entsteht Energie, weil Masse im Grunde aus Energie besteht (ganz einfach ausgedrückt), also e = mc².

Die neu entstandenen Atome sind im Periodensystem niedriger angesiedelt und bestehen aus weniger Protonen und Neutronen.

Man könnte auch ein Heliumatom in zwei Wasserstoffatome spalten, aber das würde mehr Energie kosten als es einbringt. Aber das weiß ein Physiker sicher besser zu erklären.

War jetzt etwas laienhaft aber vom Prinzip her ist es so ;)

Kommentar von Questiones ,

Ooooohhhh dankeeeee :)))) du rettest mich

Kommentar von SlowPhil ,

Radiostrahlung ist langwellige, d.h. sehr niederfrequente elektromagnetische Strahlung. Die wird nicht bei Radioaktivität frei, sondern z. B. durch Dipolantennen. Bei Radioaktivität werden Materieteilchen (α- oder β-Teilchen) oder/und hochfrequente elektromagnetische Strahlung (γ-Strahlung) freigesetzt und der Atomkern verändert sich dabei.

Antwort
von obsr2016, 17

Was möchtest du denn genau wissen? Wie Kernspaltung funktioniert?

Kommentar von Questiones ,

Ja ich wusste nichtmal dass das dann Kernspaltung ist aber ja wäre ganz nett ^^

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