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Isotope

Isotope

Isotope sind Nuklide mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl. Isotope stehen am gleichen Ort (griech. ισο [iso] – gleich, τόπος [topos] – Ort) im Periodensystem, aber an unterschiedlichem Ort in der Nuklidkarte. Ein Isotop umfasst also Atome eines Elements, die sich nur durch die unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Atomkern unterscheiden. In der Regel besitzt jedes natürlich vorkommende Element ein oder wenige stabile Isotope, während die anderen Isotope radioaktiv (das heißt instabil) sind und früher oder später zerfallen. Es gibt jedoch auch Elemente, bei denen alle Isotope instabil sind und zerfallen.

Stabile Isotope

Mit 10 stabilen Isotopen hat Zinn die meisten natürlich vorkommenden Isotope. Bei 20 sogenannten Reinelementen gibt es nur ein stabiles Isotop. Diese Elemente sind: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Kobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Cäsium, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Bismut. Thorium besitzt zwar nur ein natürliches Isotop, dieses ist aber nicht stabil. Die Halbwertszeit ist mit 1,4 · 10¹⁰ Jahren sehr lang. In einigen Lehrbüchern wird es als 21. Reinelement aufgeführt. Nach neueren Untersuchungen ist das bisher für stabil gehaltene Isotop des Bismuts ein Alpha-Strahler mit extrem langer Halbwertszeit (1,9 · 10¹⁹ Jahre). Streng genommen gibt es somit nur noch 19 Reinelemente mit stabilem Isotop.

Bekannteste Isotope

Ein bekanntes Isotop ist ¹⁴C, das zur Altersbestimmung von organischen Materialien (Archäologie) benutzt wird (Radiokarbonmethode). Kohlenstoff (C) liegt hauptsächlich als stabiles Isotop ¹²C vor. Das Isotop ²³⁵U wird aus dem Natururan angereichert und als Brennstoff in Kernkraftwerken oder stärker angereichert in Atombomben verwendet.

Chemische Reaktionen bei Isotopen

In ihren chemischen Reaktionen unterscheiden sich Isotope geringfügig. Ein Beispiel ist die Elektrolyse von Wasser, bei der vorzugsweise Wasser mit dem normalen ¹H reagiert und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, während sich Wassermoleküle mit ²H (Schwerer Wasserstoff) im Restwasser anreichern. Grund hierfür sind die verschiedenen Nullpunktenergien der Isotope.

Isotope in der Analytik

Auch an ihren Spektrallinien können bei hoher Auflösung verschiedene Isotope eines Elements unterschieden werden (Isotopieverschiebung). Die Isotopenzusammensetzung in einer Probe wird in der Regel mit einem Massenspektrometer bestimmt. Isotope spielen ferner eine Rolle in der NMR-Spektroskopie. So werden beispielsweise in der NMR-Spektroskopie organischer Verbindungen ¹³C Isotope spektroskopiert, da sie im Gegensatz zum ¹²C einen detektierbaren Kernspin haben. Isotope werden auch in der Aufklärung von Reaktionsmechanismen oder Metabolismen mit Hilfe der sog. Isotopenmarkierung verwendet. Die Isotopenzusammensetzung des Wassers ist an verschiedenen Orten der Welt verschieden und charakteristisch. Diese Unterschiede erlauben es etwa bei Lebensmitteln wie Wein oder Käse, die Deklaration des Ursprungsortes zu überprüfen.

Benannte Isotope

Es gibt nur wenige Isotope, für die eigene Namen oder eigene Kürzel gebräuchlich sind:
- Das ²H-Isotop wird gewöhnlich als Deuterium (D) bezeichnet
- Das ³H-Isotop wird gewöhnlich als Tritium (T) bezeichnet

Siehe auch

- Isotopenuntersuchung
- Radioaktivität
- Halbwertszeit
- Radionuklid Kategorie:Kernphysik Kategorie:Kernenergie Kategorie:Chemie ja:同位体 ko:동위원소 simple:Isotope th:ไอโซโทป

Nuklid

Ein Nuklid ist in der Kernphysik ein Atomkern, der durch eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen gekennzeichnet ist und damit die Atomart bestimmt. Die verschiedenen Nuklide eines chemischen Elements, mit konstanter Zahl an Protonen aber unterschiedlicher Zahl an Neutronen, werden vor allem in der Chemie als Isotope bezeichnet. Der Begriff Nuklid selbst wurde 1950 international eingeführt, um den verbreiteten, aber unkorrekten Gebrauch des Wortes „Isotop“ für die Atomart auf seine ursprünglich elementspezifische Bedeutung zu beschränken. Nuklide mit gleicher Massenzahl (Anzahl an Nukleonen), aber unterschiedlicher Ladung (Ordnungszahl), heißen Isobare (gleich schwer). Isotone sind Nuklide gleicher Neutronen- aber unterschiedlicher Protonenzahl. Kernisomere sind Atome desselben Nuklids, deren Kerne sich bei gleicher Ladung und gleicher Massenzahl in einem unterschiedlichen inneren Zustand befinden. Unstabile Nuklide sind radioaktiv und werden Radionuklide genannt. In der Natur existieren rund 270 stabile und etwa 70 radioaktive Nuklide. Weit über tausend wurden künstlich erzeugt. Die bekannten Nuklide werden in so genannten Nuklidkarten dargestellt.

Weblinks

- [http://atom.kaeri.re.kr/ton/ Details zu den Nukliden]
- [http://www.webelements.com/ Tabellarisches Periodensystem mit Nuklidinformationen] Kategorie:Atomphysik Kategorie:Kernphysik cz:Nuklid

Massenzahl

Die Massenzahl oder Nukleonenzahl bezeichnet die Anzahl der Nukleonen, der Kernbausteine, eines Atoms und gibt damit in etwa die Atommasse an. Ihr Formelzeichen ist A. Sie setzt sich zusammen aus der Anzahl Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Protonen (Formelzeichen Z) definiert dabei die Ordnungszahl und damit den Namen des Atoms. Zur abgekürzten Darstellung eines bestimmten Kerns schreibt man links oberhalb des betreffenden Elementsymbols seine Massenzahl A und links unten seine Protonenzahl (Ordnungszahl Z). Atome können bei gleicher Zahl Protonen eine unterschiedliche Anzahl Neutronen haben. Die verschiedenen möglichen Kombinationen mit derselben Protonen-Zahl werden Isotope genannt. Beispielsweise besteht Wasserstoff in seinem normalen Zustand aus nur einem Proton und einem Elektron. Es kann jedoch auch ein Neutron in seinen Kern aufnehmen. Zur Kennzeichnung des Unterschiedes wird die Massenzahl dem chemischen Symbol des Elements oben vorangestellt, z.B. ²H für ein Wasserstoffatom mit einem Proton und einem Neutron, auch Deuterium genannt. Diese Atome, die Kerne mit gleicher Protonenzahl Z aber unterschiedlicher Neutronenzahl N besitzen, werden als Isotope bezeichnet. Siehe auch: Neutronenzahl, Periodensystem Kategorie:Kernphysik Kategorie:Atomphysik ja:質量数

Nuklidkarte

Die Nuklidkarte ist eine grafische Darstellung aller bekannter Nuklide (Atomkerne). Sie ist in der Kernphysik von ähnlicher Bedeutung wie das Periodensystem in der Chemie. Da ein Nuklid durch die Anzahl seiner Protonen und Neutronen bestimmt ist, bietet sich eine zweidimensionale Darstellung an: Die Anzahl der Protonen wird konventionsgemäß nach oben, die der Neutronen nach rechts aufgetragen. Damit sind in den Reihen die Nuklide mit gleichen chemischen Eigenschaften (Isotope) angeordnet, in den Spalten die Nuklide mit konstanter Neutronenzahl (Isotone) und von links oben nach rechts unten diagonal die Nuklide mit konstanter Nuklidanzahl (Isobare) angeordnet. Die Nuklidkarte listet die wichtigsten Eigenschaften der Nuklide auf, wie die Halbwertszeit, Zerfallsart, Zerfallsenergie und Isomere. Oft werden die Nuklide nach ihren Zerfallseigenschaften (stabil, radioaktiv, Zerfallsart, Halbwertszeit) farblich markiert. Aufgrund der Anordnung lassen sich radioaktive Zerfallsketten leicht verfolgen: Das Zerfallsprodukt nach einem Alphazerfall findet sich zwei Spalten nach links und zwei Zeilen nach unten; das Zerfallsprodukt eines Betazerfalls liegt um eine Spalte nach links und eine Zeile nach oben (negative Betazerfall) oder um eine Spalte nach rechts und eine Zeile nach unten (positiver Betazerfall).

Weblinks

- http://atom.kaeri.re.kr/ - Ausführliche Nuklidkarte (englisch) Kategorie:Kernphysik Kategorie:Chemie

Atom

en umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen.]] Das Atom (von griechisch άτομος, átomos - unteilbar, [unteilbare] Person) ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, der Kernladungszahl, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Nahezu die gesamte von uns wahrnehmbare, unbelebte und belebte Materie in unserer irdischen Umgebung besteht aus Atomen oder Ionen. Kosmologisch betrachtet stellt diese Materieform jedoch nur einen gewissen Anteil neben Plasma, aus dem die Sterne bestehen, der Neutronenmaterie von Neutronensternen und evtl. einer noch hypothetischen Dunklen Materie bislang unbekannter Natur.

Aufbau

Dunklen Materie Ein Atom besteht aus einer Hülle und einem im Vergleich zu seinem Gesamtvolumen winzigen Kern. Die Atomhülle (Elektronenhülle) hat mit einem Radius von etwa 10^-10 m einen ungefähr zehntausendfach größeren Radius als der Atomkern (r = 10^-14 m). Zur Veranschaulichung: würde man ein Atom auf die Größe einer Kathedrale aufblähen, so entspräche der Kern der Größe einer Fliege (allerdings wäre eine solche Fliege vieltausendfach schwerer als die Kathedrale selbst). Der Atomkern nimmt nur etwa ein Billiardstel des Gesamtvolumens eines Atoms ein. Der Atomkern besteht aus den sogenannten Nukleonen, Protonen und – außer beim Wasserstoff-Isotop ₁¹H – aus Neutronen. Die Atomhülle besteht aus Elektronen. Im Atomkern konzentriert sich fast die gesamte Masse des Atoms. Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und die Protonen eine positive, wodurch sie sich gegenseitig anziehen. Die Neutronen sind elektrisch neutral und haben eine geringfügig größere Masse als die Protonen.

Kenndaten

Atome sind in erster Näherung kugelförmig und haben eine Größe von 0,1 bis 0,5 nm, also 0,0000000001 m bis 0,0000000005 m. Innerhalb des Periodensystems nehmen die Atomradien von links nach rechts ab und von oben nach unten zu. Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen der Protonenzahl (und damit der Ordnungszahl) und dem Atomradius. Ihre Masse beträgt abhängig von der Massenzahl zwischen 10^-24 und 10^-22 g. Siehe auch: Mol, Periodensystem Siehe auch: Atommodell

Kategorisierung und Ordnung

Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung des Elements im Periodensystem der chemischen Elemente), die Summe der Protonen und Neutronen die Massenzahl. Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet. Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotope, sie gehören dem gleichen chemischen Element an. Bei den meisten chemischen Reaktionen spielt die Anzahl der Neutronen keine Rolle. Wichtig ist die Anzahl der Neutronen im Bereich der Strahlungslehre. In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen. Meist sind nur ein oder zwei Isotope eines Elements stabil, die anderen zerfallen radioaktiv. Von einigen Elementen gibt es auch überhaupt kein stabiles Isotop. Atom(kern)e mit untereinander gleicher Zahl an Protonen bzw. Neutronen bezeichnet man als Nuklide. Das kleinste Atom ist das Wasserstoffatom mit nur einem Proton im Atomkern. Eines der schwersten Atome ist das Uran-Atom mit 92 Protonen im Atomkern (siehe Periodensystem). Das schwerste Atom, dessen Herstellung in entsprechenden Experimenten bisher gelungen ist, ist das Ununoctium-Atom mit 118 Protonen im Atomkern (Stand Aug.2004). Es ist jedoch extrem kurzlebig.

Allgemeines

Die Chemie beschäftigt sich mit den Atomen und ihren Verbindungen, den Molekülen. Dies setzt auch genaue Kenntnisse über die Struktur der Atomhülle voraus. Die Physik beschäftigt sich unter anderem mit dem Aufbau der Atomhülle (Atomphysik), dem Aufbau der Atomkerne aus Elementarteilchen (Kernphysik) und weiter mit den Eigenschaften der Elementarteilchen (Elementarteilchenphysik).

Geschichte

Siehe auch: Atomismus und Atommodell Die Geschichte der Idee des Atoms beginnt im antiken Griechenland um 400 vor Christus.
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell ::Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerte als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - (griechisch a-tomos = unteilbar) Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe ließen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas Göttliches ansah. Demokrits philosophischer Kontrahent war vor allem Empedokles, der die Lehre von den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser begründete. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden ::Auch wenn die Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente ::Der englische Chemiker John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1896 entdeckt Henri Becquerel die Radioaktivität, und stellt fest, dass sich Atome umwandeln können.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons ::Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch nicht überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität ::Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet. Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde 1896 von Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie ::Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten ::Der Berliner Physiker Planck untersuchte die Schwarzkörperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begründung seiner Formel führte er die sog. Quanten ein und wurde somit zum Begründer der Quantenphysik.
- 1905 - Albert Einstein - Erklärung der Brownschen Bewegung ::In der dritten Arbeit des „annus mirabilis“ erklärte der Physiker Albert Einstein die Brownsche Bewegung mit Hilfe der Atomhypothese. Damit wurde zum ersten Mal ein beobachtbares physikalisches Phänomen direkt aus Boltzmanns Theorie hergeleitet.
- 1906 - Ernest Rutherford - Experimente ::Der Physiker Ernest Rutherford ging im Gegensatz zu Boltzmann und Planck experimentell auf die Suche nach den Atomen. 1906 entdeckte er mit dem rutherfordschen Experiment, dass Atome nicht massiv sind, ja sogar im Grunde fast gar keine Substanz besitzen. (Damit ist das Wort "Atom" für das, was es bezeichnet, im Grunde falsch. Es wurde aber beibehalten.) Aus dem Experiment leitete Rutherford bis 1911 die genaue Größe eines Atoms, also der Atomhülle und der Größe des Atomkerns ab. Ferner konnte er ermitteln, dass der Atomkern die positive Ladung, die Atomhülle eine entsprechende negative Ladung trägt. So entdeckte er das Proton.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell ::Aus dem rutherfordschem Atommodell entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein planetenartiges Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Die Bahnen besitzen verschiedene Radien, und jede Bahn besitzt eine maximale Kapazität für Elektronen. Atome streben Bohr zufolge an, dass alle Bahnen komplett besetzt sind. Damit haben sich sowohl viele chemische Reaktionen erklären lassen als auch die Spektrallinien des Wasserstoffs. Da sich das Modell für komplexere Atome als unzureichend erwies, wurde es 1916 von Bohr und dem deutschen Physiker Arnold Sommerfeld insofern verbessert, als man nun für bestimmte Elektronen exzentrische, elliptische Bahnen annahm. Das bohr-sommerfeldsche Atommodell erklärt viele chemische und physikalische Eigenschaften von Atomen.
- 1929 - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere - Das Orbitalmodell ::Aufbauend auf Schrödingers Wellenmechanik und Heisenbergs Matrizenmechanik wurde ein weiteres, bis heute modernes Atommodell entwickelt, das weitere Unklarheiten beseitigen konnte.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron ::Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie ::Der theoretische Physiker Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m
- c². 1932 wurde dann noch das Neutron von dem englischen Physiker James Chadwick entdeckt.
- 1933 - Irène und Frédéric Joliot-Curie - Materie aus dem Nichts ::Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron (vgl. Paarbildung).
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung ::Der deutsche Chemiker Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt Cäsium und Rubidium oder Strontium und Xenon. Was eigentlich passierte, konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne ::Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen.
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor ::Der italienische Physiker Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben, als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis ::Die Nazis beauftragten den Physiker Heisenberg, eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombombe bauen ::Eigentlich hat Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstützte aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt, dass die Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichtige Ideen für den Bau der Atombombe, war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe ::Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester Zeit der Bau einer Atombombe, das Manhattan-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1951 - Erwin Müler – das Feldionenmikroskop ::Müller gelingt mit der Konstruktion eines Feldionenmikroskopes erstmals die direkte Abbildung von Atomen auf einer Wolfram-Spitze.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe ::Der ungarische Physiker Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus wurde Teller zu einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer ::Nach dem Ende des zweiten Weltkrieges konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks ::Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der Quarks, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
- 1978 - Der Fusionreaktor ::Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernverschmelzung (Kernfusion) frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Die Kernverschmelzung (Kernfusion) gelang erstmals mit Teilchenbeschleunigern. Derzeit laufen Versuche, Kernfusionsreaktoren herzustellen, bislang konnte aber nur für sehr kurze Zeit mehr Energie gewonnen werden, als in den Prozess hineingesteckt wurde
- 1995 - Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat ::In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, ein bereits von Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson ::Das Kernforschunngszentrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem Higgs-Boson, das als Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie ::Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.

Zitate

- Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. – Demokrit (5. Jh. v. Chr.)
- Richard Feynman hat einmal gesagt, müsste er das wichtigste Ergebnis der modernen Naturwissenschaft in einem Satz zum Ausdruck bringen, entschiede er sich für: "Die Welt besteht aus Atomen." – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 255)

Literatur

- Bernhard Bröcker u.a.: dtv Atlas Atomphysik: Tafeln und Texte. 6. Aufl. 1997. ISBN 3-423-03009-7.

Siehe auch

- Atomabsorption
- Atombombe
- Atomkraft
- Atomwaffe
- Atomgewicht
- Elementarteilchen
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Kernmodell
- Kernreaktionen
- Liste von Mineralen
- Molekül
- Nebelkammer
- Quantenmechanik
- Quantenphysik
- Strahlenschutz
- Superatome
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchendetektor
- Teilchenquelle
- Wechselwirkung

Weblinks

Animationen

- Animationen der Atome aller Elemente: http://www.physik.rwth-aachen.de/~harm/aixphysik/atom/Periodic/index.html
- Animation eines Heliumatoms: http://www.purchon.com/chemistry/helium.htm

Sonstiges

- [http://www.pm-magazin.de/de/wissensnews/wn_id878.htm "Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome"] von Peter Rösch (P.M.)
- [http://www.chemieseite.de/allgemein/node4.php Übersicht über die verschiedenen Atommodelle] Kategorie:Atomphysik ja:原子 ko:원자 ms:Atom simple:Atom th:อะตอม

Chemisches Element

Stoffe, die ausschließlich aus Atomen mit gleicher Anzahl an Protonen im Kern (Kernladungszahl) bestehen, bezeichnet man als chemische Elemente. Sie treten im Universum mit einer bestimmten Elementhäufigkeit auf. Im Gegensatz zu den Elementen stehen die Verbindungen und die Stoffgemische. Früher war die Definition dieses Begriffs intuitiver, aber unpräziser: Robert Boyle definierte ein chemisches Element als einen Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann. Diese Definition hat den Nachteil, dass man nie sicher sein kann, ob man die chemischen Methoden völlig ausgeschöpft hat. Hätte man es z. B. im Labor nicht geschafft, Wasser zu zerlegen, so hätte man es als Element einordnen müssen. Der heutige Element-Begriff, der für die Stoffe eine Einteilung nach ihren Bestandteilen, den Atomen, vornimmt, ist abstrakter, dafür aber präzise. Seine praktische Bedeutung liegt darin, dass er Atome mit gleichem chemischen Verhalten (dem Verhalten bei chemischen Reaktionen) zusammenfasst. Das physikalische Verhalten von Atomen ein und desselben Elements kann dabei durchaus unterschiedlich sein, z. B. können die Atome eines Elements sich in der Masse unterscheiden (Isotope) und bei nuklearen Reaktionen unterschiedlich verhalten. Nach der Kernladungszahl (auch Ordnungszahl) ihrer Atome ordnet man die Elemente im Periodensystem der Elemente (PSE) an. Dieses System wurde vom russischen Gelehrten Dmitri Iwanowitsch Mendelejew zeitgleich mit dem deutschen Lothar Meyer 1869 begründet.

Kernladungszahl und Masse

Die Erklärungen dafür, dass die Massezahl nicht genau dem Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms entspricht, sind:
- Protonen und Neutronen, die den Hauptanteil der Masse bilden, sind fast, jedoch nicht genau, gleich schwer.
- Natürliche Elemente bestehen aus einer Mischung von Atomen mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Eine Atomart überwiegt meist bei weitem, diese bestimmt dann die Massenzahl (Ausnahme Chlor Cl mit der 35,5-fachen Masse)
- Das natürliche Mischverhältnis ist bei einem Element meist gleich (Ausnahme ist Blei, das unterschiedliche durchschnittliche Atommassen zeigt, wenn man es aus verschiedenen Lagerstätten gewinnt)
- Bei sehr genauen Messungen zeigt sich die Bindungsenergie als Massendefekt, so dass die Kernmasse stets minimal kleiner ist als die Summe der Massen der Protonen und Neutronen.

Rein- und Mischelemente

Der Kern des Wasserstoffs besteht fast immer aus nur einem Proton. Wasserstoff mit einem Proton und einem Neutron im Kern (Deuterium) tritt in natürlichem Wasserstoff mit einem Anteil von 0,015 % auf. Der Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es existieren aber auch Helium-Atome, die zwei Protonen, aber nur ein Neutron, enthalten. Diese treten in natürlichem Helium jedoch nur mit einem Anteil von 0,000137 % auf. Chlor (17 Protonen) besteht aus einer Mischung aus Atomen mit 18 Neutronen (75,8 %) und 20 Neutronen (24,2 %). Chemische Elemente, die nur aus einer Atomart bestehen, heißen Reinelemente, wenn sie dagegen aus zwei oder mehr Atomarten bestehen, heißen sie Mischelemente. Atome des gleichen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.

Chemische Verbindungen

Chemische Elemente können, bis auf wenige Ausnahmen, chemische Verbindungen eingehen. Dabei sind mehrere der elementaren Atome zu Molekülen zusammengeschlossen. Natürliche oder künstliche Stoffe sind entweder Elemente oder Verbindungen. Gewöhnliches Wasser H₂O ist eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff H (2 Atome pro Molekül) und Sauerstoff (1 Atom pro Molekül). Metalle wie Eisen Fe oder Kupfer Cu sind dagegen stets Elemente. Elemente können auch eine Verbindung mit sich selbst eingehen. Bei vielen Gasen wie Chlor Cl oder Fluor F verbinden sich zwei Atome desselben Elements zu einem Molekül, also Cl₂ bzw. F₂.

Die Entstehung von Elementen

Bereits beim Urknall entstanden die leichten Elemente Wasserstoff (ca. 75%) und Helium (ca. 25%), zusammen mit geringen Mengen Lithium und Beryllium. Schwerere Elemente entstehen im Universum durch Kernreaktionen in den Sternen (meist durch Kernfusion). Am Anfang steht der Wasserstoff mit einem Atomgewicht von ca. 1,0 (ein Proton). In Hauptreihen-Sternen, wie auch unserer Sonne, verschmilzt unter hoher Temperatur (mehrere Millionen C°) und hohem Druck Wasserstoff zu Helium. (Atomgewicht ca. 4,0) Dabei verschmelzen 4 Wasserstoffatomkerne über mehrere Zwischenstufen zu einem Heliumatomkern. Dieser ist ein wenig leichter als die vier Protonen zusammen, die Massendifferenz wird als Energie in Form von (Gamma-)Strahlung frei. Die Fusion geht auf diese Art (Atome mit geringerer Protonenzahl und Atomgewicht verschmelzen zu höheren unter Abgabe von Energie) in den meisten Sternen bis zum Kohlenstoff, in massereichen bis zum Eisen weiter. Die Energieausbeute wird dabei immer geringer. Eisen ist der am dichtesten gepackte Atomkern, bei Fusionsreaktionen darüber hinaus wird Energie verbraucht anstatt freigesetzt. Sterne sind auf Energiegewinnung aus Kernfusion angewiesen, um ihren Gravitationskollaps aufzuhalten, daher können derartige Reaktionen nicht in nennenswertem Umfang stattfinden. Elemente schwerer als Eisen entstehen in Sternen am Ende ihrer Lebensdauer. Dabei fangen Atomkerne Neutronen ein und werden so in Elemente höherer Ordnungszahl umgewandelt. Dies geschieht im sogenannten s-Prozess (bei massearmen Sternen) oder im r-Prozess (bei massereichen Sternen während einer Supernova). Ein Stern verliert am Ende seiner Lebensdauer große Mengen Material (kontinuierlich durch Sonnenwind oder explosiv in einer Supernova), dadurch gelangen die entstandenen Elemente zurück in das interstellare Medium. Jüngere Sternensysteme enthalten daher bereits von Anfang an auch geringe Mengen schwererer Elemente, die z.B. Planeten wie in unserem Sonnensystem bilden können.

Liste chemischer Elemente

A Actinium - Aluminium - Americium - Antimon - Argon - Arsen - Astat B Barium - Berkelium - Beryllium - Bismut - Blei - Bohrium - Bor - Brom C Cadmium - Cäsium - Calcium - Californium - Cer - Chlor - Chrom - Curium D Darmstadtium - Dubnium - Dysprosium E Einsteinium - Eisen - Erbium - Europium F Fermium - Fluor - Francium G Gadolinium - Gallium - Germanium - Gold H Hafnium - Hassium - Helium - Holmium I Indium - Iod - Iridium J Jod siehe Iod K Kalium - Kobalt - Kohlenstoff - Krypton - Kupfer L Lanthan - Lawrencium - Lithium - Lutetium M Magnesium - Mangan - Meitnerium - Mendelevium - Molybdän N Natrium - Neodym - Neon - Neptunium - Nickel - Niob - Nobelium O Osmium P Palladium - Phosphor - Platin - Plutonium - Polonium - Praseodym - Promethium - Protactinium Q Quecksilber R Radium - Radon - Rhenium - Rhodium - Roentgenium - Rubidium - Ruthenium - Rutherfordium S Samarium - Sauerstoff - Scandium - Schwefel - Seaborgium - Selen - Silber - Silizium - Stickstoff - Strontium T Tantal - Technetium - Tellur - Terbium - Thallium - Thorium - Thulium - Titan U Unnilpentium (
- ) - Unnilquadium (
- ) - Ununoctium - Ununhexium - Ununquadium - Ununbium - Ununtrium - Ununpentium - Ununseptium - Ununnilium (
- ) - Uran V Vanadium W Wasserstoff - Wolfram X Xenon Y Ytterbium - Yttrium Z Zink - Zinn - Zirkonium
- veralteter Name

weitere Darstellungsformen

- Sortierung nach Symbol
- Liste der chemischen Elemente nach der Ordnungszahl
- Periodensystem
- Periodensystem mit Elektronenkonfiguration

Literatur

- Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente. Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8

Weblinks

- [http://www.chemieseite.de/ www.chemieseite.de] enthält ausführliche Beschreibungen der Hauptelemente.
- [http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/lyrics.html] Lied der chemischen Elemente Kategorie:Chemie

Siehe auch

- Elektronegativitäten der Elemente,
- Elementnamensgebungskontroverse,
- Systematische Elementnamen,
- Verdampfungswärme der chemischen Elemente
- Nebulium
- Kalzium ist ein Computerprogramm für das Betriebssystem Linux, das sehr viele Informationen zum Periodensystem und den Elementen bietet.
- Phlogiston
- Nukleosynthese ja:元素 ko:화학 원소 ms:Unsur kimia simple:Element th:ธาตุเคมี

Neutron

Das Neutron ist ein langlebiges, elektrisch neutrales Elementarteilchen mit dem Formelzeichen n. Es ist, wie das Proton, ein Nukleon.

Physikalische Beschreibung

Das Neutron hat den Spin 1/2 und ist damit ein Fermion. Außerdem gehört es zu den Baryonen. Neutronen bestehen ihrerseits aus zwei d-Quarks und einem u-Quark (Formel udd). Wie seine Bestandteile unterliegt auch das Neutron sowohl der starken als auch der Schwachen Wechselwirkung. Bemerkenswert ist, dass das Neutron – obwohl es ein elektrisch neutrales Teilchen ist – ein magnetisches Moment hat und damit auch der Elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegt. Die Herleitung dieses magnetischen Moments aus fundamentalen Gesetzen ist ein sehr schwieriges Problem der theoretischen Physik. Die Ruhemasse des Neutrons ist um etwa 1,293 MeV etwas größer als die eines Protons. Der Durchmesser des Neutrons beträgt etwa 1,6

\cdot

10^-15 m.

Neutronen als Bestandteile von Atomkernen

Die Neutronen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei und bestimmen damit das Isotop des Elements. Das chemische Verhalten bleibt jedoch im Wesentlichen gleich, da dies durch die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmt wird, deren Elektronenanzahl wegen der elektrischen Neutralität des Neutrons unabhängig von der Neutronenzahl ist. Der Atomkern fast aller Elemente besteht aus Protonen und Neutronen. Die Ausnahme ist das am häufigsten auftretende Wasserstoffisotop, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht.

Schwache Wechselwirkung

Neutronen unterliegen der Schwachen Wechselwirkung. Der hierdurch verursachte Betazerfall sorgt für die Aufspaltung eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Das freie Neutron ist instabil und zerfällt mit einer Lebensdauer von etwa

886,7\pm1,9

Sekunden (knapp 15 Minuten): :

\mathrm\rightarrow\mathrm+\mathrm^-+\bar_e + 0,78\,\mathrm

Die Halbwertszeit des freien Neutrons ist jedoch nicht sehr präzise bekannt. Der Grund ist die schwierige Messung: Freie Neutronen lassen sich zwar mit Neutronenquellen, Kernreaktionen oder Kernspaltung oder mittels des Kernphotoeffekts gewinnen. Sie werden jedoch in kürzester Zeit von Materie eingefangen, bevor der Zerfall stattfindet. Für wissenschaftliche Berechnungen ist die Lebenszeit freier Neutronen aber eine elementare Konstante, die einen wesentliche Einfluss auf die Entwicklung des Kosmos hatte. In einer frühen Phase des Universums machten nämlich freie Neutronen einen bedeutenden Teil der Materie aus. So könnte man die Entstehung besonders der leichten Elemente (und deren Isotopenverteilung) besser nachvollziehen, wenn die Zerfallskonstante des Neutrons genau bekannt wäre. Außerdem erwartet man ein besseres Verständnis der Schwachen Wechselwirkung, die für den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich ist. Eine Gruppe am Hahn-Meitner-Institut (HMI) in Berlin arbeitet daran, die Zerfallszeit des freien Neutrons präziser zu messen. Dabei werden Neutronen in einer dreidimensionalen magnetischen Falle eingeschlossen. Die Wechselwirkung des Neutrons mit den Magnetkräften des Käfigs erfolgt über den schwachen magnetischen Dipol des Neutrons. Dies bedingt eine besonders ausgefeilte Gestaltung des Feldes im Käfig. Die Neutronen, die aus einem Forschungsreaktor in die Falle gelangen, werden von superflüssigem Helium in der Kammer abgebremst und eingefangen. Das aus dem Zerfall stammende hochenergetische Elektron dient als Nachweis in der Kammer. Es ionisiert auf seiner Flugbahn mehrere Helium-Atome, die über Molekülprozesse (Excimere) ein messbares Lichtsignal aussenden. Neutronen hinterlassen in einer Blasenkammer keine Spur, d. h. sie wirken nicht ionisierend. Freie Neutronen werden von vielen Atomkernen absorbiert. Die bei dieser Reaktion entstehenden neuen Atomkerne sind oft radioaktiv; einige wenige Atomkerne spalten sich spontan nach dem Einfangen eines Neutrons. Man unterscheidet zwischen schnellen Neutronen (E>1MeV) und thermischen Neutronen. Zum Abbremsen (Moderation) von Neutronen müssen Kerne geringer Massenzahl verwendet werden, da der Energieverlust über Stöße erfolgt. In vielen Kernreaktoren (Druck- und Siedewasserreaktoren) entstehen schnelle Neutronen und werden mittels eines geeigneten Moderators (Wasser, Graphit, Deuterium) auf für die Kernspaltung passende Energie abgebremst.

Starke und Elektromagnetische Wechselwirkung

Neutronen unterliegen der Starken Wechselwirkung, nicht aber der elektrostatischen Abstoßung. Daher wirken sie stabilisierend auf Atomkerne mit vielen Protonen. Während die positiv geladenen Protonen untereinander sowohl anziehende (Starke Wechselwirkung) als auch abstoßende Kräfte (Elektromagnetische Wechselwirkung) erfahren, tritt zwischen Neutronen untereinander und zwischen Neutronen und Protonen keine elektromagnetische Abstoßung auf. Die Elektromagnetische Wechselwirkung ist zwar schwächer als die Starke Wechselwirkung, wirkt aber im Gegensatz zu dieser auch über größere Entfernungen, da sie sich umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung verhält, während die Starke Wechselwirkung, die man auch als eine Äußerungsform der zwischen den Quarks und Gluonen, aus denen die Nukleonen bestehen, wirkenden Farbkraft interpretieren kann, nur auf sehr kurze Distanz wirkt, und in größerer Entfernung schnell gegen Null strebt. Die Stabilität eines Atomkerns kann näherungsweise als das Gleichgewicht zwischen der anziehenden Starken und der abstoßenden elektrischen Kraft angesehen werden. Obwohl sie sich durch statische elektrische Felder nicht ablenken lassen, unterliegen Neutronen doch auch der Elektromagnetischen Wechselwirkung, da sie über einen Spin und damit über ein Magnetisches Moment verfügen.

Geschichte der Entdeckung und Erforschung

Die ersten Schritte zur Entdeckung des Neutrons wurden von Walther Bothe und seinem Student Herbert Becker getan. Sie beschrieben im Jahr 1930 einen ungewöhnlichen Typ von Strahlung, der entstand, wenn sie Beryllium mit Polonium-Alphateilchen beschossen. Ziel der Versuche war es, eine Theorie Ernest Rutherfords zu bestätigen, nach welcher bei diesem Vorgang sehr energiereiche Strahlung emittiert werden sollte. Dementsprechend hielten sie die durchdringende Strahlung, die sie bei diesen Versuchen mit Hilfe von elektrischen Zählmethoden feststellen konnten, anfänglich fälschlicherweise für Gammastrahlung. Die gleichen Versuche machten sie auch mit Lithium und Bor, und kamen schlussendlich zum Ergebnis, dass die beobachteten „Gammastrahlen“ mehr Energie besaßen, als die Alphateilchen, mit denen sie die Atome beschossen hatten. Bei der Bestrahlung von Beryllium mit Alphateilchen entstand nicht – wie zuvor erwartet – Bor, sondern Kohlenstoff. :

^_4 \mathrm Be  +  ^_2 \mathrm He^ \to ^_6 \mathrm C + ^_0 \mathrm n

Gleichzeitig entstand dabei die beobachtete, sehr energiereiche Strahlung, die ein großes Durchdringungsvermögen durch Materie hatte, jedoch ansonsten ein für Gammastrahlung sehr ungewöhnliches Verhalten zeigte. Die Strahlen waren zum Beispiel in der Lage, leichte Atome in schnelle Bewegungen zu versetzen. Eine genauere Analyse zeigte, dass die Energie dieser „Gammastrahlung“ so groß hätte sein müssen, dass sie alles bisher Bekannte weit übertroffen hätte. Somit kamen mehr und mehr Zweifel auf, daß es sich bei der beobachteten Strahlung wirklich um Gammastrahlen handelte. Entsprechend des Versuchsaufbaus nannte man die Stahlung inzwischen „Beryllium-Strahlung“. Ein Jahr später, 1931 stellten Irène Joliot-Curie und ihr Ehemann Frédéric Joliot-Curie bei Experimenten mit der Beryllium-Strahlung folgende Tatsache fest: Lässt man die „Beryllium-Strahlung“ in eine Ionisationskammer treffen, so zeigt diese keinen nennenswerten Strom an. Bringt man jedoch vor die Ionisationskammer eine wasserstoffhaltige Materialschicht (zum Beispiel Paraffin), dann steigt der Strom in der Kammer stark an. Als Ursache für den Stromanstieg in der Ionisationskammer vermutete das Ehepaar Joliot-Curie, dass aus dem wasserstoffhaltigen Paraffin Protonen durch die „Beryllium-Strahlung“ herausgelöst werden, welche dann in der Ionisationskammer die notwendige Ionisierung bewirken. Sie konnten ihre Vermutung sogar durch den Nachweis sogenannter „Rückstoß-Protonen“ in der Wilsonschen Nebelkammer belegen. Als Auslöser für die Rückstoß-Protonen vermuteten Joliot-Curie einen dem Comptoneffekt verwandten Vorgang. Die harte Gammastrahlung sollte den Protonen den notwendigen Impuls übertragen. Abschätzungen zeigten jedoch, dass zur Erzeugung eines Rückstoßprotons, dessen Spurlänge in der Nebelkammer etwa 26 cm betrug, eine Gammaenergie von etwa 50 MeV notwendig wäre, was ziemlich unrealistisch erschien. James Chadwick – ein Schüler Rutherfords – glaubte wie sein Lehrmeister nicht an einen „Comptoneffekt beim Proton“ und nahm an, dass die „Beryllium-Strahlung“ aus Teilchen bestehen müsse. Als Irene und Frederic Joliot-Curie ihre Versuchsergebnisse veröffentlichten, in denen sie zeigten, dass Bothes „Beryllium-Strahlung“ in der Lage war, aus Paraffin Protonen mit hoher Energie herauszuschlagen, war für Chadwick klar, dass es sich nicht um Gammastrahlung, sondern nur um eine Teilchenstrahlung, bestehend aus Teilchen mit einer dem Proton vergleichbaren Masse, handeln konnte. In den zahlreichen Versuchen wiederholte er die Experimente des Ehepaares Joliot-Curie und bestätigte den Joliot-Curieschen Kernschleuder-Effekt. Weiterhin konnte er 1932 experimentell nachweisen, dass es sich bei Bothes „Beryllium-Strahlung“ nicht um Gammastrahlen, sondern vielmehr um einen Geschoßregen aus schnell bewegten Teilchen handelte, die ungefähr die Masse des Protons besitzen, jedoch elektrisch neutral sind. Er erkannte, dass die Eigenschaften dieses Typs Strahlung eher mit denen eines bereits zwölf Jahre zuvor von Ernest Rutherford als Kernbaustein vermuteten neutralen Teilchens in Einklang zu bringen waren. Da die nunmehr entdeckten Teilchen keine elektrische Ladung trugen, nannte er sie Neutronen. Mit dieser Entdeckung konnte die Beschreibung des Atomaufbaus vorerst vollendet werden: Der Atomkern, bestehend aus Protonen und Neutronen wird von einer Hülle aus Elektronen umgeben. Bei einem elektrisch neutralen Atom entspricht die Anzahl der negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle stets genau jener der positiv geladenen Protonen im Atomkern, wohingegen die Anzahl der Neutronen im Kern variieren kann. Im gleichen Jahr 1932 stellte Heisenberg seine Nukleonentheorie auf.

Erzeugung und Nachweis von Neutronen

Es gibt viele verschiedene Arten von Neutronenquellen. In der Forschung finden vor allem Neutronen aus Kernreaktoren Anwendung. Dort werden die Neutronen über Kernreaktionen im Reaktorineeren erzeugt. Diese Neutronen haben eine thermische Geschwindigkeitsverteilung, die kinetische Energie dieser Neutronen ist also „unscharf“. Durch besondere konstruktive Maßnahmen im Reaktorinneren und im Strahlengang der erzeugten Neutronen ist es möglich, so genannte kalte Neutronen zu erzeugen, die eine sehr scharfe Energieverteilung aufweisen und die sich besonders gut zu Untersuchungen zur Struktur der Materie nutzen lassen (elastische und inelastische Neutronenstreuung). In kleinen Anlagen werden auch Kombinationen aus Alpha-Strahlern mit leichten Targetkernen wie Beryllium verwendet (siehe vorstehenden Abschnitt). Größere Mengen von Neutronen mit definierter Energie können in Spallationsquellen erzeugt werden. Da Neutronen keine elektrische Ladung tragen, können sie nicht direkt mit den auf Ionisierung beruhenden Detektoren nachgewiesen werden. Der Nachweis von Neutronen geschieht mittels Neutronendetektoren.

Klassifizierung

Der Wirkungsquerschnitt von Reaktionen zwischen Neutronen und anderen Teilchen variiert stark mit der kinetischen Energie der Neutronen. Folgende Klassifikation hat sich herausgebildet:

	kinetische Energie	Wellenlänge [Å]
kalte Neutronen	< 2 meV	12.8 - 6.4
thermische Neutronen	< 100 meV	6.4 - 0.9
epithermische Neutronen	< 1 eV	0.9 - 0.28
mittelschnelle Neutronen	0.5 eV bis 10 keV
schnelle Neutronen	10 keV bis 20 MeV
relativistische Neutronen	> 20 MeV

Literatur

- Dirk Dubbers, Reinhard Scherm: Neutronen-Forschung am Institut Laue-Langevin. Physik in unserer Zeit 34(3), S. 108 - 111 (2003),
- Arno Hiess, Helmut Schober: Neutronen-Spektroskopie an Festkörpern: Mit Neutronen auf der Spur der Elektronen. Physik in unserer Zeit 34(3), S. 112 - 118 (2003),
- Torsten Soldner: Neutronen in der Teilchenphysik: Das Neutron, der Kosmos und die Kräfte. Physik in unserer Zeit 34(3), S. 127 - 132 (2003),
- M. Honal, W. Scherer, G. Eckold: Wozu brauchen Chemiker Neutronen? Nachrichten aus der Chemie 51(11), S. 1133 – 1138 (2003),

Web-Links

- http://alephwww.physik.uni-siegen.de/~brandt/abend/sld033.html
- http://neutra.web.psi.ch/What/d/physic.html
- Tabellenwerte vom CODATA/NIST: http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html
- Nachweis und Erzeugung: http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/versuche/11neutron/wissenswertes.htm

Siehe auch:

Neutronenbombe Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Kernphysik ja:中性子 ko:중성자 th:นิวตรอน

Atomkern

Der Atomkern bildet, wie der Name schon sagt, den Kern des Atoms. Kenntnisse über die Eigenschaften von Atomkernen sind zum Verständnis der Radioaktivität sowie der Kernspaltung (Kernkraftwerk, Atombombe) und der Kernfusion (Wasserstoffbombe) notwendig. Von dem lateinischen Wort für Kern (nucleus) leitet sich der Begriff nuklear ab, der die Eigenschaften bezeichnet, die
- einen Kern betreffen, insbesondere einen Atomkern
- eine Wirkung radioaktiver Erscheinungen oder Gegenstände betrifft, beispielsweise nukleare Strahlung, nuklearer Reaktor, nuklearer Abfall, nukleare Bombe, nukleare Granate.

Aufbau des Atomkerns

Er besteht aus Protonen und Neutronen die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Er befindet sich, anschaulich gesprochen, im Zentrum des Atoms und konzentriert in sich mehr als 99,9% der Masse des gesamten Atoms. der Atomkern ist jedoch 100.000mal kleiner als die Elektronenhülle des Atoms. Neutronen besitzen keine elektrische Ladung. Protonen sind jedoch positiv geladen. Infolgedessen ist der Atomkern elektrisch positiv geladen und kann über die Coulombkraft negativ geladene Elektronen an sich binden. Da die elektrische Ladung des Elektrons bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Protons ist, muss ein nach außen hin elektrisch neutrales Atom ebenso viele Elektronen in der so genannten Elektronenhülle besitzen, wie Protonen im Kern. Atome mit einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen und Elektronen sind nach außen hin elektrisch geladen und werden Ionen genannt. Die positiv geladenen Protonen im Kern stoßen sich gegenseitig aufgrund der Coulombkraft ab. Da der Atomkern jedoch trotzdem nicht auseinander fliegt, muss im Kern eine weitere Kraft existieren, durch die sich die Nukleonen gegenseitig anziehen und die stärker ist als die Coulombkraft. Diese Kraft wird auch als Starke Wechselwirkung-Kernkraft bezeichnet. Die elementaren Kräfte, die zur Anziehung zwischen den Nukleonen führen, sind sehr kompliziert und bis heute nur näherungsweise beschrieben. Ihre Aufklärung ist unter anderem Gegenstand der Kernphysik.

Kernmodelle

Im Vergleich zur Atomphysik mit dem quantenmechanischen Atommodell, wo lediglich die elektromagnetische Wechselwirkung eine Rolle spielt, existiert in der Kernphysik kein Modell zur umfassenden Beschreibung aller Vorgänge im Atomkern. So gibt es verschiedene Modelle für unterschiedliche Fragestellungen. Ähnlich dem Schalenmodell in der Atomphysik gibt es auch in der Kernphysik ein Schalenmodell, das es erlaubt, die Energiezustände eines einzelnen Nukleons trotz fehlendem Zentralpotenzial in einem mittleren Potenzial zu berechnen. Die meisten angeregten Zustände eines Atomkerns können jedoch nur durch die kollektive Anregung mehrerer Nukleonen erklärt werden. Für die Beschreibung solcher Zustände kann man das kollektive Modell heranziehen. Die Eigenschaften von großen Atomkernen werden durch ein vibrierendes Tröpfchenmodell beschrieben.
- Das Tröpfchenmodell (Niels Bohr 1936) beschreibt den Atomkern als Tröpfchen einer geladenen Flüssigkeit. Mit diesem klassischen Modell kann etwa die Kernspaltung gut erklärt werden (Bohr und John Archibald Wheeler 1939).
- Das Schalenmodell (Eugene Paul Wigner, Maria Goeppert-Mayer, J. Hans D. Jensen 1949) führt den Aufbau der Atomkerne auf quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten (Pauli-Prinzip) zurück. Die Wechselwirkung zwischen den Kernbausteinen, den Nukleonen (Protonen, Neutronen) wird dabei mit berücksichtigt. Das Schalenmodell kann die Stabilität mancher Kerne erklären. Neben diesen beiden gängigen Modellen gibt es weitere (das folgende orientiert sich stark an Flügge 1957):
- das Fermi Gas Modell (auch uniformes Modell). In diesem Modell werden die Nukleonen trotz der starken Wechselwirkungen als frei beweglich postuliert. Der Nukleus hat in diesem Modell unendliche Ausdehnung, womit die Wellenfunktionen der einzelnen Nukleonen flache Wellen sind;
- das optische Modell (auch complex potenzial well model oder cloudy crystal ball model) erlaubt die quantenmechanische Betrachtung von Kernreaktionen, indem der Nukleus als lichtbrechendes Medium vorgestellt wird;
- das alpha-Teilchen-Modell. Alpha Teilchen sind stabile Untereinheiten innerhalb des Kerns;
- das vereinte Modell (mit dem kollektiven Modell als Spielart).
- das potenzial well model;
- das compound nucleus model; Modelle des Atomkerns fallen in zwei Kategorien:
- starke Wechselwirkungsmodelle: der Atomkern wird als Ansammlung von eng gepaarten Nukleonen verstanden (Tröpfchenmodell, alpha-Teilchen Modell und partiell auch das optische Modell, compound well model);
- unabhängige Teilchenmodelle: die Nukelonen bewegen sich relativ frei im Kern (Fermi Gas Modell, optisches Modell, Schalenmodell, potenzial well model). Zwischen den einzelnen Modellen lassen sich folgende Beziehungen aufstellen: # Das Schalenmodell ist eine Verfeinerung des Fermi Gas Modells; # Das Fermi Gas Modell und das Tröpfchenmodell basieren auf diametral entgegengesetzten Annahmen, erklären jedoch beide nukleare Eigenschaften wie die Bindungsenergien; # Das optische Modell ist ein Hybrid zwischen potenzial well und compound nucleus model; # Schalenmodell und vereintes Modell sind äquivalent. Jedes der genannten Modelle ist nur für einen bestimmten nuklearen Phänomenbereich anwendbar. Es gibt keine konsistente Theorie, die alle nuklearen Phänomene umfasst.

Literatur

- T. Mayer-Kuckuck, Kernphysik, Verlag: B.G. Teubner Stuttgart, 1994, 6. durchgesehene Auflage, ISBN 3-519-03223-6
- B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, Teilchen und Kerne, Springer-Verlag Heidelberg, 1994, 2. neu bearbeitete und erweiterete Auflage, ISBN 3-540-58172-3
- S. Flügge (Hersg.), Handbuch der Physik, Band XXXIX: Bau der Atomkerne, Göttingen: Springer-Verlag, 1957.

Siehe auch

- Atommodell
- Atom
- Atomphysik

Videos

- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=010318.rm&g2=1 Was ist ein Atomkern?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/grundwissen/11kernmodelle/kernmodelle.htm animierte Seite der LMU München zu Kernmodellen (Potenzialtopf~, Tröpfchen~) ]
- [http://atom.kaeri.re.kr/ton/index.html umfangreiche Nuklidkarte] Kategorie:Kernphysik Kategorie:Atomphysik ja:原子核 ko:원자핵

Zinn

Zinn (altgermanische Bezeichnung: z. B. althochdeutsch zin = Stab, Zinn) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Sn (lat. stannum = Zinn) und der Ordnungszahl 50. Es ist ein silberweiß glänzendes und sehr weiches Schwermetall, das sich mit dem Fingernagel ritzen lässt. Auffällig ist sein niedriger Schmelzpunkt und die relativ hohe Siedetemperatur.

Geschichte

Das Metall ist vermutlich seit 3500 v. Chr. bekannt; allerdings wurde im südtürkischen Taurus-Gebirge ein Zinnbergwerk entdeckt, welches auf etwa 3000 v. Chr. datiert wird. Durch die Legierung Bronze, deren Bestandteile Kupfer und Zinn sind, ist es von großer Bedeutung (Bronzezeit). Im Lateinischen heißt Zinn "stannum", daher rührt auch das chem. Symbol Sn. Nachdem die Bronze durch das Eisen verdrängt wurde, erlangte Mitte des 19. Jahrhunderts Zinn durch die Herstellung von Weißblech industrielle Bedeutung.

Herstellung und Vorkommen

Zinn lässt sich leicht aus Zinnstein (Kassiterit, ein rotbraun/schwarzes Erz auch Zinnoxid, SnO₂) gewinnen. Dazu wird das Erz zuerst zerkleinert und dann durch verschiedene Verfahren (Aufschlämmen, elektrische/magnetische Scheidung) angereichert. Nach der Reduktion mit Kohlenstoff wird das Zinn knapp über seine Schmelztemperatur erhitzt, so dass es ohne höherschmelzende Verunreinigungen abfließen kann. Heute gewinnt man einen Großteil durch Recycling und hier durch Elektrolyse. In der Erdkruste ist es mit einem Anteil von etwa 0,0035 Massenprozent vertreten. Nach aktuellen Schätzungen reichen die vorhandenen Lagerstätten noch etwa 35 Jahre. Zinn kommt zu über 80% als Ansammlung in Schwemmlandablagerungen (Sekundärlagerstätten) an Flüssen sowie auf dem Meeresgrund vor. Hierbei ist eine Region beginnend in Zentralchina über Thailand bis nach Indonesien bevorzugt. Das Material in den Schwemmlandlagerstätten hat nur einen Metallanteil von etwa 5%. Erst nach verschiedenen Schritten zur Konzentrierung auf etwa 75% wird ein Schmelzprozess eingesetzt. 2004 wird die Zinnproduktion vermutlich wie folgt aussehen: Volksrepublik China etwa 30%, restliches Südostasien etwa 30%, Südamerika etwa 20%.

Eigenschaften

Zinn kann drei Modifikationen mit verschiedener Kristallstruktur und Dichte annehmen. α-Zinn (kubisches Gitter, 5,75 g/cm³) ist unterhalb von 13,2 °C stabil, β-Zinn (tetragonales Gitter, 7,31 g/cm³) bis 162 °C und γ-Zinn (rhombisches Gitter, 6,54 g/cm³) oberhalb von 162 °C oder unter hohem Druck. Natürliches Zinn besteht aus zehn verschiedenen stabilen Isotopen, das ist die größte Anzahl aller Elemente. Außerdem sind noch 28 radioaktive Isotope bekannt. Die Rekristallisation von β-Zinn in α-Zinn bei niedrigen Temperaturen äußert sich als die so genannte Zinnpest. Beim Verbiegen des relativ weichen Zinns, beispielsweise von Zinnstangen, tritt ein charakteristisches Geräusch, das "Zinngeschrei" (auch "Zinnschrei"), auf. Es entsteht durch die Reibung der β-Kristallite aneinander. Das β-Zinn hat einen abgeflachten Tetraeder als Raumzellenstruktur, aus dem sich zusätzlich zwei Verbindungen ausbilden. Durch die Oxidschicht, mit der Zinn sich überzieht, ist es sehr beständig. Von konzentrierten Säuren und Basen wird es jedoch unter Entwicklung von Wasserstoffgas zersetzt.

Biologische Wirkung

Metallisches Zinn ist auch in größeren Mengen an sich ungiftig. Die Giftwirkung einfacher Zinnverbindungen und Salze ist gering. Einige organische Zinnverbindungen dagegen sind hochtoxisch. Die Trialkyl-Zinnverbindungen (insbesondere TBT, engl. "TriButylTin", Tributylzinn) und Triphenylzinn werden in Anstrichfarbe für Schiffe verwendet, um die sich an den Schiffsrümpfen festsetzenden Mikroorganismen und Muscheln abzutöten. Dadurch kommt es in der Umgebung von großen Hafenstädten zu hohen Konzentrationen an TBT im Meerwasser. Die toxische Wirkung beruht auf der Denaturierung einiger Proteine durch die Wechselwirkung des Schwefels aus Aminosäuren beispielsweise Cystein.

Verwendung

Seit Jahrhunderten wird Zinnblech großflächig zur Herstellung von Orgelpfeifen im Sichtbereich verwendet. Diese behalten ihre silbrige Farbe über viele Jahrzehnte. Das weiche Metall wird als Legierung verwendet und hat für die Klangentfaltung sehr gute vibrationsdämpfende Eigenschaften. Zu tiefe Temperaturen sind wegen der Umwandlung in α-Zinn schädlich für Orgelpfeifen. Viele Haushaltsgegenstände, Geschirre, Tuben und Dosen wurden früher ganz aus Zinn gefertigt, rundweg der einfacheren Verarbeitungstechnologie der Zeit entsprechend. Mittlerweile jedoch wurde das relativ kostbare Material durch preiswertere Möglichkeiten ersetzt. Industriell stellt man aus verzinntem Eisenblech so genanntes Weißblech her, beispielsweise für Konservendosen oder Backformen. Tin, das englische Wort für Dose bzw. Konservenbüchse ist mit dem Wort Zinn verwandt. Zu dünner Folie gewalzt nennt man es auch Stanniol, hier ist Zinn im 20. Jahrhundert durch das viel preiswertere Aluminium verdrängt worden. Bei manchen Farbtuben und Weinflaschenverschlüssen kommt uns Zinn noch entgegen. Als Legierungsbestandteil wird Zinn vielfältig verwendet, mit Kupfer zu Bronze oder anderen Werkstoffen legiert. Die Legierung der goldfarbigen Euromünzen, die wir täglich zwischen den Fingern anfassen Nordisches Gold, beinhaltet unter anderem 1% Zinn. Als Bestandteil von Metalllegierungen mit niedrigem Schmelzpunkt ist es unersetzbar. Weichlot (so genanntes "Lötzinn") zur Verbindung elektronischer Bauteile (beispielsweise auf Leiterplatten) wird mit Blei (eine typische Mischung ist etwa 63 % Sn und 37 % Pb) und anderen Metallen in geringerem Anteil legiert. Die Mischung schmilzt bei etwa 183° C. In der Flachglasherstellung schwimmt die zähflüssige Glasmasse bis zur Erstarrung auf einer spiegelglatten flüssigen Zinnschmelze. In der modernen Industrie werden Zinnverbindungen als Stabilisator dem PVC Kunststoff beigemischt. Hochreine Zinn-Einkristalle eignen sich auch zur Herstellung von elektronischen Bauteilen. In Form einer transparenten Zinnoxid-Indiumoxid Verbindung ist es elektrischer Leiter in Anzeigegeräten wie LCD Displays. Das reine, weiße, nicht sehr harte Zinndioxid besitzt eine hohe Lichtbrechung und wird im optischen Bereich und als mildes Poliermittel eingesetzt. In der Dentaltechnik wird Zinn auch als Bestandteil von Amalgamen zur Zahnfüllung eingesetzt. Die sehr toxischen organischen Zinnverbindungen finden als Fungizide oder Desinfektionsmittel Verwendung. Der Jahresweltverbrauch an Zinn liegt bei etwa 300.000 t. Davon werden etwa 35 % für Lote, etwa 30% für Weißblech und etwa 30% für Chemikalien und Pigmente eingesetzt. Durch die Umstellung der Zinn-Blei-Lote auf bleifreie Lote mit Zinnanteilen > 95% wird der jährliche Bedarf um etwa 10% wachsen. Die Preise steigen durch die hohe Nachfrage kontinuierlich. Im Jahre 2003 wurden an der LME (London Metal Exchanges) etwa 5.000 US-Dollar pro Tonne bezahlt. 2004 lagen die Preise zwischenzeitlich bei etwa 8.000 bis 10.000 US-Dollar pro Tonne. Die größten 10 Zinnverbraucher (2003) weltweit sind nach China auf Platz 1 die Länder USA, Japan, Deutschland, übriges Europa, Korea, übriges Asien, Taiwan, Großbritannien und Frankreich. Zinn wird anstelle von Blei auch zum Bleigießen verwendet. Stannum metallicum (= metallisches Zinn) findet auch bei der Herstellung von homöopathischen Arzneimitteln Verwendung.

Zusammenfassung

Zinn (Sn): Ist ein Silber weiß glänzendes Metall und hat eine Oxidschicht die sehr stabil gegenüber Chemikalien ist. Sn lässt sich gut auswalzen und kommt in 2 Modifikationen vor. Modifikation: Ist das Alpha – Sn. Dieses entsteht nur unter 13 °C und ist pulvrig. Modifikation: Ist das Beta – Sn. Dieses ist nur über 13 °C stabil.

Siehe auch

- Zinnschrei
- Indiumzinnoxid
- zum historischen Zinnabbau im Erzgebirge siehe Plattner_Kunstgraben#Der_Zinnabbau

Weblinks

- http://www.uniterra.de/rutherford/ele050.htm
- http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/50Zinn.htm Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-14-Element Kategorie:Periode-5-Element Kategorie:Schwermetall ja:錫

Beryllium

Beryllium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Be und der Ordnungszahl 4. Das zweiwertige, stahlgraue Leichtmetall ist sehr hart und spröde. Es wird meist als Legierungszusatz verwendet.

Geschichte

Beryllium (von griech. βηρυλλος = Beryll, ein Edelstein, der Beryllium enthält) wurde 1798 durch Louis-Nicolas Vauquelin in Form seines Oxides aus den Edelsteinen Beryll und Smaragd dargestellt. 1828 gelang Friedrich Wöhler und Antoine Bussy die Reduktion des Berylliumchlorids mit Kalium zum metallischen Beryllium.
Wegen des süßen Geschmackes der Berylliumsalze wurde in Frankreich bis 1957 für das vierte Element die Bezeichnung Glucinium verwendet.

Vorkommen

Das seltene Element Beryllium kommt in 30 verschiedenen Mineralien vor. Die wichtigsten sind Bertrandit (USA) und Beryll (China und Brasilien). Die schönsten und wertvollsten sind die Edelsteine Aquamarin, Smaragd, Roter Beryll, Euklas, Gadolinit, Chrysoberyll, Phenakit und Alexandrit.
Die Herstellung des metallischen Beryllium erfolgt überwiegend durch Reduktion von Berylliumfluorid mit Magnesium.

Eigenschaften

Beryllium besitzt für ein Leichtmetall einen bemerkenswert hohen Schmelzpunkt. Neben der sehr hohen Wärmekapazität besitzt es einen um 1/3 höheren Elastizitätsmodul als Stahl, die Schwingungsdämpfung ist ebenfalls sehr hoch. Zusätzlich besitzt es eine hohe Durchlässigkeit für Röntgenstrahlen. Alphateilchen setzen aus Beryllium Neutronen frei.
Bei Raumtemperatur ist Beryllium an trockener Luft beständig, es bildet sich eine passivierende Oxidhaut, die dem Angriff konzentrierter Salpetersäure widersteht. In Salzsäure wird es schnell angegriffen. An feuchter Luft überzieht es sich mit einer Schicht aus Hydroxid.

Verwendung

- als Konstruktionswerkstoff in Legierungen mit Aluminium für besonders beanspruchte und sehr leichte Produkte in der Flugzeug- und Weltraumtechnik.
- als Legierungsbestandteil in Berylliumbronzen. Daraus werden u. a. funkenfreie nichtmagnetische Werkzeuge hergestellt, die in Ex(plosionsgefährdeten)-Bereichen, die Wasserstoff in der Luft haben, eingesetzt werden.
- Ventilsitze (Motorenbau)
- als Moderator und Reflektor für Neutronen in Reaktoren, Kernwaffen und im JET (Joint European Torus).
- als Neutronenmultiplikator in Schnellen Brütern und zukünftig möglicherweise in Fusionsreaktoren: :

\mathrm

- wegen seiner Durchlässigkeit für Röntgenstrahlen als Fenster in Röntgenröhren. Überwiegend wird Beryllium aber zur Herstellung von Kontakt- und Federwerkstoffen aus Berylliumbronzen verwendet. Sie zeichnen sich durch hohe Härte, Elastizität, Ermüdungsfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Die herausragenden Eigenschaften von Beryllium machen es trotz seines hohen Preises und seiner Toxizität für viele Anwendungen geeignet. Weitere Anwendungen:
- Relaiskontakte
- die Fangspiegel (70 kg schwer) der 4 8-Meter Spiegelteleskope des Very Large Telescope (VLT) am Paranal in Chile, sowie der Fangspiegel des Spitzer-Weltraumteleskops sind aus verspiegeltem Beryllium.
- Uhrenfedern aus Eisen-Nickel-Beryllium
- Elektroden für das Punktschweißen
- Bremsscheiben des Space Shuttles (geringes Gewicht und hohe Wärmekapazität)
- Rotoren in Kreiselkompassen, bewegliche Spiegel in optischen Systemen, Antriebssysteme in Magnetbandgeräten
- Golfschläger aus Berylliumbronze (Steifigkeit und Schwingungsdämpfung)
- Neutronenquelle: Bestrahlung mit Alphateilchen erzeugt freie Neutronen
- Nickel-Beryllium-Legierungen für temperaturbelastete Verbindungselemente
- Hochtöner von High-End-Lautsprechern

Sicherheitshinweise

Beryllium und Berylliumsalze sind giftig und krebserregend. Beryllium kann zu Haut-, Lungen-, Milz- und Leberschäden führen. Beryllium akkumuliert sich im menschlichen Körper und führt nach jahrelanger Latenzzeit zur Bildung von Tumoren. Gefährlich ist vor allen Dingen inhaliertes Beryllium, es führt zur Berylliose. Verschlucktes Beryllium ist relativ ungefährlich, da es überwiegend wieder ausgeschieden wird. Beryllium reichert sich im Tabak an, das beim Rauchen in die Luft gelangt. In schlecht gelüfteten Räumen sind Konzentrationen oberhalb der maximalen Arbeitsplatzkonzentration nachgewiesen worden.

Weblinks

- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Be/index.html WebElements.com - Beryllium]
- [http://www.chemie-master.de/pse/pse.php?modul=Be Beryllium (Periodensystem für den Schulgebrauch), mit Fotos]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Be.html EnvironmentalChemistry.com - Beryllium]
- [http://education.jlab.org/itselemental/ele004.html It's Elemental - Beryllium]
- [http://www.pniok.de/be.htm Abbildung in der Elementansammlung von Heinrich Pniok auf www.Pniok.de]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=050413.rm Alpha Centauri: Was ist die Beryllium-Barriere?] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gift Kategorie:Erdalkalimetall Kategorie:Periode-2-Element ja:ベリリウム ko:베릴륨 ms:Berilium simple:Beryllium th:เบริลเลียม

Fluor

Fluor ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol F und der Ordnungszahl 9. Das giftige, farblose, in hohen Konzentrationen auch gelb-grüne Gas ist das reaktivste chemische Element. Sein Name leitet sich über lat. fluor, »das Fließen«, von Flussspat ab, dem wichtigsten Mineral, das Fluor enthält.

Herstellung

Fluor tritt in der Natur nur in Form von Fluoriden auf. Aus diesen kann elementares Fluor insbesondere auf elektrochemischem Weg freigesetzt werden. Zwar sind seit einiger Zeit auch Verfahren zur rein chemischen Darstellung von elementarem Fluor bekannt, diese Verfahren sind aber reine Laborverfahren und nicht ökonomisch sinnvoll einsetzbar. Großtechnisch wird elementares Fluor durch Elektrolyse niedrigschmelzender Fluoride – beispielsweise KF
- xHF – mit Kohleelektroden in Eisen- oder Monel®-Zellen erzeugt. Im quasi kontinuierlich durchgeführten industriellen Elektrolyseprozess wird der komplex gebundene Fluorwasserstoff (HF) in Wasserstoff (H₂) und Fluor (F₂) zerlegt. Der daraus resultierende HF-Verlust wird durch kontinuierliches Einspeisen von gasförmigem HF in die Schmelze ausgeglichen. Das Rohfluor, das die Elektrolysezelle verlässt, ist mehr oder weniger stark mit HF, Sauerstoff (O₂), Tetrafluormethan (CF₄) und perfluorierten Kohlenwasserstoffen – primär aus der Reaktion des Elektrodenmaterials mit dem gebildeten Fluor – verunreinigt und kann, wenn erforderlich, nachgereinigt werden. Die Reinigung geschieht durch Ausfrieren (HF und flüchtige Metallfluoride), Absorption (HF) und Tieftemperaturdestillation (Entfernen der PFHCs). Das auf diesem Weg erhaltene »Reinfluor« enthält meist noch HF-Spuren und ist mehr oder weniger O₂, Stickstoff (N₂) und CF₄. Die elektrochemische Fluorgewinnung ist kein trivialer Prozess. Nur mit ausreichend technischem Wissen, bei dem nicht nur die extrem aggressive Natur der Prozessmedien sondern auch die diffizile Elektrochemie des Elektrolyseprozesses zu berücksichtigen ist, lässt sich ein zuverlässiger Prozessverlauf gewährleisten. An die Seite der traditionellen Herstellung von Fluor in Großanlagen ist in neuerer Zeit die dezentrale Fluorerzeugung mit Systemen kleinerer und mittlerer Größe getreten.

Eigenschaften

Das blassgelbe, in dicken Schichten auch grüngelbe Gas ist das stärkste bei Raumtemperatur beständige Oxidationsmittel. Es ist das elektronegativste Element. Unter Normalbedingungen liegt es in Form von F₂-Molekülen vor. Mit fast allen anderen Elementen bildet Fluor spontan Verbindungen. Selbst mit den Edelgasen Xenon, Radon und Krypton reagiert Fluor. Im Gegensatz zu allen anderen Halogenen reagiert Fluor ohne Lichtaktivierung selbst bei sehr tiefer Temperatur spontan mit Wasserstoff. Die Reaktion führt zur Bildung von Fluorwasserstoff. Auch viele andere Stoffe reagieren lebhaft mit Fluor. Besonders heftige, explosionsartig verlaufende Reaktionen beobachtet man erwartungsgemäß mit wasserstoffhaltigen, gasförmigen und flüssigen Verbindungen wie beispielsweise Wasser (H₂O), Ammoniak (NH₃), Monosilan (SiH₄), Propan (C₃H₈), vielen organischen Lösungsmitteln usw. So wird Wasser durch Fluor in Sauerstoff (O₂) und Fluorwasserstoff (HF) gespalten. Treibende Kraft hinter all diesen Reaktionen ist jeweils die äußerst exotherm verlaufende Bildung von Fluorwasserstoff. Mit festen Materialien reagiert Fluor dagegen wesentlich langsamer und kontrollierter. Bei vielen Metallen führt die Reaktion mit elementarem Fluor zur Bildung einer Passivierungsschicht auf der Metalloberfläche, die das Metall vor dem weiteren Angriff des Gases schützt. Die Passivierungsreaktion verläuft exotherm. Bei hoher Fluorkonzentration – bei hohem Fluorpartialdruck – kann es dabei unter Umständen zum Aufschmelzen der Passivierungsschicht oder zum Schmelzen des darunterliegenden Metalls kommen. Da beim Aufschmelzen ständig frisches Metall freigelegt wird, das dann wieder zur Reaktion mit Fluor bereit steht, kann es letztlich sogar zu einem unkontrollierten Reaktionverlauf kommen (sog. Fluorfeuer). Durch Unterbrechen der Fluorzufuhr lassen sich Fluorfeuer jedoch sofort löschen. Ein andersartiges Löschen ist kaum möglich. Auch Kunststoffe reagieren bei Raumtemperatur zumeist sehr kontrolliert mit elementarem Fluor. Wahrscheinlich war die Umsetzung von Fluor mit Kunststoffen sogar eine der ersten praktischen Fluoranwendungen überhaupt. Wie bei den Metallen, so führt auch beim Kunststoff die Reaktion mit Fluor zur Bildung einer fluorierten Oberflächenschicht. Aufgrund der sehr schwachen F-F-Bindung – die Bindungsenergie beträgt nur 38 kcal/mol – lässt sich Fluor thermisch leicht spalten. Schon bei sehr moderaten Temperaturen von um die 400 °C liegt Fluor in erheblichem Maße in atomarer Form vor. Die leichte Spaltbarkeit macht Fluor als »umweltfreundliches« , anisotropes Ätzgas interessant. Ein besonderer Vorteil ist hier, dass im Ätzmedium neben molekularem und atomarem Fluor keine weiteren Komponenten auftreten, die in ggf. ungewollter Weise am Ätzprozeß teilnehmen. Für den großtechnischen Einsatz ist außerdem bedeutsam, dass Fluor nicht zur Erwärmung der Erdatmosphäre (Treibhauseffekt) beiträgt (siehe hierzu auch Plasmaätzen). HF-haltiges Fluor greift Glas (auch Quarz) schnell an, wobei sich das Fluor mit dem in Glas enthaltenen Silizium verbindet. Bei Raumtemperatur reagiert trockenes, d.h. nicht in Form von gelöstem HF, sondern moleklular vorliegendes Fluor mit Glas dagegen nicht. Bei höherer Temperatur beobachtet man jedoch eine mehr oder weniger schnelle Reaktion. Verantwortlich hierfür sind Fluoratome, die durch die thermische Dissoziation des molekularen Fluors, d.h. der Aufspaltung in Atome (siehe oben), gebildet werden. Produkt der Reaktion ist gasförmiges Siliziumtetrafluorid (SiF₄). In gleicher Weise setzt sich Fluor auch mit anderen siliziumhaltigen Materialien, beispielsweise mit Silikonkunststoffen oder mit dem Siliziumoxid (SiO_x), Siliziumnitrid (Si_xN_y) und Siliziumoxinitrid (Si_xO_yN_z) auf dem Halbleiterwafer, um …

Anwendungen und Produkte

- Nukleartechnologie
- Uranhexafluorid (UF₆) in der Urananreicherung
- Kunststoffindustrie und Automobilbau
- Fluorierung von Kunststoffautotanks KKBs zur Barriereschichtbildung
- Fluorierung von Kunststoffkanistern und anderen Verpackungsmitteln zur Barriereschichtbildung
- Erzeugung von selbstreinigenden Niedrigenergieoberflächen
- Zur Verbesserung der Haftung wasserlöslicher Lacke und Farben auf Kunststoffen; Verbesserung der Verklebbarkeit von Kunststoffen; Metallisierung von Kunststoffen
- Pharmazeutika
- 5-Fluoruracil: Ein vielfach in der Krebstherapie eingesetztes Cytostatikum
- Arzneimittel zur Chemotherapie von Krebs und HIV-Therapie
- Arzneimittel für die Regulation des Fettstoffwechsels
- Blutersatzstoffe in Chirurgie und Notfallmedizin
- Schmerzmittel
- Tierarzneimittel
- Fluoride zur Kariesvorbeugung
- Agrochemische Verbindungen
- Insektizide
- Herbizide
- Fungizide
- Supergifte
- Sarin, Tabun und andere als chemische Waffen verwendete Stoffe
- Oberflächenaktive Substanzen
- Oberflächenaktive Substanzen für Spezialanwendungen beispielsweise in der Halbleiterindustrie
- Schmiermittel
- Schmiermittel für Festplatten in Computern
- Flüssigkristalle
- In fluorierten Flüssigkristallen zur Verwendung in LCD-Computermonitoren, Mobiltelefondisplays; tragbaren Computern und LCD-Fernsehern
- Halbleiterherstellung und Mikrotechnologie
- Ätzgas
- Als UV-Lichtquelle in der EUV-Lithographie
- In Photolacken für die DUV-Lithographie
- Treibstoff, Treibmittel, Explosivstoffe
- High-Energy-Fuel für Raketenmotoren (im Zusammenspiel mit einem anderen Brenngas beispielsweise Hydrazin
- Explosivstoffe
- Lasertechnik,
- Lasergas im chemischen Laser
- Schwefelhexafluorid
- Als Füllgas für Autoreifen und Tennisbälle und als Polstergas in Druckausgleichsbehältern
- Zum Befüllen von Isolierglas
- Als Isoliergas in Hochspannungsschaltern
- Als Ätzgas in der Halbleitertechnik
- Stickstofftrifluorid (NF3)
- Als Ätzgas in der Halbleitertechnik
- In Form von Flusssäure (Lösung von Fluorwasserstoff in Wasser) als Katalysator in der chemischen Synthese, zum Glasätzen und als Nassätzmedium in der Halbleiterherstellung und Mikrotechnologie
- Teflon, ein korrosionsbeständiger Kunststoff mit einem sehr geringen Reibungswiderstand. Daneben werden noch andere Fluorkohlenwasserstoffe für den Temperaturbereich oberhalb 300 °C hergestellt.
- In Form von anorganischem Fluorid beispielsweise in der Kariesprophylaxe (Zahnpasta, Fluoridierung von Trinkwasser)
- Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder CFC) als Kühl-, Schäum-, Treib- und Lösungsmittel. (Wegen der die Ozonschicht der Erde schädigenden Wirkung das den FCKWs enthaltenen Chlors ist der Einsatz von bestimmter FCKW in vielen Länder inzwischen gänzlich verboten).
- Freone, fluorierte Kohlenwasserstoffe
- In Form wässriger Ammoniumbifluorid-Lösungen zur Reinigung von Bierleitungen (entfernt Bierstein)
- Zerstörung von Asbest. Auflösung in Fluorwasserstoffsäure führt zur Zerstörung der Faserstruktur
- In Form des von Kryolith als unentbehrliches Elektrolytkomponente in der Aluminiumherstellung

Geschichte

Fluor in Form seines Calciumsalzes (