21. Kernphysik

1. p + e → n
Ist die Reaktionsgleichung korrekt? Falls sie nicht korrekt ist: Bring sie in Ordnung.
Kann die Reaktion in die angegebene Richtung laufen? 

Lösung:
Die Bilanz der leptonischen Ladung stimmt nicht. Zufügen eines Neutrinos auf der rechten Seite bringt die Reaktion in Ordnung.
Wenn die Ausgangsteilchen ruhen, kann die Reaktion nicht in die angegebene Richtung laufen, denn die Ruhenergie von Proton und Elektron zusammen ist kleiner als die des Neutrons.

2. 

Ist die Reaktionsgleichung korrekt? Falls sie nicht korrekt ist: Bring sie in Ordnung.

Lösung:

Die Bilanz der leptonischen Ladung stimmt nicht. Zufügen eines Antineutrinos auf der rechten Seite bringt die Reaktion in Ordnung.

3.

Ist die Reaktionsgleichung korrekt? Falls sie nicht korrekt ist: Bring sie in Ordnung.
In welche Richtung läuft die Reaktion ? 

Lösung:
Die Bilanz der leptonischen Ladung stimmt nicht. Zufügen eines Antineutrinos auf der rechten Seite bringt die Reaktion in Ordnung.
Reaktionsrichtung: von links nach rechts (aus Tabellenwerten berechnen)

4.

Aus einem Deuteriumkern und einem Tritiumkern soll ein Litiumkern entstehen. Ist die folgende Reaktionsgleichung in Ordnung?
Wenn nicht, vervollständige sie. Läuft die Reaktion in die gewünschte Richtung? 

Lösung:
Die Bilanz der leptonischen Ladung stimmt nicht. Zufügen eines Antineutrinos auf der rechten Seite bringt die Reaktion in Ordnung.
Die gesamte Ruhenergie der Teilchen auf der linken Seite ist um 5,02 pJ größer als die der Teilchen auf der rechten Seit (mit Tabelle berechnen). Die Reaktion kann also laufen.

5. Die Menge eines instabilen Nuklids nimmt in 27 Tagen auf ein Achtel ab. Wie groß ist die Halbwertszeit? 

Lösung:
9 Tage

6. Man untersucht ein instabiles Nuklid, und zwar eine Menge von 0,01 mol. Man stellt fest, dass pro Sekunde etwa 15 000 Kerne zerfallen. Gib eine grobe Abschätzung der Halbwertszeit. Drück das Ergebnis in Jahren aus. 

7. Man untersucht zwei verschiedene Nuklide A und B, und zwar gleiche Mengen. Man misst zwei Minuten lang und findet, dass in dieser Zeit 22 Kerne von A zerfallen und 19 von B. Was kannst Du über die Halbwertszeiten der beiden Stoffe sagen? 

Lösung:
Die Halbwertszeiten sind ähnlich. Man kann aber nicht entscheiden, ob A oder B die größere Halbwertszeit hat.

8. Welche Reaktion läuft in der Sonne ab?
Warum läuft sie in der Sonne, nicht aber auf der Erde? 

Lösung:

Die Reaktion ist stark gehemmt. Sie läuft in der Sonne weil dort die Temperatur hoch ist. Sie läuft allerdings auch dort noch sehr langsam.

9.

Lösung:

10. Beschreibe die Reaktion, die in einem Kernreaktor abläuft, und bei der ein Urankern in zwei Teile zerfällt. (Du brauchst keine Reaktionsgleichung anzugeben.) 

Lösung:
Uran- oder Plutoniumkerne zerfallen in zwei Teile, deren Größe nicht sehr verschieden ist. Die Reaktion ist stark gehemmt. Neutronen wirken als Katalysator. Da bei der Reaktion Neutronen entstehen, handelt es sich um eine autokatalytische Reaktion.

11. Die Umsatzrate von Kernreaktionen ist normalerweise sehr klein. Wie kann eine Kernreaktion beschleunigt werden? Wo finden solche beschleunigten Reaktionen statt? 

Lösung:
Wie eine chemische Reaktion: durch Temperaturerhöhung oder durch einen Katalysator. Die Reaktionsbeschleunigung durch Temperaturerhöhung findet Anwendung in den Sternen und im Fusionsreaktor. Die Katalysatorwirkung von Neutronen wird im konventionellen Kernreaktor ausgenutzt.

12. Aus welchen Teilchen bestehen die Kerne der drei Isotope des Wasserstoffs (Angabe der Gehaltsformel genügt)?

Lösung:
p, pn, pn₂

13. Worin unterscheidet sich ein Teilchen von seinem Antiteilchen? In was stimmen Teilchen und Antiteilchen überein?

Lösung:

gleich: Ruhmassen; verschieden: entgegengesetzte Vorzeichen von elektrischer, baryonischer und leptonischer Ladung

14. Nenne Eigenschaften des Neutrinos. Wo treten Neutrinos auf? 

Lösung:
Sehr kleine Ruhmasse, elektrische und baryonische Ladung gleich null, leptonische Ladung gleich eins. Sie entstehen in Kernreaktionen, besonders in der Sonne. Der Nachweis ist schwierig, da sie nur sehr schwach mit anderen Teilchen reagieren.

15. Erkläre die Begriffe Element, Nuklid und Isotop. 

Lösung:

Element: charakterisiert durch Anzahl der Protonen, es gibt etwa 100 verschiedene
Nuklid: charakterisiert durch Anzahl der Protonen und Anzahl der Neutronen, es gibt etwa 2000
Isotope: die verschiedenen Nuklide eines Elements

16. Lege eine Tabelle an, in der die elektrische, die baryonische und die leptonische Ladung der folgenden Teilchen aufgeführt sind: Photon, Elektron, Antielektron, Neutrino, Antineutrino, Proton, Antiproton, Neutron und Antineutron (die elektrische Ladung in Einheiten der Elementarladung).

17. Was versteht man unter der Trennenergie eines Kerns?

18. Warum ist es im Innern der Sonne so heiß?
Warum „lebt“ die Sonne so lange? 

Lösung:
Es ist so heißt, weil das Innere der Sonne sehr gut wärmeisoliert ist.
Die Reaktion läuft sehr langsam, da die Temperatur für eine Kernreaktion noch sehr gering ist.

19. Wie kommt es, dass die Sonne nicht explodiert? 

Lösung:
Bei Entropiezufuhr wird die Sonne gleichzeitig größer und kälter. Dadurch wird Umsatzrate vermindert.

20. Ein Kern wird in seine Bestandteile zerlegt. Sind die Bestandteile zusammen schwerer oder leichter als der Kern? Begründe. 

Lösung:
Zum Zerlegen wird Energie gebraucht, d.h. dem System zugeführt. Wegen E = k · m nimmt die Masse des Systems zu.

21. Warum braucht man bei einem Kernreaktor sehr zuverlässige Sicherheitsvorkehrungen?

Lösung:
Weil der Reaktor nach dem Abschalten der Kernspaltungsreaktion durch Folgeraktionen noch Wärme produziert. Diese muss abgeführt werden können, damit der Reaktorkern nicht schmilzt.