1. Atome und Radioaktivität

- Atome bestehen aus einer positiv geladenen Masse
- Darin sind negativ geladene Elektronen eingebettet (wie Rosinen im Kuchen)
- Das Atom ist elektrisch neutral (gleich viele positive und negative Ladungen)

Problem: Dieses Modell konnte spätere Experimente nicht erklären.

Beobachtung:
- Die meisten Teilchen flogen ungestört durch die Folie
- Einige Teilchen wurden abgelenkt
- Wenige Teilchen wurden stark zurückgeworfen

Schlussfolgerung:
- Das Atom besteht hauptsächlich aus leerem Raum
- Im Zentrum befindet sich ein kleiner, positiv geladener Kern
- Die Elektronen bewegen sich in großem Abstand um den Kern

Dies ist das Kern-Hülle-Modell.

Das Ölfilm-Experiment ist eine klassische Methode zur Abschätzung der Größe eines Moleküls:

Durchführung:
1. Ein Tropfen Octansäure (bekanntes Volumen V) wird auf eine Wasseroberfläche getropft
2. Der Tropfen breitet sich zu einem monomolekularen Film aus
3. Die Fläche A des Films wird gemessen (z. B. mit Lineal und Gitterfolie)

Auswertung:
Die Dicke des Films entspricht ungefähr dem Durchmesser eines Moleküls:

d = V / A

Typisches Ergebnis: d ≈ 1 nm = 10⁻⁹ m

Der Atomkern besteht aus zwei Arten von Teilchen:

1. Protonen (p⁺)
- Positive elektrische Ladung (+e)
- Masse: ca. 1,67 · 10⁻²⁷ kg

2. Neutronen (n⁰)
- Elektrisch neutral (keine Ladung)
- Masse: ca. 1,67 · 10⁻²⁷ kg (fast gleich wie Proton)

Nukleon = Sammelbegriff für Protonen und Neutronen

Wichtige Kennzahlen:
- Kernladungszahl (Z) = Anzahl der Protonen
- Massenzahl (A) = Anzahl der Nukleonen (Protonen + Neutronen)
- Neutronenzahl (N) = A - Z

Atome werden in der Isotopenschreibweise dargestellt:

Notation: ᴬ_Z X

- X = Elementsymbol (z.B. C für Kohlenstoff)
- A = Massenzahl (oben)
- Z = Kernladungszahl (unten)

Beispiele:
- ¹²_₆C: Kohlenstoff mit 6 Protonen und 6 Neutronen
- ²³⁸_₉₂U: Uran mit 92 Protonen und 146 Neutronen

Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl.

Beim radioaktiven Zerfall senden instabile Atomkerne Strahlung aus:

1. Alpha-Strahlung (α)
- Besteht aus Heliumkernen (²_₂He)
- Positive Ladung (+2e)
- Geringe Reichweite (wenige cm in Luft)
- Wird durch Papier abgeschirmt
- Hohe biologische Gefahr bei Aufnahme in den Körper

2. Beta-Strahlung (β)
- β⁻: Elektronen (negativ geladen)
- β⁺: Positronen (positiv geladen)
- Mittlere Reichweite (mehrere Meter in Luft)
- Wird durch Aluminiumblech abgeschirmt

3. Gamma-Strahlung (γ)
- Elektromagnetische Wellen (Photonen)
- Keine Ladung
- Sehr große Reichweite
- Nur durch dicke Blei- oder Betonschichten abschirmbar

Beim Alpha-Zerfall gibt der Kern ein Alpha-Teilchen (Heliumkern) ab:

Beispiel: Uran-238 zerfällt zu Thorium-234

²³⁸_₉₂U → ²³⁴_₉₀Th + ⁴_₂He

Regel:
- Massenzahl sinkt um 4
- Kernladungszahl sinkt um 2

Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um:

n → p + e⁻ + ν̄

Beispiel: Kohlenstoff-14 zerfällt zu Stickstoff-14

¹⁴_₆C → ¹⁴_₇N + ⁰_₋₁e

Regel:
- Massenzahl bleibt gleich
- Kernladungszahl steigt um 1

Die Halbwertszeit T₁/₂ ist die Zeit, in der die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfallen ist.

Zerfallsgesetz:

N(t) = N₀ · (1/2)^(t/T₁/₂)

- N(t) = Anzahl der Kerne zum Zeitpunkt t
- N₀ = Anfangsanzahl der Kerne
- t = verstrichene Zeit
- T₁/₂ = Halbwertszeit

Beispiele für Halbwertszeiten:
- C-14: 5.730 Jahre (Altersbestimmung)
- I-131: 8 Tage (Medizin)
- U-238: 4,5 Milliarden Jahre

Die Nuklidkarte (Segré-Diagramm) stellt alle bekannten Nuklide in einem Diagramm dar:

Achsen:
- Horizontale Achse (x): Neutronenzahl N
- Vertikale Achse (y): Kernladungszahl (Protonenzahl) Z

Jede Zelle in der Nuklidkarte steht für ein Nuklid mit einer bestimmten Kombination aus Z und N. Die Massenzahl ergibt sich als A = Z + N.

Stabile und instabile Nuklide:
- Stabile Nuklide bilden das sogenannte Stabilitätstal – ein Band, das sich durch die Mitte der Karte zieht
- Bei leichten Elementen gilt: Z ≈ N
- Bei schweren Elementen haben stabile Kerne mehr Neutronen als Protonen (N > Z), weil die Neutronen die Protonenabstoßung abpuffern

Warum braucht es Neutronen?
Protonen stoßen sich gegenseitig ab (elektrostatische Abstoßung). Neutronen wirken über die starke Kernkraft bindend, ohne zur Abstoßung beizutragen. Zu wenige oder zu viele Neutronen machen den Kern instabil.

Die Position eines Nuklids in der Karte verrät seinen bevorzugten Zerfallsmodus:

α-Zerfall in der Nuklidkarte:
Ein α-Zerfall verschiebt das Nuklid um 2 Felder nach links und 2 Felder nach unten (Z sinkt um 2, N sinkt um 2).

β⁻-Zerfall in der Nuklidkarte:
Ein β⁻-Zerfall verschiebt das Nuklid um 1 Feld nach links und 1 Feld nach oben (N sinkt um 1, Z steigt um 1).