Grundlagen:
Das Atom
Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern, in dem sich Protonen und Neutronen befinden, und es besteht aus einer negativ geladenen Atomhülle mit Elektronen. In jedem Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen, es ist also neutral. Die Anzahl der Protonen entscheidet, welches chemische Element das Atom ist. Das erste Element im „Periodensystem der Elemente“ ist Wasserstoff. Die Elemente im „Periodensystem der Elemente“ sind nach der Anzahl der Protonen sortiert. Der Atomkern eines Wasserstoffatoms besteht aus nur einem Proton. Es gibt aber von jedem Element einige wenige Isotope. Isotope sind Atome mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber einer anderen Anzahl von Neutronen. Die verschiedenen Isotope eines Elements unterscheiden sich nicht in ihren chemischen Eigenschaften. Es gibt zum Beispiel drei Isotope von Wasserstoff. Das erste Isotop ist dasjenige, über das ich geschrieben habe. Das zweite Isotop des Wasserstoffs ist das Deuterium mit einem Proton und einem Neutron in seinem Atomkern, und das dritte Isotop ist das Tritium, das ein Proton und zwei Neutronen in seinem Atomkern hat. Im Atomkern eines Tritiumatoms gibt es kein Gleichgewicht zwischen den Protonen und den Neutronen, so dass es instabil ist und zerfällt. Das Teilchen, das bei diesem Zerfall emittiert wird, ist radioaktiv, und es ist geladen. Man kann aus Atomen Ionen machen. Man kann sagen, dass ein Ion ein Atom ist, das weniger oder mehr Elektronen als Protonen hat. Ein Ion ist nicht neutral und daher radioaktiv.
Radioaktivität
Radioaktivität bedeutet, dass Atome zerfallen. Der Grund für diesen Zerfall ist, dass sie instabil sind. Ein Atomkern ist instabil, wenn er zu schwer ist oder wenn ein Gleichgewicht zwischen den Protonen und Neutronen fehlt. Jedes Atom, das eine höhere Anzahl von Nukleonen (Protonen und Neutronen zusammen) als 210 hat, ist instabil. Es gibt drei Arten von Zerfällen: Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall und Gamma-Zerfall. Denn es ist heute unmöglich zu sagen, welcher Atomkern der nächste sein wird, der statistisch gesehen zerfällt. Wir können sagen, wie viele Atomkerne in einer bestimmten Zeit zerfallen werden. Das ist das Prinzip für Halbwertszeiten. Nach einer Halbwertszeit zerfiel die Hälfte des Atomkerns eines bestimmten Materials. Plutonium-239 hat zum Beispiel eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren, Radium-228 eine Halbwertszeit von 6,7 Jahren, Thorium-232 eine Halbwertszeit von 14.000.000.000 Jahren und Polonium-212 eine Halbwertszeit von 0,0000003 Sekunden. Es gibt viele physikalische Eigenschaften, aber ich werde jetzt über die Aktivität sprechen. Die Aktivität ist die Anzahl der Zerfälle geteilt durch eine bestimmte Zeit. die Einheit der Aktivität ist Becquerel. 1 Becquerel ist ein Zerfall pro Sekunde. 20 Becquerel sind also 20 Zerfälle pro Sekunde. Um diese Zerfälle zu beweisen, gibt es einen Geigerzähler. Er besteht aus einem geschlossenen Rohr, das oft mit Argon gefüllt ist. Am Ende der Röhre befindet sich ein Draht, der weder das andere Ende der Röhre noch die Wände berühren darf. Der Draht ist positiv geladen und die Wände sind negativ geladen. Ein radioaktives Teilchen, das in die Röhre strömt, ionisiert ein oder wenige Gasatome. Die ausgestoßenen Elektronen gelangen zum Draht. Die Folge ist ein Spannungsstoß. Dieser Spannungsstoß wird auf einem Ausgabegerät als Zerfall angezeigt. Auf dem Foto ist ein Geigerzähler zu sehen.
Die Anwendungen der Radioaktivität
Jeder weiß, dass starke Strahlung nicht gut für die Gesundheit ist, aber wir verwenden radioaktives Material zum Beispiel für Atomkraftwerke und Atomwaffen (Kapitel 4). Aber auch die Radioaktivität hat ihre guten Seiten. Da wäre zum Beispiel die Nuklearmedizin. Ein Röntgengerät sendet Röntgenstrahlen durch unseren Körper auf eine Fotoplatte. Dort, wo die Fotoplatte schwarz wird, geht die Röntgenstrahlung durch unseren Körper, dort, wo die Fotoplatte durchsichtig bleibt, geht die Röntgenstrahlung nicht durch unseren Körper. Ein weiterer positiver Aspekt ist die Strahlentherapie. Sie wird eingesetzt, um Krebs zu zerstören. In alten Uhren, die geleuchtet haben, kann man Radium und Thorium finden, die benutzt wurden, um das Zinksulfit zum Leuchten zu bringen. Der glühende Kofferraum für Campinglampen enthielt Thorium. Die Energiequelle für die Batterien von Herzschrittmachern ist Plutonium-238. In diesen Batterien gibt es keine Kernspaltung, da die Energiequelle der natürliche Kernzerfall ist. Radionuklidbatterien werden auch für Raumsonden wie Voyager I, Voyager II und Cassini verwendet, die sich sehr lange im Weltraum befinden und daher Radionuklidbatterien benötigen, die eine Energiequelle für lange Zeit darstellen. Im nächsten Kapitel werde ich über Atomkraftwerke und Atomwaffen sprechen.
Kernreaktionen und ihre Anwendungen
Es gibt viele Kernreaktionen, aber ich werde nur die Kernspaltung und die Kernfusion beschreiben. Für eine Kernspaltung in einem Kernkraftwerk oder für die Explosion einer Atombombe benötigt man Plutonium-239 oder Uran-235 als Spaltmaterial. Um eine Kernspaltung durchzuführen, ist es notwendig, das gespaltene Material mit thermischen Neutronen zu beschießen. Nach der Spaltung gibt es zwei neue Atome und zwei oder drei freie Neutronen. Diese freien Neutronen bewirken eine Spaltung anderer Atome, es handelt sich also um eine nukleare Kettenreaktion.
In einer Atombombe befindet sich eine Kugel aus Plutonium-239 oder Uran-235. In dieser Kugel befindet sich eine Neutronenquelle, die nur dann wirksam wird, wenn das TNT (Trinitrotoluol) explodiert. Durch die Kompression der Explosion wird die kritische Masse des Spaltmaterials überschritten. Es gibt Atombomben, die anders gebaut sind, aber das Prinzip ist immer dasselbe. Diese beiden Materialien sind sehr teuer, weil wir auf der Erde sehr wenig Plutonium finden, so dass wir Plutonium produzieren müssen. Zur Herstellung von Plutonium ist es notwendig, das natürliche und sehr billige Uran-238 mit Neutronen zu bombardieren, um Uran-239 herzustellen. Uran-239 zerfällt zu Neptunium-239 und Neptunium-239 zerfällt nach einer gewissen Zeit zu Plutonium-239. Man kann Uran-235 in der Natur finden, aber nur in Uran-238. Dieses Uran-235 von Uran-238 zu spalten, ist sehr teuer, da ihre chemischen Eigenschaften gleich sind, so dass es nicht möglich ist, sie auf chemische Weise zu spalten. Eine solche Atombombe kann eine Explosionskraft von 20 Kilotonnen (20000 Tonnen) haben. Das bedeutet, dass eine Explosion einer solchen Bombe genauso wirksam ist wie die Explosion von 20 Kilotonnen TNT.