Kernreaktionen
Kernreaktionen sind Wechselwirkungsprozesse von Atomkernen mit anderen Teilchen (wie z.B. Protonen, Neutronen, $\alpha$-Teilchen).
Als Beispiel wollen wir eine Kernreaktion anschauen, die sich für die Altersbestimmung von (organischen) Objekten bewährt hat.
Entstehung von radioaktivem C-14 (Beispiel einer Kernreaktion)
Das radioaktive Nuklid C-14 kann über eine in der Atmosphäre der Erde ablaufende Kernreaktion gebildet werden. Und zwar treten durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre gebildete Neutronen ($^1_0 n$) mit Stickstoffkernen ($^{14}_7 N$) der Luft in Wechselwirkung. Daraus entsteht C-14, wobei Protonen freigesetzt werden.
Als Reaktionsgleichung hat man
$^{14}_7 N + ^1_0 n \rightarrow ^{14}_6 C + ^1_1 p$
Beispiel
Es handelt sich um eine (n,p)-Reaktion. Dies bedeutet, dass ein Neutron eingefangen und dafür ein Proton freigesetzt wird.
C-14 erweist sich als radioaktiver $\beta$-Strahler, der wieder in (stabiles) Stickstoff zerfällt.
$^{14}_6 C \rightarrow ^{14}_7 N + \beta$
- Gleichgewicht C-14/C-12: In der Erdatmospäre bildet sich ein Gleichgewicht von radioaktivem C-14 (da es ja ständig durch die ablaufende Kernreaktion nachproduziert wird) zum stabilen C-12.
Radiocarbonmethode
Auf dem Zerfallsprozess beruht nun die Altersbestimmung:
In der Luft bildet sich ein (fast) konstantes Verhältnis von radioaktivem C-14 und stabilem C-12 Kohlenstoff. Lebende Organismen tauschen aufgrund ihres Stoffwechsels ständig Kohlenstoff mit der Umgebung aus, wodurch sich in diesen Organismen das gleiche Verhältnis C-14/C-12 bildet. Nach dem Tod und damit ohne Stoffwechsel sinkt der Anteil des C-14 Kohlenstoffs, entsprechend dem Zerfallsgesetz, ab.
- Gleichgewicht von C-14/C-12 in lebenden Organismen: Der Anteil von C-14 zu C-12 ist konstant.
- Ungleichgewicht von C-14/C-12 in toten Organismen: Der Anteil von C-14 zu C-12 sinkt ab. Denn C-14 ist radioaktiv und zerfällt, wobei neues C-14 Kohlenstoff aufgrund des fehlenden Stoffwechsels nicht aufgenommen wird.
Vertiefung
Prinzipielles Vorgehen bei der Altersbestimmung:
Um also z.B. das Alter eines Holzfundes zu bestimmen, sollte man zunächst das C-14/C-12 Verhältnis in frischem Holz bzw. der Atmosphäre kennen, um es dann mit dem Verhältnis im Holzfund zu vergleichen. Aus dem Zerfallsgesetz lässt sich dann das Alter berechnen.
$\frac{N(^{14}C)}{N(^{12}C)}(t)=(\frac{N(^{14}C)}{N(^{12}C)})_{Atmosphäre}\cdot e^{-\lambda t}$
Verallgemeinerte Kernreaktionen
Das obige Beispiel verdeutlicht, wie sich durch eine Kernreaktion ein stabiles in ein radioaktives Nuklid umwandelt. Es gibt noch mehr verschiedene Kernreaktionen; auch solche bei denen radioaktive Nuklide entstehen, die so in der Natur nicht vorkommen.
Beispiele von weiteren Kernreaktionen sind:
Beispiel
1) $^{14}_7 N + ^4_2\alpha \rightarrow ^{17}_8 O + ^1_1p$
2) $^9_4 Be + ^4_2\alpha \rightarrow ^{12}_6 C + ^1_0 n$
3) $ ^{16}_8 O + \gamma \rightarrow ^{12}_6 C + ^4_2\alpha $
Die Kernreaktionen fasst man auch sehr gerne in folgender verkürzter Form zusammen:
1) $^{14}_7 N(\alpha,p)^{17}_8 O$
2) $^9_4 Be(\alpha,n)^{12}_6 C$
3) $^{16}_8 O(\gamma,\alpha) ^{12}_6 C$
Man spricht bei den drei Prozessen jeweils von $(\alpha,p)$, $(\alpha,n)$ und $(\gamma,\alpha)$-Reaktion.
Merke
Hat man eine Kernreaktion der Art
$X + x\rightarrow Y + y$,
wobei $X$, $Y$ Kern-Nuklide und $x$, $y$ das hinein- bzw. hinausfliegende Teilchen repräsentieren, so spricht man von einer $(x,y)$-Reaktion.
Wir beobachten folgende Erhaltungssätze bei den Kernreaktionen:
Merke
- Die Summe der Massenzahlen ist erhalten.
- Die Summe der Kernladungszahlen ist erhalten.
Welche neuen Teilchen entstehen, wenn man ein Gemisch aus Radium-226 und Beryllium-9 herstellt?
Hinweis:
Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.
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