Grundlagen der Kernphysik und Thermochemie

Analyse eines Energiediagramms

Grafik:

• a) Energie des Produktes: ca. 30 kcal
• b) Energie der Reagenzien: unter 20 kcal
• c) ΔH (Reaktionsenthalpie): 30 - 20 = 10 kcal (endotherm, da ΔH positiv ist)
• d) Aktivierungsenergie (EA): 70 - 20 = 50 kcal
• e) Katalysator: Senkt die Aktivierungsenergie (untere Kurve)

Was sind Alpha-, Beta- und Gamma-Emissionen?

Die Alpha-Strahlung tritt auf, wenn ein instabiler Atomkern ein Alpha-Teilchen emittiert. Dabei verringert sich die Ordnungszahl um zwei und die Massenzahl um vier Einheiten. Diese Teilchen besitzen eine positive elektrische Ladung, eine geringe Durchdringungskraft, aber eine hohe Ionisierungswirkung in der Luft.

Beim Beta-Zerfall wandelt sich ein instabiler Kern durch die Emission von Beta-Teilchen um. Diese Teilchen tragen eine negative elektrische Ladung, haben eine geringe Masse und eine 50- bis 100-mal höhere Durchdringungskraft als Alpha-Teilchen. Sie können bis zu 2 cm in den menschlichen Körper eindringen und schwere gesundheitliche Schäden verursachen.

Gamma-Emissionen sind elektromagnetische Wellen (ähnlich wie Licht). Sie besitzen eine deutlich höhere Durchdringungskraft als Alpha- und Beta-Teilchen. Mit abnehmender Masse und zunehmender Geschwindigkeit steigen die Energie und das Durchdringungsvermögen der radioaktiven Emission.

Was ist eine Kernreaktion?

Kernreaktionen sind Wechselwirkungen zwischen nuklearen Teilchen und Atomkernen. Dabei verändern sich ein oder mehrere Atomkerne durch Verschmelzung oder Spaltung. Im Gegensatz zu chemischen Reaktionen sind hier die Atomkerne beteiligt, nicht die peripheren Elektronen. Kernreaktionen können durch Gleichungen dargestellt und ausgeglichen werden.

Kernspaltung und Kernfusion

Kernspaltung

Bei der Kernspaltung reagiert ein Neutron mit einem schweren Atomkern (z. B. Uran), der in zwei kleinere Kerne (Spaltprodukte) zerfällt. Dabei werden neue Neutronen und große Mengen an Wärmeenergie freigesetzt. Die freigesetzten Neutronen können eine Kettenreaktion auslösen.

Kernfusion

Bei der Kernfusion verschmelzen leichte Atomkerne (z. B. Deuterium und Tritium) zu einem schwereren Kern (Helium), wobei ein Neutron und große Mengen Energie frei werden. Die technologische Umsetzung ist aufgrund hoher Anforderungen noch schwierig.

Hess-Gesetz

Das Hess-Gesetz beschreibt die Energiebilanz: Die Bindungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um Moleküle zu spalten. Bei der Bildung von Molekülen wird Energie frei. Ein negatives Vorzeichen bedeutet Wärmeabgabe (exotherm), ein positives Vorzeichen Wärmeaufnahme (endotherm).

Radioaktivität

Radioaktivität ist ein natürliches oder künstliches Phänomen, bei dem instabile Stoffe Strahlung emittieren. Diese Strahlung kann Fotoplatten schwärzen, Gase ionisieren und Fluoreszenz erzeugen. Sie ist eine Form der Kernenergie und umfasst primär Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung.

Bindungsenergie

Die Bindungsenergie ist die Energiemenge, die eine chemische Bindung zusammenhält. Sie lässt sich über die Atomisierungswärme bestimmen.