Kernspaltung

Kernspaltung Übung

• Gib an, was Transurane sind.

  Tipps

  Als Transurane hat man zuerst alle künstlichen superschweren Elemente bezeichnet. Das kam, weil sie so viele Kernteilchen besitzen.

  Die Zahl unten links am Elementsymbol von Uran (U) ist die Ordnungszahl.

  Lösung

  Der Begriff „Transurane“ oder auch das Präfix „Trans-“ kann dir häufiger begegnen, daher wollen wir wissen, was damit gemeint ist.

  Transurane sind Elemente mit einer höheren Ordnungszahl als Uran, also Elemente mit einer Ordnungszahl von über 92.

  Die lateinische Präposition „trans“ bedeutet „über“ oder „über hinaus“, deshalb steht Transuran für „über Uran“ oder „über (die Kernteilchenzahl von) Uran hinaus“.

• Gib an, wie man neue Transurane erzeugen kann.

  Tipps

  Man möchte die Kernladungszahl erhöhen.

  Man arbeitet nur mit dem Atomkern, also benutzt man nur Teilchen, die auch in den Kern gehören.

  Lösung

  Um Transurane herzustellen, wird ein Urankern mit einem Neutron (oder Elektron) beschossen. Dadurch entsteht ein Beta-Minus Zerfall im Kern, bei diesem wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt und es wird ein Elektron frei.

  So bekommt man ein neues Element mit einer höheren Ordnungszahl als Uran (ein Transuran) und ein freies Elektron.

  Meistens sind diese Transurane aber nicht stabil und zerfallen sehr schnell wieder. (Dann hat eine Spallation stattgefunden.)

  Das passiert, wenn man z.B. Uran 238 mit einem Neutron beschießt.

• Beschreibe die Spallation.

  Tipps

  Der Vorgang heißt Spallation, dabei wird zuerst ein Neutron in den Atomkern eingebracht.

  Lösung

  Bei der Spallation wird ein Neutron in den Atomkern gebracht. Dieses versetzt den Atomkern in Schwingungen und die Protonen entfernen sich voneinander. Die Coulombkräfte, also die Abstoßungen der Protonen zueinander, wirken dadurch stärker und führen zum Zerreißen des Kerns, da die Kernkräfte nicht mehr in der Lage sind den Kern weiter gegen die Coulombkräfte zusammenzuhalten.

  Dadurch entstehen zwei Kerne mit niedrigerer Ordnungszahl und weitere Neutronen. Diese haben dann eine hohe Bewegungsenergie, wodurch auch weitere Spaltungen gestartet werden können. (Es kann also eine Kettenreaktion entstehen.) Außerdem wird viel Energie frei, die man anschließend für verschiedene Zwecke benutzen kann.

• Ordne die Spaltprozesse von Uran bei der Spallation.

  Tipps

  235 bzw. 236 gibt die Anzahl der Kernteilchen an (Nukleonenzahl).

  Lösung

  Hier haben wir den Zerfall von Uran für eine Atombombe gezeigt. Das geht vor allem, weil eine Kettenreaktion immer neue Spaltungen und damit immer mehr Energie freisetzen kann.

  Wenn wir ein Neutron in ein Uran 235 bringen wird, es zu Uran 236.
  (Denn es ist ein Neutron mehr darin).
  Dieses ist dann aber nicht mehr stabil und zerfällt daher in Krypton, Barium und zwei Neutronen.
  Diese Neutronen können dann wieder ein Uran 235 spalten und es kann eine mächtige Kettenreaktion entstehen.

  Diese zwei Neutronen können dann gleich zwei neue Zerfälle starten und jeder dieser Zerfälle auch wieder je zwei weitere, so findet nicht nur eine Kettenreaktion, sondern eine immer schneller werdende Kettenreaktion statt.

• Nenne Einsatzgebiete für die Energie, die durch radioaktive Zerfälle oder Kernspaltungen frei wird.

  Tipps

  Bei der Kernspaltung wird viel Energie in Form von Strahlung und beschleunigten Neutronen frei.

  Die Energie wird als Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung frei und kann sehr gefährlich für den Körper sein. Zudem werden auch Neutronen frei.

  Manchmal wird aber gerade die zerstörerische Wirkung von radioaktiver Strahlung auf den Körper benutzt, um z.B. Krebs zu heilen.

  Lösung

  Mit der Kernspaltung erzeugt man in erster Linie radioaktive Strahlung, mit dieser kann man dann Strom erzeugen oder Krebs behandeln. Dann haben wir einen Zerfall, bei dem radioaktive Strahlung entsteht, also einen "radioaktiven Zerfall". Dabei werden meist auch Neutronen frei, die dann neue Kernspaltungen erzeugen können, das wird z.B. in Atomkraftwerken gebraucht.

  Unter radioaktiver Strahlung versteht man das Freiwerden von Heliumkernen (Alpha-), Elektronen (Beta-Minus-) oder elektromagnetischen Strahlen (Gammastrahlung).

  Die schnelle Reaktion und das schnelle Freiwerden von Energie macht es auch möglich Bomben zu bauen.

  Was man allerdings nicht machen sollte, ist damit zu grillen. Theoretisch kann man damit schon grillen, da ja enorm viel Wärme entsteht, aber daneben zu stehen oder das Essen zu essen wäre eher tödlich!

• Erkläre die Wirkung der Kernkräfte.

  Tipps

  Gleiche Ladungen stoßen sich ab.

  Neutronen sind ungeladen.

  Wenn ein Kern zerfällt, sind die entstehenden Kerne kleiner als der vorherige.

  Lösung

  Wir haben im Kern zwei anziehende Kräfte, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Diese wirken zwischen den benachbarten Teilchen, Protonen und Neutronen. Sie besitzen aber nur eine sehr kurze Reichweite.
  Im Kern gibt es auch eine abstoßende Kraft mit großer Reichweite. Die weitreichende Kraft ist die Coulomb-Kraft, sie bewirkt eine Abstoßung der Protonen voneinander. Die Coulomb-Kraft wirkt nicht auf die ungeladenen Neutronen.
  Hat der Kern zu viele Protonen und überwiegt damit die Coulomb-Kraft die stabilisierenden Kräfte im Kern, zerfällt der Kern unter Abgabe von $\alpha$- oder $\beta^+$-Strahlung, um die Zahl der Protonen zu senken. Hat der Kern genug Energie, kann er auch durch Kernspaltung in zwei kleinere Kerne gespalten werden. Dies ist aber auf der Erdoberfläche nur mit künstlich zugeführter Energie möglich.

  Ausblick in die Zukunft
  Da die Neutronen die anziehenden Kräfte verstärken, sind rein rechnerisch sehr schwere Kerne möglich, die wieder stabil sind, sodass sie genug Neutronen besitzen, um die Coulomb-Kraft zu kompensieren. Ob es uns gelingt diese Kerne herzustellen, ist aber eher fraglich.