Atombau

Chemische Elemente bestehen aus Atomen. Alle Atome eines Elements sind gleich.

Gesetz der Erhaltung der Masse: bei chem. Vorgängen bleibt die Gesamtmasse der Reaktionspartner konstant.

Gesetz der konstanten Proportionen: eine chemische Verbindung bildet sich aus konstanten Masseverhältnissen.

Gesetz der multiplen Proportionen: können zwei Elemente miteinander mehrere verschiedene Verbindungen bilden, stehen die Massen in diesen Verbindungen zueinander im Verhältnis ganzer Zahlen.

Atome sind aus noch kleineren Teilchen aufgebaut = Elementarteilchen. Ihr Durchmesser ist ca. 0,2 bis 0,5 nm. In der Natur gibt es ca. 300 verschiedene Atomsorten (Nuklide). Der Kern ist positiv, die Hülle negativ geladen. Die Zahl der positiven Ladungs-träger im Kern bestimmt die chem. Eigenschaften = Kernladungszahl oder Ordnungszahl; bei verschiedenen Massen = Isotope (aber gleiche Kernladungszahl und gleiche chemischen Eigenschaften).

Elementarteilchen: Protonen, Elektronen, Neutronen. Protonen und Neutronen machen den Kern (= Nukleonen); Isotope sind Nuklide mit gleicher Protonen- aber versch. Neutronenzahl. Z.B. Wasserstoff: ein Proton – kein Neutron; mit einem Neutron (Deuterium), mit zwei Neutronen (Tritium).

Neutronen spalten sich unter Energieabgabe in ein p+, e- und in ein Antineutrino = KERNREAKTION

Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf. Die Summe der Nukleonen ist die Nukleonenzahl (Massenzahl). Der Zusammenhalt der Nukleonen erfolgt durch Kernkräfte (auf kleinste Distanzen). Den starken Kernkräften entspricht die Kernbindungsenergie (aufgewendet zur Trennung des Kerns in Nukleonen). Frei wird die Energie bei der Bildung des Kerns aus Nukleonen. Sie ist so groß – Massendefekt (Kern ist leichter als die Summe der Massen der Bestandteile – Differenz als Energie abgestrahlt).

c = Vakuumgeschwindigkeit des Lichts

künstliche Kenreaktion: Beschuss von Kernen mit Neutronen oder Beschuss mit positiven Kernen extrem hoher Geschwindigkeit, so-dass sie die elektrostatische Anziehung überwinden. Sind Kerne instabil, zerfallen sie – spontan ablaufende Kernreaktion – Radioaktivität; Wird bei der Kernreaktion die Ordnungszahl (p+) geändert, ändert sich auch die chemische Identität.

Rutherford – Einwirkung künstlicher a-Strahlen auf N – Erzeugung von O und H über eine Zwischenstufe eines instabilen F:

Bei Kernreaktion bleibt die Summe der Nukleonenzahl und die Summe der Kernladungszahlen (OZ) gleich. Die meisten natürlich vorkommenden radioaktiven Elemente haben hohe Nukleonenzahl und stabilisieren sich durch Zerfall in leichtere (stabilere) Nuklide. Bei radioaktiven Zerfallsprozessen gibt es drei verschiedene Arten von Strahlung:

a-Strahlung: Ablenkung zum negativen Pol; wenn radioaktives Nuklid 2fach pos. geladene He-Kerne (a-Teilchen) mit hoher Geschw. emittiert; Kernladungszahl um 2 vermindert; z.B. Zerfall von Radium

b-Zerfall: Ablenkung zum pos. Pol; ein schnelles e- verlässt mit negativer Ladung den Kern; die pos. Ladungszahl vermehrt sich um eins; die Nukleonenzahl bleibt gleich; z.B. instabiles Kaliumisotop:

g-Zerfall: keine Ablenkung im elektrischen Feld; ein Nuklid geht in einen energieärmeren (stabileren) Kern über (durch Aussendung kurzwelliger, energiereicher elektromagnetischer Strahlung). Masse und chem. Identität bleiben gleich (keine Änderung von Nukleonen- oder Ordnungszahl).

Radioaktivität ist Eigenschaft des Kerns. Von einer best. Menge radioaktiver Substanz zerfällt in einer Zeiteinheit ein best. Anteil. Ausgedrückt durch eine Differentialgleichung:
integriert:

N0 = Zahl der zum Zeitpunkt 0 vorhandenen Nuklide
N = Zahl der zu einem späteren Zeitpunkt t0 noch vorhandenen N.

exponentiell:
d.h. die Zahl der Kerne nimmt mit der Zeit ab (exponentiell). Die Zeit, nach der sich die Zahl auf die Hälfte verringert hat (die Hälfte der Kerne zerfallen ist), ist die Halbwertszeit; sie ist indirekt proportional der Zerfallskonstanten (Proportionalitätsfaktor für Zerfallswahrscheinlichkeit).

Messung von Radioaktivität:
Geiger-Müller-Zählrohr: radioaktive Strahlen können aus der Hülle neutraler Atome e- herausschlagen, es entstehen freie e- und positive Kationen – im Geiger-Müller-Zählrohr: es wird Spannung an einen Draht in einem Metallrohr angelegt – beim Auftreten von Ionen – Stromfluss – messbar
Wilson’sche Nebelkammer: Kammer mit übersättigtem Wasserdampf, beim Auftreten von Ionen – Tröpfchenbildung
Autoradiographie: radioakt. Strahlen schwärzen photographische Emulsionen (Filme) – wird eine feste Gewebeprobe mit einem Film in Kontakt gebracht, sieht man nach der Entwicklung Stellen, wo Radioaktivität vorhanden war.
Szintillationszähler: Energie radioaktive Strahlung in Lichtenergie umgewandelt, entstehendes Licht wird gemessen.

In der Biomedizin werden radioaktive Isotope z.B. bei der Tracer Methode eingesetzt: radioaktiv markierte Moleküle kommen in den Stoffwechsel (Metabolismus), ihr Weg wird durch die leicht messbare Radioaktivität verfolgt.

Zur radioimmunologischen Messung wichtiger Substanzen in Körperflüssigkeiten werden Antikörper eingesetzt, die eine ganz bestimmte Substanz erkennen. Fügt man der Körperflüssigkeit eine Menge dieser Substanz zu (aber radioaktiv markiert), werden die körpereigene und die zugesetzte Substanz durch den Antikörper gebunden. Die verbleibende nicht gebundene Radioaktivität ermöglicht die Berechnung der Menge an tatsächlich unmarkierter Substanz.

In der Medizin werden Pharmaka verwendet, die bevorzugt zu bestimmten Organen transportiert werden. Werden sie markiert, kann das Zielorgan mit bildgebenden Verfahren dargestellt werden. Da Radioaktivität, je nach Dosis, auch lebende Materie zerstört, wird sie bei der Strahlentherapie angewandt.

Das Maß der Radioaktivität ist Becquerel, das ist ein Zerfall pro Sekunde. Die Strahlungsbelastung des Organismus wird aber in Sievert (SV) angegeben. Einwirkung auf die Nukleinsäuremoleküle (für die Vererbung verantwortliche Biomoleküle) kann bösartiges Wachstum hervorrufen (Krebs). 

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