Neon in der Leuchtreklame
AFB I–IIDie rot leuchtenden Röhren einer Leuchtreklame sind mit Neon gefüllt. Ein Datenblatt nennt die natürliche Zusammensetzung von Neon (Z = 10):
| Isotop | Masse in u | Häufigkeit |
|---|---|---|
| ²⁰Ne | 19,99 | 90,48 % |
| ²¹Ne | 20,99 | 0,27 % |
| ²²Ne | 21,99 | 9,25 % |
- Gib für jedes der drei Isotope die Zahl der Protonen, Neutronen und Elektronen an.
- Berechne die mittlere Atommasse von Neon auf zwei Nachkommastellen.
- Begründe, warum alle drei Isotope in der Röhre in derselben Farbe leuchten und sich chemisch gleich verhalten.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Alle: 10 Protonen und 10 Elektronen. Neutronen: ²⁰Ne 10, ²¹Ne 11, ²²Ne 12.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\bar m=0{,}9048\cdot 19{,}99\,\mathrm{u}+0{,}0027\cdot 20{,}99\,\mathrm{u}+0{,}0925\cdot 21{,}99\,\mathrm{u}\)
\(\bar m=18{,}087\,\mathrm{u}+0{,}057\,\mathrm{u}+2{,}034\,\mathrm{u}\approx \mathbf{20{,}18\,u}\). Der Wert liegt nahe bei 20, weil ²⁰Ne weit überwiegt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Isotope unterscheiden sich nur in der Zahl der Neutronen im Kern. Ihre Hüllen sind gleich: je 10 Elektronen. Leuchten und chemische Reaktionen gehen von den Elektronen der Hülle aus — deshalb verhalten sich alle Neon-Isotope gleich. Die Neutronen ändern nur die Masse.
Wie alt ist der Jagdspeer?
AFB II–IIIIn einem Moor in Niedersachsen wird ein hölzerner Jagdspeer gefunden. Lebende Pflanzen nehmen mit dem Kohlendioxid neben ¹²C auch einen winzigen, gleichbleibenden Anteil des radioaktiven Isotops ¹⁴C auf. Nach dem Tod kommt kein neues ¹⁴C hinzu; das vorhandene zerfällt: Nach 5730 Jahren ist nur noch die Hälfte übrig (Halbwertszeit). Im Holz des Speers misst das Labor noch 25 % des ursprünglichen ¹⁴C-Anteils.
- Vergleiche die Atome ¹²C und ¹⁴C hinsichtlich Kernaufbau, Hülle und Stabilität.
- Ermittle das Alter des Speers aus dem Diagramm und kontrolliere es mit der Halbwertszeit.
- Beurteile, ob sich die Methode eignet, um das Alter eines 66 Millionen Jahre alten Dinosaurierknochens zu bestimmen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gemeinsam: 6 Protonen im Kern und 6 Elektronen in der Hülle, also dasselbe Element mit gleichem chemischem Verhalten. Unterschied: ¹²C hat 6, ¹⁴C hat 8 Neutronen; ¹⁴C ist schwerer. ¹²C ist stabil, ¹⁴C ist instabil (radioaktiv) und zerfällt mit der Zeit.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ablesen: 25 % bei etwa 11 500 Jahren. Kontrolle: 100 % → 50 % nach 5730 Jahren → 25 % nach weiteren 5730 Jahren; 2 · 5730 Jahre = 11 460 Jahre. Der Speer stammt also aus der Mittelsteinzeit, rund 9 400 v. Chr.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Nicht geeignet. Nach etwa 10 Halbwertszeiten (rund 57 000 Jahre) ist nur noch etwa ein Tausendstel des ¹⁴C übrig — kaum noch messbar. 66 Millionen Jahre sind über 11 000 Halbwertszeiten: Es ist praktisch kein ¹⁴C mehr vorhanden. Außerdem ist ein versteinerter Knochen zu Gestein geworden. Für solche Zeiträume braucht man Isotope mit viel längerer Halbwertszeit (z. B. in umgebendem Vulkangestein). Ein vollständiges Urteil nennt die Messgrenze und eine Alternative.