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.
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