3 Fragen zu Atomkerne

In Kernkraftwerken erfolgt die Spaltung von Atomkernen durch einen Prozess, der als Kernspaltung bezeichnet wird. Dabei wird ein schwerer Atomkern, meist Uran-235 oder Plutonium-239, durch den Beschuss mit Neutronen instabil und zerfällt in zwei leichtere Kerne, sogenannte Spaltprodukte. Dieser Prozess setzt eine erhebliche Menge an Energie in Form von Wärme frei. Die entstehende thermische Energie wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und in Dampf umzuwandeln. Dieser Dampf treibt dann Turbinen an, die mit Generatoren verbunden sind, um elektrische Energie zu erzeugen. Der gesamte Prozess umfasst mehrere Schritte: 1. **Kernspaltung**: Neutronen treffen auf die Atomkerne, die sich daraufhin spalten. 2. **Wärmeübertragung**: Die bei der Spaltung freigesetzte Wärme wird an ein Kühlmittel (meist Wasser) übertragen. 3. **Dampferzeugung**: Das erhitzte Wasser wird in Dampf umgewandelt. 4. **Stromerzeugung**: Der Dampf treibt Turbinen an, die elektrische Generatoren in Bewegung setzen. 5. **Kondensation**: Der Dampf wird anschließend in einem Kondensator wieder in Wasser umgewandelt, um den Kreislauf zu schließen. Durch diesen Prozess wird die in den Atomkernen gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt, die dann ins Stromnetz eingespeist werden kann.

In Atomkernen sind Protonen und Neutronen, zusammen als Nukleonen bezeichnet, dicht gepackt und durch die starke Kernkraft zusammengehalten. Diese Kraft wirkt nur über sehr kurze Distanzen und ist viel stärker als die elektromagnetische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Protonen. Die Anordnung der Protonen und Neutronen in einem Atomkern ist nicht festgelegt wie in einem Kristallgitter, sondern eher als eine Art "Kernflüssigkeit" zu verstehen. Die Nukleonen bewegen sich innerhalb des Kerns und sind ständig in Wechselwirkung miteinander. Es gibt keine festen Positionen, aber die Verteilung der Nukleonen kann durch Modelle wie das Schalenmodell beschrieben werden. Im Schalenmodell sind die Nukleonen in verschiedenen Energieniveaus oder "Schalen" angeordnet, ähnlich wie Elektronen in einem Atom. Diese Schalen sind durch quantenmechanische Prinzipien definiert und füllen sich nach bestimmten Regeln, die durch die Quantenzahlen der Nukle bestimmt werden. Zusammengefasst: - Protonen und Neutronen sind dicht gepackt im Atomkern. - Sie werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten. - Es gibt keine festen Positionen, sondern eine dynamische Anordnung. - Das Schalenmodell hilft, die Verteilung der Nukleonen zu beschreiben.

Isotope sind Varianten eines chemischen Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen im Atomkern unterscheiden, während die Anzahl der Protonen gleich bleibt. Hier ist der grundlegende Aufbau von Isotopen: 1. **Protonen**: Die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms bestimmt das chemische Element und bleibt bei allen Isotopen eines Elements gleich. Diese Zahl wird auch als Ordnungszahl bezeichnet. 2. **Neutronen**: Isotope eines Elements unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen im Kern. Diese Variation führt zu unterschiedlichen Massenzahlen (Summe von Protonen und Neutronen). 3. **Elektronen**: In einem neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen. Elektronen befinden sich in den Elektronenhüllen um den Kern und beeinflussen die chemischen Eigenschaften des Elements. Beispiel: Kohlenstoff hat zwei stabile Isotope: - **Kohlenstoff-12 (C-12)**: 6 Protonen und 6 Neutronen - **Kohlenstoff-14 (C-14)**: 6 Protonen und 8 Neutronen Obwohl beide Isotope Kohlenstoff sind, unterscheiden sie sich in ihrer Massenzahl und einigen physikalischen Eigenschaften, wie z.B. der Radioaktivität im Fall von C-14.