Grundlagen der Atom und Kernphysik

Radioaktive Strahlung ist im Prinzip überall. Sie existiert seit dem Urknall, dem Bestehen der Erde. Sie kommt sowohl im Erdreich, als auch in der Luft und im Wasser vor. Es gibt sie in natürlicher Weise, wie zum Beispiel in Pflanzen, Tieren und sogar im Menschen und auch künstlicher Art und Weise. Radioaktive Strahlung ist ein Teil der Umwelt. Nach heutigem Wissenstand der Forschung ist Bekannt, dass die natürliche Radioaktivität an unterschiedlichen Orten auf der Erde unterschiedlich stark ist. Je höher die Lage, desto stärker ist die radioaktive Strahlung.

Die Eigenschaften von radioaktiver Strahlung werden sich in der Forschung und Technik sowie Medizin zu Nutze gemacht. Insbesondere in der Medizin ist der Nutzen riesig. Um krebsartige Wucherungen ohne Operation zu erkennen und zu lokalisieren, werden radioaktive Substanzen benutzt, welche sich verstärkt im Tumorgewebe ansiedeln und diese beispielsweise im CT, MRT oder im Szintigramm deutlich erkennbar sind.

Ein weiteres großes Potential der Kernenergie ist, dass in Kernkraftwerken viel Energie aus den Atomkernen gewonnen werden kann. Allerdings birgt dieser Vorgang auch sehr große Gefahren. Zwei der größten GAUs der letzten 40 Jahre waren die im russischen Tschernobyl und japanischen Fukushima. Am 26. April des Jahres 1986 ereignete sich in Tschernobyl ein durch eine missglückte Übung hervorgerufener Reaktorunfall. Bei diesem wurde Kernenergie unkontrolliert frei gesetzt. Es entwichen große Mengen von radioaktiven Stoffen.

Dieser GAU forderte zahlreiche Menschenleben. Nicht nur die Mitarbeiter und die unmittelbare Bevölkerung waren betroffen, sondern auch weite Teile des Landes. Sogar in ganz Europa ist eine verstärkte radioaktive Strahlung festzustellen. Nicht nur die direkten Opfer der Katastrophe waren zu beklagen, sondern auch die indirekten, welche aufgrund der hohen Strahlenbelastung an schweren Krankheiten, wie verschiedenen Krebsformen, erkrankten und im Laufe der Zeit an diesen Krankheiten verstarben.

Die Existenz von Atomen

Die Annahme, dass feste Körper, Flüssigkeiten und auch Gase aus kleinsten Teilen, den Atomen bestehen, liefert die Möglichkeit zu verstehen, was in der Atom- und Kernphysik geschieht. Der Druck in Gasen und die Prozesse Schmelzen und Verdampfen sowie die Längenänderung in Abhängigkeit der Temperatur können so nachvollzogen werden. Diese Vorstellung hat sich nicht nur in der Physik, sondern auch in der Chemie bewährt. Chemiker forschten und fanden heraus, dass alle Stoffe aus den kleinsten Teilchen, den Atomen zusammengesetzt sind. Diese Teilchen sind unteilbar, daher tragen sie den Namen Atome, welcher dem griechischen Wort vor unteilbar entspricht.

Die Eigenschaften dieser Stoffe ergeben sich aus dem Zusammenspiel von sehr vielen Atomen und Atomgruppen. Atome sind Teilchen, welche ca. ein zehnmillionstel Millimeter groß sind. Atome sind nach heutigem Wissenstand, wie folgt aufgebaut: sie bestehen aus einem positiv geladenen Atomkern, welcher den Großteil der Atommasse ausmacht. Des Weiteren sind sie von der Atomhülle umgeben, auf welcher sich die Elektronen befinden. Atome sind elektrisch neutral, da sich die positive Ladung des Atomkerns und die negativen Ladungen der Elektronen ausgleichen.

Trifft ein Elektronenstrahl auf eine sehr dünne Graphitfolie oder Goldfolie, so können die Elektronen diese Folie durchdringen. Allerdings gelingt dies nicht allen Elektronen. Ein Teil dieser wird abgelenkt und manche sogar zurückgeworfen. Umfangreiche Erkenntnisse zu diesem Thema, gewann der Physiker Ernest Rutherford bei seinem berühmten Streuversuch. Bei diesem ließ er positiv geladene Heliumteilchen auf eine Goldfolie treffen. Er beobachtete, dass die meisten der Heliumteilchen die Goldfolie durchdrangen.

Nur ein kleiner Teil wurde abgelenkt oder zurückgeworfen. Er schlussfolgerte hieraus: dass die Atome dicht nebeneinander „gepackt“ sind, dass es undurchdringbare Bereiche gibt und dass diese sehr klein sein müssen. Hieraus ergibt sich für den Aufbau der Atome folgendes: alle Atome bestehen aus einem kleinen, nicht durchdringbaren Teil. Dies ist der positiv geladene Atomkern. Der große Raumbereich des Atoms, ist die Atomhülle, in dieser sich die negativ geladenen Elektronen befinden. Das Atom ist insgesamt elektrisch neutral.

Der Atomkern besteht sowohl aus Protonen als auch aus Neutronen. Die Anzahl von den Protonen und Neutronen ist identisch. Sie haben darüber hinaus fast die gleiche Masse. Protonen sind positiv geladen, Neutronen sind elektrisch neutral. Die Protonen und Neutronen werden im Kern durch die Kernkräfte zusammen gehalten. Diese Kräfte sind viel stärker, als die ebenfalls wirkenden elektrischen Abstoßungskräfte. Die Massenzahl A des Atoms entspricht der Summe aus der Kernladungszahl Z und der Neutronenzahl N. Es gilt also A = Z +N.

In der Natur gibt es zahlreiche verschiedene Kombinationen von Protonen und Neutronen als Kerne. Experimente zeigen, dass sich die Massenzahl der Atome eines Elements von der eines einzelnen Atoms unterscheidet. Chemische Elemente sind Gemische aus mehreren Isotopen.

Die Atomhülle ist das Raumgebiet rund um den Atomkern. In diesem befinden sich alle Elektronen des Atoms. Die Zahl der Protonen im Atomkern ist gleich der Zahl der Elektronen in der Hülle. Es sind derzeit über 100 Elemente bekannt und im Periodensystem zusammengefasst. Diese unterscheiden sich, durch die Zahl positiver Ladungen im Kern. Die chemischen Elemente sind nicht willkürlich im Periodensystem angeordnet, sondern unterliegen einer bestimmten Reihenfolge.
Durch Energiezufuhr können die Elektronen aus der Atomhülle abgelöst werden. Hierdurch entstehen positiv geladene Teilchen, die Ionen sowie freie Elektronen. Dieser Prozess des Aufspaltens neutraler Atome in positiv geladene Ionen und frei Elektronen ist die Ionisation.

Die Radioaktive Strahlung wurde um 1900 von dem Physikern Henri Bequerel sowie Marie und Pierre Curie entdeckt. Sie bemerkten, dass Uran, Radium und weitere Elemente eine unsichtbare Strahlung aussenden. Ein elektrisch geladener Plattenkondensator kann durch diese radioaktive Strahlung sehr schnell entladen, da sie die Luftatome ionisiert. Die Ionen und Elektronen bewegen sich zu den Platten des Kondensators mit jeweils entgegengesetzter Ladung.