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01
Atommodelle
Demokrit — „atomos“
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Definition
Um 400 v. Chr.: Materie besteht aus kleinsten, unteilbaren Teilchen — griechisch „atomos“ = unteilbar. Eine reine Denkidee, noch ohne Experiment.
02
Atommodelle
Daltons Kugelmodell
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Definition
Atome sind winzige, harte Kugeln. Alle Atome eines Elements sind gleich; Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse und Größe.
03
Atommodelle
Rosinenkuchenmodell
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Definition
Thomson entdeckte im Kathodenstrahl-Versuch das Elektron. Sein Modell: eine positiv geladene Kugel, in der die Elektronen sitzen wie Rosinen im Kuchen.
04
Atommodelle
Rutherfords Streuversuch
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Was zeigt er?
Fast alle α-Teilchen fliegen ungehindert durch → das Atom ist fast leer. Wenige werden stark abgelenkt oder zurückgeworfen → im Zentrum sitzt ein winziger, positiver, massereicher Kern.
05
Atommodelle
Bohrs Schalenmodell
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Definition
Elektronen halten sich nur auf bestimmten Schalen mit festen Energieniveaus auf. Beim Sprung auf eine tiefere Schale gibt das Atom Licht genau dieser Energiedifferenz ab — das erklärt die Linienspektren.
06
Atommodelle
Orbitalmodell
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Definition
Keine Bahnen mehr: Angegeben wird nur noch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen. Das Bild ist eine Punktwolke (Orbital) — je dichter die Punkte, desto wahrscheinlicher das Elektron.
07
Kernaufbau & Isotope
Kern-Hülle-Modell
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Definition
Im Kern sitzen Protonen und Neutronen und damit fast die gesamte Masse, in der Hülle die Elektronen.Kern ≈ 10−14 m, Atom ≈ 10−10 m — das Atom ist rund 10 000-mal größer als sein Kern.
08
Kernaufbau & Isotope
Nuklid-Notation AZX
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Antwort
A = Protonen + Neutronen (oben links), Z = Protonenzahl (unten links). Z legt fest, welches Element es ist.
09
Kernaufbau & Isotope
Neutronenzahl N = ?
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Antwort
N = A − ZBeispiel Cl-35: A = 35, Z = 17 → N = 18. Achtung: A ist die Massenzahl, nicht die Neutronenzahl.
10
Kernaufbau & Isotope
Isotope
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Definition
Atome desselben Elements — gleiches Z, aber verschiedene Neutronenzahl N. Beispiel Sauerstoff: O-16, O-17, O-18 haben alle Z = 8 und N = 8, 9, 10.Leichte Kerne: N ≈ Z. Schwere Kerne: N > Z (Hg-200: Z = 80, N = 120).
11
Kernaufbau & Isotope
Die vier Grundkräfte
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Im Kern
Starke Kernkraft: hält den Kern zusammen, nur sehr kurze Reichweite. Elektromagnetische Kraft: stößt die Protonen ab. Schwache Kraft: verursacht den β-Zerfall. Gravitation: im Kern bedeutungslos.
12
Kernaufbau & Isotope
Ionisation
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Definition
Ein Elektron wird aus der Hülle geschlagen — übrig bleibt ein Ion. Dafür sind rund 12 eV nötig.Sichtbares Licht bringt nur etwa 2 eV mit und ionisiert deshalb nicht.
13
Zerfallsarten
α-Strahlung
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Definition
Ein Heliumkern aus 2 Protonen und 2 Neutronen: zweifach positiv geladen, rund 7200-mal so schwer wie ein Elektron. Reichweite 1–10 cm in Luft, ein Blatt Papier schirmt ab.Trotzdem gefährlich: eingeatmet oder verschluckt gibt sie ihre ganze Energie im Körper ab.
14
Zerfallsarten
α-Zerfall — Gleichung?
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Antwort
AZX → A−4Z−2Y + 42HeA sinkt um 4, Z um 2 — beides zusammen, nie nur eines. Beispiel: 24195Am → 23793Np + 42He (Rauchmelder).
15
Zerfallsarten
β⁻-Zerfall — was passiert?
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Antwort
n → p + e⁻ + ν̄Ein Neutron wird zum Proton: A bleibt gleich, Z steigt um 1. Beispiel: 21482Pb → 21483Bi + e⁻. Einige Millimeter Aluminium schirmen ab.
16
Zerfallsarten
β⁺-Zerfall — was passiert?
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Antwort
p → n + e⁺ + νEin Proton wird zum Neutron: A bleibt gleich, Z sinkt um 1 — genau andersherum als beim β⁻-Zerfall.
17
Zerfallsarten
γ-Strahlung
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Definition
Energiereiche elektromagnetische Strahlung (Photon) aus dem Kern. A und Z bleiben unverändert — der angeregte Kern gibt nur überschüssige Energie ab.Blei und Beton schwächen γ nur (Halbwertsdicke), vollständig abschirmen lässt sie sich nie.
18
Zerfallsarten
Absorberversuch
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Was zeigt er?
Papier stoppt α, einige Millimeter Aluminium zusätzlich β, Blei schwächt γ nur.
19
Zerfallsarten
Ablenkung im Magnetfeld
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Was zeigt sie?
α und β⁻ werden entgegengesetzt abgelenkt (verschiedene Ladung), α wegen der großen Masse viel schwächer. γ ist ungeladen und wird gar nicht abgelenkt.
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Zerfallsarten
Zerfallsreihen
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Die Regeln
α: A − 4 und Z − 2. β⁻: A bleibt, Z + 1. Jede natürliche Reihe endet bei einem Blei-Isotop (Pb-206, Pb-207 oder Pb-208).Probe: obere und untere Zahlen müssen links und rechts dieselbe Summe ergeben. In der Nuklidkarte: α = 2 nach links und 2 nach unten, β⁻ = 1 nach links und 1 nach oben.
21
Messen & Dosis
Aktivität A = ?
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Antwort
A = N / tN = Zahl der Zerfälle, t = Zeit. [A] = 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde. Beispiel: 600 Zerfälle in 60 s → A = 10 Bq.
22
Messen & Dosis
Spezifische Aktivität a = ?
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Antwort
a = A / mEinheit Bq/kg. Beispiel: 0,5 l Milch (0,5 kg) mit 160 Bq → a = 320 Bq/kg. Grenzwert 300 Bq/kg → unzulässig.
23
Messen & Dosis
Impulsrate ≠ Aktivität
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Warum?
Das Zählrohr registriert nur einen Teil der Zerfälle — die Impulsrate ist deshalb kleiner als die Aktivität.Vor jeder Messung den Nulleffekt (Untergrund) bestimmen und von der Messung abziehen.
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Messen & Dosis
Geiger-Müller-Zählrohr
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Wie funktioniert es?
Gasgefülltes Rohr mit Zähldraht unter hoher Spannung. Ein ionisierendes Teilchen löst eine Lawinenentladung aus — das ergibt einen Impuls.Danach ist das Rohr rund 100 µs lang blind (Totzeit). Gemessen wird im Plateau der Kennlinie.
25
Messen & Dosis
Energiedosis D = ?
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Antwort
D = E / mE = aufgenommene Strahlungsenergie, m = Masse des bestrahlten Gewebes. [D] = 1 Gy = 1 J/kg.
26
Messen & Dosis
Äquivalentdosis H = ?
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Antwort
H = q · Dq = Wichtungsfaktor der Strahlungsart. [H] = 1 Sv = 1000 mSv. H sagt, wie schädlich die Dosis für den Körper ist.
27
Messen & Dosis
Wichtungsfaktor q
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Die Werte
γ-, β- und Röntgenstrahlung: q = 1. Neutronen: q = 5 bis 20. α-Strahlung: q = 20.Nur bei q = 1 sind Gy und Sv zahlenmäßig gleich — bei α liegst du sonst um den Faktor 20 daneben.
28
Halbwertszeit
Halbwertszeit T½
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Definition
Die Zeit, nach der die Hälfte der Kerne zerfallen ist. Wann ein einzelner Kern zerfällt, ist reiner Zufall — nur für viele Kerne gilt das Gesetz.Nach 2 T½ ist nicht alles weg, sondern noch ein Viertel: der Zerfall ist exponentiell, nicht linear.
29
Halbwertszeit
Schritt 1: Zerfallsfaktor a = ?
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Antwort
a = 2−1/T½Beispiel T½ = 20 s → a = 0,965936 pro Sekunde. Die Einheit von t ist immer dieselbe wie die von T½.
30
Halbwertszeit
Schritt 2: N(t) = ?
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Antwort
N(t) = N(0) · atGleichwertig: N(t) = N(0) · 2−t/T½. Beispiel 10 g mit T½ = 20 s → 5 g nach 20 s, 1,25 g nach 60 s, 0,0195 g nach 180 s.
31
Halbwertszeit
Rest nach n Halbwertszeiten
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Antwort
(½)n1 → 50 %, 2 → 25 %, 3 → 12,5 %, 4 → 6,25 %, 10 → ≈ 0,1 %. Praktisch für Kopfrechnen, wenn t ein ganzes Vielfaches von T½ ist.
32
Halbwertszeit
Typische Halbwertszeiten
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Merkwerte
Rn-220: 56 s · Rn-222: 3,8 d · Co-60: 5,3 a.Vor dem Rechnen prüfen: t und T½ müssen dieselbe Einheit haben — sonst rechnest du Sekunden gegen Jahre.
33
Strahlenschutz
Die 3 A
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Merksatz
Abstand halten · Abschirmung nutzen · Aufenthaltsdauer kurz halten.Dazu kommt: Inkorporation vermeiden — im Strahlenbereich nicht essen, trinken oder Staub einatmen.
34
Strahlenschutz
Abstandsgesetz
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Antwort
H ~ 1 / r2Doppelter Abstand → nur noch ein Viertel der Dosis. Abstand ist die einfachste und wirksamste Schutzmaßnahme.
35
Strahlenschutz
Dosis-Richtwerte
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Merkwerte
Zahn-Röntgen 0,01 mSv · Atlantikflug 0,1 mSv · CT Bauch ≈ 10 mSv · beruflicher Grenzwert 20 mSv im Jahr · akute Strahlenkrankheit ab ≈ 1 Sv, meist tödlich ≈ 4 Sv.Natürliche Quellen (Radon, kosmische Strahlung, K-40 im Körper) ≈ 2,1 mSv im Jahr, Medizin ≈ 1,7 mSv im Jahr.
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Strahlenschutz
Bq, Gy oder Sv?
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Unterschied
Bq beschreibt die Quelle (Zerfälle pro Sekunde). Gy die im Gewebe aufgenommene Energie pro Kilogramm. Sv die biologische Wirkung.Eine Aktivität in Bq sagt für sich allein noch nichts über die Gefährdung aus.
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