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Kernphysik

Frage

Wodurch können Atome angeregt werden?

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Antwort

Atome können durch Stöße mit Photonen, Elektronen oder Atomen angeregt werden

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Frage

Was gilt bei der Anregung von Atomen durch Stöße?

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Antwort

  • Eine Anregung mit Photonen ist nur möglich, wenn die Photonenenergie exakt einer charakteristischen Anregungsenergie ΔE des Atoms entspricht. 
  • Eine Anregung mit Teilchen (Elektronen, Atomen) ist auch möglich, wenn die kinetische Energie des stoßenden Teilchens größer als ΔE ist. Der Überschuss verbleibt dem stoßenden Teilchen als kinetische Energie.
  • Bei Bestrahlung eines Atoms mit Licht aus einem kontinuierlichen Spektralbereich (Schwarzkörperstrahlung) werden die für dieses Atom charakteristischen Energien absorbiert. Man erhält das Absorptionsspektrum des Atoms
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Frage

Was passiert mit einem angeregten Atom?

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Antwort

  • Ein angeregtes Atom verharrt kurz im angeregten Zustand und kehrt dann unter Abgabe eines Photons der Energie ΔE = h ⋅ f in den Ausgangszustand zurück. Die Gesamtheit des emittierten Lichts bildet das Emissionsspektrum des Atoms. 
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Frage

Was sind Absorptions- und Emissionsspektren?

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Antwort

  • Absorptions- und Emissionsspektren sind Linienspektren: Die Frequenz- / Energieverteilung der absorbierten bzw. emittierten Photonen ist diskret. Trägt man die Intensität des Lichts gegen die Frequenz auf, erscheinen diese Photonen als Peaks (Emissionsspektrum) bzw. als schwarze Linien (Absorptionsspektrum, z. B. Fraunhoferlinien).
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Frage

Wie heißt die grafische Auftragung der Energiezustände?

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Antwort

Energieniveauschema

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Frage

Was ist das Ziel eines Atommodells?

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Antwort

Theoretische Begründung zentraler, empirisch festgestellter Atomeigenschaften

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Frage

Was ist ein Atom? 

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„Atome“ sind die kleinsten, mit chemischen Mitteln nicht mehr teilbaren Bausteine der Materie.

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Frage

Woraus bestand das Dalton Atommodell?

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  • Jedes chemische Element besteht aus Atomen. 
  • Alle Atome eines bestimmten chemischen Elements haben untereinander die gleiche Masse und Größe.
  • Masse und Größe der Atome zweier verschiedener Elemente unterscheiden sich in charakteristischer Weise voneinander.
  • Die Atome gleicher oder verschiedener chemischer Elemente können sich zu Verbindungen zusammenlagern.
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Frage

Bewerte das Atommodell von Dalton (1808)

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Positiv: Verständnis chemischer Reaktionen (Gesetze der Massenerhaltung, Gesetze der konstanten und der multiplen Proportionen)


Negativ: keine ausreichende Erklärung physikalischer (speziell: elektrischer und magnetischer) Eigenschaften

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Frage

Bewerte das Atommodell von Thomson

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Antwort

Positiv: Erklärung grundlegender elektrischer Eigenschaften der Materie


Negativ:  Widerlegung der angenommenen Homogenität durch Lenards Streuversuch (Elektronen werden durch Materie viel weniger absorbiert als nach Thomson-Modell erwartet.) Widerlegung der angenommenen Homogenität durch Lenards Streuversuch (Elektronen werden durch Materie viel weniger absorbiert als nach Thomson-Modell erwartet.)

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Frage

Bewerte das Atommodell von Rutherford

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Positiv: 

  • Erklärung der Ergebnisse von Streuversuchen
  • Identifizierung der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente als Kernladungszahl


Negativ: 

  • Atome sind instabil kreisende Elektronen e– = beschleunigte Ladungen
    → Abstrahlung elektromagnetischer Energie
    → e– stürzen auf Spiralbahnen in den Kern.
  • Linienspektren der Atome sind nicht erklärbar (wenn e– spiralig in den Kern stürzen, müssten Atome Licht kontinuierlich abnehmender Wellenlänge aussenden).
  • Für den Elektronenbahnradius erlaubt das Modell beliebige Werte.
    → Widerspruch zur Erfahrungstatsache, dass alle Atome eines chemischen Elements gleichen Hüllenradius besitzen
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Frage

Woraus bestand das Bohr'sche Atommodell (1913)?

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Antwort

  • Der positiv geladene Atomkern wird von Elektronen auf diskreten konzentrischen Kreisbahnen („Schalen“) ohne Abgabe von Energie, also strahlungsfrei, umrundet.
  • Beim Übergang der Elektronen zwischen zwei Bahnen (Schalen) wird elektromagnetische Strahlung absorbiert bzw. emittiert.
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Frage

Was sind die Vorzüge des Bohr'schen Atommodells?

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Antwort

  • Es erklärt alle Emissions- und Absorptionsvorgänge richtig als Energieänderungen der Hüllelektronen.
  • Es lassen sich damit die Serienformel und somit die Energiestufen des Wasserstoffemissionsspektrums theoretisch herleiten.
  • Die Rydbergkonstante R und die Ionisierungsenergie E(ion) = R * h *c  des H-Atoms lassen sich durch Naturkonstanten ausdrücken. 
  • Der Durchmesser 2r des H-Atoms wird größenordnungsmäßig richtig bestimmt.
  • Die Spektren wasserstoffähnlicher Atome und Ionen lassen sich damit relativ genau berechnen.
  • Das Moseley-Gesetz lässt sich damit theoretisch herleiten.
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Frage

Was sind Mängel des Bohr'schen Atommodells?

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Antwort

  • Die Bohr’schen Postulate sind im Rahmen der klassischen Physik unverständlich und erscheinen willkürlich.
  • Die Bohr’sche Theorie führt zu Widersprüchen, wenn man sie auf Mehrelektronensysteme anwendet
  • Die Gestalt des Wasserstoffatoms ist im Bohr’schen Modell eine Scheibe, keine Kugel.
  • Das Bohr’sche Modell kann keine Aussagen über die Intensität oder die Polarisation der vom Wasserstoffatom emittierten Strahlung machen.
  • Das Bohr’sche Modell liefert die magnetischen Eigenschaften der Atome nicht richtig.
  • Der klassische Begriff „Bahn“ setzt eine genaue Kenntnis des Ortes (also Δx = 0) und eine genaue Kenntnis des Impulses (also Δpx = 0) zur gleichen Zeit voraus. Dies widerspricht der Heisenberg’schen Unschärferelation
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Frage

Bewerte das Bohr'sche Atommodell

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Antwort

Erstes „quantisiertes“ Atommodell, das wesentliche experimentell gefundene Eigenschaften des Wasserstoffatoms und wasserstoffähnlicher Atome qualitativ und teilweise quantitativ erklärt. Eine allgemeingültige Beschreibung des Atombaus gelingt damit nicht.

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Frage

Bewerte das Modell des eindimensionellen Potenzialtopfs

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Antwort

Das stark vereinfachte Modell des eindimensionalen Potenzialtopfs beschreibt die Quantensprünge zwar prinzipiell richtig; die Abhängigkeit der Energie von der Quantenzahl ( E~n²) stimmt aber nicht mit dem experimentell bestimmten Zusammenhang für das Wasserstoffatom (E~1/n²) überein.


Grund: Potenzialverläufe unterscheiden sich zu stark (Kastenpotenzial <-> Coulomb-Potenzial)

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Frage

Was sind Mehrelektronensysteme?

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Antwort

Atom mit mindestens 2 Hüllelektronen

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Frage

Was sind die 4 Quantenzahlen zur Beschreibung von Mehrelektronensystemen?

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Antwort

4 Quantenzahlen: n, l , m und die Spinquantenzahl s (kann nur die Werte 1 + 2 und 1 − 2 annehmen)

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Frage

Was ist das Pauli-Prinzip (Ausschließungsprinzip)?

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Antwort

In einem Atom dürfen keine zwei Hüllelektronen in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen.

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Frage

Was ist die Folgerung des Pauli-Prinzips?

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Antwort

Die maximale Zahl z der Elektronen, die alle Zustände zur gleichen Hauptquantenzahl n besetzen können, beträgt z = 2n²

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Frage

Beschreibe den Aufbau des Periodensystems der Elemente

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Ordnungsprinzip Kernladungszahl Z: Atomorbitale (n;m) werden von „links oben“ nach „rechts unten“ unter Berücksichtigung des Pauli-Prinzips aufgefüllt (Z und damit Zahl der Hüllelektronen steigt an)

  • Periode → „Elektronenschale“ zur Hauptquantenzahl n → 2n² Elektronen in n-ter Periode 
  • Gruppe → gleicher Besetzungsgrad bestimmter Schalen; Hauptgruppe: äußerste Schale (Valenzelektronen) Nebengruppen: innere Schalen
    → Zahl der Valenzelektronen bestimmt Chemie (Elemente einer Gruppe verhalten sich chemisch ähnlich)
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Frage

Beschreibe das Röntgenemissionsspektrum

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Kontinuierliches Spektrum:

  • Bremsspektrum, das durch Abbremsen der Glühelektronen beim Auftreffen auf die Anode entsteht
  • Die kurzwellige Grenze des Spektrums ist durch die maximale Elektronenenergie und damit durch die Größe der Beschleunigungsspannung bestimmt.

Linienspektrum:

  • dem Bremsspektrum überlagert; entsteht durch Anregung der Atome des Anodenmaterials
  • charakteristisch für das Anodenmaterial
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Frage

Was lässt sich mithilfe des Moseley-Gesetzes identifizieren?

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Mithilfe des Moseley-Gesetzes lässt sich ein Material über seine Kernladungszahl identifizieren.


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Was passiert, wenn Kochsalz (NaCl) in eine nicht leuchtende Bunsenflamme gebracht wird?


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Von der Flamme geht gelbes Licht der Wellenlänge λ = 589 nm aus

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Frage

Wieso geht von der Flamme ein gelbes Licht der Wellenlänge 

λ = 589 aus, wenn Kochsalz (NaCl) in eine nicht leuchtende Bunsenflamme gebracht wird?

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  • Dissoziation der NaCl-Moleküle → große Zahl von Na-Atomen
    hoher kinetischer Energie in der Bunsenflamme
  • Stoßanregung anderer Na-Atome
  • Rückkehr der angeregten Atome in den Grundzustand → Emission von Photonen der Energie Δ E = (h*c) / λ mit λ = 589 nm (Na-D-Linie)
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Frage

Was passiert, wenn ein Gefäß mit Natriumdampf zwischen einer Lichtquelle (Fall 1: Natriumdampflampe; Fall 2: Quecksilberdampflampe) und einem Schirm postiert und vom jeweiligen Licht durchleuchtet wird? Wieso?

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Antwort

Im Fall 1 zeichnet sich die Na-Dampfwolke in Durchstrahlrichtung als Schatten auf dem Schirm ab, seitlich tritt gelbes Licht aus. Im Fall 2 treten beide Effekte nicht auf.


  • Atome des Na-Dampfs werden nur durch Photonen passender Energie (Licht der Na-Dampflampe) angeregt → absorbiertes Licht fehlt in Durchstrahlrichtung
  • Rückkehr in den Grundzustand führt zur Abstrahlung Licht gleicher Frequenz (gelbe Na-D-Linie) in alle Richtungen (Intensität in Durchstrahlrichtung geschwächt): Resonanzfluoreszenz 
    → Schatten auf Schirm, gelbes Leuchten
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Frage

Was sind besondere Eigeschaften des Laserlichts?

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Antwort

  • Große Kohärenz: Lichtwellen besitzen konstante Phasendifferenz. 
  • Enger Frequenzbereich: „monochromatisches“ Licht
  • Parallelität: Minimaler Öffnungswinkel des Laserstrahls
  • Große Energiedichte: starke Bündelung → hohe Strahlintensität
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Was ist der Rutherford'sche Streuversuch?

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Antwort

α-Strahlung trifft senkrecht auf eine dünne Goldfolie. Mit einem Detektor hinter der Folie wird die Richtungsverteilung der gestreuten α-Teilchen gemessen.

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Frage

Welche Beobachtungen lassen sich während dem Rutherford’schen Streuversuch machen?

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Antwort

  • Die meisten α-Teilchen passieren die Folie unabgelenkt. 
  • Die abgelenkten α-Teilchen weisen Streuwinkel bis zu 180° und praktisch keinen Energieverlust (elastische Streuung) auf.
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Frage

Zu welchen Folgerungen führt der Rutherford’sche Streuversuch?

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Antwort

  • Materie im Atom nicht gleichverteilt; vielmehr existieren große Zwischenräume zwischen den Ladungen 
  • Eng begrenztes Streuzentrum mit positiver Ladung (wegen Abstoßung) und mit großer Masse (da elastische Streuung)
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Frage

Was ist das Ergebnis des Rutherford’schen Streuversuchs?

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Antwort

Atom besteht aus massivem, positiv geladenem Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle aus Elektronen

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Frage

Was sind fundamentale Elementarteilchen?

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Quarks (q) und Leptonen sowie deren Antiteilchen (Antiquark: q)

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Frage

Wie viele fundamentale Wechselwirkungen gibt es? 

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Vier

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Frage

Was ist der β–Zerfall?

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Antwort

Umwandlung eines Neutrons in ein Proton unter Aussendung eines Elektrons (β-Teilchens) und eines Antineutrinos

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Frage

Beschreibe den β–Zerfall im Quarkmodell

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Antwort

• Neutron: udd (elektrische Ladung: 0) 

Proton: uud (elektrische Ladung: +1 e)
→ Umwandlung d-Quark (Ladung: -1/3e) in u-Quark (Ladung: +2/3 e)
→ β-Teilchen trägt entstehende Ladung –1e fort (Ladungserhaltung)

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Was sind Kenngrößen des Atomkerns? 

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  • Kernladungszahl Z: Anzahl der Protonen im Kern 
  • Neutronenzahl N: Anzahl der Neutronen im Kern
  • Massenzahl A: Anzahl der Nukleonen im Kern, A = Z + N
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Frage

Ist die Masse eines aus mehreren Nukleonen zusammengesetzten Kerns stets kleiner als die Summe der Massen seiner Kernbausteine?

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Ja. Die Massendifferenz Δm entspricht nach Einsteins Masse-Energie- Äquivalenz dem Betrag der Kernbindungsenergie: |Eb|=Δm*c²

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Frage

Was ist ein Maß für die Stabilität von Atomkernen?

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Antwort

Die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon

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Frage

Wie interpretiert man die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon: Eb / A aufgetragen gegen die Massenzahl A?

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Antwort

  • |Eb/A| nimmt für kleine A zu und für große A ab
  • Maximum bei 62I28 NI - stabilster Atomkern 
  • Kernreaktionen finden unter Freisetzung von Energie statt, wenn |Eb/A| bei den Produktkernen größer ist als bei den Ausgangskernen

Kernfusion: Kerne mit A < 62; Kernspaltung: Kerne mit A > 62

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Was ist Radioaktivität?

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Spontane Strahlungsemission infolge von Umwandlungen instabiler Atomkerne

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Was ist β-Strahlung?

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Antwort

  • besteht aus Elektronen (β–-Zerfall) oder Positronen (β+-Zerfall)
  • besitzt eine Reichweite in Luft von einigen Metern
  • ist durch eine einige Millimeter dünne Metallschicht abschirmbar
  • ist im Gewebe locker ionisierend.
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Frage

Was ist γ-Strahlung?

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Antwort

  • besteht aus Photonen mit Energien von einigen 100 MeV;
  • besitzt eine Reichweite in Luft von einigen 10 Metern
  • ist durch eine einige Zentimeter dicke Bleischicht abschirmbar
  • ist im Gewebe locker ionisierend.
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Frage

Wie kann Radioaktivität nachgewiesen werden?

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Antwort

  • Messprinzip: Nachweis der durch Strahlung hervorgerufene Ionisation, Lichtemission (Szintillation) oder Schwärzung (Fotoplatten)
  • Geräte: z. B. Nebel- / Blasenkammer, Zählrohr, Szintillationszähler
  • Nulleffekt: Detektoranzeige (z. B. Zählrohr) bei Abwesenheit der zu messenden Substanz (z. B. aufgrund natürlicher Strahlungsquellen in der Umgebung) → muss bei Messung berücksichtigt werden
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Wieso gibt es vier natürliche Zerfallsreihen?

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Massenzahl A eines Mutterkerns kann je nach Zerfallsart um 4 (α) oder gar nicht (β, γ) abnehmen. Da sich jedes A∈7 vollständig durch die 4 Terme 4n, 4n + 1, 4n + 2, 4n + 3 mit n = 0, 1, 2, … darstellen lässt, sind durch diese Terme bzw. durch die Divisionsreste 0, 1, 2, 3 eindeutig 4 Zerfallsreihen festgelegt.

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Frage

Wie heißen die vier natürlichen Zerfallsreihen? 

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Antwort

  • Thorium-Reihe (Th-232; Rest 0)
  • Neptunium-Reihe (Pu-241; Rest 1) 
  • Uran-Radium-Reihe (U-238; Rest 2)
  • Uran-Actinium-Reihe (U-235; Rest 3)
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Frage

Wie viele der natürlichen Zerfallsreihen kommen in der Natur vor?

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Antwort

Es kommen davon heute drei (von vier) in der Natur vor. Die radioaktiven Elemente der Np-Reihe sind dagegen mit Ausnahme des Endkerns Bi-209 bereits alle zerfallen; Bi-209 selbst ist ebenfalls nicht stabil, zerfällt aber extrem langsam.

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Frage

Was sind Zerfallsreihen? 

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Zerfallsprodukt („Tochter“) eines radioaktiven Kerns („Mutter“) meist wieder radioaktiv → Bildung einer Zerfallsreihe mit radioaktivem Ausgangskern und stabilem Endkern

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Ermittle die natürliche Zerfallsreihe, zu der Po-210 gehört.


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Division der Massenzahl A = 210 durch 4 ergibt 52 Rest 2 → Po-210 gehört zur Uran-Radium-Reihe.

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Was ist das Zerfallsgesetz?

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Kernumwandlungen erfolgen spontan und unabhängig von äußeren Faktoren → Zahl radioaktiver Kerne sinkt exponentiell mit der Zeit

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Wie funktioniert das Prinzip der Radiokarbonmethode?

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  • Kohlenstoff in lebenden Organismen ist Isotopengemisch aus C-12 (Hauptanteil) und C-14 (sehr kleiner Anteil, β-Strahler mit T1/2 = 5730 a) 
  • Dynamisches Gleichgewicht: C-14-Kerne, die zerfallen, werden durch neu entstandene Kerne ersetzt (Neutronenbeschuss durch kosmische Strahlung)
    → Isotopenverhältnis in Atmosphäre und lebendem Organismus (Einlagerung durch Stoffwechsel) konstant
  • Stirbt Organismus, nimmt C-14-Anteil ab → Altersbestimmung mithilfe des Zerfallsgesetzes
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