Titel5. Klausur - Kernphysik
AutorDanielSzredzinski
veröffentlicht27.02.2024
FachPhysik
Klassenstufe13

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In einem Experiment wird der Zerfall eines radioaktiven Gases untersucht, welches ein Folgenuklid des Thoriumisotops Th-228 ist. Th-228 zerfällt in mehreren Schritten zu einem stabilen Nuklid.

Beschreibe die Änderung der Protonenanzahl

Z

und der Neutronenanzahl

N

sowie der
Massezahl

A

beim Alpha- und beim Beta-Minus-Zerfall.

Stelle mithilfe der Nuklidkarte in M1 die vollständige Zerfallsreihe von Th-228 dar.

M2 zeigt den schematischen Aufbau und die Durchführung des Experiments. In diesem

Experiment wird der zeitliche Verlauf einer Stromstärke $I (t)$ gemessen. Die während des Experiments gemessene Stromstärke $I (t)$ ist in M3 dargestellt.

Beschreibe den Begriff Halbwertszeit.

Bestätige mit M1 und M3, dass das gasförmige Folgenuklid Radon-220 ist und erläuter anhand von M3 den stochastischen Charakter von Kernzerfällen.

Begründe mithilfe von M1, warum die weiteren Folgenuklide die Bestimmung der Halbwertszeit des radioaktiven Gases (Radon-220) nicht beeinflussen.

Mit einem anderen Versuchsaufbau in M4 wird ein Franck-Hertz-Versuch durchgeführt. Die Röhre ist mit Heliumgas gefüllt. Die Messdaten sind in M5 dargestellt.

Beschreibe die Versuchsdurchführung zur Aufnahme dieses Graphen.

Deute den Verlauf des Graphen in M5 für Beschleunigungsspannungen zwischen

U_{B} = 20 V

und

U_{B} = 50 V

M6 zeigt ein vereinfachtes Energieniveauschema eines Heliumatoms.

Werte die Messdaten in M5 unter Einbeziehung des Energieniveauschemas
in M6 aus

Bei höheren Beschleunigungsspannungen ist ein Leuchten in der Röhre zu erkennen. Man

kann zeigen, dass dieses Leuchten violette Anteile enthält.

Erkläre unter Berücksichtigung des Energieniveauschemas in M3c das Entstehen dieser Leuchterscheinung.
Hinweis: Gehe davon aus, dass für die Wellenlänge

λ

sichtbaren Lichts mit violetter Färbung gilt:

400 nm < λ < 430 nm

Material

M1: Ausschnitt aus einer Nuklidkarte; In der zweiten Zeile ist jeweils die Halbwertszeit, in der dritten Zeile die Zerfallsart angegeben. Hinweis: 𝑍: Protonenzahl, 𝑁: Neutronenzahl

M2: Aufbau des Experiments zur Bestimmung der Halbwertszeit eines radioaktiven Gases;
In einem Kunststoffbehälter befindet sich das Thorium-Isotop Th-228. Unter den Folgenukliden befindet sich ein gasförmiges Folgenuklid. Durch Zusammendrücken des Kunststoffbehälters (Pfeile) wird das gasförmige Folgenuklid in eine Ionisationskammer gepumpt. Mit einem Messverstärker wird der zeitliche Verlauf der Stromstärke 𝐼 bestimmt. Hinweis: Die Ionisationskammer ähnelt einem Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ). Im Unterschied zum GMZ ist sie mit Umgebungsluft gefüllt und es kommt zu keiner lawinenartigen Stoßionisation.

M3: 𝑡-𝐼-Diagramm der am Messverstärker gemessenen Stromstärke 𝐼(𝑡);
Aufgrund der Vielzahl an Messwerten erscheint der Verlauf der Kurve durchgehend.
Vereinfachend wird angenommen, dass die gemessene Stromstärke 𝐼 proportional zur Anzahl der noch nicht zerfallenen Teilchen des Gases ist.

M4: Vereinfachter Versuchsaufbau zum Franck-Hertz-Experiment

M5: Messdaten zum Franck-Hertz-Experiment; Die Gegenspannung beträgt 7V. Die Stromstärke 𝐼 des Elektronenstroms wird in Skalenteilen angegeben.

M6: Vereinfachtes Energieniveauschema eines Helium-Atoms
Im Grundzustand ist A das höchste besetzte Energieniveau. Zur besseren Ablesbarkeit ist der Bereich zwischen −7 eV und −24 eV ausgelassen.