19.1:

19.1: Radioaktivität und Kerngleichungen

Name: Radioaktivität und Kerngleichungen
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52+00:00
Duration: 3 min 18 s
Description: Die Kernchemie befasst sich mit Reaktionen, die Veränderungen in der Kernstruktur mit sich bringen. Der Kern eines Atoms setzt sich aus Protonen und, mit Ausnahme von Wasserstoff, aus Neutronen zusam

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Radioactivity and Nuclear Equations

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19.2: Types of Radioactivity

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03:18 min

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September 24, 2020

Die Kernchemie befasst sich mit Reaktionen, die Veränderungen in der Kernstruktur mit sich bringen. Der Kern eines Atoms setzt sich aus Protonen und, mit Ausnahme von Wasserstoff, aus Neutronen zusammen. Die Anzahl der Protonen im Kern wird als Ordnungszahl (Z) des Elements bezeichnet, und die Summe aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen ist die Massenzahl (A). Atome mit der gleichen Ordnungszahl, aber unterschiedlichen Massenzahlen sind Isotope desselben Elements.

Ein Nuklid eines Elements hat eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen und befindet sich in einem bestimmten Kernenergiezustand. Die Notation für ein Nuklid lautet , wobei X das Symbol für das Element, A die Massenzahl und Z die Ordnungszahl ist. Es gibt auch mehrere Kurzschreibweisen für Nuklide, von denen viele die Ordnungszahl weglassen. Beispiel: kann mit carbon-14, C-14 oder ¹⁴C geschrieben werden.

Befindet sich das Nuklid in einem temporär angeregten Zustand, wird dies in der Regel mit einem Sternchen gekennzeichnet. Befindet es sich in einem längerlebigen angeregten Zustand, der als metastabiler Zustand bezeichnet wird, wird dies durch Hinzufügen von “m” zur Massenzahl gekennzeichnet. Zum Beispiel existiert das Isotop Technetium-99 als Grundzustand und metastable . Wenn es für ein gegebenes Isotop mehr als einen metastabilen Zustand gibt, werden sie in aufsteigender Energiereihenfolge nummeriert. Zum Beispiel hat das Isotop Tantal-180 fünf Nuklide: Grundzustand und metastabile Zustände , , und .

Kernreaktionen sind die Umwandlungen eines oder mehrerer Nuklide in ein anderes, die durch Änderungen der Ordnungszahlen, Massenzahlen oder Kernenergiezustände von Kernen ablaufen. Um eine Kernreaktion zu beschreiben, verwenden wir eine Gleichung, die die Nuklide und Teilchen identifiziert, die an der Reaktion beteiligt sind. Wie bei chemischen Reaktionen gehorchen auch Kernreaktionen der Massenerhaltung: Die Summe der Massenzahlen der Reaktanten ist gleich der Summe der Massenzahlen der Produkte.

Viele verschiedene Teilchen oder Photonen können an Kernreaktionen beteiligt sein. Zu den gebräuchlichsten gehören Alpha-Teilchen (α oder ), bei denen es sich um hochenergetische Helium-4-Kerne handelt; Beta-Teilchen (β), zu denen Elektronen (e⁻ oder β⁻) und Positronen (e⁺ oder β⁺) gehören; Gammastrahlen (γ); Neutronen ( ); und Protonen (p⁺ oder ).

Einige Nuklide bleiben auf unbestimmte Zeit intakt oder sind stabil, während andere sich spontan in andere Nuklide umwandeln oder instabil sind. Die spontane Umwandlung eines instabilen Nuklids in ein anderes ist der radioaktive Zerfall. Das instabile Nuklid wird als Mutternuklid bezeichnet, und das Nuklid, das aus dem Zerfall resultiert, wird als Tochternuklid bezeichnet. Das Tochternuklid kann stabil sein, oder es kann selbst zerfallen.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 21.1: Kernstruktur und Stabilität und <a href=”https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/21-2-nuclear-equations”>Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 21.2: Kerngleichungen.

Zusätzliche Quellen

IUPAC. Kompendium der chemischen Terminologie, 2. Aufl. (das “Goldene Buch”). Zusammengestellt von A. D. McNaught und A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online-Version (2019-) erstellt von S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Abgerufen am 10.01.2021

Internationale Atomenergie-Organisation, Sektion Nukleare Daten. Live-Diagramm der Nuklide. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Abgerufen am 10.01.2021

Transcript

Die dichteste Region eines Atoms ist der Kern, der Protonen und Neutronen enthält, die zusammen als Nukleonen bezeichnet werden.

Die Art von Atom, die durch eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen definiert ist, wird als Nuklid bezeichnet. Die Notation für ein Nuklid besteht aus einem Elementsymbol, einer Ordnungszahl und einer Massenzahl.

Eine von mehreren Kurzschreibweisen für Nuklide verwendet den Elementnamen, einen Bindestrich und die Massenzahl.

Nuklide mit der gleichen Ordnungszahl, aber unterschiedlichen Massenzahlen werden als Isotope voneinander bezeichnet. Kohlenstoff hat also drei Isotope, die hier gezeigt werden.

Nuklide zeichnen sich auch durch ihren Energiezustand aus. Zum Beispiel existiert das einzelne Isotop Technetium-99 in zwei verschiedenen Zuständen: dem Grundzustand mit niedrigerer Energie und einem langlebigen angeregten Zustand, der als metastabiler Zustand bezeichnet wird. Diese beiden Spezies sind, obwohl sie die gleiche Anzahl an Protonen und Neutronen haben, unterschiedliche Nuklide.

Interessanterweise haben einige Elemente im Periodensystem stabile Nuklide, die auf unbestimmte Zeit intakt bleiben. Im Gegensatz dazu bestehen einige Elemente nur aus instabilen Nukliden, den sogenannten Radionukliden. So entsteht beispielsweise beim spontanen nuklearen Zerfall von Uran-238 Thorium-234. Der Prozess wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet.

Das beim Zerfall entstehende Tochternuklid kann stabil oder radioaktiv sein. Der Prozess wird von der Emission kleiner Fragmente oder elektromagnetischer Strahlung begleitet.

Alpha-Teilchen sind äquivalent zu Heliumkernen. Ihre Emission reduziert die Ordnungszahl um 2 und die Massenzahl um 4.

Beta-Teilchen sind äquivalent zu Elektronen; wenn sie emittiert werden, erhöht sich die Ordnungszahl des Tochternuklids um 1. Da sie eine negative Ladung tragen, wird diese als Beta-Minus-Strahlung bezeichnet.

Die Emission eines Positrons, das die gleiche Masse wie ein Elektron, aber eine entgegengesetzte Ladung hat, verringert die Ordnungszahl um 1. Es wird oft als Beta-Plus-Emission bezeichnet.

Gammastrahlen sind hochenergetische elektromagnetische Strahlung, deren Emission weder die Atom- noch die Massenzahl verändert.

Die Protonenemission verringert die Massenzahl und die Ordnungszahl jeweils um 1, während die Neutronenemission die Massenzahl um 1 verringert.

Kerngleichungen bilden die Differenz zwischen Mutter- und Tochternukliden ab und geben die Art des Zerfalls an.

Der radioaktive Zerfall von Uran-238 zu Thorium-234 geht einher mit der Emission von Alpha-Teilchen.

Nukleare Gleichungen sind genauso ausgeglichen wie chemische Gleichungen. Die Summe der Massenzahlen ist auf jeder Seite der Gleichung gleich. Da es sich um den Alpha-Zerfall handelt, ist es auch die Summe der Ordnungszahlen.