Kernphysik und Atomaufbau
Woraus besteht ein Atomkern?
ErklÀrung: Der Atomkern besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral). Beide werden als Nukleonen bezeichnet.
Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei ___.
ErklÀrung: Nach dem Standardmodell bestehen Protonen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark (uud), Neutronen aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks (udd).
Was wird beim α-Zerfall ausgesandt?
ErklĂ€rung: Beim α-Zerfall sendet der Kern ein Alphateilchen aus: âŽâHe (Helium-4-Kern mit 2 Protonen und 2 Neutronen).
Beim ÎČâ»-Zerfall wird ein ___ in ein Proton umgewandelt, dabei wird ein Elektron emittiert.
ErklĂ€rung: Beim ÎČâ»-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um: n â p + eâ» + ÎœÌâ (Antineutrino).
Beim α-Zerfall verringert sich die Massenzahl um 4 und die Ordnungszahl um 2.
ErklĂ€rung: Richtig. Das Alphateilchen (âŽâHe) nimmt 4 Nukleonen (2p + 2n) mit. Die Massenzahl sinkt um 4, die Kernladungszahl (Ordnungszahl) um 2.
Uran-238 zerfÀllt durch α-Zerfall. Welches Element entsteht?
ErklĂ€rung: ÂČÂłâžââU â ÂČÂłâŽââTh + âŽâHe. Die Massenzahl sinkt um 4 (238â234), die Ordnungszahl um 2 (92â90 = Thorium).
Îł-Strahlung besteht aus energiereichen Photonen und hat keine Masse.
ErklÀrung: Richtig. Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung sehr hoher Energie. Sie hat keine Ruhemasse und Àndert weder Massen- noch Ordnungszahl des Kerns.
Ein radioaktives Isotop hat eine Halbwertszeit von 5 Tagen. Von 1600 Bq bleiben nach 20 Tagen noch ___ Bq.
ErklÀrung: 20/5 = 4 Halbwertszeiten. 1600 · (1/2)⎠= 1600/16 = 100 Bq.
Was besagt die Formel E = m·cÂČ?
ErklĂ€rung: Einsteins Formel E = m·cÂČ zeigt die Ăquivalenz von Masse und Energie. Wegen cÂČ â 9·10ÂčⶠmÂČ/sÂČ ergibt schon wenig Masse enorme Energie.
Bei einer Kernreaktion geht eine Masse von Îm = 0,002 u verloren. Wie viel Energie wird frei? (1 u = 931,5 MeV/cÂČ, in MeV)
ErklĂ€rung: E = Îm · 931,5 MeV/u = 0,002 · 931,5 = 1,863 MeV.
Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die HĂ€lfte der radioaktiven ___ zerfallen ist.
ErklĂ€rung: Eine Halbwertszeit spĂ€ter ist von den anfangs vorhandenen radioaktiven Kernen nur noch die HĂ€lfte ĂŒbrig.
Was passiert bei der Kernspaltung?
ErklÀrung: Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Kern (z. B. U-235) durch ein Neutron in zwei mittelschwere Kerne gespalten, wobei Energie und weitere Neutronen freigesetzt werden.
Bei der Kernfusion verschmelzen leichte Kerne zu einem schwereren Kern, wobei Energie freigesetzt wird.
ErklÀrung: Richtig. Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sonne: Wasserstoffkerne verschmelzen zu Helium, und der Massendefekt wird als Energie freigesetzt.
In einem Kernreaktor wird die Kettenreaktion kontrolliert durch:
ErklÀrung: SteuerstÀbe (z. B. aus Cadmium oder Bor) absorbieren Neutronen und regulieren so die Zahl der Spaltungen in der Kettenreaktion.
Eine radioaktive Probe hat anfangs eine AktivitÀt von 800 Bq. Nach 3 Halbwertszeiten betrÀgt die AktivitÀt ___ Bq.
ErklÀrung: 800 · (1/2)³ = 800 / 8 = 100 Bq.
Welche Strahlungsart hat die gröĂte Reichweite und das höchste Durchdringungsvermögen?
ErklĂ€rung: Îł-Strahlung ist elektromagnetisch und hat das gröĂte Durchdringungsvermögen. Sie kann nur durch dickes Blei oder Beton abgeschirmt werden.
Beim ÎČâ»-Zerfall erhöht sich die ___ um 1, die Massenzahl bleibt gleich.
ErklĂ€rung: Ein Neutron wandelt sich in ein Proton um â die Ordnungszahl (Protonenzahl) steigt um 1, die Massenzahl bleibt gleich.
α-Strahlung kann bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden.
ErklÀrung: Richtig. α-Teilchen sind groà und schwer; sie werden schon durch wenige Zentimeter Luft oder ein Blatt Papier gestoppt.
Radon-222 hat die Halbwertszeit 3,8 Tage. Ein einzelner Radon-Kern hat schon 3,8 Tage ĂŒberstanden. Mit welcher Wahrscheinlichkeit zerfĂ€llt er in den nĂ€chsten 3,8 Tagen?
ErklĂ€rung: 50 % â genau wie bei einem frisch entstandenen Radon-Kern. Ein Kern altert nicht, er hat in jedem gleich langen Zeitraum dieselbe Zerfallswahrscheinlichkeit. 100 % setzt voraus, dass âdie zweite HĂ€lfte" jetzt fĂ€llig ist; 25 % rechnet die schon ĂŒberstandene Zeit mit ein, die fĂŒr den Kern keine Rolle mehr spielt.
Von 10 g Cobalt-60 ist nach 5,3 Jahren die HĂ€lfte zerfallen. Wie lange dauert es, bis von 40 g Cobalt-60 nur noch 20 g ĂŒbrig sind?
ErklĂ€rung: 5,3 Jahre. Die Halbwertszeit gehört zum Isotop, nicht zur Menge â jeder einzelne Kern hat dieselbe Zerfallswahrscheinlichkeit. Die 40-g-Probe hat viermal so viele ZerfĂ€lle pro Sekunde, braucht aber nicht viermal so lange (21,2 Jahre) und auch nicht ein Viertel der Zeit (1,3 Jahre).
Ein Patient bekommt Iod-131 (Halbwertszeit 8 Tage). Welcher Anteil der Iod-Kerne hat 16 Tage spĂ€ter den Zerfall ĂŒberstanden, wenn nichts ausgeschieden wird?
ErklĂ€rung: Ein Viertel. 16 Tage sind zwei Halbwertszeiten â 1 â Âœ â ÂŒ. Jede Halbwertszeit halbiert die jeweils verbliebene Menge statt der Anfangsmenge, deshalb sind zwei HĂ€lften nicht âalles". Ein Achtel zĂ€hlt einen Halbierungsschritt zu viel, so viel ist erst nach 24 Tagen ĂŒbrig.