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Kernphysik

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Kernphysik

Lange Zeit dachten Forscher*innen, dass das kleinste und unteilbare Teilchen ein Atom ist, bis sie geschafft haben auch dieses zu teilen. Die Kernphysik befasst sich mit den Atomkernen und ihrem Verhalten, wie sie gespaltet oder auch fusioniert werden können und anderen Kernprozessen.

Kernphysik Grundlagen

Die Kernphysik behandelt die Struktur von Atomkernen, die aus Protonen und Neutronen bestehen, und ihr Verhalten in unterschiedlichen Situationen. Es werden Umwandlungen von Atomkernen und Kernreaktionen untersucht, wie Kernspaltungen oder Kernfusionen.

Kernphysik und Atomphysik sind zwei unterschiedliche Teilgebiete der Physik und sollten nicht verwechselt werden. Dazu später mehr.

Die Kernphysik ist ein relativ neues Fachgebiet der Physik und entwickelte sich erst aus Erkenntnissen, die im frühen 20. Jahrhundert gemacht worden sind.

Geschichte der Kernphysik

Ernest Rutherford wies als erster Physiker Protonen im Atomkern nach, wenige Jahre später wies James Chadwick die Neutronen im Kern nach. In den folgenden Jahrzehnten wurde zuerst die Möglichkeit der Kernspaltung entdeckt und kurz darauf auch der erste Kernreaktor, der nach diesem Prinzip funktionierte, in Betrieb genommen.

All diese Erkenntnisse und Forschungen wurden bis heute vertieft und weiterentwickelt. Die Kernphysik ist in vielerlei Hinsichten bedeutungsvoll und ermöglicht viele relevante technologische Möglichkeiten der heutigen Zeit.

Kernphysik Beispiele

Die Kernphysik findet im heutigen Alltag viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, Technologie, Energieproduktion oder auch Materialuntersuchung in der Industrie. Auch bei der Behandlung von Lebensmittel wird in einigen Ländern die Kernphysik zur Hilfe gezogen.

Kernphysikalische Prozesse sind in der Medizin übliche Hilfsmittel für die Diagnostik mittels Kernspintomografen oder der Methode der Szintigrafie. Auch zur Behandlung von Krebspatient*innen wird häufig mit gezielter Bestrahlung, einer Karzinomen-Masse verwendet.

Wenn Du mehr über die Anwendung der Kernphysik erfahren willst, dann schau Dir unsere Erklärung zu diesem Thema an.

Atom Kernphysik

Die Grundlagenforschung der Kernphysik befasst sich mit der Zusammensetzung des Atomkerns.

Im Atomkern befinden sich positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Die Protonen und Neutronen in einem Atomkern nennt man Nukleonen.

Die Protonen und Neutronen im Atomkern sind im Atomkern, wie in der Abbildung, aneinander gebunden. Diese Bindung ist auf eine gegenseitige Wechselwirkung der Nukleonen zurückzuführen.

Die Anzahl der Protonen eines Atoms bleibt immer gleich und bestimmt das chemische Verhalten des Atoms. Als Ordnungszahl Z wird die Anzahl der Protonen in einem Atomkern bezeichnet. Alle Atome desselben Elements haben die gleiche Ordnungszahl. Die Ordnungszahl wird oft auch als Kernladungszahl bezeichnet.

Die Anzahl der Protonen eines Atoms bleibt immer gleich und bestimmt das chemische Verhalten des Atoms. Als Ordnungszahl Z wird die Anzahl der Protonen in einem Atomkern bezeichnet. Alle Atome desselben Elements haben die gleiche Ordnungszahl. Die Ordnungszahl wird oft auch als Kernladungszahl bezeichnet.

Der Durchmesser des Atomkerns ist im Vergleich zur Atomhülle ein Zehn- bis Hunderttausendstel kleiner und trotzdem enthält er über 99,9 Prozent der Atommasse. Deshalb wird die Massenzahl A aus der Ordnungszahl Z (Anzahl der Protonen im Atomkern) und der Neutronenzahl N berechnet:

Kernphysik Massenzahl A Berechnen Ordnungszahl StudySmarter

Isotope sind Atome mit gleicher Anzahl an Protonen im Atomkern, aber mit abweichender Anzahl an Neutronen.

Unterschiedliche Isotope besitzen unterschiedliche physikalische Eigenschaften des Kerns, die chemischen Eigenschaften sind allerdings unabhängig vom Isotop eines Atoms gleich.

Neben dem Atomkern besitzt das Atom auch eine Atomhülle, in der sich die Elektronen befinden. Mit der Atomhülle beschäftigt sich die Atomphysik.

Isobare Kernphysik

In der Kernphysik werden unterschiedliche Nuklide mit gleicher Massenzahl Isobar genannt. Sie besitzen eine unterschiedliche Anzahl an Protonen, aber durch die Anzahl der Neutronen besitzen sie die gleiche Massenzahl, obwohl sie individuelle Nuklide sind.

Nuklide sind Atomkerne, die durch ihre Massenzahl und Kernladungszahl eindeutig charakterisiert werden können.

Ein Beispiel für ein solches Isobares Atomkern ist C14 (Kohlenstoff-14) und N14 (Stickstoff-14).

Ionisierende Strahlung

Unter Ionisierung versteht man den Vorgang, wenn Elektronen aus der Atomhülle „herausgeschlagen“ werden. Dies passiert unter Einfluss von sehr viel Energie – sogenannter ionisierender Strahlung. Hierbei kann es sich um Teilchenstrahlung oder um elektromagnetische Strahlung handeln.

Für Teilchenstrahlung wird der ausgehende Atomkern Mutterkern und der am Ende übrig bleibende Kern Tochternuklid genannt.

Es gibt insgesamt drei Arten der Strahlung: die Alpha-, Beta und Gamma Strahlung.

Alphastrahlung

Schau Dir nun die verschiedenen Strahlungstypen an.

Die Alphastrahlung bzw. Strahlung ist ein Heliumatomkern, bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen, welcher vom Mutterkern gelöst wurde.

Die Alphastrahlung ist eine Teilchenstrahlung mit geringer Reichweite und ist leicht abzuschirmen, da die Heliumkerne relativ groß sind. Wenn Du mehr über die Alphastrahlung erfahren möchtest, dann schau Dir gerne den zugehörigen Artikel an.

Betastrahlung

Ein weiteres Beispiel für eine Teilchenstrahlung ist die Betastrahlung.

Die Betastrahlung ist ein Zerfallsprozess, bei der ein Elektron bzw. ein Positron entsteht. Diese gelten als ionisierende Strahlung und können weitere Zerfälle von Atomkernen bewirken können.

Es wird unterschieden zwischen und Strahlung. Bei der Betastrahlung verwandelt sich ein Neutron oder ein Proton im Atomkern. Bei der Beta-Minus Strahlung wird aus dem Neutron ein Proton und es bleibt ein negativ geladenes Elektron in Form von der Betastrahlung übrig. Im Fall der Beta-Plus-Strahlung wird ein Proton zu einem Neutron im Atomkern. Ein positiv geladenes Positron bleibt in diesem Fall übrig.

Um mehr über die Betastrahlung zu lernen, kannst Du Dir die Erklärung zu diesem Thema anschauen.

Gammastrahlung

Die Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung bzw. eine elektromagnetische Welle mit beliebiger Energie.

Bei der Umwandlung von einem Atomkern wird Energie, in Form eines Photons, freigesetzt. Dieses Photon kann abhängig vom zerfallenen Nuklid unterschiedliche Mengen an Energie besitzen.

Jede elektromagnetische Strahlung ist auch eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen werden allerdings erst ab einer Photonenenergie ab 200.000 eV als elektromagnetische Strahlung bezeichnet. Die Welle besitzt in diesem Fall eine Wellenlänge von weniger als 5 pm (Picometer).

Wenn Du mehr über die Gammastrahlung erfahren möchtest, dann schau Dir unsere Erklärung zu diesem Thema an.

Atomphysik

In der Kernphysik war lange die Annahme, dass Atome und ihre Kerne die kleinstmöglichen Bauteile des Universums sind. Doch Forscher*innen haben es geschafft, auch Atomkerne und die Protonen und Neutronen in ihnen zu teilen. Herausgekommen sind subatomare Teilchen, die kleinsten Bauteile der Materie unseres Universums. Sie werden Elementarteilchen genannt.

Wie Du in der Übersicht der Elementarteilchen, Abbildung 2, erkennen kannst, gibt es 6 verschieden Quarks und 6 verschiedene Leptonen. Quarks und Leptonen sind elementare Materieteilchen, mit dem Unterschied, dass die Leptonen, im Gegensatz zu den Quarks, nicht der Wechselwirkungen der Bosonen unterliegen.

Bosonen sind Elementarteilchen, die eine Wechselwirkung mit anderen Elementarteilchen besitzen. Das Photon besitzt zum Beispiel eine elektromagnetische Wechselwirkung und das Higgs-Boson besitzt eine elektrische Wechselwirkung. Das Higgs-Boson, welches erst vor wenigen Jahren entdeckt wurde, ist elektrisch neutral geladen und zerfällt nach sehr kurzer Zeit.

Wenn Du mehr über das Higgs-Boson und die anderen Elementarteilchen lernen möchtest, dann schau Dir unsere Erklärungen zu diesem Thema an.

Atomphysik

Die Atomphysik ist gewissermaßen die Schwester der Kernphysik. Während sich die Kernphysik mit den Vorgängen des Atomkerns beschäftigt, während sich die Atomphysik mit dem Aufbau der Atomhülle und den Wechselwirkungen der Elektronen beschäftigt.

In der Hülle eines Atoms befinden sich die Elektronen, weshalb diese auch Elektronenhülle genannt wird. Der Aufbau der Atomhülle und des gesamten Atoms wird in verschiedenen Atommodellen festgehalten. Die Atommodelle sind allerdings unterschiedlich, da sie durch Untersuchungen und Experimente immer wieder erneuert, neuaufgestellt oder widerlegt worden sind. Die berühmtesten Atommodelle sind das Rutherford'sche, das Bohr'sche und das Atommodell nach Dalton.

Wenn Du mehr über die verschiedenen Atommodelle erfahren möchtest, dann schau Dir doch die jeweiligen Erklärungen dazu an.

Kernphysik - Das Wichtigste

  • Die Kernphysik untersucht den Aufbau und das Verhalten von Atomkernen

  • Kernphysik und Atomphysik sind zwei unterschiedliche Teilgebiete der Physik

  • In der Atomphysik werden die Vorgänge in der Atomhülle untersucht

  • Es gibt viele Anwendungen der Kernphysik im Alltag und auch in der medizinischen Diagnostik und Therapie.

  • Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen

  • Die wichtigsten Daten eines Atomkerns wird in drei Zahlen angegeben, die Ordnungszahl Z gibt die Anzahl der Protonen wieder

  • Die Anzahl der Neutronen wird durch die Neutronenzahl N angegeben

  • Als Massenzahl A bezeichnest Du die Summe aus Ordnungszahl und Neutronenzahl

  • Isobare sind Atomkerne mit unterschiedlicher Ordnungszahl, aber mit gleicher Massenzahl

  • Beim Kernzerfall kann Teilchenstrahlung oder elektromagnetische Strahlung entstehen

  • Alpha- und Betastrahlung sind Teilchenstrahlungen, bei denen Heliumkerne bzw. Elektron/ Positron aus dem Atomkern gelöst werden

  • Die Gammastrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, bei der ein geladenes Photon aus dem Kern gelöst wird.

  • Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten und unteilbaren Teilchen und werden unterschieden zwischen Quarks, Leptonen und Bosonen

Nachweise

  1. wissen-digital.de: Kernphysik (28.06.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kernphysik

Zur Kernphysik gehören alle physikalischen Prozesse und Eigenschaften eines Atomkerns. Darunter gehören die Themen der Radioaktivität, die Kernfusion und die Kernspaltung.

Die Kernphysik ist wichtig, um den Aufbau und das Verhalten von Atomkernen zu untersuchen. Viele Prozesse der Kernphysik werden auch im Alltag verwendet.

A ist die Massenzahl eines Atoms. Sie wird zusammengestellt aus der Protonenzahl Z und der Neutronenzahl N im Atomkern.

Ein Atomkern ist dann instabil, wenn er zu viele Neutronen besitzt und damit die kritische Masse erreicht wird. Ab dieser Masse zerfällt der Atomkern.

Finales Kernphysik Quiz

Frage

Was ist der erste Grundversuch zum Fotoeffekt (qualitativ)?

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Antwort

Geeignete Beleuchtung löst Elektronen aus einer Metalloberfläche:

  • Trifft (UV-reiches) Licht einer Hg-Dampflampe auf eine negativ geladene Zinkplatte, wird diese entladen (Nachweis: Elektroskopausschlag geht zurück). Glühlampenlicht bewirkt keine Entladung.
  • Durchdringt das Hg-Licht vorher eine Glasplatte, findet keine Entladung statt.
  • Eine positiv geladene Zinkplatte wird nicht entladen.
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Frage

Nenne zwei typische Interferenzexperimente bei denen das Wellenverhalten von materiellen Teilchen auftritt

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Antwort

  • Doppelspaltexperiment
  • Streuung am Einkristall
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Frage

Was sind die wellenmechanischen Formulierungen?

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Antwort

  • Der Ausgang eines Experiments im Bereich von Quantenobjekten ist vom Zufall bestimmt. 
  • Die Quantenmechanik beschreibt nicht wie die klassische Physik das deterministische Verhalten eines einzelnen Teilchens, sondern das statistische Verhalten einer Gesamtheit von Objekten.
  • Eine Gesamtheit quantenphysikalischer Objekte wird durch eine Wellenfunktion Ψ(x, t) beschrieben. Die Wellenfunktion dient zur Beschreibung von Wahrscheinlichkeiten, hat aber keine anschauliche Bedeutung.
  • Das Quadrat des Betrags der Wellenfunktion |Ψ(x, t)|² stellt eine Wahrscheinlichkeitsdichte dar. Der Ausdruck |Ψ(x, t)|²*Δx beschreibt die Wahrscheinlichkeit, zum Zeitpunkt t ein Quantenobjekt aus dem Ensemble in einem Bereich Δx um den Ort x herum zu finden (Aufenthaltswahrscheinlichkeit).
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Frage

Was sind die Folgerung der Heisenberg'sche Unbestimmtheitsrelation für Ort und Impuls?

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Antwort

  • Gegensätzliches Verhalten von Ort und Impuls: Je genauer die Ortskenntnis eines Quantenobjekts ist, desto ungenauer muss der Impuls angegeben werden, und umgekehrt
  • Kein Bahnbegriff: Wenn Ort und Impuls eines Quantenobjekts prinzipiell nicht gleichzeitig exakt angegeben werden können, ist der klassische Begriff der „Bahn eines Teilchens“ in der Quantenmechanik nicht mehr haltbar.
  • Kein Determinismus: Ein klassisches Teilchen bewegt sich deterministisch, d. h.: Bei Kenntnis des Anfangszustands und der Bewegungsgleichung des Teilchens (2. Newton’sches Gesetz) kann der Zustand für alle folgenden Zeiten berechnet werden (vgl. Himmelsmechanik). Klassisch ist der Anfangszustand durch die Angabe von Ort x(t0) und Geschwindigkeit v(t0) = 1/m*p(t0) zum Startzeitpunkt t0 gegeben. Eine entsprechende quantenmechanische Angabe ist nach der Heisenberg’schen Unbestimmtheitsrelation nicht möglich.
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Frage

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.
Frage anzeigen

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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Antwort

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

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Frage

Wie viele fundamentale Wechselwirkungen gibt es? 

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Antwort

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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Frage

Was ist ein Atom? 

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Antwort

„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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Antwort

  • 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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Antwort

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.)

Frage anzeigen

Frage

Bewerte das Atommodell von Rutherford

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Antwort

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.
Frage anzeigen

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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Antwort

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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Antwort

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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Antwort

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


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Frage

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


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Antwort

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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Antwort

  • 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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Frage

Was sind Kenngrößen des Atomkerns? 

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Antwort

  • 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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Antwort

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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Frage

Was ist Radioaktivität?

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Antwort

Spontane Strahlungsemission infolge von Umwandlungen instabiler Atomkerne

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Frage

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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Frage

Wieso gibt es vier natürliche Zerfallsreihen?

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Antwort

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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Antwort

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

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Frage

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


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Antwort

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

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Frage

Was ist das Zerfallsgesetz?

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Antwort

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

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Frage

Wie funktioniert das Prinzip der Radiokarbonmethode?

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Antwort

  • 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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Frage

Was ist das Abstandsgesetz?

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Antwort

Die Strahlungsintensität einer (punktförmigen) radioaktiven Substanz, die in alle Richtungen strahlt, nimmt mit dem Quadrat des Abstands r von der Strahlquelle ab

I(r) ~ 1/r²

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Frage

Was ist Dosimetrie und was kann man damit vergleichen?

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Antwort

Die Dosimetrie liefert Messgrößen, mit denen man die Auswirkungen ionisierender Strahlungen vergleichen kann.

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