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Radioaktivität – Aspekte und Ursachen 09:57 min

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Transkript Radioaktivität – Aspekte und Ursachen

Hallo. In diesem Video geht es um Aspekte und Ursachen der Radioaktivität. Wahrscheinlich kennst du dieses Gesicht. Und wahrscheinlich kennst du auch eine berühmte Formel dieses Mannes. Doch weißt du auch, was Albert Einsteins Formel bedeutet und was sie mit der Radioaktivität zu tun hat? Die Antworten gibt es in diesem Video. Um den Inhalten in diesem Video folgen zu können, wäre es gut, wenn dir die Atommodelle von Bohr und Rutherford bekannt sind und dir die Symbolschreibweise der Kerne vertraut ist. Denn zu Beginn wollen wir nur kurz den Aufbau der Atome wiederholen. Dies ist eine Voraussetzung für das Verständnis der Radioaktivität. Zum Schluss zeige ich dir, welcher Nutzen und welche Gefahren in diesem Phänomen stecken. Beginnen wir also mit dem Atomaufbau. Das Atommodell von Ernest Rutherford beschreibt einen positiv geladenen Kern und negativ geladene Elektronen in der Hülle. So ein Atom ist dabei schon unglaublich winzig. Aber der Atomkern ist nochmal 4 bis 5 Größenordnungen kleiner. Im Vergleich wäre der Atomkern so groß wie ein Kirschkern, dann wäre die Hülle ungefähr so groß wie die Freiheitsstatue in New York. Der Kern besteht wiederum aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen. Dabei war es eine wichtige Erkenntnis aus dem Rutherfordschen Versuch, dass der Atomkern fast die gesamte Masse des Atoms in sich birgt. Protonen und Neutronen sind ungefähr gleich schwer, aber sie sind ca. 2000 mal schwerer als ein Elektron aus der Hülle. Bei der Bezeichnung der Kerne oder auch Nuklide gibt es nun einige Unterschiede. Das Wort Nuklide kommt vom lateinischen Nukleus, was Kern bedeutet und ist ein durch Massenzahl und Kernladungszahl eindeutig charakterisierter Atomkern. Das normale Heliumnuklid besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Die Massenzahl ist also vier und die Kernladungszahl zwei. Es gibt aber auch Sonderformen des Heliums. Diese haben zum Beispiel ein Neutron weniger oder mehr. Diese Nuklide mit gleicher Protonenzahl, also gleicher Kernladungszahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl und damit unterschiedlicher Massenzahl nennt man Isotope. Doch sollten sich die positiven Protonen im Kern nicht aufgrund der Coulombkraft gegenseitig abstoßen? Richtig, aber es gibt noch die starke Wechselwirkung oder einfach nur Kernbindungskraft, die zwischen allen Kernbestandteilen wirkt, also auch zwischen Proton und Proton. Diese hat nur eine sehr kurze Reichweite, die kleiner ist als der Durchmesser der meisten Kerne. Sie ist aber wesentlich stärker als die Coulombabstoßung. Sie sorgt dafür, dass der Kern zusammenhält bzw. stabil ist. Doch es gibt auch instabile Kerne, wie zum Beispiel Uran 238. Sie neigen dazu, zu zerfallen. Und genau damit sind wir auch schon bei der Radioaktivität. Das lateinische Wort Radius bedeutet so viel wie Strahl und somit ist die Radioaktivität die Strahlungsaktivität. Sie beschreibt die Eigenschaft instabiler Kerne, sich unter Aussendung von energiereicher Strahlung in andere Kerne umzuwandeln. Ein Uran 238 Kern kann sich zum Beispiel zu einem Thorium 234 Kern umwandeln. Dafür spaltet es zwei Neutronen und zwei Protonen ab. Das Spannende daran ist, dass die Masse der Zerfallsprodukte leichter ist als der ursprüngliche Uran 238 Kern. Diese Erscheinung nennt man den Massendefekt. Und jetzt kommt Albert Einstein ins Spiel. Dieser veröffentlichte 1905 eine Arbeit, in der er die Äquivalenz von Energie und Masse erklärte. Änderung der Energie ist gleich der Änderung der Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Die Bedeutung dieser Aussage besteht darin, dass aus einer Massenveränderung eine Energieänderung folgt. Die fehlende Masse der Zerfallsprodukte steckt sozusagen in der Energie der Strahlung. Der neue Thorium Kern ist ebenfalls radioaktiv und somit wird eine ganze Zerfallsreihe ausgelöst. Das Ganze geht so lange, bis ein stabiles Nuklid entstanden ist, das nicht weiter zerfällt. Das kann schon mal eine ganze Weile dauern. Manche Zerfälle laufen binnen Millisekunden ab, bei anderen kann es Jahrhunderte dauern. Die Zerfälle erfolgen spontan und können nicht vorherbestimmt werden. Uran 238 und Caesium 137 sind dabei natürliche Radionuklide. Sie sind radioaktiv und kommen in der Natur frei vor. Meist sind diese Kerne sehr groß, was man an der hohen Massenzahl erkennt. Oder es handelt sich wie bei Kohlenstoff 14 um Isotope mit einem Neutronenüberschuss. Solche Kerne sind instabil, da die kurzreichweitige Kernkraft sie nicht mehr zusammenhalten kann und zerfallen spontan. Es ist aber auch möglich, Radionuklide künstlich herzustellen, indem man stabile Nuklide mit Neutronen oder Protonen beschießt. Auf diese Weise konnte man bisher schon ungefähr 2400 neue Nuklide herstellen. Diese künstlichen Radionuklide werden vor allem in der Medizin und der Technik verwendet, so zum Beispiel das Jod 123, das zur Untersuchung der Schilddrüsenfunktion eingesetzt wird. Es zeigt sich also, dass die radioaktive Strahlung von Nutzen sein kann. Sie birgt aber auch immense Gefahren für unsere Welt. Zu den nützlichen Aspekten zählt neben der Schilddrüsenuntersuchung auch die gezielte Bestrahlung von Krebszellen, um diese abzutöten. In der Technik wird die so genannte Durchstrahlungsmethode benutzt, um Werkstoffe auf Einschlüsse zu untersuchen. Die bekannteste Anwendung ist jedoch das Kernkraftwerk zur Gewinnung von Energie. Doch genau diese Kraftwerke stehen immer wieder in der Kritik. Neben der ungelösten Frage, was mit dem Atommüll passieren soll, stellt sich die Frage nach der Sicherheit solcher Anlagen. Leider hat uns die Katastrophe von Fukushima 2011 die Gefahr erneut deutlich gemacht. Überall, wo radioaktive Strahlung austritt, ist das schädlich für alle Lebewesen. Sie kann Zellen zerstören und das Erbgut schädigen. Schlimme Folgen davon sind das Entstehen von Krebs oder sogar Erbkrankheiten. Deshalb ist die Atombombe auch eine der schlimmsten Waffen, die jemals entwickelt wurde, da die betroffenen Gebiete selbst Jahrzehnte nach ihrem Abwurf noch immer radioaktiv verseucht sind. Was haben wir heute also gelernt? Ein Atomkern oder auch Nuklid genannt besteht aus Protonen und Neutronen. Versionen mit mehr oder weniger Neutronen heißen Isotope. Sehr große oder neutronenreiche Kerne zerfallen spontan und wandeln sich in neue Kerne um. Dabei wird über den Massendefekt energiereiche radioaktive Strahlung frei. Es gibt natürliche und künstliche Radionuklide. Wobei vor allem die künstlichen in Medizin und Technik Verwendung finden. Doch die Gefahren von Radioaktivität dürfen nicht unterschätzt werden. Zum Schluss noch eine Anregung. Weißt du eigentlich, welche Einstellung deine Eltern oder Großeltern zum Thema Atomkraft haben? Frag sie doch mal. Vielleicht fragst du sie auch nach der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986. Das ist vielleicht kein angenehmes Thema, aber ein wichtiges.

7 Kommentare
  1. Danke für das tolle Video!!

    Von Jeannette Bender, vor etwa einem Monat
  2. Sehr gutes Video! Hat mir echt weiter geholfen

    Von Jijibat999, vor 7 Monaten
  3. @Karsten Schedemann
    Vielen Dank für die ausführliche Erklärung. Jetzt habe ich es vollständig verstanden! Danke :)

    Von Michelle S., vor etwa 2 Jahren
  4. @Michelle S.
    Radioaktive Strahlung wirkt ionisierend, diese Ionisierung zerstört, gezielt eingesetzt organisches Gewebe, also auch Krebsgewebe.

    "Gezielt" meint hier, über einen kurzen Zeitraum mit höherer Intensität möglichst nur auf den Krebs gerichtet. Hierbei schädigt die Strahlung die Erbsubstanz der Krebszelle, sodass die Zellteilung zum Erliegen kommt und die Zellen absterben. So werden im optimalen Falle Tumore kleiner oder verschwinden sogar ganz.

    Die Entstehung von Krebs ist da eher ein langsamerer Prozess. Der aber definitiv durch radioaktive Strahlung begünstigt wird. Hier kommt es auf die Dosis an die der Körper aufnimmt.

    Geringe Dosen, wie durch die natürliche Hintergrundstrahlung sind verhältnismäßig harmlos. Hinweise mehren sich, dass niedrige Dosen Schutzreaktionen im Körper auslösen, die Schäden an der DNA verhindern, reparieren oder gar beseitigen können.
    Höhere Dosen können aber die Gene zerstören und auch Krebs entstehen lassen. Hierbei werden durch die radioaktive Strahlung Mutationen, also Änderungen im genetischen Code hervorgerufen, die eben zu einer Schädigung des Erbmaterials (DNA) führen.

    Von Karsten Schedemann, vor etwa 2 Jahren
  5. Was ist der Zusammenhang zwischen "Nutzen: geziehlte Strahlung von Krebszellen" und "Gefahren: Krebs kann entstehen"? Können diese radioaktiven Strahlen Krebs schaffen und gleichzeitig Krebs hemmen?

    Von Michelle S., vor etwa 2 Jahren
  1. wow dieses Video ist richtig gut!!!!! Unsere Lehrerin hat nicht mal ein Viertel dieser ganzen Sachen gesagt! Jetzt verstehe ich das Thema schon DEUTLICH besser! Danke:)

    Von Naomi Maya, vor mehr als 2 Jahren
  2. Von Elisa Schubert, vor mehr als 4 Jahren
Mehr Kommentare

Radioaktivität – Aspekte und Ursachen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Radioaktivität – Aspekte und Ursachen kannst du es wiederholen und üben.

  • Ordne den Begriffen ihre Definition zu.

    Tipps

    Beginne mit den Begriffen, die du sicher weißt.

    Bei einer Definition kommt es auf die Schlüsselwörter an.

    Lösung

    In der Atom- und Kernphysik gibt es viele Fachbegriffe. Diese dienen einer einheitlichen Beschreibung und somit auch einem besseren Verständnis.

    Das Nuklid bezeichnet einen Kern, mit einer definierten Kernladungszahl und Massenzahl. Zum Beispiel ist Kohlenstoff-12 ein Nuklid, genau wie Kohlenstoff-14.

    Besitzt ein Element mehrere unterschiedliche Nuklide, ist jedes dieser Nuklide ein Isotop des Elements. In unserem Beispiel sind die Nuklide C-12 und C-14 beide Isotope des Elements Kohlenstoff.

    Besonders wichtig in diesem Video sind die Radionuklide, also die Kerne, die zerfallen und dabei Strahlung abgeben. Von diesen Radionukliden gibt es natürliche Kerne, die man so in der Natur finden kann. Zudem hat man immer wieder versucht, neue Kerne herzustellen. Dabei hat man Kerne mit weiteren Protonen und Neutronen beschossen. Diese Kerne nennt man künstliche Kerne. Wenn das entstandene Nuklid radioaktiv ist, ist es ein künstliches Radionuklid. Alle Isotope findet man auf der sogenannten Isotopentafel. Hier kann man auch die Zerfallsreihen aus der gelisteten Zerfallsart herleiten. Diese endet immer mit einem stabilen Nuklid. So endet die natürliche Uran-Zerfallsreihe beispielsweise mit Blei.

  • Erkläre den Aufbau des Kerns mit dem Atommodell von Rutherford.

    Tipps

    Stelle dir das Atom bildlich vor.

    Lösung

    Rutherford wollte das sogenannte Rosinenkuchenmodell von Thomson bestätigen, um endlich eine klare Atomvorstellung zu haben. Dazu führte seine Arbeitsgruppe den berühmten Streuversuch durch. Durch dieses Experiment wurde das Atommodell jedoch widerlegt. Also formulierte Rutherford ein eigenes.

    Zudem zeigt sich in dem Beispiel, dass auch Strafarbeiten sinnvoll sein können. Einer seiner Assistenten wurde wegen eines Fehlverhaltens bestraft und musste über Nacht die andere Hälfte des Strahlungsfeldes erfassen, obwohl sich Rutherford davon nichts erhoffte. Dabei wurden jedoch die entscheidenden Erkenntnisse gewonnen.

  • Berechne die verlorene Masse.

    Tipps

    Giga (G) steht für $1\cdot 10^9$.

    c = 2,99 $\cdot$ 10$^8 \frac{m}{s}$

    Lösung

    Zunächst schauen wir, was gegeben und gesucht ist.

    Gegeben: $\Delta$E = 468,79 GJ, c = 2,99 $\cdot$ 10$^8~\frac{m}{s}$

    Gesucht: $\Delta$m in mg

    Gleichung: $E=m \cdot c^2$

    Diese stellen wir um:

    $\Delta m = \dfrac{\Delta E}{c^2}$

    Dann brauchen wir nur noch einsetzen, dabei müssen wir auf die Einheiten achten.

    $\Delta m = \dfrac{468,79 \cdot 10^9 J}{(2,99 \cdot 10^8 \dfrac{m}{s})^2}= 5,24 \cdot 10^{-6} kg = 5,24 mg$

  • Gib die richtigen Aussagen zur Kernenergie an.

    Tipps

    Warum planen wir den Atomausstieg?

    Welche Folgen hat dieser Umstieg auf unsere Strompreise?

    Lösung

    Kernenergie hat mehrere Vorteile. In dem spaltbarem Material ist eine gewaltige Energie gespeichert, die sehr gut in Kraftwerken genutzt werden kann. Zudem werden bei der Stromerzeugung keine Treibhausgase frei und es gibt noch sehr große Reserven von spaltbarem Material.

    Auf der anderen Seite gibt es aber auch viele Nachteile, wie die Langzeitschäden durch einen Gau als „größtmöglichem Unfall". So ein Unfall ist sowohl in Tschernobyl wie auch in Fukushima passiert. Und zum anderen ist es immer noch ungeklärt, wie man die großen Mengen Atommüll endlagern soll.

    Die Medien sprechen auch häufig von einem „Super-Gau", was jedoch eigentlich eine unmögliche Steigerungsform ist.

  • Erkläre die Stabilität und Instabilität von Kernen.

    Tipps

    Was würde passieren, wenn die Coulombkraft stärker wäre als die anderen Kräfte?

    Lösung

    Der Kern wird in der Summe durch alle wirkenden Kräfte zusammengehalten. Um den Kern zu stabilisieren, weisen die Kerne mit zunehmender Kernladungszahl immer mehr Neutronen auf. Zum Beispiel besitzt Helium nur zwei Protonen und zwei Neutronen, Uran dagegen besitzt 92 Protonen und 146 Neutronen. Dennoch sind die meisten größeren Kerne nicht stabil.

  • Erkläre das Wort Massendefekt und die Gleichung $E=m \cdot c^2$.

    Tipps

    Wenn du dich mit der Erklärung von komplexen Begriffen beschäftigst, ist es immer hilfreich, dir die Gesetzmäßigkeiten bildlich vorzustellen.

    Aus der angegebenen Gleichung kannst du die Abhängigkeiten gut ablesen.

    Lösung

    Die relativistische Betrachtung von klassischen Naturkonstanten, wie Masse und Zeit, hatte zur Folge, dass es im relativistischen Betrachtungssystem nur noch eine einzige Naturkonstante gibt, die alle anderen Größen definiert. Das ist die Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum.

    Dies war die erste Erweiterung der physikalischen Betrachtungsweise seit Newton seine Gesetze der Mechanik formuliert hatte. Seit diesem Zeitpunkt mussten diese für alle physikalischen Gesetze erfüllt sein. Erst Einstein postulierte Gesetzmäßigkeiten, die bewusst Newton widersprachen.

    Zudem ist interessant, dass zwar $E=m \cdot c^2$ die bekannteste Gleichung von Einstein ist, er seinen Nobelpreis jedoch nicht dafür erhalten hat.