Kernphysik

Wie untersucht man Atome?

• StreuexperimenteMan “beschießt“ Atome mit Teilchen und beobachtet, wie diese abgelenkt werden.– Rutherfords Streuversuche

1911 beschoss Rutherford dünne Goldfolien mit α–Teilchen.

– α–Teilchen besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Chemisches Symbol: 24

2He

Ergebnisse der Streuexperimente:• Ein Atom besteht aus einem Atomkern und ihn

umhüllende Elektronen• Im Kern sind die positiven Ladungen konzentriert. Ihre

Träger sind die Protonen. Ladung: • Der Kern enthält den Großteil der Masse des Atoms.• Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen.• Der Kernradius von Atomen mit der Massenzahl A ist

ungefähr: • Die Dichte des Kerns beträgt etwa: • AUFGABE: Berechne, wie schwer wäre ein Teelöffel (1

cm³) Kernmasse?

mr

ArRN15

0

30

103,1

31710mkg

Kilogramm 10010: 11

MilliardenkgErgebnis

e

Animation

Zusammenfassung:• Atome bestehen aus:

– Atomkern (enthält fast die gesamte Masse)• Protonen• Neutronen

– Elektronen• Angabe im Periodensystem:

– X … Elementsymbol (z.Bsp.: U für Uran, Fe für Eisen…)– Z … Kernladungszahl (Anzahl der Protonen)– A … Massenzahl (Anzahl der Nukleonen = #Protonen + #Neutronen)

• Masse von Atomen:– Einheit: Atomare Masseneinheit u

Entspricht der Masse von 1/12 des Kohlenstoffatoms • 1 u = 1,602189*10-27 kg

• Atome, welche die gleiche Protonenzahl besitzen, jedoch eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen bezeichnet man als Isotope.– Zum Beispiel: Uran:

– Wie viele Neutronen besitzen die oben genannten Isotope?• 146 und 143

XAZ

C126

angegeben Uund Uals nur oft Literatur der In

Isotope sind Uund 235238

23592

23892U

Was hält die Atomkerne zusammen?Da die Atomkerne aus positiv geladenen Protonen besteht

müssten diese sich doch nach dem Coulomb´schen Gesetz abstoßen.

Es muss eine Kraft im Kern geben, welche stärker als die Coulombkraft ist!• Diese wird starke Kernkraft oder starke Wechselwirkung

genannt. Warum merken wir von dieser starken Kraft nichts im Alltag?Die starke Kernkraft hat nur eine sehr geringe Reichweite!

Etwa 10-15 Meter.Kernkraft: Leifi – Physik

Instabile Kerne - Radioaktivität

Aufgabe: Berechne die Gesamtmasse von Helium Masse Neutron: 1,0086654uMasse Proton: 1,0072766uMasse Elektron: 0,0005486u

Ergebnis: 4,03298uExperimente zeigen jedoch, dass Helium Atome nur

eine Masse von 4,00151u besitzen!!Was ist aus der Masse Δm = 0,03147u geworden??Dieses Phänomen nennt man Massendefekt!!

He42

Der MassendefektDer Massendefekt bezeichnet den Unterschied zwischen der Summe

der Massen der Bestandteile und der tatsächlich gemessenen Gesamtmasse.

Nach der Einstein´schen Formel: E = m*c² entspricht diese Masse der Bindungsenergie Eb der Nukleonen. EB = Δm*c²

Die Bindungsenergie ist jene Energie, die man aufwenden muss, um die einzelnen Nukleonen des Kerns wieder zu trennen. Leifi – Seite: Kernpotential

Dividiert man die Bindungsenergie durch die Anzahl der Nukleonen, so erhält man die Bindungsenergie pro Nukleon: EB /A

Die Bindungsenergie pro Nukleon ist ein wichtiges Kriterium für die Stabilität der Kerne. Je größer diese ist, umso stabiler ist der Kern.

Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit der Massenzahl

Fe5626Höchste Bindungsenergie pro Nukleon!Daher sehr stabil!!

Die Kernkraft:• Wirkt anziehend zwischen allen Nukleonen (Kernbausteinen)• Sie ist etwa 100 mal stärker, als die elektrische Kraft• Sie hat eine Reichweite von 2*10-15 m• Beim Verschmelzen von Kernen verstärkt sich die Bindung des neu

entstandenen Kerns, da sich alle Nukleonen gegenseitig anziehen!– Dies funktioniert jedoch nur bis zu einer Kerngröße von 60 Nukleonen (z.Bsp:

Eisen).– Danach wird die Bindung des Gesamtkerns kleiner, da die Nukleonen zu weit

voneinander entfernt sind und somit auch die Coulomb-Abstoßung an Einfluss gewinnt!

• Wird bei einer Kernverschmelzung (Fusion) oder einer Kernspaltung die Bindungsenergie pro Nukleon größer, so wird diese Energie frei! Dies ist die Energiequelle der Sonne (Kernfusion) und der Kernspaltung.

• Die Frei werdende Energie entspricht dem Massendefekt!! EB = Δm*c²

Bereiche der Kernfusion und der Kernspaltung:

Stabilsten Atome, da

Bindungsenergie am größten!

Energie bei der Kernspaltung:

• Bei der Kernspaltung in Kernkraftwerken wird die Energie beim Zerfall des Uran-236 Isotops in Barium-139 und Krypton-95 sowie 2 Neutronen verwendet:

Aufgabe: Berechne die frei werdende Energie mit Hilfe des Massendefektes!Lösung:

Masse Uran-236: 236.045568uMasse Barium\Krypton: 138.9088354u\94.93984uMasse Neutron: 1.6749286*10-27 kgMassendefekt: Δm = 236.045568u – 138.9088354u – 94.93984u – 2* 1.6749286*10-27 = 2.98168*10-19 kgDie entsprechende Energie wird frei: E = Δm*c²E = 2.98168*10-19 *299792458² = 2.6798017990162*10-11 J

1u = 1,661*10-27 kg

Das ist sehr viel!! Wir vergleichen die Energien, die in 1 kg von Benzin und Uran stecken:Aral gibt Super Benzin mit folgendem Heizwert an: 43,5 MJ/kg

Ein kg Uran enthält Atome.Das ergibt eine Energie von:

2427 105512623877.2

10660538782.1045568.2361

MJ680000001083688.6101626798017990.2105512623877.2 131124 J

Energiedichte von Uran:• Hohe Energieeffizienz: Kernenergie.ch• Bei vollständiger Verbrennung bzw. Spaltung lassen sich aus

– 1 kg Steinkohle ca. 8 kWh,– aus 1 kg Erdöl ca. 12 kWh und– aus 1 kg Uran-235 rund 24.000.000 kWh

Energie der Kernfusion:• In künftigen Fusionsreaktoren möchte man Tritium mit

Deuterium verschmelzen, da dies besonders viel Energie frei setzt!

• Tritium und Deuterium sind Wasserstoffisotope mit 2 bzw einem Neutron mehr.

Aufgabe: Berechne die frei werdende Energie mit Hilfe des Massendefektes!

Masse Tritium: 3.0160492 uMasse Deuterium: 2.01410178 uMasse Neutron: 1.6749286*10-27 kgMasse Helium: 4,002602 u

Masse vor der Fusion: Tritium + Deuterium: 5.03015098 u = 8.35505078*10-27kgMasse nach der Fusion: Helium + Neutron: 8.32325052*10-27kgMassendefekt: Δm = 0.03183026*10-27kgDas entspricht einer Energie von: E = Δm*c² = 2.8607607*10-12 J

Nun berechnen wir die Energie einer Fusion von 0.5kg Tritium mit 0.5kg Deuterium:0.5 kg Tritium enthält:

Damit erhalten wir für die Fusion von insgesamt 1 kg Deuterium und Tritium:

Das ist 4 mal so viel Energie, wie aus einem Kilo Uran!

1u = 1,661*10-27 kg

Atome! 109807218.910661.10160492.3

5.0 2527

MJJ 000 000 2901085525.2108607607.2109807218.9 141225

Diese Energien wurden als erstes in Bomben genützt:

Atombombe:• Ist eine Spaltbombe• Wurde über Hiroshima und

Nagasaki abgeworfen• AtomBombe

Wasserstoffbombe• Ist eine Fusionsbombe• Wurde noch nicht im Krieg

eingesetzt.• H-Bombe

Während des kalten Krieges gab es ein Wettrüsten der USA und UDSSR um die größte Bombe!. Stellungnahme von Albert Einstein

Internetseite: Atomwaffen von A bis Z: http://www.atomwaffena-z.info/

Zar Bombe

Messung der Sprengkraft von Bomben – TNT Äquivalent

Die Sprengkraft wird mit der entsprechenden Menge TNT verglichen.• Handelsübliche Feuerwerke: < 1g TNT• Improvisierte Bomben: meist einige kg TNT; seltener bis zu 1000 kg TNT

(Oklahoma)• Konventionelle Waffen: Stärkste konventionelle Bombe der US-Armee:

MOAB erreicht 11 Tonnen TNT.

• Atombomben: Hiroshima-Bombe: 15 000 Tonnen TNT; Heute bis zu 1 200 000 Tonnen TNT

• H – Bomben: Größte Bombe der Amerikaner: 15 000 000 Tonnen TNT. Größte jemals gezündete Bombe: Zar 50 000 000 Tonnen TNT.Die ursprünglichen Pläne für die Zar Bombe waren für 100 000 000 Tonnen TNT ausgelegt, doch der Konstrukteur hatte Bedenken und reduzierte die Sprengkraft.

Massive Ordance Air Blast„Mother Of All Bombs“

Verwendung der Kernspaltung in einem Reaktor:

Die Wichtigsten Elemente sind:• Kettenreaktion• Brennelemente• Moderatoren• Steuerstäbe• Kühlmittel

Kettenreaktion

• Eine Kettenreaktion liegt vor, wenn jede Spaltung wieder mindestens eine weitere Spaltung auslöst.

BrennelementeDa jede Spaltung eine weitere auslösen soll, sollten neben den Tochterkernen

der Spaltung auch weitere Spaltneutronen entstehen.Dies geschieht bei Uran – 235.Ein Gemisch aus Uran-235 und Uran-238 wird in form von Urandioxid (UO2) zu

Tabletten gepresst und in eine Metallröhre gegeben. =Brennstäbe!!Mehrere Brennstäbe bilden ein Brennelement

ModeratorDie bei der Uran-235 Spaltung erzeugten Neutronen sind zu schnell, um von

anderen U-235-Kernen aufgefangen zu werden!→ Die Neutronen müssen gebremst werden!Diese Aufgabe übernimmt der Moderator.In den meisten Kraftwerken ist Wasser der Moderator. Dies ist besonders

günstig, da Wasser auch als Kühlmittel Verwendung findet.

SteuerstäbeDamit die Kettenreaktion nicht wie bei der Atombombe außer

Kontrolle gerät, muss man die Reaktion steuern.Die Steuerstäbe machen dies, indem sie Neutronen absorbieren,

welche somit keine weitere Spaltung auslösen können.Die Steuerstäbe sind zwischen den Brennelementen angeordnet

und müssen beim Start des Reaktors nach oben herausgezogen werden. Bei einem Störfall, würden diese dann sofort wieder herunter fallen und die Kettenreaktion ist gestoppt.

Funktionsweise eines Druckwasserreaktors:

• Im Primärkreislauf wird das Wasser, das auch als Moderator dient durch die kontrollierte Kettenreaktion erhitzt. Es steht unter hohem Druck und ist deshalb flüssig.

• In den Dampferzeugern wird die Wärmeenergie in den Sekundärkreislauf übergeben. Dort entsteht Wasserdampf, weil hier der Druck nicht so groß ist.

• Im Sekundärkreislauf wird der Dampf durch die Turbinen geleitet. Diese treiben den Generator an und erzeugen somit den Strom.

• Die Restwärme des Sekundärkreislaufes wird über den Kühlwasserkreislauf abgeführt. Aus einem Gewässer der Umgebung wird Wasser angesaugt, welchem die Restwärme übergeben wird.

• Um die Gewässer nicht künstlich aufzuheizen, wird das Wasser aus dem Kühlwasserkreislauf in den Kühlturm geleitet.

• Im Kühlturm wird das Wasser fein versprüht, um es durch die im Turm aufsteigende Luft zu kühlen, bevor es wieder in die Natur entlassen wird. Im Kühlturm herrscht durch den Kamineffekt ein permanenter Luftzug von unten nach oben.

Besuch in einem Kernkraftwerk:

• AKW Schweiz• Restrisiko Atomenergie am Beispiel Fukushima

Kernschmelze und Super-GAU• Als Kernschmelze bezeichnet man einen schweren Unfall in einem

Kernreaktor, bei dem sich die Brennstäbe übermäßig erhitzen und schmelzen. Meistens geschieht dies durch die Energie, welche von den radioaktiven Zerfällen der Tochterkerne der Uranspaltung abgegeben wird.

• Diese restliche Energie würde ausreichen, um die Brennstäbe zu schmelzen. Daher müssen die alten Brennstäbe noch ein Jahr gekühlt werden. Dies geschieht in sogenannten Abklingbecken.

• GAU bedeutet „größter anzunehmender Unfall“• Ein Super Gau liegt vor, wenn sich zum Beispiel die geschmolzenen

Brennstäbe durch das Kraftwerk schmelzen und somit unkontrolliert in die Natur gelangen.