Physik 9/10: Radioaktivität und Kernphysik
Das lernst du
- Ich kann aus Massenzahl und Ordnungszahl Protonen, Neutronen und Elektronen bestimmen.
- Ich kann Isotope erkennen und unterscheiden.
- Ich kann Alpha-, Beta- und Gammastrahlung nach Ladung, Reichweite und Abschirmung unterscheiden.
- Ich kann Zerfallsgleichungen für Alpha- und Betazerfall aufstellen.
- Ich kann mit der Halbwertszeit Restmengen und Zeiten berechnen.
- Ich kann Strahlenschutz begründen und Dosen einordnen und bewerten.
Merksätze
Die Ordnungszahl Z ist die Zahl der Protonen.
Die Massenzahl A zählt Protonen und Neutronen zusammen. Also gilt: Neutronen = A − Z. Ein ungeladenes Atom hat so viele Elektronen wie Protonen.
Isotope sind Kerne desselben Elements: gleiche Ordnungszahl, also gleich viele Protonen.
Sie haben verschieden viele Neutronen und deshalb verschiedene Massenzahlen. Chemisch verhalten sie sich gleich.
Alphastrahlung ist positiv, ein Blatt Papier hält sie auf.
Betastrahlung sind Elektronen, Aluminium hält sie auf. Gammastrahlung ist ungeladen, Blei schwächt sie nur.
Beim Alphazerfall sinkt die Massenzahl um vier, die Ordnungszahl um zwei.
Beim Betazerfall wird ein Neutron zum Proton: Die Ordnungszahl steigt um eins. Die Massenzahl bleibt.
Nach jeder Halbwertszeit ist die Hälfte dessen zerfallen, was noch da ist.
Es bleibt ein Halb, ein Viertel, ein Achtel. Ganz weg ist der Stoff nie.
Abstand, Abschirmung und kurze Zeit schützen vor Strahlung.
Bestrahlte Dinge werden nicht radioaktiv. Eine Dosis bewertet man im Vergleich mit der natürlichen Strahlung, etwa 2 mSv im Jahr.
Selbst abfragen
Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.
So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart
Ein Kern Lithium-7 hat die Ordnungszahl 3 und die Massenzahl 7. Wie viele Neutronen hat er? Berechne mit Einheit.
- Ordnungszahl = Zahl der Protonen. Massenzahl = Protonen und Neutronen zusammen.
- N = A − Z = 7 − 3 = 4
- Lithium-7 hat 4 Neutronen
Ergebnis: 4 Neutronen
Ein Kern hat 3 Protonen und 4 Neutronen. Wie viele Nukleonen hat er? Das ist seine Massenzahl. Berechne mit Einheit.
- Nukleonen sind alle Kernteilchen: Protonen und Neutronen.
- A = Z + N = 3 + 4 = 7
- Der Kern Lithium-7 hat 7 Nukleonen
Ergebnis: 7 Nukleonen
Welche zwei Kerne sind Isotope? Kern 1: Z = 2, A = 3. Kern 2: Z = 1, A = 3. Kern 3: Z = 1, A = 1.
- Isotope gehören zum selben Element: Sie haben dieselbe Ordnungszahl Z.
- Dieselbe Ordnungszahl 1 haben Kern 2 und Kern 3, ihre Massenzahlen sind verschieden.
- Also: Kern 2 und Kern 3
Ergebnis: Kern 2 und Kern 3
Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 sind Isotope mit der Ordnungszahl 6. Um wie viele Neutronen unterscheiden sich ihre Kerne? Berechne mit Einheit.
- Isotope haben gleich viele Protonen. Der Unterschied steckt nur in den Neutronen.
- Kohlenstoff-12: N = 12 − 6 = 6
- Kohlenstoff-14: N = 14 − 6 = 8
- Unterschied: 8 − 6 = 2
Ergebnis: 2 Neutronen
Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig
Natrium-23: 23 Neutronen
Natrium-23, Z = 11: N = 23 − 11 = 12 Neutronen
Die Massenzahl zählt alle Kernteilchen, Protonen und Neutronen. Für die Neutronen ziehst du die Ordnungszahl ab.
²³⁸₉₂U: 238 Protonen
²³⁸₉₂U: oben Massenzahl 238, unten Ordnungszahl 92 = Protonen
Oben steht die Massenzahl, alle Kernteilchen. Unten steht die Ordnungszahl, nur die Protonen.
C-14 und N-14 sind Isotope (gleiche Massenzahl)
C-12 und C-14 sind Isotope: Z = 6 bei beiden, Massenzahl verschieden
Isotope gehören zum selben Element: gleiche Ordnungszahl, also gleich viele Protonen. Nur die Neutronen sind verschieden.
Ein Blatt Papier hält Gammastrahlung auf.
Papier → Alpha bleibt stecken, Aluminium → Beta bleibt stecken, Blei → Gamma wird nur geschwächt
Alpha ist positiv und bleibt schon im Papier stecken. Beta sind Elektronen und bleiben im Aluminium. Gamma ist ungeladen, Blei schwächt sie nur.
Nach dem Röntgen strahlt der Arm selbst.
bestrahlt → nicht radioaktiv; radioaktiv nur, wenn ein radioaktiver Stoff hineinkommt
Bestrahlt heißt nicht radioaktiv. Radioaktiv wird etwas nur, wenn ein radioaktiver Stoff hineinkommt.
Die Strahlung steckt noch in der Jacke.
Stoff auf der Jacke → strahlt weiter, bis er weg ist; Strahlung allein → sammelt sich nicht an
Strahlung sammelt sich nicht an. Was weiterstrahlt, ist immer ein Stoff, nie die Strahlung selbst.
²³⁸₉₂U → ²³⁴₈₈Ra + ⁴₂He
²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He: Massenzahl − 4, Ordnungszahl − 2
Ein Alphateilchen hat 2 Protonen und 2 Neutronen. Die Massenzahl sinkt um 4, die Ordnungszahl um 2.
¹⁴₆C → ¹⁴₅B + Elektron
¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e: Ordnungszahl + 1, Massenzahl bleibt
Beim Betazerfall wird ein Neutron zu einem Proton. Die Ordnungszahl steigt um 1, die Massenzahl bleibt gleich.
Halbwertszeit 8 Tage: nach 16 Tagen alles zerfallen
8 Tage → ein Halb, 16 Tage → ein Viertel, 24 Tage → ein Achtel
In jeder Halbwertszeit zerfällt die Hälfte von dem, was NOCH da ist. Halbiere Schritt für Schritt.
In 12 min von 640 auf 80: Halbwertszeit 12 min : 2 = 6 min
640 → 320 → 160 → 80: dreimal halbiert, 12 min : 3 = 4 min
Die Halbwertszeit ist nicht die halbe Lebensdauer. Sie ist die Zeit, in der sich die Menge einmal halbiert.
doppelter Abstand: 40 µSv/h : 2 = 20 µSv/h
doppelter Abstand: 40 µSv/h : 4 = 10 µSv/h
Doppelter Abstand heißt ein Viertel, dreifacher ein Neuntel. Die Strahlung verteilt sich auf eine Fläche, die mit dem Quadrat wächst.
Lange Zange: Abschirmung
Lange Zange → Abstand, Bleischürze → Abschirmung, wenige Minuten → Aufenthaltsdauer
Drei Regeln: weiter weg ist Abstand, etwas dazwischen ist Abschirmung, kürzer in der Nähe ist Aufenthaltsdauer.
Ein Röntgenbild ist gefährlich viel Strahlung.
0,02 mSv : 2 mSv = 0,01, ein Hundertstel der natürlichen Jahresdosis
Eine Dosis bewertet man im Vergleich. Teile sie durch die natürliche Jahresdosis von etwa 2 mSv.
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe
Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.
V = ρ · m
ρ = m : V | · V | : ρ → V = m : ρ
Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.
Masse = 50 N
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N
Hier sind zwei Größen vertauscht. Schreib zuerst auf: Gegeben ist …, gesucht ist … – mit Formelzeichen.
η = 30 J : 120 J = 0,25 %
η = 30 J : 120 J = 0,25 = 25 %
0,25 ist ein Viertel, also 25 Prozent. Zum Umrechnen in Prozent mal 100 nehmen.
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³
Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.
Weiter lesen und ausprobieren – auf fremden Seiten
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Wellen auf einer Schnur (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
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