Atomkern, Isotope und Radioaktivität

d) Vergleiche die Protonenzahlen.

a) $19$ Protonen, $40 - 19 = 21$ Neutronen

b) $19$ Elektronen (im neutralen Atom gleich der Protonenzahl)

c) Unten links steht die Kernladungszahl $Z$, also die Anzahl der Protonen. Sie bestimmt das Element.

Oben links steht die Massenzahl $A$, also die Anzahl aller Nukleonen (Protonen plus Neutronen).

d) Ja. Beide haben $Z = 17$, sind also beide Chlor. Sie unterscheiden sich nur in der Neutronenzahl: $35 - 17 = 18$ gegen $37 - 17 = 20$.

Chemisch sind sie nicht zu unterscheiden. Das natürliche Chlor ist eine Mischung aus etwa $76\,\%$ $^{35}\text{Cl}$ und $24\,\%$ $^{37}\text{Cl}$, und daraus ergibt sich die im Periodensystem angegebene mittlere Atommasse von rund $35{,}45$.

b) Was unterscheidet die beiden Kerne?

a) Der Kern ist etwa $100000$-mal kleiner als das Atom; die Elektronenhülle besteht praktisch nur aus Elektronen, die fast keine Masse haben. Vom Volumen her ist ein Atom deshalb fast vollständig leer.

Fest erscheint Materie trotzdem, weil sich beim Annähern zweier Atome die Elektronenhüllen elektrisch abstoßen. Diese Abstoßung wächst bei kleinem Abstand sehr stark an und verhindert, dass Atome ineinander eindringen.

Was wir als „Berührung" empfinden, ist also nie ein Kontakt von Materie, sondern die Wirkung elektrischer Kräfte zwischen Elektronenhüllen.

b) Weil sie verschiedene Kernzusammensetzungen haben:

• $^{12}\text{C}$: $6$ Protonen, $6$ Neutronen. Ausgeglichenes Verhältnis, der Kern ist stabil.
• $^{14}\text{C}$: $6$ Protonen, $8$ Neutronen. Zwei Neutronen zu viel für einen so kleinen Kern.

Der Neutronenüberschuss macht den Kern instabil; er wandelt ein Neutron in ein Proton um (Betazerfall) und wird dadurch zu Stickstoff.

Die chemischen Eigenschaften sind identisch, weil sie nur von der Elektronenhülle und damit von $Z = 6$ abhängen. Radioaktivität ist eine reine Kerneigenschaft, und genau deshalb kann die Chemie sie nicht beeinflussen.

c) Drei Verfahren:

• Geiger-Müller-Zählrohr: Die Strahlung ionisiert das Gas im Rohr, es fließt ein kurzer Stromstoß, der als Knacken hörbar wird.
• Film-Dosimeter oder Fotoplatte: Die Strahlung schwärzt den Film, genau wie bei Becquerels Entdeckung. So überwacht man die Belastung von Beschäftigten.
• Nebelkammer: In übersättigtem Dampf entstehen entlang der Ionenspuren winzige Tröpfchen, die Bahn wird als Nebelstreifen sichtbar.

Gemeinsame Grundlage: Alle beruhen auf der ionisierenden Wirkung der Strahlung, also darauf, dass sie Elektronen aus Atomen herausschlägt.

Genau diese Wirkung macht die Strahlung auch biologisch gefährlich, denn ionisierte Moleküle in Zellen können ihre Funktion verlieren und das Erbgut kann geschädigt werden.

b) Was ist an $Z = 82$ besonders?

a) Die elektrische Abstoßung wirkt zwischen allen Protonenpaaren und reicht durch den ganzen Kern. Ihre Gesamtwirkung wächst deshalb etwa mit $Z^2$, also schneller als die Kerngröße.

Die starke Kernkraft ist zwar deutlich stärker, wirkt aber nur über etwa einen Nukleondurchmesser. Ein Nukleon spürt sie also nur von seinen unmittelbaren Nachbarn, und ihre Gesamtwirkung wächst nur ungefähr proportional zur Nukleonenzahl.

Mit wachsender Kerngröße holt die Abstoßung deshalb auf. Neutronen helfen dagegen: Sie tragen zur anziehenden Kernkraft bei, ohne zur Abstoßung beizutragen, und vergrößern zugleich den mittleren Protonenabstand.

Deshalb steigt das Neutronen-Protonen-Verhältnis mit der Kerngröße von etwa $1{,}0$ bei leichten auf rund $1{,}5$ bei schweren Kernen.

b) Weil Blei ($Z = 82$) das schwerste Element mit stabilen Isotopen ist. Ab $Z = 83$ (Bismut) gibt es keine wirklich stabilen Kerne mehr.

Ein Zerfall endet, sobald ein stabiler Kern entstanden ist; danach passiert nichts mehr. Da alle natürlichen Zerfallsreihen bei sehr schweren Kernen (Uran-238, Uran-235, Thorium-232) beginnen und über viele Schritte immer leichter werden, laufen sie zwangsläufig auf das nächste stabile Element zu, und das ist Blei.

Die drei Reihen enden bei $^{206}\text{Pb}$, $^{207}\text{Pb}$ und $^{208}\text{Pb}$.

Nebenbei erlaubt das eine Altersbestimmung: Aus dem Verhältnis von Uran zu Blei in einem Gestein lässt sich berechnen, wie lange der Zerfall bereits läuft. So kennt man das Alter der Erde von rund $4{,}5$ Milliarden Jahren.

c) Die Aussage ist falsch. Radioaktivität ist eine natürliche Erscheinung, die lange vor jeder Technik existierte. Becquerel entdeckte sie 1896 an einem natürlichen Uransalz, ein halbes Jahrhundert vor dem ersten Kernkraftwerk.

Jeder Mensch ist ständig natürlicher Strahlung ausgesetzt:

• Radon aus dem Boden (der größte Anteil),
• kosmische Strahlung aus dem Weltall,
• Baustoffe wie Granit,
• der eigene Körper durch Kalium-40 in jeder Zelle.

In Deutschland beträgt die natürliche Belastung im Mittel rund $2{,}1\,\frac{\text{mSv}}{\text{Jahr}}$, in manchen Mittelgebirgsregionen deutlich mehr.

Richtig ist, dass Kerntechnik und Medizin zusätzliche Quellen geschaffen und die Menge künstlicher Isotope erhöht haben. Das ändert aber nichts daran, dass die Erscheinung selbst natürlich ist. Wer sie für rein technisch hält, kann Meldungen über Strahlenwerte nicht einordnen, weil ihm der Vergleichsmaßstab fehlt.

d) Weil der Zerfall im Kern stattfindet und durch nichts beeinflussbar ist, was uns zur Verfügung steht.

Alle üblichen Verfahren zur Unschädlichmachung (Verbrennen, chemisch binden, neutralisieren) wirken auf die Elektronenhülle und arbeiten mit Energien von wenigen Elektronenvolt. Kernbindungsenergien liegen im Bereich von Millionen Elektronenvolt, also rund eine Million Mal höher.

Praktische Folge: Man kann radioaktiven Abfall nur einschließen und lagern, bis er von selbst zerfallen ist. Bei Plutonium-239 mit einer Halbwertszeit von $24000$ Jahren bedeutet das eine sichere Verwahrung über Hunderttausende von Jahren, also über Zeiträume, die länger sind als die gesamte bisherige Menschheitsgeschichte.

Das Endlagerproblem ist damit kein Zeichen mangelnder Technik, sondern eine unmittelbare Folge der Physik des Kerns.

(Die Transmutation in Reaktoren kann langlebige Isotope in kurzlebigere umwandeln, ist aber selbst eine Kernreaktion mit hohem Aufwand und eigenen Problemen. Sie ist kein Gegenbeispiel zur obigen Aussage über chemische oder thermische Verfahren.)