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Atombau und Radioaktivität - Referat
Geschichte und Entdeckung der Radioaktiven Strahlung und der Strahlenarten
Im Jahre 1896 entdeckte der französische Wissenschaftler Henri Becquerel durch Zufall die radioaktive Strahlung. Eigentlich wollte er einen Urankristall mit der Röntgenstrahlung untersuchen doch das schlechte Wetter und die dadurch fehlende Sonne ließen den Versuch scheitern. Deshalb legte er den Stein zusammen mit einer in Schwarzpapier eingewickelten Fotoplatte in den Schrank zurück. Als er diese Platte später zur Sicherheit entwickelte, waren Spuren des Urankristalls darauf. Somit entdeckte er eine neue Strahlung, die wie von selbst aus bestimmten Gesteinsarten herausströmt. Nach Weiterforschungen von Marie und Pierre Curie wurde diese später als ``radioaktive Strahlung´´ bezeichnet. Doch sie fanden noch mehr radioaktive Elemente, nämlich zwei neue um ein vielfaches stärker strahlende Elemente, die sie Radium und Polonium nannten.
1899 gelang es Ernest Rutherford zwei Strahlungsarten zu unterscheiden. Stefan Meyer, Egon Schweidler und Friedrich Giesel konnten noch im gleichen Jahr zeigen, dass diese in magnetischen Feldern, in verschiedene Richtungen abgelenkt werden konnten.
Eine dritte Strahlenart die nicht durch Magnetfelder abgelenkt werden konnte und die ein hohes Durchdringungsvermögen hatte, wurde 1900 von Paul Ulrich Villard entdeckt. Für diese drei Strahlenarten prägte Rutherford den Namen Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Bis 1909 erwies sich, dass Alphastrahlung aus Heliumkernen und Betastrahlung aus Elektronen besteht. Die Vermutung, dass es sich bei Gammastrahlung um eine elektromagnetische Welle handelt, konnte erst 1914 von Rutherford und Edward Andrade gezeigt werden.
Atombau
Kern – Hülle
Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Hülle aus Elektronen. Der Atomkern macht fast die gesamte Masse des Atoms aus und ist nur ein paar Femtometer (1fm=0,00000000000001m) groß, während die einige tausendfach leichtere Atomhülle mehrere Ângström (1Â=0,0000000001m) groß ist. Der Radius der Elektronenhülle ist also mehr als zehntausend Mal größer als der des Atomkerns. Zwischen dem Atomkern und der Hülle ist Materielose leere und wie viele Elektronen um den Kern kreisen kommt auf das Element an das man betrachtet z.B. bei einem Wasserstoffatommodell (H) kreist nur ein Elektron um den Kern und bei Lithium (Li) sind es drei Elektronen die um den Kern kreisen.
Größenverhältnisse
Man kann sich das Atommodell so vorstellen: würde man den Atomkern auf die größe eines Streichholzkopfes machen, also so ca. 1mm, dann würde im Durchmesser von ca.100m das Elektron um den Kern kreisen.
Aufbau der Atome und das Periodensystem
Alle Elemente haben ihren eigenen Platz im Periodensystem, doch es ist nicht einfach nur durcheinander geworfen, nein es ist nach Hauptgruppen wie Metalle und Edelgase, nach Nebengruppen die, die Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale wiedergibt und nach Perioden die, die Anzahl der Schalen eines Atommodells wiedergibt, eingeteilt. Wenn man genauer hinsieht sieht man auch das neben jedem Element, ein weiteres Element ist mit nur einem Proton mehr. Nur durch dieses eine Proton entsteht ein neues Element, wie z.B. Wasserstoff (H), es hat nur ein Proton im Kern doch gibt man ein weiteres Proton dazu hat man ein neues Element, nämlich Helium (He) erschaffen. Es stehen auch im Periodensystem bei jedem Element immer so komische Zahlen. Diese Zahlen sind einmal die Massenzahl (ist immer links über dem Elementsymbol) die, die Anzahl von Neutronen und Protonen im Kern wiedergeben soll und die Ordnungszahl (ist entweder links unter dem Elementsymbol oder genau daneben) sie zeigt wie viele Protonen im Kern vorhanden sind und wenn man die Ordnungszahl von der Massenzahl abzieht, kann man errechnen wie viele Neutronen im Kern vorhanden sind. Und damit das Periodensystem nicht zu groß wird und man immer den kompletten Namen des Elements aufschrieben muss, hat jedes Element auch sein Symbol wie z.B. K für Kalium, H für Wasserstoff oder Rn für Radon.
Isotope und Ionen
Isotope und Ionen sind eigentlich leicht zu erklären, ein Ion ist ein Atom oder Molekül das elektrisch geladen ist und Isotope sind Atome eines Elements die zwar die gleiche Ordnungszahl aber unterschiedliche Massenzahl haben.
Radioaktivität
Der Begriff Radioaktivität wurde von dem Ehepaar Marie und Pierre Curie geprägt, die gemeinsam die radioaktiven Elemente Radium und Polonium entdeckten.
Radioaktivität ist die spontane selbstständige Aussendung einer unsichtbaren Strahlung aus dem Atomkern. Sehr sehr kleine Teilchen werden ausgesendet. Wenn Atomkerne instabil sind, sei es, dass sie einen zu hohen Energiezustand haben, oder zu viele Neutronen oder Protonen besitzen, senden sie Teilchen aus. Diese Teilchen gelten als radioaktive Strahlung.
Strahlenarten
Es gibt drei Strahlenarten die von einem Radioaktiven Kern ausgehen, das sind die Alpha-, Beta- und die Gammastrahlen. Jeder von diesen Strahlen besteht aus etwas anderem und hat eine anderes Durchdringungsvermögen.
Alpha-Strahlung
Die Alpha-Strahlung ist die radioaktive Strahlung, die aus den schwersten Teilchen besteht, den Alpha-Teilchen. Alpha-Teilchen bestehen, wie die Atomkerne des Heliums, aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Aufgrund der hohen Masse und weil sie stark mit Materie reagiert kann Alpha-Strahlung leicht abgeschirmt werden. Sie ist aber, wenn sie den Körper erreicht, sehr gefährlich. Da Alpha-Strahlung aus Ionen besteht, kann sie in einem elektrischen Feld gut abgelenkt werden. Die Alpha-Strahlung lässt sich schon mit einem einfachen Blatt Papier abschirmen.
Beta-Strahlung
Als Beta-Strahlung bezeichnet man eine Strahlung aus Elektronen. Elektronenstrahlen können auch künstlich in einer Elektronenkanone erzeugt werden, als Beta-Strahlung bezeichnet man sie jedoch nur, wenn sie aus einem Kernzerfall entstehen. Beta-Strahlung lässt sich zwar nicht so leicht wie Alpha-Strahlung abschirmen doch mit einem Metallblech mit mehreren Millimetern dicke geht das ganz gut.
Gamma-Strahlung
Gamma-Strahlung besteht aus Lichtteilchen, auch Photonen genannt. Es handelt sich dabei um Strahlung die eine weit höhere Energie hat als sichtbares Licht. Sie entsteht, wenn ein Atomkern von einem energiereichen Zustand in einen energiearmen Zustand übergeht, ohne dass sich dabei die Anzahl an Protonen und Neutronen im Kern ändert.
Die Gamma-Strahlung ist mit der Röntgenstrahlung, die Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte, identisch, doch sie werden nicht gleich bezeichnet weil Röntgenstrahlung nicht bei einer Kernreaktion entsteht.
Um Gamma-Strahlen abzuschirmen brauch man schon mehr als ein Blatt Papier oder einem Metallblech, man kann sie nicht ganz abschirmen aber enorm schwächen, dafür brauch man eine dicke schicht aus einem Material mit möglichst hoher Dichte
Umweltstrahlung
Wir sind täglich und das, dass ganze Jahr lang, strahlen ausgesetzt die wir nicht beeinflussen können. Es gibt drei Strahlenarten in der Umwelt, dass ist zum eine die Höhenstrahlung, dann die Bodenstrahlung und die Eigenstrahlung.
Die Höhenstrahlung
Aus dem Weltraum und vor allem von der Sonne sehr energiereiche alpha- Strahlung und Protonenstrahlung. Protonenstrahlung besteht aus sehr schnellen einzelnen Protonen. Beim Auftreffen auf die Lufthülle der Erde löst diese Weltraumstrahlung Kernreaktionen aus und erzeugt dadurch die Höhenstrahlung. Sie besteht aus Protonen-, Neutronen-, beta- und gamma- Strahlung doch die alpha- Strahlung erreicht die Erde nicht.
Auf dem Weg durch die Lufthülle zum Erdboden nimmt die Energie dieser Höhenstrahlung stark ab. Deshalb ist sie in Meereshöhe nicht mehr so intensiv wie im Hochgebirge. Besonders die in etwa 10km Höhe fliegenden Fernverkehrsflugzeuge sind einer Höhenstrahlung ausgesetzt, die um ein Vielfaches größer ist als am Erdboden. Die Höhenstrahlung hat nichts mit der Hautschädigenden UV-Strahlung des Sonnenlichts zu tun! Sie erzeugt aber ebenfalls Hautschäden.
Die Bodenstrahlung
Diese Strahlung kommt aus dem Erdboden, wo radioaktive Stoffe, wie Uran, Thorium und Kalium-40, fein verteilt vorhanden sind. Das gasförmige Radon, ein Folgeprodukt des Uranzerfalls, gelangt aus dem Boden in die Luft und in die Häuser, insbesondere in Kellerräume. In der Atmosphäre werden durch die Höhenstrahlung dauernd radioaktiver Kohlenstoff und radioaktiver Wasserstoff neu gebildet. Diese Isotope gelangen mit den Niederschlägen in die Erde und in die Pflanzen.
In den verschiedenen Gesteinsarten sind die radioaktiven Stoffe in unterschiedlicher Menge enthalten. Deshalb kann die Stärke der Bodenstrahlung von Ort zu Ort sehr schwanken. So ist sie in Kalksteingebieten recht niedrig. In Bergländern mit Granit dagegen ist die Bodenstrahlung höher. Verhältnismäßig stark ist sie in Regionen und vulkanischen Gesteinen. Häuser schirmen die äußere Strahlung etwas ab, haben aber je nach Baumaterial eine eigene Strahlung, sodass die Belastung in Häusern insgesamt etwas höher ist als im Freien.
Die Eigenstrahlung
Mit dem Stoffwechsel kommen radioaktive Stoffe in den menschlichen Körper: Trinkwasser, pflanzliche und tierliche Nahrungsmittel sowie die Atemluft enthalten radioaktive Stoffe, die oft lange im Körper bleiben und als Strahlungsquellen wirken. Das sind vor allem Kohlenstoff, Kalium und Radon.
Wirkung auf den Lebenden Körper
Erstmal unterscheidet man zwischen der inneren und der äußeren Strahlung. Von außen auftreffende strahlen besitzen eine weniger schädliche Wirkung, da der grossteil der Strahlung von der Haut abgeschirmt wird, was aber bei einem Reaktorunfall egal ist.
Wenn aber die radioaktiven Strahlen durch die Nahrung oder der Atemluft aufgenommen werden, ist die Wahrscheinlichkeit einer Anregung der Atome oder der Moleküle viel höher.
Wenn die Strahlen auf Keimzellen treffen, die der Fortpflanzung dienen, kann es Missbildungen, die um viele Generationen weitervererbt werden können, geben. Aber das Erbgut ist genau so wichtig für die Reparation geschädigter Zellen, daher können beispielsweise die Haut-, Blut- oder Knochenzellen nach einer Verletzung mutieren. Aber auch durch Zellteilung, die dem Wachstum dienen, können solche Mutationen übertragen werden.
Wenn die radioaktiven strahlen aber auf Körperzellen treffen gibt es eine weitere Einordnung und das wären die Früh- und Spätschäden.
Frühschäden
Diese Schäden können innerhalb weniger Minuten bis 90 Tage nach der Bestrahlung auftreten. Es kommen Reaktion wie Erbrechen, Durchfall, Schweißausbrüche und Übelkeit. Strahlenkrankheiten (z.B. Hautrötung und Haarausfall) aber auch der Strahlentod sind die Frühschäden von der Aussetzung radioaktiver Strahlung.
Spätschäden
Neben den frühen Folgen können auch noch Spätschäden, die mehr als 90 Tage ach der Strahleneinwirkung auftreten, entstehen. Bleibende Strahlenfolgen betreffen meist di Haut, das Gehirn, die Leber, die Niere und die Lunge, dabei zeigen sich diese beispielsweise in Geschwülsten. Die Bedeutendsten Auswirkungen einer Strahlenaussetzung ist das lange erhöhte Krebsrisiko, als auch andere Organschäden z.B. das die Schilddrüsen nicht mehr richtig funktionieren, einen grauen Star oder eine Wachstumsverzögerung bei Kindern. Zusammengefasst entstehen durch leicht erhöhte Bestrahlung schon lang anhaltende erhebliche Konsequenzen. Die Auswirkungen und die Anzeichen der Krankheit werden mit höherer Dosis immer größer. Außerdem dauert die Krankheit länger und man besitzt eine geringe Überlebenschance.
Anwendungen in der Medizin
Eine der sicherlich größten Bedeutungen hat die radioaktive Strahlung wahrscheinlich in der Medizin. Es können Krankheiten festgestellt und behandelt werden. Radioaktive Präparate werden dem Patienten bei der Diagnose verabreicht indem er sie trinkt oder sie ihm gespritzt werden. z.B. können verschiedene Krankheiten der Schilddrüse genauer untersucht werden, indem der Patient eine mit einer kleinen Menge Iod-131 angereicherte Flüssigkeit trinkt. Dabei wird das Iod in der Schilddrüse gesammelt und gespeichert, so dass ein Messgerät schrittweise die ausgesendet Strahlung aufspürt. Die Messwerte die daraus entstehen lassen dann in einem so genannten Szintigramm ein Bild der Schilddrüse entstehen. Doch wegen der hohen Strahlenbelastung wird diese Methode heute nur noch zur Tumorbekämpfung angewandt.
Strahlenunfälle
Das schwere Kernkrftwerksunglück von Tschernobyl der Ukraine am 26. April 1986 und der Unfall im Brennstäbewerk in Tokaimura in Japan am 30. September 1999 zeigen besonders deutlich das Risiko der Kernkraft für die Gesundheit der Menschen. Bei dem letzten größeren Unfall in Tokaimura wurden insgesamt 439 Betriebsangehörige, Helfer sowie Bewohner der Umgebung verstrahlt. Zwei der verstrahlten Arbeiter sind nach 83 bzw. 211 Tagen verstorben. Diese beiden Strahlenopfer erhielten wahrscheinlich tödliche effektive Dosen zwischen 8 und 15 Sievert. Ausgelöst wurde das Unglück dadurch, dass die beiden Opfer Illegalerweise Uranoxid per Hand in einen Behälter gefüllt hatten. Dadurch wurde eine unkontrollierte Kettenreaktion ausgelöst, die erst ca. 20 Stunden später bewältigt werden konnte.
Strahlenschutz und Sicherheit im Kernkraftwerk
Wie sich die einzelnen Strahlen abschirmen lassen hab ich ja schon erwähnt doch in einem Kernkraftwerk geschieht das unter einem hohen Niveau. Es gibt zum Schutz der Außenwelt das so genannte Barrierenkonzept. Am Beispiel eines Leichtwasserreaktors zeige ich diese Barrieren auf und mit einer Nummer der Barriere können sie, im Anhang, diese Barriere auf einem Bild eines Reaktorgebäudes betrachten.
• Gefilterte Druckentlastung (9)
• Das Kristallgitter des Brennstoffes (innerhalb von 6)
• Die gasdicht verschweißten Hüllrohre der Brennstäbe (6)
• Der Reaktordruckbehälter (5) mit anschließender Rohrleitung (8)
• Das thermische Schild (4)
• Das Wasserbecken (3)
• Der Sicherheitsbehälter (2)
• Die Umschließende Srtahlenhülle (1)
• Zu 7 habe ich leider nichts gefunden.
Halbwertszeit
Die Halbwertszeit gibt an nach welcher Zeit die hälfte der Atome, eines Elements, zerfallen sind. Ein Beispiel ist Uran 235, es hat eine Halbwertszeit von 704 Mio. Jahren, dass bedeutet das nach 704 Mio. Jahren die hälfte der Uranatome zerfallen sind.
Kernspaltung
Es gibt zwei arten von Kernspaltung, einmal die spontane- und einmal die induzierte Kernspaltung. manche Atomkernarten spalten sich von selbst und ohne äußere Einflüsse, diese Spaltung ist eine art des radioaktiven Zerfalls. Bei der induzierten Kernspaltung wird, meist ein Neutron, auf den Kern geschossen. Dieser Kern absorbiert dieses Neutron, gewinnt die Energie des Neutrons und spaltet sich.
Vorgänge in der Sonne
In der sonne geschieht nicht einfach nur eine Kernspaltung, sondern eine Kernfusion. Hier verschmelzen bei ca. 15,6 Mio. grad, im Kern der sonne, die dicht gedrängten Atomkerne des Wasserstoffs zu Helium. Dies ist der Motor der sonne aus dem sie die ganze Energie bezieht die sie durch Strahlung abgibt. Ohne diesen ständigen Energieanschub würde die sonne von innen instabil werden, würde sich abkühlen und sich auf einen Bruchteil ihrer jetzigen größe zusammen ziehen.
Aufbau eines Kernkraftwerks
Ein Kernkraftwerk besteht aus einem Reaktorgebäude, aus einem Gebäude wo die Turbinen und der Generator stehen, (je nach Reaktortyp) aus einem Kühlturm und aus den verschiedenen Leitungen und Sicherheitsbarrieren. In dem Reaktorgebäude sind: der Dampferzeuger, der Reaktor mit den Steuer- und Brennstäben, der Druckbehälter und die pumpe für das Wasser. In dem anderen Gebäude sind: die Turbinen, der Generator, der Kondensator und die Pumpe die das Wasser von einem Fluss oder Kühlturm in das Reaktorgebäude pumpt.
Vorgänge im Reaktor
Also im Reaktor passiert folgendes:
Alles beginnt mit einer Kettenreaktion die durch den Beschuss der Brennstäbe, mit einem Neutron, ausgelöst wird. Dabei wird die Kettenreaktion ständig mit den Steuerstäben, die aus Bor oder Cadmium bestehen, kontrolliert indem sie ihr Neutronen entziehen. Das Wasser bremst die Neutronen auf die für die Reaktion benötigte Geschwindigkeit ab, wird zur Kühlung verwendet und verdampft bei dieser Hitze nicht, da im Reaktor ein sehr hoher Druck herrscht. Das Wasser, das jetzt durch die Kernspaltung eine Temperatur von etwa 325°C hat, wird mit Pumpen in den Dampferzeuger geleitet. Von dort aus geht der 280°C heiße Wasserdampf in die Turbinen, treibt sie an und dadurch wird der Generator angetrieben, der die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Der Dampf der am ende der Turbine raus kommt, wird in den Kondensator geleitet, im Kondensator mit dem Wasser des Kühlturms oder des Flusses abgekühlt und fließt wieder mit dem Wasser des Dampferzeugers zusammen.
Gesteuerte Kettenreaktion
Damit die Kettenreaktion nicht unkontrolliert abläuft, muss sie gesteuert werden. Hierfür benutzt man Stoffe die ein hohes Absorbationsvermögen für Neutronen haben. Beispiele für diese Stoffe sind Cadmium, Gadolinium und Bor. Aus diesen Materialien werden die Steuerstäbe gefertigt. Durch Zugabe oder Entnahme dieser Stoffe in oder aus einem Reaktor (z.B. durch das Herausziehen oder Hineinfahren der Steuerstäbe) kann der Reaktor geregelt werden.
Beseitigung der erzeugten Spaltprodukte- Wiederaufbereitung – Entsorgung - Endlagerung
Die im Betrieb entstandenen Spaltprodukte (wie z.B. Plutonium) müssen anschließend für längere Zeit aus der Umwelt fern gehalten werden bis sie zum größten Teil zerfallen sind. Diese Zeit reicht je nach Material von einigen Monaten bis zu vielen tausend Jahren. Das Risiko besteht hier in einer Freisetzung während der Zeit der Lagerung. Vor der Endlagerung werden die abgebrannten Brennstäbe chemisch aufgelöst und in ihre Bestandteile getrennt. Bei diesem Vorgang, der in Wiederaufbereitungsanlagen geschieht, kann im Betrieb aber auch durch Unfälle und Irrtümer radioaktives material in die Umwelt gelangen. Je nach Stärke der Strahlung und aus Gründen der Handhabung werden die bei der Wiederaufbereitung und in anderen Bereichen entstehenden radioaktiven Abfälle in drei Kategorien eingeteilt, in Schwach-, mittel- und hochaktiven Abfall. Der größte teil der Abfälle sind zu 95% die schwachen- und mittelaktiven Abfälle. Alle Abfälle dieser drei Kategorien werden anders verpackt und eingelagert. Die schwachaktiven Abfälle werden einfach in Fässer gepackt und ins Endlager gebracht, die mittelaktiven Abfälle müssen erst mit Beton vergossen werden, damit die Strahlung nach außen abgeschirmt wird, bevor sie transportiert und ins Endlager gebracht werden dürfen. Doch der hochaktive Abfall setzt durch den zerfall wärme frei sodass er so verpackt werden muss das nicht nur die strahlen vor dem austreten bewahrt werden, sondern auch die Temperatur abgegeben werden kann. Deshalb werden diese hochaktiven Abfälle in Glas geschmolzen und ins Endlager gebracht.
Probleme bei der Kernenergie
Das größte und gefährlichste Problem bei der Kernenergie ist immer noch die Kernschmelze. Eine Kernschmelze geschieht indem die Kühlung und Notkühlung ausfällt, es immer heißer im Kernreaktor wird, er dadurch schmilzt und sich somit selbst zerstört. Je nach Ablauf dieses Vorganges und der Bauweise des Reaktors kann dies zu genau so katastrophalen Auswirkungen, für die Umwelt, führen wie der Unfall in Tschernobyl. Ein weiteres Problem ist die Lagerung der Spaltstoffe und der radioaktiven Abfälle. Diese Stoffe können im Betrieb aber auch durch Unfälle und Irrtümer in die Umwelt gelangen und enormen schaden an Menschen, Tieren und Land anrichten. Genauso bedenkenswert ist das immer und immer mehr Abfälle gelagert werden und die kann man nicht einfach nach einem oder nach 10 Jahren wegmachen, nein die Halbwertszeit bei manchen dieser Stoffe geht von einigen tausend bis in mehrere oder hunderte Millionen Jahren, und was machen wenn die Lagerstätten überfüllt sind oder es mal in einer großen Lagerstätte zu einer Explosion kommt und die ganzen Abfälle freigesetzt werden oder sogar auf die Erdoberfläche katapultier werden? solche Unfälle hätten wirklich katastrophale Auswirkungen auf unsere Umwelt.
Ein weiteres Problem sind Terrorristen, sie könnten die Schwachstellen an Kernkraftwerken entdecken, nämlich die Rohrleitungen, und Anschläge darauf verüben. Diese Leitungen sind nicht wie das Reaktorgebäude extrem Geschütz (einen Flugzeugabsturz oder eine starke Bombe hält so ein Gebäude aus) nein sie sind alle ungeschützt und jeder der sich ein bisschen mit einem bauplan des Kraftwerkes auskennt kann darauf einen Anschlag verüben. Aber na ja so einfach ist das auch wieder nicht da diese Kraftwerke sehr gut mit Personal, Kameras und Zäunen geschützt sind.
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