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Atomphysik
ATOMPHYSIK
REFERAT
1. Einleitung
Die Geschichte der Radioaktivität von Stoffen
begann erst im Jahre 1896: Der französische Physiker Antoine-Henri
Becquerel entdeckte eigentlich nur durch Zufall, daß das Element Uran
radioaktive Strahlung aussendet. Er legte einen Stein mit Uranspuren auf eine
unbelichtete Fotoplatte, die nach dem Entwickeln allerdings einen stark
überbelichteten Streifen aufwies, genau an der Stelle wo die Uranspuren am
dichtesten waren. Er war sehr überrascht und entdeckte nun durch
nähere Untersuchungen die Radioaktivität.
- Der
Atomkern
Atome bestehen aus einer Hülle und einem
Atomkern, der wiederum aus vielen Bausteinen, den Nukleonen (Kernbausteinen)
zusammengebaut ist. Die Nukleonenzahl wird gebildet aus der Summe der Z Protonen
und N Neutronen in einem Kern.
Ein Proton hat eine höhere Masse als ein Elektron
und trägt positive Ladung. Ein elektrisch neutrales Neutron die gleiche
Masse wie ein Proton.
Die Ladung eines Kerns wird durch die Protonen
bestimmt, deshalb nennt man die Protonenzahl auch Kernladungszahl. Damit ein
ganzes Atom elektrisch neutral ist, muß die Kernladungszahl mit der Anzahl
der Elektronen in der Hülle übereinstimmen.
Man hat sich zur rechnerischen Zusammensetzung eines
Atomkerns folgende Schreibweise ausgedacht:
Der Atomkern X besteht aus A Nukleonen und Z Protonen.
Die Kernladungszahl ist gleich der Anzahl der Protonen, also auch Z.
Da die Nukleonen alle Bausteine sind und jeder Kern
aus nur zwei Bausteintypen besteht (Protonen Z und Neutronen N), kann man die
Anzahl der Neutronen schnell durch folgende Rechnung ermitteln: A-Z=N. Die
Neutronenzahl ist die Differenz von Nukleonen und Protonen.
- Die radioaktive
Strahlung
Radioaktive Strahlung ist eine natürliche
Stoffeigenschaft, sie wird ohne Aktivierungsenergie oder sonstiges Zutun von
manchen Stoffen ausgesendet. Eine solche Erscheinung nennt man natürliche
Radioaktivität (lat. radiare: Strahlen).
Wenn man radioaktive Strahlung durch ein Magnetfeld
strahlt, trennt sich die Gesamtstrahlung in vier verschiedene Teile: In die
negative
β-Strahlung,
die aus negativen Elektronen besteht, in die positive
α-Strahlung,
die aus positiven Ionen besteht, und in die neutrale
γ-Strahlung,
die aus elektromagnetischen Impulsen besteht.
Außerdem gibt es noch die, ebenfalls elektrisch
neutrale, energiereiche Neutronenstrahlung, die bei Kernspaltungen
entsteht.
Radioaktivität läßt sich abschirmen,
doch hier muß man die unterschiedlichen Strahlungsarten
berücksichtigen. Die Flugweite eines Teilchens bestimmt jeweils die
Reichweite der jeweiligen Strahlung.
Die Reichweite von
α-Strahlung
ist in Luft relativ gering, die positiven Ionen “fliegen“ nur wenige
Zentimeter weit.
α-Strahlung
läßt sich somit praktisch schon von einem Stück Papier oder
dünnem Kunststoff abschirmen.
Die Teilchen der negativen
β-Strahlung
haben eine höhere Reichweite. Einige Meter von der Strahlungsquelle
entfernt lassen sich diese Teilchen noch feststellen. Zum vollständigen
Abschirmen sind hier bereits Materialien wie 1cm dickes Aluminium
erforderlich.
Die Reichweite der energiereichen, elektrisch
neutralen
γ-Strahlung
ist enorm hoch. Zum Abschirmen dieser Strahlung sind Metallplatten mit einer
Dicke von 25cm oder meterdicker Beton nötig. In Frage kommen hier nur
Materialien mit sehr hoher Dichte, die die Teilchen bremsen und
zurückhalten.
Der α-Zerfall
Als Beispiel dient hier das chemische Element Radium:
Der instabile Atomkern dieses Elements strahlt ein Teilchen ab, das aus 2
Protonen und 2 Neutronen besteht. Es handelt sich also um einen Atomkern des
chemischen Elements Helium, der in dieser Form bei diesem Vorgang kurz als
Alphateilchen bezeichnet wird. Durch die Abgabe des Alphateilchens verwandelt
sich der Radiumkern: Es entsteht ein Atomkern des chemischen Elements Radon.
Der β-Zerfall
Der Vorgang des
β-Zerfalls
kann gut man Beispiel eines Cäsiumkerns mit der Nukleonenzahl 137
erklärt werden. Aus einem Neutron entstehen ein positiv geladenes Proton
und ein negativ geladenes Elektron. Das Proton bleibt im Kern und erhöht
somit die Kernladungszahl um 1, weil das Elektron als Betateilchen den Kern
verläßt. So entsteht aus dem Cäsiumkern ein Atomkern des
chemischen Elements Barium.
Die Neutronenstrahlung
Die Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen,
die keine elektrische Ladung besitzen und sich deswegen elektrisch Neutral
verhalten.
Diese Strahlungsart entwickelt sich beipielsweise
während der Kernspaltung eines Urankerns mit der Nukleonenzahl 235. Der
Urankern teilt sich auf in zwei Kerne anderer Elemente (in diesem Fall Barium
mit Nukleonenzahl 144 und Krypton mit Nukleonenzahl 89); außerdem werden
hierbei aber auch noch zusätzlich zwei oder drei Neutronen freigesetzt. Sie
haben eine relativ hohe Geschwindigkeit und sind in diesem Zustand eine sehr
energiereiche Neutronenstrahlung.
Eine Kernspaltung eines Kerns wird immer dann
ausgelöst, wenn der Kern von einem Neutron getroffen wird. Der Kern sendet
dann bei der Spaltung wieder Neutronen frei, die ihrerseits wieder Kerne spalten
können. So kann eine Kettenreaktion entstehen.
Die γ-Strahlung
Alpha-, Beta- und Neutronenstrahlung gehören zur
sogenannten “Korpuskularstrahlung“ (lat. corpus: der Körper,
Gegenstand), die aus kleinsten Materieteilchen besteht.
Bei der Gammastrahlung hingegen handelt es sich um
keine Strahlung, die aus kleinsten Teilchen o.ä. besteht. Vielmehr handelt
es sich hierbei um elektromagnetische Wellenimpulse, die von energiereichen
Atomkernen abgegeben werden können. Die Impulse verlassen den Kern mit
Lichtgeschwindigkeit als sogenannte Gammaquanten und haben ähnlich den
Röntgenstrahlen eine äußerst hohe Durchdringfähigkeit,
deswegen läßt sich
γ-Strahlung
nur durch großen Aufwand abschirmen.
Die Halbwertszeit eines Stoffes bestimmt den
Zeitraum, in dem jeweils die Hälfte des Stoffes zerfällt. Während
dieser Zeit sinkt auch die Zahl der Zerfälle in einer
Sekunde.
Jede Kernart besitzt eine andere, charakteristische
Halbwertszeit.
3. Die Maßeinheiten in der Atomphysik
Das Messen von Radioaktiver Strahlung
Kein Lebewesen hat mit seinen Sinnesorganen die
Fähigkeit, radioaktive Strahlung wahrzunehmen.
Radioaktivität kann nur mit Meßgeräten
nachgewiesen werden. Es gibt mehrere mehr oder weniger gute Verfahren, daß
bekannteste und meist auch genaueste Gerät zur sicheren Bestimmung von
Radioaktivität ist das Geiger-Müller-Zählrohr (oder kurz
Geigerzähler).
Mit diesem Gerät läßt sich die Anzahl
von Strahlungsimpulsen in einer bestimmten Zeiteinheit messen. Entsprechend gut
geeichte Geräte sind auch in der Lage, ganz geringe Strahlungsdosen im
Alltag aufzunehmen und zu bestimmen.
Die Einheit BECQUEREL
Die Maßeinheit für die Aktivität eines
Stoffes ist das Becquerel (Bq), daß nach dem Entdecker der
Radioaktivität benannt worden ist.
Unter der Aktivität eines Stoffes versteht man
die Anzahl der Kerne, die sich in einer Sekunde umwandeln und dadurch einen
Strahlungsimpuls abgeben.
Formel: Beispiel:
Anzahl der Umwandlungen
10 Kernumwandlungen
Aktivität Bq=
-------------------------------------- --------------------------------=8
Bq Zeit 1s
Die Einheit SIEVERT
Die Aktivität eines Stoffes erlaubt kaum
Rückschlüsse auf die Wirkung der Radioaktivität auf Mensch und
Tier zu machen.
Um die sogenannte biologische Wirksamkeit von
radioaktiver Strahlung zu ermitteln, muß die Masse des betroffenen
biologischen Objekt (Mensch, Tier, Pflanze) in Bezug zu der tatsächlich
aufgenommenen Energie gesetzt werden; außerdem ist die Art der
hauptsächlich wirksam gewordenen Strahlung ein wesentlicher Faktor
(α-Strahlung
schädigt die Zellstruktur am meisten). Maßeinheit für die so zu
errechnende Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv).
Anmerkung: Die früher oft verwendete Einheit rem
ist seit dem Unfall von Tschernobyl von der Einheit Sievert abgelöst
worden, da es sich beim rem um den hundertsten Teil der Maßeinheit Sievert
handelt. Um die hohen Dosen der Personen im heutigen Sperrgebiet besser
beschreiben zu können, eignet sich die “modernere“ Einheit
besser, zumal diese auch international verständlich ist.
Übrigens: Mit der Angabe der reinen
Äquivalentdosis – also der aufgenommenen Strahlenart und Strahlenart
– kann die biologische Wirksamkeit der Strahlung auf das lebende Gewebe
noch nicht völlig erfaßt werden. Selbstverständlich muß
auch der Faktor Zeit berücksichtigt werden: Es macht doch einen
Unterschied, ob die gleiche Dosis in einem länger oder kürzer
andauernden Zeitraum zur Wirkung kommt. Beispiel: Wenn man sich im Urlaub jeden
Tag 10 Minuten in der Sonne aufhält ist das unschädlich. Sollte man 8
Stunden in der Sonne verweilen, ist die Wirkung der Sonne (die ja übrigens
auf die Haut eine ähnlich zellschädigende Wirkung hat) viel
größer: Der Sonnenbrand ist da.
- Energiegewinnung im
Atomkraftwerk
Atom- oder Kernkraftwerke (ab jetzt AKW genannt)
arbeiten im wesentlichen wie “normale“ Wärmekraftwerke (Kohl,
Öl, Gas): Hochdruck-Wasserdampf treibt eine Turbine, deren Rotationsenergie
im angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt
wird.
Der Unterschied liegt in der Art des verwendeten
Brennstoffs, aus dem die Wärmeenergie zur Erzeugung des heißen
Dampfes entsteht.
In den Leistungsgeneratoren (also den Kraftwerken) der
heutigen Zeit (sogenannte LWR: Leichtwasserreaktoren, das heißt
gewöhnliches “leichtes“ Wasser als Kühlmittel) wird als
Brennstoff vorwiegend das Element Uran verwendet, bei dessen Kernspaltung
erhebliche Mengen an Wärmeenergie frei werden.
Der Brennstoff befindet sich in langen, relativ
dünnen Brennstäben aus Metall, die bündelweise zu Brennelementen
zusammengefaßt sind. Zwischen den Brennelementen ist Raum für die
Steuervorrichtung. Diese Steuervorrichtungen sind Regel- oder Steuerstäbe,
die aus einem speziellen Material bestehen (in der BRD immer Borcabid), das die
Eigenschaft hat, freie Neutronen einzufangen und zu absorbieren. Durch Ein- und
Ausfahren der Regelstäbe läßt sich die Leistung eines Reaktors
kontinuierlich regulieren. Zum Abschalten eines Reaktors werden einfach alle
Regelstäbe vollständig in den Reaktorkern eingefahren, so daß
die Kettenreaktion im Brennstoff zum Erliegen kommt.
Die Brennelemente sind von Wasser (H2O)
umgeben, daß in den Reaktoren dieser Art zwei wichtige Aufgaben auf einmal
erfüllt:
- Das Wasser dient als Kühlmittel. Das
Kühlmittel übernimmt die entstehende Wärmeenergie und führt
sie aus dem Reaktorkern heraus.
- Das Wasser dient als Moderator. Der Moderator im AKW
bremst die Geschwindigkeit der Neutronen, die bei der Kernspaltung frei
werden.
Die Moderatorfunktion ist
für den Betrieb eines Reaktors physikalisch unerläßlich, da die
entstehenden Neutronen viel zu schnell sind, um eine Kettenreaktion verursachen
zu können. Das Wasser bremst diese Neutronen, denn erst mit einer erheblich
verringerten Geschwindigkeit sind sie in der Lage, in die Atomkerne des
Brennstoffs einzudringen und deren Spaltung zu bewirken.
Der Reaktorkern befindet sich im stählernen
Reaktordruckgefäß. Es ist von einer Betonkammer (dem sogenannten
Containment) umgeben, durch deren ca. zwei Meter dicke Wände die
radioaktive Strahlung abgeschirmt wird. Dies verhindert das einerseits die
Umwelt Schaden nimmt und andererseits das die für den Reaktor
lebenswichtigen Neutronen verloren gehen.
- Die unterschiedlichen
Kraftwerkstypen
Der Siedewasserreaktor (SWR) arbeitet
theoretisch wie ein Topf mit kochendem Wasser: Die Brennstäbe erhitzen
sich, so daß das Wasser zu sieden beginnt und teilweise in den
dampfförmigen Zustand übergeht.
Die Dampftemperatur beträgt im SWR etwa 290°
Celsius; der Druck liegt um die 70 bar. Dieser Hochdruck-Wasserdampf wird aus
dem Reaktorbehälter hinausgeführt und direkt in die
angeschlossene Turbine geleitet. Nachdem die Turbine durchströmt ist, hat
der “verbrauchte“ Dampf nur noch wenig Wärmeenergie, der Druck
ist auf unter 2 bar herabgesunken. Im Kondensator wird der Dampf durch weitere
Kühlung wieder verflüssigt. Das nun zurückgewonnene Wasser
gelangt erneut in den Reaktorkreislauf.
Beim Druckwasserreaktor (DWR) ist der
Betriebsdruck, der im Reaktorbehälter herrscht, mehr als doppelt so hoch
wie im Siedewasserreaktor: ca. 150 bar. Hierdurch wird erreicht, daß sich
der Siedepunkt des Wassers wesentlich erhöht – sogar bei Temperaturen
von über 300° Celsius bleibt es in flüssigem
Zustand.
Das hocherhitzte Wasser fließt vom
Reaktorbehälter in einen Wärmeaustauscher, wo ein Teil der
Wärmeenergie durch metallene Rohre an einen zweiten
Sekundärwasserkreislauf gegeben wird, dessen Betriebsdruck geringer ist, so
daß sich im Wärmeaustauscher (“Dampferzeuger“)
Wasserdampf bilden kann. Dessen Temperatur und Druck (etwa 280°C. und 50
bar) reichen aus, um die Turbine anzutreiben. Der weitere Kreislauf
verläuft wie beim Siedewasserreaktor.
Druckwasserreaktoren haben den Vorteil, daß die
Anlagen des Sekundärkreislaufs nicht radioaktiv kontaminiert sind, weil das
radioaktiv verunreinigte Kühlmittel in geschlossenen Primärkreislauf
geführt wird. Notwendige Reparaturen im Turbinenkreislauf lassen sich
deswegen einfacher und schneller erledigen, so daß die durchschnittliche
Verfügbarkeit (sogenannte Netzspeisezeit) besonders hoch ist.
Außerdem sind die Genehmigungsgebühren und Schutzgebühren
für so einen Reaktor niedriger, daß die Energiefirmen diese Anlagen
bevorzugen.
In der Sicherheit gibt es allerdings keine
Unterschiede, weil alle Anlagen von unabhängigen Instituten geprüft
werden und strenge Sicherheitsauflagen erfüllt werden
müssen.
In der Bundesrepublik sind sieben Siedewasserreaktoren
und vierzehn (doppelt soviele, Gründe s.o.) Druckwasserreaktoren am Netz
der öffentlichen Stromversorgung. Außerdem gibt es drei
Versuchreaktoren, von denen einer allerdings von einem benachbarten
Kohlekraftwerk versorgt wird, weil es bei den Versuchen in diesem Zentrum zu
gefährlich wäre, “echte“ Bedingungen zu
haben.
Es gibt noch eine Vielzahl anderer Reaktortypen, auf
deren Funktionsweise ich aber nicht weiter eingehen möchte, weil dies den
Rahmen dieser Zusammenfassung sprengen würde. Wegen der
Vollständigkeit seien sie jedoch kurz erwähnt:
- Hochtemperaturreaktoren
(HTR) erreichen gegenüber den SWR und DWR Temperaturen von über
1000° und beziehen ihren Brennstoff aus tennisballgroßen Kugeln
(“Kugelhaufenreaktor“). In der Bundesrepublik ist der Betrieb dieser
Reaktoren nicht mehr erlaubt.
- Der
Thorium-Hochtemperaturreaktor mit 300 Megawatt elektrischer Leistung
THTR-300, der Prototyp dieses Reaktors, war bis Ende 1989 in Hamm-Uentrop
in Betrieb.
- Schnelle Brutreaktoren
(SBR) (“Schneller Brüter“) verwenden schnelle, ungebremste
Neutronen. Das Kühlmittel ist Natrium, als Moderator dienen schwierigere
Regelanlagen. Der “Schnelle Brüter“ ist sicherlich die
größte Fehlinvestition der deutschen Energiegeschichte. Der
fertiggebaute Reaktor in Kalkar war nur bei einem Test 20 Sekunden in Betrieb,
jetzt dient er als Kernkraftmuseum.
- Eine Reaktorart, die in
Deutschland nie erlaubt wurde, hat am 26.04.1986 auf der ganzen Welt Aufsehen
erregt: Um 9:11 geschah hier der größte Unfall
(GAU=Größter anzunehmender Unfall unter versagen aller
Schutzmaßnahmen) in der Geschichte der friedlichen Nutzung von
Radioaktivität. Der 3. Reaktorblock des RBMK-1000-Reaktors, der in
Deutschland verboten ist, explodierte aufgrund eines schwerwiegenden
Bedienungsfehlers (!).
- Die Radioaktivität in der
Medizin
- Jeder Mensch, der schon
einmal geröngt wurde, mußte sich radioaktiver Strahlung aussetzen.
Auch hier findet man viele Punkte bestätigt, mit denen man sich beim Thema
Atomphysik beschäftigt hat. Zum Schutz anderer Organe werden nicht zu
durchleuchtende Körperteile mit Bleiwesten abgehangen. Auch verlassen die
Angestellten den Raum, wenn “die Bilder geschossen
werden“.
Das Prinzip ist theoretisch
einfach: Körperteile mit hoher Dichte lassen weniger Strahlung durch als
Weichteile, Knochen erscheinen auf dem Film anschließend hell. Dort wo der
Knochen gebrochen ist können Strahlen durchdringen und belichten das
Fotopapier. Nun hat man auch den Bruch auf dem Bild...
- Auch bei
Durchblutungsstörungen kommt Strahlung zum Einsatz: Man injiziert dem
Patienten eine radioaktive Lösung die dann den Laufweg des Blutes auf einem
Meßgerät sichtbar macht. Jetzt kann man erkennen, wo in der Arterie
(z.B. Herzmuskel / Kranzgefäße) eine Verkalkung vorliegt.
- Auch bei
Schilddrüsenerkrankungen kommt Radioaktivität vor. Zerstörtes
Gewebe der Schilddrüse speichert kein Jod (das für diesen
diagnostischen Zweck strahlt) mehr, auf dem Meßgerät kann man den
Umfang eines Geschwulstes sofort deutlich erkennen.
- In der Krebstherapie wird
neben der häufiger angewandten Chemotherapie auch Strahlentherapie
verwendet, um die zerstörten Zellinformation einer Krebszelle ganz zu
vernichten und die Zelle so abtöten. Ein weiteres Teilen dieser
bösartigen Geschwulst kann bei richtiger Anwendung fast ausgeschlossen
werden.
Literatur / Quellen
Kernenergie, Jürgen Seidel (Hrsg.), Econ Verlag
1992
Physik für Gymnasien, Cornelsen Verlag (Band
2)
Institut für Nuklearmedizin und
Röntgendiagnostik (Internet)
Kerne - Bitte nur für Frieden
URENCO, Firma für Urananreicherung in Ahaus,
Bevölkerungsinformation
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