Entdeckung der Strahlung von Uran
Beschreibung Entdeckung der Strahlung von Uran
Ob durch Anti-Atom-Demonstrationen oder durch dein Geschichtsbuch - sicherlich bist du schon einmal über radioaktives Uran gestolpert. Doch was ist eigentlich Uran und wo kann man es finden? In diesem Video dreht sich alles um dieses radioaktive Element und seine Isotope. Du erfährst, wie durch Kernspaltung des Urankerns Energie frei wird, mit der wir unsere Häuser beleuchten. Und wie schnell aus dieser genialen Idee der Kernspaltung eine grausame Waffe gegen die Menschheit wurde.
Transkript Entdeckung der Strahlung von Uran
Martin Heinrich Klaproth entdeckte 1789 ein neues Element. Er benannte es nach einem Planeten, den man wenige Jahre zuvor entdeckte. So wurde der Planet Uranus zum Namensgeber für das Element Uran. Ob Klaproth wohl damals wohl ahnte, wie gefährlich und genial zugleich sein neues Element sein würde?
Das physikalische Element Uran
Die Gefahren und Möglichkeiten dieses Elementes zeigt dir dieses Video zur Entdeckung der Strahlung von Uran. Dafür wiederholen wir zu Beginn die Symbolschreibweise. Anschließend erfährst du Grundlegendes zum Element Uran und seinem natürlichen und künstlichen Vorkommen. Und zum Schluss klären wir, weshalb die Entdeckung von Uran Segen und Fluch zugleich war.
Die Sprache der Kernphysik
Lass uns zu Beginn kurz die Sprache der Kernphysik wiederholen. Der große Buchstabe in der Mitte kennzeichnet abkürzend das Element. Links unten findet man die Protonenzahl oder Kernladungszahl - symbolisiert durch ein großes Z. Nach der Kernladungszahl sind die Elemente im Periodensystem geordnet.
Links oben findest du die Nukleonenzahl oder auch Massenzahl genannt. Nukleonen sind alle Teilchen des Atomkerns, also sowohl Protonen als auch Neutronen. Deshalb ergibt sich groß A aus der Summe der Protonen und Neutronen. Häufig findet man auch die abgekürzte Schreibweise ohne Kernladungszahl.
Die radioaktiven Isotope des Elements
Zwei Atomkerne mit gleicher Protonenzahl und unterschiedlich viele Neutronen nennt man Isotope eines Elements. Um ein besonderes Element und dessen Isotope geht es in diesem Video: Uran, abgekürzt groß U. Uran ist radioaktiv und emittiert Alpha- oder Gammastrahlung. Es besitzt 92 Protonen und die Besonderheit, dass all seine Isotope radioaktiv sind.
Henri Becquerel fand schon 1896 heraus, dass natürliches Uran zu strahlen scheint. Natürlich vorkommendes Uran findest du beispielsweise in Gesteinen wie Granit oder Marmor. Es besteht zu 99,3 Prozent aus dem Isotop U-238 und zu 0,7 Prozent aus dem Isotop U-235. Das Natururan wandelt sich durch Alphastrahlung zu nicht radioaktivem Blei um.
Uran als Kernbrennstoff
Für seine Verwendung als Kernbrennstoff wird Uran angereichert. Das bedeutet, der Anteil des Isotops U-235 wird auf über 90% erhöht. Mit angereichertem Uran kann man enorme Energien freizusetzten-wie bei es bei der Kernspaltung in Atmokraftwerken passiert.
Freisetzen der Energie in Urankernen
Uran 235 ist einer der wenigen Atomkerne, der sich zur Kernspaltung eignet. Schon 1938 fand der Chemiker Otto Hahn heraus, dass sich Urankerne zertrümmern lassen. Um die im Urankern gespeicherte Energie freizusetzten, muss ein Neutron auf den Urankern treffen. Für nur 10 hoch -14 Sekunden entsteht Uran 236.
Dieser Zwischenkern zerfällt dann direkt in drei Neutronen, Krypton und Barium. Würde man den Urankern und das Neutron vom Beginn der Reaktion und die fünf Komponenten am Ende der Reaktion wiegen, stellt man fest, dass der Urankern und das Neutron eine größere Masse besitzen.
Albert Einsteins Gleichung
Das erklärt Albert Einstein und seine Gleichung groß E gleich mc². Sie besagt: der Massenunterschied wird in Form von Energie frei. Durch thermische Energie und kinetische Energie der Spaltprodukte-also Krypton, Barium und der drei Neutronen. Diese freiwerdende Energie nutzt ein Kernkraftwerk.
Ein Kilogramm gespaltenes Uran 235 setzt dabei eine Energie von 20 mal 10 hoch 6 Kilowattstunden frei. Diese in Masse gespeicherte Energie wird leider nicht ausschließlich zum Wohle der Menschen eingesetzt. Die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Form einer Atombombe war eine Art Wettkampf.
Bau einer Atombombe
Die Nationalsozialisten beauftragen Werner Heisenberg. Ihm gelang der Bau glücklicherweise nicht. Ganz im Gegensatz zu Robert Oppenheimer. Er versammelte 1942 die wichtigsten Physiker zur Entwicklung der Atombombe unter dem Decknamen “das Manhatten Projekt”. Sie wollten der deutschen Atombombe zuvorkommen.
Eine Atombombe nutzt die Neutronen, die bei der Kernspaltung entstehen für eine Kettenreaktion. Diese Neutronen können nämlich wieder einen Urankern spalten. Wie durch eine Lawine von Kernspaltungen kommt es zur explosionsartigen Freisetzung der Kernenergie. Als Oppenheimer die grausamen Folgen der Atombombe 1945 in Hiroshima sah, wurde er zum Atomwaffengegner.
Zusammenfassung zur Uranstrahlung
Lass uns abschließend zusammenfassen, was du zum Alpha- oder Gammastrahler Uran und seinen Isotopen erfahren hast. Natururan findet man in Gesteinen. Es besteht größtenteils aus dem Isotop U-238 und wandelt sich mit der Zeit durch Alphastrahlung zu Blei um.
Bei angereichertem Uran wird der Anteil des Isotopes U-235 künstlich so erhöht, dass der Urankern mit Neutronen gespaltet werden kann und dabei Energie frei wird, die Atomkraftwerke nutzen können. Die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen können eine Kettenreaktion auslösen. So funktioniert die grausame Atombombe, wie sie erstmals im Manhatten Projekt gebaut wurde.
Abschlussfrage
Leider bringt die Idee der Kernspaltung in Atomkraftanlagen nicht nur Vorteile mit sich. Es gibt viele Atomkraftgegner und man arbeitet fieberhaft daran, Atomkraft durch Wind- und Solarenergie zu ersetzen. Kannst du herausfinden, weshalb?
Entdeckung der Strahlung von Uran Übung
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Nenne die Eigenschaften von Uran.
TippsEin Uran-238(92) Kern kann in einen Thorium-234(90) Kern zerfallen. Welche Strahlung könnte dabei frei werden?
LösungWeiß man, ob und wie ein Element strahlt, weiß man auch, welche Gefahren oder welchen Nutzen dieses Element mit sich bringt.
Denn z.B. $\alpha$-Strahlung ist zwar wie jede radioaktive Strahlung gefährlich, kann aber nicht einmal ein Blatt Papier durchdringen. Im Gegenteil dazu kann $\gamma$-Strahlung viele Materialien problemlos durchdringen ohne dabei allzu sehr abgeschwächt zu werden.
Uran ist ein $\alpha$ und $\gamma$-Strahler.
Bei der $\alpha$-Strahlung wird am Atomkern ein Heliumkern, also 2 Protonen und 2 Neutronen, abgespalten.
Bei der $\gamma$-Strahlung gibt der Atomkern elektromagnetische Strahlung ab (die $\gamma$-Strahlung).
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Erkläre die Symbolschreibweise.
TippsDas U steht für Uran.
Protonen sind die positiv geladenen Teilchen im Atomkern.
Nukleonen sind alle Teilchen im Atomkern, also Protonen + Neutronen.
Wenn du an die Ordnungszahl eines Elements denkst: Was bedeutet sie und womit ist sie vielleicht identisch?
LösungDiese Schreibweise wird verwendet, um kurz und übersichtlich das Element zu nennen, Auskunft über dessen Ladung und damit dessen Ordnungszahl zu geben und sie verrät die Anzahl der Teilchen im Kern, was dessen Masse verrät. Gerade an der Nukleonen- oder Massenzahl lässt sich schnell erkennen, um welches Isotop des Elements es sich handelt.
Die obere Zahl ist die Nukleonen- oder Massenzahl, sie ergibt sich aus der Anzahl der Protonen + Neutronen.
- Massenzahl, weil sie alle Kernteilchen zusammenrechnet und man damit das Atomgewicht kennt.
- Kernladungszahl heißt sie, weil die positiv geladenen Protonen die einzigen Ladungsträger im Atomkern sind. Da ungeladene Atome ausgeglichene Ladungen haben, haben sie auch genauso viele Elektronen wie Protonen. Dadurch ist die Ordnungszahl gleich der Protonenzahl. Aber Achtung! Ionen haben mehr oder weniger Elektronen als Protonen.
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Unterscheide zwischen natürlichem und angereichertem Uran.
TippsMit natürlichem Uran ist gemeint, dass das Uran so ist, wie es in der Natur vorliegt.
Angereichertes Uran ist aufgewertetes und reineres Uran. Es wird also so bearbeitet, wie man es später benutzen möchte.
LösungUran ist ein in der Natur vorkommendes Erz, das fast ausschließlich aus U-238 besteht. Daraus das so begehrte Uran-235 zu bekommen, ist also eine komplizierter und mühsamer Prozess.
Ist das Uran dann „angereichert", so besteht es zu über 90% aus Uran-235, erst dann ist es geeignet, um damit Energie zu erzeugen.
Natürliches Uran zerfällt durch $\alpha$-Strahlung zu Blei.
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Ordne die Spaltungsprozesse von Uran.
TippsZuerst muss mit dem Uran-235 etwas passieren, bevor weitere Reaktionen stattfinden können.
Uran-236 ist kein stabiles Isotop.
LösungHier geht es erst einmal darum, dass du weißt, was bei einer einzelnen Spaltung passiert, wodurch sie ausgelöst wird und welche Produkte am Ende entstehen. Das hilft dir dann zu verstehen, warum Uran so eine Faszination wecken kann.
Zunächst wird ein Neutron einem Uran-235 Kern hinzugefügt, für eine sehr kurze Zeit ist es dann ein Uran-236, bis dieses dann in Krypton und Barium zerfällt. Dabei werden 3 Neutronen frei, welche dann z.B. mit anderen Uran-235-Kernen kollidieren und Kettenreaktionen entstehen lassen.
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Erzähle die Geschichte des Uran.
TippsObwohl es Uran sicher schon seit Millionen von Jahren gibt, wurde es erst recht spät entdeckt.
LösungEs war der Planet Uranus, dem das Element Uran seinen Namen verdankt. Martin Heinrich Klaproth entdeckte es im Jahre 1789.
Es dauerte dann aber noch eine ganze Weile, bis man das Uran so nutzen konnte, wie es heute der Fall ist.
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Erkläre den Nutzen und die Gefahren von Uran.
TippsWenn bei der Kernspaltung Energie frei wird, dann verlässt diese Energie ja sozusagen den Kern bzw. die Spaltprodukte.
Überlege, ob es zwischen dem Gewichtsunterschied un dem Freiwerden von Energie einen Zusammenhang gibt.
LösungDie Verwendung von Atomenergie ist aus der heutigen Welt nicht mehr weg zu denken. Zum Einen wird durch Atomkraftwerke Strom erzeugt, und zum Anderen sind auch Atomwaffen noch ein stark umstrittenes Thema. Gerade deshalb ist es also wichtig zu wissen, was denn dabei physikalisch passiert und wo das seinen Ursprung hat. Denn gerade hier kann man viel aus der Geschichte lernen.
Die Spaltprodukte (Krypton, Barium und 3 Neutronen) des Uran-235 sind leichter als der U-235 Kern selbst. Albert Einstein erklärt dies mit seiner Gleichung $E=m\cdot c²$. Diese besagt, dass der Massenunterschied in Form von Kinetischer und thermischer Energie frei wird.
1 kg U-235 setzt eine Energie von $20\cdot 10^6$ kWh frei.
Mit einem Element das so viel Energie erzeugen kann, kann man leider nicht nur Strom erzeugen, sondern auch eine Atombombe bauen, bei der die freiwerdenden Neuronen lawinenartig Kernenergie freisetzen.
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1 Kommentar
Bei der Übungsaufgabe "Ordne die Spaltungsprozesse von Uran" ist bei einem Feld die Kernladungszahl leider nicht korrekt