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Radioaktivität

Radioaktivität

Unter Radioaktivität oder radioaktivem Zerfall versteht man die spontane Umwandlung instabiler Atomkerne unter Energieabgabe. Die freiwerdende Energie wird in Form energiereicher Teilchen und/oder ionisierender Strahlung abgegeben. Bei der Kernumwandlung kann sich die Kernladungszahl (Ordnungszahl) ändern (Umwandlung in ein anderes chemisches Element), oder nur die Massenzahl (Umwandlung in ein anderes Isotop desselben Elements). Daneben gibt es Übergänge, bei denen sich nur der Anregungszustand des Kerns ändert (Übergang zwischen verschiedenen Isomeren des selben Isotops). Die Stärke der Radioaktivität wird durch den physikalischen Begriff der „Aktivität” beschrieben und in der Einheit Becquerel angegeben. Radioaktiver Zerfall ist kein deterministischer Prozess. Der Zerfallszeitpunkt ist absolut zufällig. Allerdings ist für jedes Nuklid die Zerfallswahrscheinlichkeit ein fester Wert, der durch die Halbwertszeit angegeben wird. Die Halbwertszeit ist der Zeitraum, nach dem durchschnittlich die Hälfte der instabilen Atomkerne einer Menge zerfallen sind. Sie kann nur Sekundenbruchteile, aber auch einige Milliarden Jahre betragen. Derartige Nuklide sind beispielsweise Uran-238 und Uran-235, Thorium oder Kalium-40. Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer die Radioaktivität. Mathematisch wird der Zerfall durch das Zerfallsgesetz beschrieben. Nicht nur der Zeitpunkt des Zerfalls ist zufällig, sondern unter Umständen auch die Art des Zerfalls. ²¹²Bismut kann beispielsweise mit jeweils unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf drei verschiedene Arten zerfallen. Eine Liste aller Nuklide mit Art und Anteil der möglichen Zerfälle und Halbwertszeit jedes bekannten Nuklids findet sich in einer Nuklidkarte. Ein Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keinen radioaktiven Zerfall gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt. Beim Wasserstoff ist dieser Zustand das einzelne Proton als Atomkern, beim Helium enthält das stabile Isotop Helium-3 zwei Protonen und ein Neutron. Beim Lithium und allen schwereren Elementen müssen mindestens gleich viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, und bei schwereren Kernen überwiegen immer mehr die Neutronen. Ab einer gewissen Zahl von Nukleonen werden alle Atomkerne instabil. Unter Einwirkung von Korpuskularstrahlung (insbesondere Neutronen; Neutronenaktivierung) können stabile Atomkerne in andere Atomkerne umgewandelt werden, die instabil sind.

Zerfallsmodi

Nukleonen Im Atomkern wirken im Wesentlichen zwei Wechselwirkungen.
- Die starke Wechselwirkung, auch „Kernkraft” genannt, bewirkt die Bindung der Protonen und Neutronen aneinander.
- Die elektromagnetische Wechselwirkung, welche eine gegenseitige Abstoßung der Protonen bewirkt. Bei allen Zerfallsarten kann zusätzlich Gammastrahlung emittiert werden.

Alphazerfall

Ist der Atomkern sehr schwer, enthält also viele Protonen und Neutronen, kommt es zum Alphazerfall. Die starke Wechselwirkung kann den Mutterkern dann nicht mehr zusammen halten. Die freiwerdende Energie wird in Form von Heliumkernen mit einer Geschwindigkeit von unter 0,1 c emittiert. Dieses Verhalten ist trotz der hohen Potentialbarriere aufgrund des Tunneleffekts möglich. Der Restkern, auch Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, verringert bei diesem Vorgang seine Nukleonenzahl um vier und die Kernladungszahl um zwei. Die Strahlung hat in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern, besitzt aber eine extrem schädliche biologische Wirkung, wenn Sie innerhalb eines Organismus auftritt. Alphastrahlung kann durch ein einfaches Blatt Papier gestoppt werden. Beispiel:

^\mathrm U \to ^\mathrm + \alpha + \Delta E

Betazerfall

Wenn ein ungünstiges Verhältnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall ein. Dabei wird beim

\beta^-

-Zerfall im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein hochenergetisches Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um eins. Beispiel:

^_6 \mathrm C \to ^_7 \mathrm N + e^- + \overline

Beim

\beta^+

-Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron und ein hochenergetisches Positron umgewandelt und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um eins. Beispiel:

^_7 \mathrm N \to ^_6 \mathrm C + e^+ + \nu_e

Durch einige Meter Luft oder eine dünne Metallschicht (z.B. Alu) lässt sich die Beta-Strahlung abschirmen. Die Neutrinostrahlung ist sehr schwer nachzuweisen, da Neutrinos nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen.

Elektroneneinfang, ε-Zerfall

Eine andere Möglichkeit zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron besteht darin, ein Elektron aus der Atomhülle in den Kern zu „ziehen”, dem so genannten Elektroneneinfang (englisch: electron capture, kurz EC). Nach der Bezeichnung der typisch betroffenen Elektronenschale, der K-Schale, wird der Elektroneneinfang auch als K-Einfang bezeichnet. Das Proton des Kerns wird in ein Neutron umgewandelt, und ein Elektronneutrino emittiert. Bei diesem Umwandlungsmechanismus ist der Kern denselben Änderungen unterworfen wie beim

\beta^

-Zerfall, die Nukleonenzahl bleibt unverändert, die Ordnungszahl verringert sich um eins. Der Elektroneneinfang konkurriert daher mit dem

\beta^

-Zerfall und wird auch als eine Variante des Betazerfalls angesehen. Da das eingefangene Elektron meist aus der innersten Elektronenschale stammt, wird in dieser ein Platz frei und Elektronen aus den äußeren Schalen rücken nach, wobei charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird. Beispiel:

^_ \mathrm  + e^-  \to ^_ \mathrm  + \nu_e

Doppelter Elektroneneinfang: Bei einigen Kernen ist ein einfacher Elektroneneinfang energetisch nicht möglich, sie können sich aber durch gleichzeitigem Einfang zweier Elektronen umwandeln. Die Halbwertszeiten derartiger Umwandlungen sind typischerweise sehr lange und konnten erst in jüngster Zeit nachgewiesen werden. Beispiel:

^_ \mathrm  + 2e^-  \to ^_ \mathrm  + 2\nu_e

Doppelter Betazerfall

Bei einigen Kernen ist ein einfacher Betazerfall energetisch nicht möglich, sie können aber unter Abstrahlung zweier Elektronen zerfallen. Derartige Zerfälle haben typischerweise sehr lange Halbwertszeiten und sind erst in jüngster Zeit nachgewiesen worden. Noch offen ist die Frage, ob beim doppelten Betazerfall stets zwei Neutrinos emittiert werden, oder ob auch ein neutrinoloser doppelter Betazerfall vorkommt. Beispiel:

^_ \mathrm  \to ^_ \mathrm  + 2 e^- + 2 \overline

Gammazerfall

Ein γ-Zerfall (

\gamma

ist der griechische Buchstabe gamma) ist möglich, wenn der Atomkern nach einem Zerfall in einem energetisch angeregten Zustand vorliegt. Beim Übergang in einen energetisch niedrigeren Zustand gibt der Atomkern durch Emission hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, sogenannter γ-Strahlung Energie ab. Zur Abschirmung von γ-Strahlung sind meterdicke Stahlbeton- oder Bleiplatten nötig.

\gamma

-Strahlung ist wie Licht elektromagnetische Strahlung, sie ist aber sehr viel energiereicher und liegt damit weit außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums. Die Bezeichnung "Zerfall" dient zwar der Nomenklatur, ist aber hier leicht irreführend, da es sich um keinen Zerfall handelt, sondern um eine Zustandsänderung im Atomkern. Beispiel:

^_ \mathrm  \to ^_ \mathrm  +

Innere Konversion

Die freiwerdende Energie beim Übergang eines Atomkerns in ein energetisch niedrigeres Isomer kann auch an ein Elektron der Atomhülle abgegeben werden. Diesen Vorgang nennt man Innere Konversion. Konversionselektronen sind im Gegensatz zu

\beta

-Teilchen monoenergetisch.

Spontane Spaltung

Die spontane Kernspaltung ist ein weiterer radioaktiver Umwandlungsprozess, der bei besonders schweren Kernen auftritt. Der Atomkern zerfällt in zwei oder mehrere Bruchstücke. Dabei entstehen in der Regel zwei etwa gleichgroße Tochterkerne und zwei oder drei Neutronen. Beispiele: Auch die natürlich vorkommenden Uranisotope zerfallen zu einem kleinen Teil durch spontane Spaltung.

Spontane Nukleonenemission

Bei Kernen mit besonders hoher oder besonders geringer Neutronenzahl kann es zu spontaner Nukleonenemission also Protonenemission oder Neutronenemission kommen. Atomkerne mit sehr hohem Protonenüberschuss können ein Proton abgeben, Atomkerne mit hohem Neutronenüberschuss können Neutronen abgeben. Isotope, die durch spontane Nukleonenemission zerfallen, haben sehr kurze Halbwertszeiten und müssen künstlich hergestellt werden. ⁵He → ⁴He + ¹n ⁹B → ⁸Be + ¹p

Weitere Zerfallsarten

Clusterzerfall: Statt einzelner Nukleonen oder Heliumkerne werden in sehr seltenen Fällen auch ganze Atomkerne anderer Nukleonenzahl emittiert. Beispiele: Zwei-Protonen-Zerfall: Bei extremem Protonenüberschuss (wie zum Beispiel bei ⁴⁵Eisen) kann der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten, bei dem sogar zwei Protonen gleichzeitig abgestrahlt werden. ⁴⁵Fe → ⁴³Cr + 2 ¹p

Einheiten

;Becquerel Bq :Einheit radioaktiver Aktivität (Zerfallsereignisse je Sekunde). Das Becquerel löst die alte Einheit Curie ab; Umrechnung: 1 Ci = 3,7 · 10¹⁰ Zerfallsereignisse pro Sekunde = 37 Milliarden Bq; 1 Bq = 2,7 · 10^-11 Ci ;Curie Ci :Alte Einheit radioaktiver Aktivität, abgelöst durch Becquerel (s.d.). 1 Ci = 37 GBq = 3,7 · 10¹⁰ Bq ;Gray Gy :(SI-Einheit der Energiedosis). Das Gray löst die alte Bezeichnung "Rad" ("radiation-absorbed dose") ab. Es gibt an, wie viel Energie von einem Kilogramm Körpermasse aufgenommen wird. 1 Rad = 0,01 Gray; 1 Gray = 100 Rad ;Rad : radiation absorbed dose; alte Einheit der Energiedosis, abgelöst durch Gray (Gy) ;Rem :roentgen-equivalent men; alte Einheit der Personendosis, abgelöst durch Sievert (Sv) ;Röntgen : alte Einheit der Ionendosis ;Sievert Sv : Einheit der Äquivalentdosis; löst die alte Bezeichnung Rem (roentgen-equivalent-men) ab. Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis (Gray) mit einem biologischen Qualitätsfaktor. Für $\beta$ - und $\gamma$ -Strahlung ist dieser Faktor 1, das heißt Sv = Gy. Für $\alpha$ -Strahlung ist er 20, was die erhöhte Wechselwirkung beim Durchdringen von Gewebe berücksichtigt.

Geschichte

1896 entdeckte Antoine Henri Becquerel, dass Uran enthaltende Stoffe eine Strahlung aussenden. Diese vermag es, undurchsichtige Stoffe zu durchdringen. Dies stellte er fest, als er in Papier gehüllte fotografische Platten geschwärzt vorfand. Er stellte zudem fest, dass diese Radioaktivität nicht einheitlich ist, sondern verschiedene Komponenten enthalten kann: # eine Komponente mit hohem Durchdringungsvermögen, die im elektrischen Feld nicht abgelenkt wird (Gammastrahlung) # eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Pluspol abgelenkt wird und ein mittleres Durchdringungsvermögen hat (Betastrahlung) # eine Komponente, die im elektrischen Feld zum Minuspol abgelenkt wird und ein geringes Durchdringungsvermögen hat (Alphastrahlung). Die wesentlich beteiligten Personen, die auf dem Gebiet der weiteren Aufklärung der natürlichen Radioaktivität forschten, waren Marie Curie, Pierre Curie und Ernest Rutherford.

Anwendung

Technische Anwendung

Isotopenbatterien finden häufig in der Raumfahrt Anwendung. Früher benutzte man sie auch zum Betrieb von Herzschrittmachern. In Isotopenbatterien wird Wärme, die bei der Absorption der Strahlung eines Radionuklids entsteht, technisch genutzt. Der Temperaturunterschied zur Umgebung wird hier durch ein Thermoelement in elektrische Energie umgewandelt (Wirkungsgrad ≈5%). Hierbei werden am häufigsten

\alpha

-Strahler, besonders Plutonium-238, eingesetzt. Eine andere technische Anwendung ist die Dickenmessung und Materialprüfung mittels Durchstrahlung. Hierbei wird ein Stoff radioaktiv (mit Gamma-Strahlen) bestrahlt und ein Zähler ermittelt aufgrund der durchdringenden Strahlen und des Absorptionsgesetzes die Dichte. Diese Technik findet auch bei der Prüfung von Schweißnähten und Werkstoffen Anwendung (zum Beispiel zur qualitativen Überprüfung einer Schweißnaht). Bei Uhren und anderen radioaktiven Lichtquellen wird die leuchtende Eigenschaft „Lumineszenz“, die durch Beigabe von radioaktiven Substanzen (Tritium, früher Radium oder Promethium) zu Zinksulfidkristallen erreicht wird, genutzt. Es wurden auch Blitzableiter mit radioaktiven Material hergestellt, deren Wirksamkeit aber nie bewiesen werden konnte ( Radioaktiver Blitzableiter).

Biologische und Chemische Anwendungen

In der Biologie wird hauptsächlich die Mutationen fördernde und sterilisierende Wirkung genutzt. In der Pflanzenzüchtung werden zum Beispiel durch „strahlungsinduzierte Mutationen“ Mutanten erzeugt, durch die neue und verbesserte Arten hervorgebracht werden können. Ein sehr erfolgreiches Einsatzfeld ist die „Sterile-Insekten-Technik“, kurz SIT. Dabei werden männliche Schadinsekten sterilisiert und dann im Zielgebiet freigelassen. Das Ausbleiben von Nachkommen führt zur Verringerung der Population. Vorteil hierbei ist auch, dass keine schädlichen Chemikalien eingesetzt werden müssen und andere Insekten unbetroffen bleiben. Weiterhin eignet sich Radioaktivität auch zur Sterilisation von Geräten, Implantaten oder Lebensmitteln. Hierbei werden Mikroorganismen, ähnlich wie bei der Hitzesterilisation, neutralisiert. Hierfür gelten jedoch strenge Auflagen. Weiterhin kann das Wachstum eines Keimlings durch schwache Strahlung verbessert werden, wohingegen zu starke Strahlung wachstumshemmend wirkt. Die Vernetzung von Polymeren ohne Wärmeentwicklung ist ebenfalls möglich, wobei auch große Komponenten vernetzt werden können. Interessant ist auch die Farbänderung von Edelsteinen, Gläsern und pigmentierten Kunststoffen durch Radioaktivität.

Medizinische Anwendung

In der Nuklearmedizin findet man primär die Szintigraphie. Hierbei wird eine geringe Menge eines radioaktiven Stoffes in den Körper injiziert (meist

\gamma

-Strahler). Dieser strahlt dann aus dem Körper heraus, was eine Untersuchung ermöglicht. Die Strahlen werden von einem Detektor aufgefangen und mittels eines Computertomographen bildlich dargestellt. Dabei kann aus mehreren abgetasteten zweidimensionalen Bildern auch ein dreidimensionales Bild errechnet werden. Für jedes Organ gibt es spezielle radioaktive Verbindungen. So injiziert man zum Beispiel radioaktives Iod, das sich in der Schilddrüse anlagert, um sie untersuchen zu können. (Aufgrund der Strahlenbelastung wird diese Methode nur noch zur Tumorbekämpfung angewandt). Weitere bildgebende Verfahren, die Radioaktivität nutzten, sind die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT). Ein weiteres Einsatzfeld ist die Radionuklidbehandlung zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen. Hier wird in krankhaften Knochenbereichen der Metastase ein Radionuklid angereichert, was eine schmerzlindernde Wirkung hat. Jedoch haben diese Methoden auch ein gewisses Risiko, da teilweise auch gesundes Gewebe zerstört wird, was zu einer Immunschwächung oder Funktionsstörung des Knochenmarkes führen kann.

Strahlenbelastung und biologische Wirkung

Die Strahlenbelastung für Lebewesen wird als effektive Dosis mit der Einheit Sievert gemessen. Dabei wird die unterschiedliche Schädlichkeit von

\alpha

\beta

- und

\gamma

-Strahlen sowie die unterschiedliche Empfindlichkeit einzelner Gewebe berücksichtigt. Radionuklide sind nicht die einzige Quelle ionisierender Strahlung. Röntgenstrahlung wird z. B. in Röntgenröhren oder Fernsehgeräten erzeugt, die Höhenstrahlung stammt aus dem All. In vielen Anlagen der Hochenergiephysik entstehen verschiedene Arten ionisierender Strahlung. Jeder Mensch ist natürlicher Strahlenbelastung ausgesetzt. Die natürliche Strahlenbelastung kann von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein und hängt stark von der Höhe über dem Meeresspiegel (je höher, desto mehr kosmische Höhenstrahlung) und dem geologischen Umfeld ab. Ursache ist etwa zur Hälfte Radon und seine Zerfallsprodukte, das in Gestein und Mauerwerk vorkommt. Wichtige andere natürliche Strahlenquellen sind ⁴⁰Kalium, kosmische Strahlung und terrestrische Strahlung. In Deutschland beträgt die natürliche Strahlenbelastung etwa 2,4 mSv pro Jahr. Die künstliche Strahlenbelastung von im Durchschnitt 1,5 mSv im Jahr stammt fast ausschließlich aus der Medizin. Aber auch häufige Flugreisen können zu einer signifikanten zusätzlichen Strahlenbelastung führen. Alle Formen der Radioaktivität können für Lebewesen gesundheitsschädlich sein. Die Kurzzeitfolge einer zu hohen Dosis Radioaktivität wird Strahlenkrankheit genannt. Sie äußert sich durch ein geschwächtes Immunsystem und Verbrennungen. Auf molekularer Ebene ist unter anderem die schädigende Wirkung von durch Radiolyse entstehenden Radikalen beteiligt. Die Strahlenkrankheit tritt etwa ab einer kurzfristigen Belastung von 0,25 Sv auf. 4 Sv sind in der Regel tödlich. Die Langzeitfolgen der Radioaktivität sind Mutationen am Erbgut und Krebs. Bakterien können sehr viel stärkere Radioaktivität als Menschen ertragen, Rekordhalter ist Deinococcus radiodurans, der sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben kann.

Weblinks

- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Radioaktivit%E4t Mineralienatlas Radioaktivität]
- http://www.m-ww.de/enzyklopaedie/strahlenmedizin/
- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021124.rm Was ist Radioaktivität?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri) Kategorie:Kernenergie Kategorie:Kernphysik Kategorie:Mineralogie Kategorie:Strahlenschutz Kategorie:1896 ja:放射能

Ionisierende Strahlung

Kategorie:Ionisierende Strahlung Elektromagnetische Wellen- oder Teilchenstrahlung wird als ionisierende Strahlung bezeichnet, wenn sie in der Lage ist, Atome oder Moleküle zu ionisieren, d.h. aus diesen Elektronen zu entfernen. Die zurückbleibenden Ionen sind meist sehr reaktiv, so dass sie, falls sie in lebendem Gewebe entstehen, großen Schaden anrichten können. Abhängig von der Strahlungsdosis sind daher verschiedene Stufen des Strahlenschutzes anzuwenden. Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist immer besondere Sorgfalt geboten. Die Gefährlichkeit ionisierender Strahlung ist stark von der Art der Strahlung und der Strahlendosis, und diese wiederum stark vom Abstand zur Strahlungsquelle abhängig. Die Intensität radioaktiver Strahlung kann durch ihre technischen Anwendungen in der Energieerzeugung, in Atomwaffen, in der Forschung und der Medizin sehr stark gesteigert werden. Intensive ionisierende Strahlung erfordert strikte und sorgfältige Maßnahmen des Strahlenschutzes, deren Nichteinhaltung häufig lebenslange Erkrankung oder auch den Tod zur Folge hat. Über einer bestimmten Strahlungsdosis führt ionisierende Strahlung zu Verbrennungen, akuter Strahlenkrankheit und zum Tod. Bei geringerer Intensität kann sie z.B. Mutationen und Krebs verursachen. Ionisierende Strahlung tritt in sehr geringer Dosis als natürliche Hintergrundstrahlung auf. Diese besteht unter anderem aus der kosmischen Strahlung und der Strahlung radioaktiver Stoffe, die natürlich in der Erdkruste auftreten. Die derzeit messbare Hintergrundstrahlung liegt global über der natürlichen Hintergrundstrahlung, da durch technische Anwendungen, aber vor allem durch Atomwaffeneinsatz und Atomwaffenversuche Radionuklide weltweit in der Atmosphäre, an Land und im Wasser verteilt wurden. Das radioaktive Edelgas Radon, das vor allem aus Beton und Granit austreten kann, aber auch natürlich in der Erde vorkommt, und deshalb in Kellern häufig in höherer Konzentration zu finden ist, führt unter Umständen zu einer messbaren oder gar gefährlichen Strahlendosis. Durch Lüften kann aber die Konzentration ausreichend gesenkt werden. Aufgrund der Ausdünnung der Ozonschicht in der Stratosphäre trifft ein größerer Anteil der ultravioletten Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche und erfordert sorgfältigeren Sonnenschutz. Beispiele für ionisierende Strahlung sind:
- kosmische Strahlung, Partikel und Sekundärpartikel (nach Kollision mit der Atmosphäre), die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen
- Ionenstrahlung, Atomkerne, die sich schnell bewegen
- radioaktive Alphastrahlung, sich schnell bewegende Kerne des Edelgases Helium
- Betastrahlung, schnelle Elektronen und Positronen
- Gammastrahlung, elektromagnetische Wellen (Photonen) mit einer Photonenenergie von etwa einem Megaelektronenvolt MeV
- Röntgenstrahlung, elektromagnetische Wellen (Photonen) mit einer Photonenenergie von mehreren oder vielen Kiloelektronenvolt keV
- Ultraviolettes Licht, elektromagnetische Wellen (Photonen) mit einer Photonenenergie von über etwa 3,1 eV

Vorgänge beim Durchgang durch Materie

Strahlenarten
- delta-Elektronen: die bei der Ionisierung abgelösten Elektronen verfügen zumeist nicht über genug Energie, um selbst wieder ionisieren zu können; Kategorie:Kernphysik Kategorie:Teilchenphysik KAtegorie:Strahlenschutz ja:放射線

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

Isotop

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

Aktivität (Physik)

Die Aktivität eines radioaktiven Stoffes ist das Maß für die Anzahl der Kernzerfälle, die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne stattfinden. Die Maßeinheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq). 1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde. Für ein radioaktives Präparat eines bestimmten Elementes mit

N_0

Atomkernen gilt für seine Aktivität

A_0

zu Beginn des Zerfallsprozesses :

A_0=N_0 \cdot \lambda

, wobei

\lambda

die Zerfallskonstante des entsprechenden Elementes ist, welche die Geschwindigkeit des Zerfalls darstellt. Multipliziert man das Zerfallsgesetz :

N(t)= N_0 \cdot e^

mit

\lambda

, so folgt gemäß der Formel für die Aktivität das Gesetz für die Aktivität des Präparates zu einer bestimmten Zeit

t

N(t) \cdot \lambda = N_0 \cdot e^ \cdot \lambda

A(t) = A_0 \cdot e^

. Eine veraltete Maßeinheit für die Aktivität ist das Curie (Ci). Es gilt: 1 Ci = 3,7 · 10¹⁰ Bq.
- Spezifische Aktivität einiger Elemente (natürliches Isotopengemisch) Kategorie:Kernphysik Kategorie:Physikalische Größe

Determinismus

Determinismus (von lateinisch: determinare abgrenzen, bestimmen) ist eine philosophische Denkrichtung und zusammen mit seinem Gegenstück, dem Indeterminismus, ein wesentliches Grundelement zur Herausbildung eines konsistenten Weltbildes. Er geht davon aus, alle Ereignisse liefen nach feststehenden Gesetzen ab und seien durch diese vollständig bestimmt bzw. determiniert. Deterministen sind also der Auffassung, dass bei bekannten Naturgesetzen und dem vollständig bekannten Zustand eines Systems, der weitere Ablauf aller Ereignisse prinzipiell vorherbestimmt ist und folglich weder ein echter Zufall, noch Wunder bzw. ähnliche nicht-physische Phänomene existieren. Dies kann, muss jedoch nicht, eine Berechenbarkeit des Systems zur Folge haben, was unter anderem dessen Vorhersagbarkeit beeinflusst. Es gibt verschiedene Varianten des Determinismus, die mehr oder minder streng die Vorherbestimmtheit aller Ereignisse voraussetzen. Beispielsweise hängt dies davon ab, ob mit dem betrachteten System nur ein Teil des Universums oder das Universum als Ganzes gemeint ist. Auch spielen weitere Postulate wie beispielsweise die Existenz eines Schöpfers bzw. Gottes eine Rolle, wobei jedoch teilweise die Gefahr zirkulärer Logik durch sich lediglich gegenseitig rechtfertigende Postulate besteht. Im Zusammenspiel der durch vielfältige Wechselbeziehungen geprägten Konzepte von echtem Zufall, Kausalität bzw. Kausalprinzip, Materialismus, freiem Willen, Berechenbarkeit (Chaostheorie, Deterministisches Chaos, Turingmaschine) und zahlreichen weiteren Fragestellungen an der Berührungsstelle zwischen Naturwissenschaft und Philosophie ergibt sich die Basis eines deterministisch geprägten Weltbildes. Die Vielfältigkeit dieser Konzepte resultiert dabei auch in einer Vielfältigkeit der hierauf aufbauenden Weltbilder, besonders in Bezug auf die Frage nach der Existenz bzw. Nichtexistenz eines freien Willens. Es ist hierbei jedoch kaum möglich, einen spezifisch naturwissenschaftlichen von einem spezifisch philosophischen oder religiösen Determinismus zu unterscheiden, da sie letzten Endes die gleiche Fragestellung beinhalten und sich lediglich methodisch unterscheiden, sich jedoch auch in dieser Methodik gegenseitig vielschichtig durchdringen.

Gesonderte Sichtweisen

Sichtweisen der Naturwissenschaften

Die Newtonsche Mechanik (Klassische Mechanik) zeigte eine streng deterministische Tendenz, wie am Beispiel des Laplace'schen Dämons deutlich wird. Da jedoch religiöse Dogmen bezüglich der Willensfreiheit oder göttlichen Vorbestimmtheit des Menschen zur damaligen Zeit eine noch dominierendere Stellung als heute besaßen, spielte eine streng naturwissenschaftliche Betrachtung im Sinne Newtons in der breiten Öffentlichkeit zunächst eine untergeordnete Rolle. Zwar existiert auch bei Newton ein Schöpfer, jedoch ist dieser nur der Initiator der Welt und als solches kein rezent agierender Gott nach mehrheitlich christlichem und vor allem islamischem Verständnis. Man bezeichnet dies als Deismus. Durch die Entwicklungen der relativistischen Physik war der Determinismus in der Folge besonders in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, insbesondere vor der weitgehenden Bestätigung der Quantenmechanik, in den Naturwissenschaften dominant und strahlte von hier auch weit in die Gesellschaft aus. Hierbei spielt in zunehmenden Maße jedoch der Pantheismus eine Rolle, aber auch der Atheismus bzw. Agnostizismus nehmen an Bedeutung zu. Heute kann man jedoch keine allgemein anerkannte physikalische Theorie zum Determinismus bzw. dessen Existenz oder Nichtexistenz aufstellen. Da die Heisenbergsche Unschärferelation eine vollständige Kenntnis des Zustands eines Systems unmöglich macht und die Quantenmechanik Gleichungen nutzt, die einen Zufall verwenden, ist der Indeterminismus heute in den Naturwissenschaften dominierend, auch wenn die Quantenmechanik keinesfalls die Existenz eines absoluten Zufalls beweist bzw. diesen in letzter Konsequenz voraussetzt. In diesem Zusammenhang spielen die so genannten Deutungen oder Interpretationen der Quantenmechanik wie die Kopenhagener Interpretation und die Viele-Welten-Interpretation (siehe auch Dekohärenz, Paralleluniversum, Multiversum, Quantenschaum) eine große Rolle. Die Kopenhagener Interpretation stellt hierbei den Charakter einer Standardinterpretation der Quantenmechanik dar und benötigt einen echten Zufall, ist also Indeterministisch. Die Viele-Welten-Interpretation stellt hingegen eine deterministische Minderheitenposition dar und benötigt keinen echten Zufall. Von Bedeutung hierfür ist insbesondere die Frage nach dem Kollaps der Wellenfunktion (Schrödingergleichung, Wellengleichung). Für alle Interpretationen gilt jedoch, dass sie keine falsizierbaren Theorien darstellen und als solche auch keine naturwissenschaftlichen Fragestellungen im engeren Sinne sind. Hierbei kommt insbesondere Ockhams Rasiermesser eine große Bedeutung zu, dieses kann jedoch durch die vielfältigen Schwächen jeder der Interpretationen unterschiedlich gewichtet bzw. angewendet werden. Jedoch kann, wenn man Determinismus als ein Vorherbestimmt-Sein und nicht als Vorherbestimmbarkeit der Ereignisse betrachtet, die Interpretation der Quantenmechanik nicht zur "Widerlegung" des philosophischen Determinismus herangezogen werden.

Rolle in der Religion und Philosophie

In der religiösen und philosophischen Diskussion hängt der Determinismus und seine Ablehnung/Akzeptanz eng mit der Frage nach einem Freien Willen des Menschen zusammen, wie er von den meisten Religionen bzw. den von ihnen getragenen Strömungen angenommen wird. Für eine Religion ist diese Frage zentral, da ein allmächtiger Gott nur in einer indeterministischen Welt in der Lage ist, auch nach einer Schöpfung weiterhin aktiv einzugreifen. Nach einigen Prädestinationslehren (Calvinismus) innerhalb des Christentums und besonders des Islams liegt eine solche jedoch nicht vor. Ein solch deterministisches (prädestiniertes) Weltbild steht jedoch im Konflikt mit dem freien Willen und ist deswegen gerade für das Christentum, wo der freie Wille des Menschen ein zentrales Dogma darstellt, im Zusammenhang mit verschiedenen Heilsversprechen und dem Theodizeeproblem durchaus nicht widerspruchsfrei. Hiervon wird nicht zuletzt auch der Gottesbegriff selbst stark berührt. Die Problematik löst sich im allgemeinen auf, wenn das Vorherwissen und die Vorherbestimmung deutlich unterschieden werden und das überzeitliche Wesen Gottes (etwa durch die Natürliche Theologie) aufgedeckt wird.

Einteilung

Allgemeiner und persönlicher Determinismus

Eine wichtige Einteilung des Determinismus ist folgende Unterscheidung:
- Allgemeiner Determinismus: Das ganze Weltgeschehen läuft deterministisch ab. Es gibt keinen echten Zufall.
- Persönlicher Determinismus: Der Mensch ist in seinem Willen durch äußere oder innere Ursachen vorherbestimmt und nicht frei. Es gibt keinen freien Willen.

Starker Determinismus

Man bezeichnet die Unvereinbarkeit von Willensfreiheit und Determinismus als Inkompatibilismus und diesen zusammen mit einer Ablehnung der Willensfreiheit als starken bzw. harten Determinismus. Wenn der Wille, wie alles andere in der Welt auch, dem Determinismus unterläge, so könne der Wille, und damit alle von ihm ausgehenden Entscheidungen und Handlungen, nicht dem Bild der Willensfreiheit entsprechen. Starke Deterministen wie Paul Thiry d'Holbach gehen davon aus, dass eine Person genau dann frei handele, also einen freien Willen besitze, wenn sie der einzige verursachende Grund für die Handlung sei und eine andere Entscheidung hätte treffen können. Wenn der Determinismus zuträfe, dann wäre jede Wahl, die wir treffen, bereits durch frühere Ereignisse außerhalb unseres Einflussbereiches vorherbestimmt. Unsere Entscheidungen wären nur ein weiteres, seit Urzeiten vorherbestimmtes Ergebnis der determinierten Weltordnung, der freie Wille lediglich eine Illusion. Aus dieser Zeit stammt die heutige Gegenüberstellung von Determinismus und Willensfreiheit. Der starke Determinismus im Sinne des Laplace'schen Dämons führt jedoch zu einem Paradoxon. Er sagt letztlich aus, dass alles genau so geschieht, wie es geschieht. Damit kann man aber auch eine deterministische Welt nicht von einer indeterministischen Welt unterscheiden und beide sind insbesondere nicht falsifizierbar. Jede Annahme eines freien Willens ist, ebenso wie jede Annahme des Gegenteils, nicht anhand der Realität überprüfbar. Eine streng deterministische Welt könnte damit von sich annehmen, eine indeterministische Welt zu sein. Andererseits lässt sich auch der starke Indeterminismus auf dieses Paradoxon zurückführen. Auch eine indeterministische Welt könnte sowohl den Determinismus als auch den Indeterminismus annehmen, ohne sich aber entscheiden zu können. Dies wird oft als Begründung dafür herangezogen, dass es sich bei der Frage nach Determinismus und Indeterminismus in Wirklichkeit um eine Scheinfrage handele und sie damit keine Wirkung auf unsere tatsächlichen Handlungen hat. Einer Theorie zufolge, die sowohl in der Naturwissenschaft als auch in der Philosophie diskutiert wird, stellt die Annahme der parallelen Existenz mehrerer Welten bzw. Universen, dass es also mehrere Vergangenheiten und Zukünfte gibt, wie z.B. bei der Viele-Welten-Theorie, eine Lösung dar. Solche Theorien gelten im Allgemeinen als praktisch nicht falsifizierbar, auch wenn es Philosophen (z.B. Nick Bostrum in Anthropic Bias Observation Selektion Effects in Science and Philosophie, Routledge) gibt, die Viel-Welten-Theorien zumindest prinzipiell unter gewissen Umständen für testbar halten.

Schwacher Determinismus

Es wird auch die Position vertreten, dass der Determinismus mit dem freien Willen verträglich sei. Schwache Deterministen bzw. deterministische Kompatibilisten wie Thomas Hobbes gehen davon aus, dass eine Person genau dann frei handele, wenn sie eine Handlung wolle, jedoch auch anders handeln könne, wenn sie auch dies wiederum wolle. Ob die Entscheidung dabei deterministisch längst festgelegt ist, spiele keine Rolle, da der freie Wille die determinierte Zukunft, also seine Willensentscheidung, nicht kenne. Für Kompatibilisten bedeutet frei zu sein letztlich, nach Gründen zu handeln, die dem Handelnden nicht bewusst sind. Dieser Freiheitsbegriff ist jedoch sehr schwach und hiermit keine Lösung für den Antagonismus zwischen einem stärkeren Begriff des freien Willens und dem Determinismus, sondern lediglich eine andere Definition des freien Willens, so dass sich dieser einem solchen Antagonismus entzieht. Aber auch beim Indeterminismus gilt es zu beachten, dass auch die Existenz eines absoluten Zufalls keinesfall einen freien Willen bedingt. Gerade aus einer vollständigen Zufälligkeit der Welt und damit auch jeder bewussten oder unbewussten Entscheidung ist kein freier Wille ableitbar.

Technologischer Determinismus

Als technologischen Determinismus bezeichnet man die Auffassung, dass die zunehmende Verbreitung von Technik in zivilisierten Gesellschaften zu überwiegend durch die Technik vorbestimmten Arbeitsabläufen führt. Der Mensch bestimme nicht, wie er glaubt, die Arbeit der Technik, sondern die Technik bestimme in immer größerem Ausmaß die Arbeit des Menschen. Während sich nicht abstreiten lässt, dass die Art der Arbeit durch den technologischen Fortschritt merklich beeinflusst wird, so gilt doch heute eine strikt deterministische Sichtweise als widerlegt. So wird etwa ins Feld geführt, dass der Umgang mit Technik nicht nur rein mechanisch erfolgt, sondern häufig eine große Fachkenntnis voraussetzt und mit hoher Verantwortung im jeweiligen Arbeitsbereich verbunden ist. Dem technologisch determinierten Menschen wird der verantwortliche und kompetente Nutzer der Technik als Chance gegenübergestellt.

Folgerungen aus dem Determinismus

Erstursache

Eine, speziell für theologische Gottesbeweise wesentliche Frage, die sich aus dem Determinismus ergibt, ist ob die ihm zugrunde liegende Kausalkette einen Anfang hat und wenn ja, welche Bedeutung dieser Anfang hat. Theisten argumentieren oft, dass diese als Erste Ursache, Urgrund oder Initiator bezeichnete Anfang mit Gott gleichzusetzen sei. Da eine unendliche Kausalkette nicht möglich sei, führe die Annahme eines göttlichen Initiators hierbei zum Deismus bzw. genauer gesagt zum Theismus (siehe dazu auch den Artikel Gottesbeweis). Die Diskussion um die seit jeher umstrittene Frage der Gleichsetzung der ersten Ursache mit Gott, als auch die prinzipielle Unmöglichkeit einer unendlichen Kausalkette spielt in den jüngeren Richtungen der Gegenwartsphilosophie nur noch eine untergeordnete Rolle; die meisten der heute vertretenen Positionen erachten diese Argumente ohnehin als nicht gültig.

Moral

Besonders im Falle des starken Determinismus, also der Unvereinbarkeit von Willensfreiheit und Determinismus, zeigt sich hieraus eine Folge auf viele Aspekte der Moral im Sinne einer fehlenden Legitimation Menschen im eigentlichen Sinne als frei zu betrachten und diese auch dementsprechend für ihre Entscheidungen verantwortlich zu machen. Die Unterschiede zwischen verschiedenen Anschauungen über und Folgerungen aus dem Determinismus sind hierbei jedoch so facettenreich, dass hieraus kaum eine gemeinsame Basis definiert werden kann. Für die meisten Deterministen ist es jedoch unmoralisch bspw. einen Verbrecher aufgrund seiner Schuld zu verurteilen, da er ohne einen freien Willen auch keine freie Entscheidung fällen kann und folglich auch das jeweilige Verbrechen von vornherein determiniert war. Es sei jedoch keineswegs unmoralisch diesen einzusperren, um sich selbst und andere zu schützen. Die Durchsetzung der Einhaltung einer Moral ist für sie also ein legitimes Interesse, auch wenn ein Zuwiderhandeln gegen diese Moral keine Schuld im eigentlichen Sinne ist. Für die meisten Deterministen gilt daher tatsächlich, daß allein die Akzeptanz einer determinierten Welt nicht oder nur in geringem Ausmaß in einer gesonderten Moral oder gar deren Verschwinden resultiert, was jedoch oft auch lediglich auf eine begrenzte Konsequenz dieses deterministischen Weltbildes auf das tatsächliche Handeln zurückzuführen ist. Dies ergibt sich auch zwangsläufig aus der schon beschriebenen Unverbindlichkeit einer solchen Vorstellung, da jedes Handeln, also auch Handlungen die ein deterministisches Weltbild zu ihrer Legitimation nicht berücksichtigen, somit konform zum Determinismus ist. Aus philosophisch-theologischer Sicht ist auch die Existenz des Bösen in der Welt ein Argument gegen den Determinismus. Wenn bzw. weil sich Gott im Rahmen der Natürlichen Theologie als vollkommen gut nachweisen liese, könne das Böse nicht in seinem, sondern nur im geschöpflichen Willen liegen.

Vertreter

- Baruch de Spinoza (1632 - 1677)
- Paul Thiry d'Holbach (1723 - 1789)
- Pierre Simon Laplace
- Gottfried Wilhelm Leibniz
- Thomas Hobbes
- John Locke
- Marshall McLuhan
- David Hume
- John Stuart Mill
- Alfred Jules Ayer
- Ted Honderich
- Gottfried Seebaß
- Arthur Schopenhauer (1788-1860)
- Georg Büchner (1813-1837)
- Wolf Singer
- Gerhard Roth

Siehe auch

- Der Computer als deterministische Maschine (siehe jedoch auch Quantencomputer)
- Das Planetensystem als deterministisches System
- Das menschliche Gehirn als weitgehend deterministisches Informationsverarbeitungs- und Speicherungssystem
- Zufallsgenerator, Pseudozufallszahl

Literatur

- Ted Honderich: Wie frei sind wir? Das Determinismus-Problem. Reclam, Stuttgart 1995, ISBN 3-15-009356-2
- Ulrich Pothast (Hrsg.): Seminar: Freies Handeln und Determinismus. 2. Auflage. Suhrkamp, Frankfurt am Main 1988, ISBN 3-518-27857-6
- Ulrich Steinvorth: Freiheitstheorien in der Philosophie der Neuzeit. 2. Auflage. WBG, Darmstadt 1994, ISBN 3-534-02403-6
- Henrik Walter: Neurophilosophie der Willensfreiheit. Von libertarischen Illusionen zum Konzept natürlicher Autonomie. Schöningh, Paderborn 1998, ISBN 3-506-73241-2
- Pauen Michael: Illusion Freiheit? Mögliche und unmögliche Konsequenzen der Hirnforschung. S.Fischer, Frankfurt am Main 2004, ISBN 3-10-061910-2

Weblinks

- [http://theotp1.physik.uni-ulm.de/~schu/komplex/lec1.html Physikalischer Determinismus und seine Grenzen]
- [http://beat.doebe.li/bibliothek/w00099.html Literatur zum Thema] Kategorie: Metaphysik Kategorie: Philosophie des Geistes Kategorie: Physik Kategorie: Dynamik Kategorie: Wissenschaftstheorie

Halbwertszeit

Viele Phänomene lassen sich mit einer Halbwertszeit (Abk.: HWZ) beschreiben, wenn eine exponentielle Abnahme (prozentual konstante Abnahme) über der Zeit vorliegt. Das bekannteste Beispiel hierfür ist der Zerfall radioaktiver Isotope. Bei exponentiellem Wachstum spricht man statt der Halbwertszeit von einer Verdoppelungsrate, die der Halbwertszeit mit umgekehrtem Vorzeichen entspricht. Fälschlicherweise wird gelegentlich (laienhaft) angenommen, dass nach zwei Halbwertszeiten, z.B. bei radioaktiven Isotopen, die Substanz vollständig zerfallen ist; es ist jedoch so, dass die nach einer Halbwertszeit verbliebene Hälfte im Lauf der nächsten Halbwertszeit wiederum halbiert wird, d.h. es verbleibt ¹/₄; nach 3 Halbwertszeiten ¹/₈ usw. (¹/₁₆, ¹/₃₂, ¹/₆₄, ...) bis letztlich nur noch ein einzelner Kern übrig ist. Der Zerfall dieses einen (wie auch jedes anderen einzelnen) Kerns ist allerdings nicht vorhersagbar, da lediglich eine Wahrscheinlichkeit für dessen Zerfall innerhalb einer gegebenen Zeit angegeben werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein betrachteter Kern innerhalb der ersten Halbwertszeit zerfällt, beträgt 50%, dass er innerhalb von 2 Halbwertszeiten zerfällt 50% + 25% = 75%, bei 3 Halbwertszeiten beträgt der Wert 50% + 25% + 12,5% = 87,5%, u.s.w.

Zerfallsgesetz

Es sei ein radioaktives Präparat mit N₀ Kernen; zum Zeitpunkt t=0 ist noch keiner der Kerne zerfallen. Mit der Aktivität gilt die Differentialgleichung

N\cdot\lambda =-\frac

-\lambda \cdot \mathrm d t=\frac

\int -\lambda \cdot \mathrm d t=\int\frac

-\lambda t + C_1=\ln(N)+C_2

Für t=0 sind nach Voraussetzung noch N₀ Kerne vorhanden. Damit gilt für

C_1

C_1=\ln \left(N_0 \right)+C_2

-\lambda t + \ln \left(N_0 \right) + C_2= \ln(N) + C_2

-\lambda t + \ln \left(N_0 \right) = \ln(N)

-\lambda t = \ln(N)-\ln\left(N_0\right) = \ln\left(\frac\right)

e^ = \frac

N(t)= N_0 \cdot e^

Hierbei ist die Geschwindigkeit der Abnahme durch die Zerfallskonstante λ bestimmt. Sie ist das Reziproke der Lebensdauer

\tau = 1/\lambda

. Beim radioaktiven Zerfall sind also nach der Zeit t von N₀ Ausgangskernen noch N übrig. Für die Zeit t bei N übrigen Kernen gilt hingegen

\frac= t

mit

0 \ne N < N_0

. Für

N > N_0

ist

t<0

. Hieraus ergibt sich sofort die Zeitspanne für eine Verkleinerung der Ausgangsmenge um den Faktor 1/n als

T_=\frac = \frac

Nach der Zeitspanne für

n = N_0

hat sich die Ausgangsmenge auf einen einzelnen Kern reduziert. Die Zeitspanne für

n=2

heißt Halbwertszeit und stellt diejenige Zeit dar, nach deren Ablauf die Hälfte der ursprünglichen N₀ Kerne zerfallen sind.

Radioaktive Halbwertszeit

Die physikalische Halbwertszeit ist in der Kernphysik diejenige Zeitspanne, die statistisch gesehen verstreicht, bis die Menge eines bestimmten radioaktiven Nuklids auf die Hälfte gesunken ist, das heißt sich in andere Atome umgewandelt hat. Für jedes Nuklid ist die Halbwertszeit eine Konstante. Die Anzahl der verbleibenden Kerne zu einer bestimmten Zeit ist durch das Zerfallsgesetz gegeben. Halbwertszeiten einiger radioaktive Nuklide:
- Bismut (²⁰⁹Bi): ca. 1,9×10¹⁹ Jahre
- Uran (²³⁸U): 4,5. Mrd. Jahre
- Plutonium (²³⁹Pu): 24000 Jahre
- Kohlenstoff (¹⁴C): 5730 Jahre
- Tritium (³H): 12,36 Jahre
- Caesium (¹³⁷Cs): 30 Jahre
- Radium (²³⁶Ra): 1622 Jahre
- Radon (²²²Rn): 3,8 Tage
- Francium (²²³Fr): 22 Minuten
- Thorium (²²³Th): 0,9 Sekunden
- Polonium (⁸⁴Po): 0,3 • 10^-6 Sekunden Mathematisch betrachtet verschwindet die radioaktive Strahlung also nie, physikalisch ist natürlich mit der Umwandlung des letzten Atoms eine Grenze gesetzt. Oft nutzt man als Abschätzung die Zeitdauer, nach der die Aktivität auf den Faktor 2^-10 = 1/1024 gefallen ist, was nach der 10fachen Halbwertszeit der Fall ist. Siehe auch: Lebensdauer (Physik)

Anwendung: Die Radiocarbonmethode

Das radioaktive Kohlenstoffnuklid ¹⁴C ist in einem festen Verhältnis im Kohlenstoffdioxid unserer Atmosphäre enthalten. Durch den anteiligen Einbau des Nuklids bei der Photosynthese in die Biomasse der Pflanzen und weiter über die Nahrungskette kommt es auch im Körper aller Lebewesen zu einem festen Verhältnis zwischen normalem ¹²C und radioaktivem ¹⁴C. Wenn ein Lebewesen stirbt, dann hört es auf mit der Photosynthese bzw. mit der Nahrungsaufnahme. Das hat zur Folge, dass der Anteil an ¹⁴C ab genau diesem Zeitpunkt entsprechend dem radioaktiven Zerfall exponentiell mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren abnimmt. Anhand der radioaktiven Reststrahlung, die von einem toten Lebewesen ausgeht, kann man durch diese Radiokarbonmethode bestimmen, wie viel Prozent des ursprünglichen ¹⁴C Anteils noch vorhanden sind und in der Folge den Zeitpunkt des Todes des Lebewesens und damit das Alter des Fundes bestimmen.

Beispiel

Der Balken eines historischen Gebäudes habe noch 90% des ursprünglichen Gleichgewichtsanteils an ¹⁴C in frischer Pflanzenmasse. Dann gilt für die verstrichene Zerfallszeit: :

\mathrm = \mathrm_ \cdot \mathrm_2(09) = 5730a \cdot \mathrm_2\left(09\right) = -870,98a

Das bedeutet, dass der Baum, aus dem der Balken gemacht wurde, vor etwa 871 Jahren geschlagen worden ist. Die Datierung ist nicht auf das Jahr genau. Die mögliche Genauigkeit hängt von der Menge verfügbaren Probematerials und der aufgewendeten Zähldauer ab und wird auch mit zunehmendem Alter der Probe immer geringer.

Biologische Halbwertszeit

Die biologische Halbwertszeit bezeichnet im speziellen die Zeitspanne t_1/2, in welcher in einem biologischen Organismus (Mensch, Tier, Pflanze, Einzeller) der Gehalt einer inkorporierten radioaktiven, toxischen oder pharmazeutischen Substanz durch biologische oder physikalische Prozesse (Stoffwechsel, Ausscheidung, radioaktiver Zerfall, etc.) auf die Hälfte abgesunken ist. In der Pharmakokinetik bezeichnet man als Halbwertszeit die Zeit, in der die Hälfte des aufgenommenen Arzneimittels verstoffwechselt und/oder ausgeschieden ist. Da sich die biologische Halbwertzeit aus verschiedenen Prozessen zusammensetz, die teilweise unterschiedliche Konzentrationsabhängigkeiten besitzen, ist sie nicht immer unabhängig von der Ausgangskonzentration des untersuchten Stoffes.

Bibliometrische Halbwertszeiten

In der Bibliometrie lassen sich bei der Untersuchung von Publikationen verschiedene Halbwertszeiten feststellen. Brooks untersuchte als einer der ersten Halbwertszeiten auf diesem Gebiet. Die Halbwertszeit von Literatur beträgt etwa 5 Jahre. Dies gilt sowohl für die Lektüre als auch die Anzahl der Zitationen. Das heißt, dass ein Werk durchschnittlich jedes Jahr um etwa 14% weniger oft aus einer Bibliothek entliehen oder zitiert wird als im vorangegangenen (abgesehen von Klassikern und den neuesten Werken). Die Halbwertszeit von Hyperlinks beträgt etwa 51 Monate. Das heißt, dass nach einem Jahr etwa 15% aller Hyperlinks nicht mehr gültig sind.

Thorium

Thorium ist ein chemisches Element benannt nach Thor. Reines Thorium ist ein silberweißes Metall, welches an der Luft stabil ist und seinen Glanz für einige Monate behält. Ist es mit seinem Oxid verschmutzt, läuft es langsam an der Luft an und wird grau und schließlich schwarz. Die physikalischen Eigenschaften von Thorium hängen stark von seiner Verschmutzung durch sein Oxid ab. Die reinsten Sorten enthalten oft einige zehntel Prozent Thoriumoxid. Es ist aber auch hochreines Thorium verfügbar. Reines Thorium ist weich, sehr dehnbar, kann kalt gewalzt und gezogen werden. Thorium ist dimorph. Bei über 1400 Grad Celsius wandelt es sich von einer kubisch flächenzentrierten zu einer kubisch raumzentrierten Struktur um. Thoriumoxid hat mit 3300 Grad Celsius von allen Metalloxiden den höchsten Schmelzpunkt. Nur einige wenige Metalle, wie Wolfram, und einige Verbindungen, wie Tantalcarbid, besitzen höhere Schmelzpunkte. Von Wasser wird Thorium langsam angegriffen, aber es löst sich in den meisten Säuren außer Salzsäure kaum auf. Pulverförmiges Thorium ist sehr leicht entzündlich. Thorium verbrennt an der Luft, wenn es erhitzt wird mit weißer helleuchtender Flamme. Thorium wird in Form seines Oxides für die Herstellung von Glühstrümpfen verwendet. Glühstrümpfe stellt man her, indem man Stoffgewebe mit einer Lösung aus 99 % Thoriumnitrat und 1 % Cernitrat tränkt und dann anzündet. Hierbei bleibt eine zerbrechliche Struktur zurück, die im Gaslicht ein weißes Licht abgibt. Thorium ist wie Uran schwach radioaktiv und gilt als weniger giftig, da weniger Folgeprodukte entstehen.

Historische Bezeichnungen

"Thorium-G"

Bei der in Stanley Kubricks Film Dr. Seltsam oder wie ich lernte, die Bombe zu lieben erwähnten "Cobalt-Thorium-G"-Bombe – der "Weltvernichtungsmaschine" – handelt es sich in erster Linie um eine Kobaltbombe. Verwendet man im Bombendesign Thorium (mglw. anstelle von Uran in der Fissionsstufe oder im Mantel), so entsteht bei der Detonation u.a. radioaktives, hoch giftiges und langlebiges Protactinium-231, was das Verseuchungspotenzial des Fallouts beträchtlich steigern würde. Die Halbwertszeit von Protactinium-231 (32760 Jahre) weicht allerdings von der im Film genannten (93,7 bzw. 100 Jahre) ab.

"Thorium-X"

Unter der Bezeichnung Thorium-X wurden v.a. in der 1. Hälfte des 20. Jahrhunderts verschiedene Lösungen gehandelt, die Thorium- und andere radioaktive Isotope enthielten. In den USA kam z.B. eine Tinktur dieses Namens bis etwa 1960 in der Radiotherapie von Hautkrankheiten zur Anwendung. In Deutschland gab es um 1930 Badezusätze und Ekzemsalben der Marke "Thorium-X", die wegen der offenkundigen Gesundheitsgefahren allerdings kurz darauf aus dem Handel genommen wurden.

Weblinks

- [http://iaeand.iaea.or.at/wallet/zz/z090.html Nuclear Wallet Card – Z(90)] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Actinoid Kategorie:Periode-7-Element ja:トリウム th:ทอเรียม

Zerfallsgesetz

Es sei ein radioaktives Präparat mit N₀ Kernen; zum Zeitpunkt t=0 ist noch keiner der Kerne zerfallen. Mit der Aktivität gilt die Differentialgleichung

N\cdot\lambda =-\frac

-\lambda \cdot \mathrm d t=\frac

\int -\lambda \cdot \mathrm d t=\int\frac

-\lambda t + C_1=\ln(N)+C_2

Für t=0 sind nach Voraussetzung noch N₀ Kerne vorhanden. Damit gilt für

C_1

C_1=\ln \left(N_0 \right)+C_2

-\lambda t + \ln \left(N_0 \right) + C_2= \ln(N) + C_2

-\lambda t + \ln \left(N_0 \right) = \ln(N)

-\lambda t = \ln(N)-\ln\left(N_0\right) = \ln\left(\frac\right)

e^ = \frac

N(t)= N_0 \cdot e^

Hierbei ist die Geschwindigkeit der Abnahme durch die Zerfallskonstante λ bestimmt. Sie ist das Reziproke der Lebensdauer

\tau = 1/\lambda

. Beim radioaktiven Zerfall sind also nach der Zeit t von N₀ Ausgangskernen noch N übrig. Für die Zeit t bei N übrigen Kernen gilt hingegen

\frac= t

mit

0 \ne N < N_0

. Für

N > N_0

ist

t<0

. Hieraus ergibt sich sofort die Zeitspanne für eine Verkleinerung der Ausgangsmenge um den Faktor 1/n als

T_=\frac = \frac

Nach der Zeitspanne für

n = N_0

hat sich die Ausgangsmenge auf einen einzelnen Kern reduziert. Die Zeitspanne für

n=2

heißt Halbwertszeit und stellt diejenige Zeit dar, nach deren Ablauf die Hälfte der ursprünglichen N₀ Kerne zerfallen sind.

Radioaktive Halbwertszeit

Anwendung: Die Radiocarbonmethode

Beispiel

Der Balken eines historischen Gebäudes habe noch 90% des ursprünglichen Gleichgewichtsanteils an ¹⁴C in frischer Pflanzenmasse. Dann gilt für die verstrichene Zerfallszeit: :

\mathrm = \mathrm_ \cdot \mathrm_2(09) = 5730a \cdot \mathrm_2\left(09\right) = -870,98a

Biologische Halbwertszeit

Bibliometrische Halbwertszeiten

Bismut

Bismut (auch: Bismuth, Wismut oder Wismuth, von lat. bismutum) ist ein chemisches Element im Periodensystem mit dem Symbol Bi und der Ordnungszahl 83. Es wird im Deutschen zumeist als Wismut bezeichnet, doch ist der Name Bismut seit 1979 auch hierzulande offiziell.

Geschichte

Das Element Bismut kennt man wahrscheinlich schon seit der Antike. Der Name Wismut ist seit 1472 bekannt und geht vermutlich auf den ersten Ort der Gewinnung "in den Wiesen" am Schneeberg im Erzgebirge zurück. Es gibt jedoch auch andere Etymologien, beispielsweise von "weiß". Georgius Agricola benutzte die latinisierte Bezeichnung bismutum, worauf der heutige Name zurückgeht.

Vorkommen

Georgius Agricola Bismut kommt in der Natur nur in geringen Mengen vor. Die Fundstätten liegen vor allem in Südamerika und Spanien, wo Bismut sowohl in reiner (gediegener) Form als auch als Sulfid (Bismutglanz oder Bismutin), Selenid (Selenidbismutglanz) und Oxid (Bismit oder Bismutocker) gefunden wird. Bismut kommt als Begleitmetall in Blei-, Kupfer- und Zinnerzen vor.

Gewinnung und Darstellung

Zur Gewinnung von Bismut kann man von oxidischen Erzen ausgehen, die mit Kohle zum Element reduziert werden:

2Bi_2O_3 + 3C \rarr 3CO_2 + 4Bi

Sulfidische Bismuterze können entweder mit Eisen nach dem Niederschlagsverfahren reduziert werden:

Bi_2S_3 + 3Fe \rarr 3FeS + 2Bi

Oder die sulfidischen Erze werden zunächst in die Oxide umgewandelt und anschließend mit Kohle reduziert (Röstreduktionsverfahren):

Bi_2S_3 + 4O_2 \rarr 3SO_2 + Bi_2O_3

2Bi_2O_3 + 3C \rarr 3CO_2 + 4Bi

Das Rohbismut wird anschließend durch oxidierendes Schmelzen von anderen Metallen gereinigt.

Eigenschaften

Bismut ist ein rötlich glänzendes, sprödes Metall. Es hat eine rhomboedrische Kristallstruktur mit sehr dicht gepackten Doppelschichten. Bismut ist eines der wenigen ungiftigen Schwermetalle, hat den stärksten Hall-Effekt aller metallischen Elemente, einen hohen elektrischen Widerstand und hat darüber hinaus die stärkste diamagnetische Eigenschaft, d.h. es stößt Magnete ab. Flüssiges Bismut dehnt sich als einer der wenigen Stoffe beim Erstarren aus (Dichteanomalie).

Isotope

Natürliches Bismut besteht nur aus dem Isotop ²⁰⁹Bi. 2003 stellte man im Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay, Frankreich fest, dass dieses bisher für stabil gehaltene Isotop ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von (1,9 +/- 0,2) · 10¹⁹ Jahren ist. Somit ist also das schwerste wahrhaft stabile Element das Blei. Die Radioaktivität von Bismut ist jedoch so schwach, dass sie als ungefährlich angesehen werden kann. Zum Vergleich: Die natürliche Radioaktivität von ¹⁴C oder ⁴⁰K, welche sich in jeder lebenden Zelle nachweisen lassen, ist um Größenordnungen stärker.

Verwendung

Es findet Verwendung als Legierungsbestandtteil niedrigschmelzender Legierungen, beispielsweise für das Woodsche Metall, das bereits bei 70 °C schmilzt. Die Legierung Bismanol mit Mangan ist ein starker Permanentmagnet.
Die chemische Verbindung Bismuttellurid erzeugt in Peltier-Elementen Kälte. In medizinischen Präparaten wird es zur Blutstillung und zur Desinfektion benutzt. Bismutoxichlorid BiOCl wird in Kosmetika verwendet. Das Phase-Change-Material von einigen DVD-Ram basiert auf Bismut.[http://www.heise.de/newsticker/meldung/63548]

Biologische Bedeutung

Sicherheitshinweise

Nachweis

Bismutrutsche mit Thioharnstoff Als Mittel zur Fällung unerwünschter Störionen wird NaF, NaCl und K-/Na- Tartrat verwendet: NaF zur Komplexierung von Fe(3+) und Al(3+); NaCl zur Fällung von Ag(+) und Hg(+); Tartrat zur Komplexierung von Sb(3+) und Sn(2+). Als Flussmittel wird verd. HNO3 verwendet. Bei Anweseheit von Bi(3+)bilden sich zitronengelbe Thioharnstoff- Kristalle.

Verbindungen

Bismut ist in erster Linie dreiwertig, doch gibt es auch ein- und fünfwertiges Bismut (Bismut(V)-Oxid ist jedoch ein sehr starkes Oxidationsmittel, das sogar Mangan(II) zum Permanganat oxidiert). Außerdem bildet es polymere Kationen. An Luft ist es beständig.

Sauerstoffverbindungen

- Bismutocker, Bismit

Schwefelverbindungen

- Bismutglanz, Bismutin

Wasserstoffverbindungen

- Bismutwasserstoff (Bismutan)

Halogenide

- Fluoride: Bismuttrifluorid, Bismutpentafluorid, Bismutfluoroxid
- Chloride: Bismutmonochlorid, Bismuttrichlorid, Bismutchloroxid
- Bromide: Bismutmonobromid, Bismuttribromid, Bismutbromoxid
- Iodide: Bismutmonoiodid, Bismuttriiodid, Bismutiodoxid

Literatur

Weblinks

- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Bi/index.html WebElements.com - Bismuth]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Bi.html EnvironmentalChemistry.com - Bismuth]
- [http://physicsweb.org/article/news/7/4/16 Bismuth breaks half-life record for alpha decay]
- [http://www.crystalgrowing.com/bismuth/wismut.htm Kristallzüchtung, Anlauffarben, Bilder, Verwendung, etc.] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Periode-6-Element Kategorie:Gruppe-15-Element Kategorie:Metall Kategorie:Schwermetall ja:ビスマス th:บิสมัท

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

Lithium

Lithium [] ist ein Chemisches Element und wird zu den Leichtmetallen gerechnet. Es wurde 1817 von Johan August Arfwedson entdeckt. Der Name stammt vom altgriechischen Wort lithos (altgriech. λιθος = Stein, da Lithium zuerst im Gestein nachgewiesen wurde). Lithium ist das leichteste aller Metalle. Es ist sehr reaktionsfreudig und deshalb in freier Form in der Natur nicht anzutreffen. An völlig trockener Luft ist es bei Zimmertemperatur stabil. An feuchter Luft bildet sich an der Oberfläche schnell eine mattgraue Schicht aus Lithiumhydroxid. Als Spurenelement ist es ein häufiger Bestandteil von Mineralwasser.

Vorkommen

Lithium findet man in zahlreichen, natürlich vorkommenden Mineralen: Amblygonit (LiAl(PO₄)F), Kryolithionit (Li₃Na₃[AlF₆]₂), Lepidolith (Lithionglimmer), ein Kalium-, OH-, Fluorid- haltiges Lithium-Aluminium-Silikat, Petalit (Kastor; LiAl[Si₂O₅]₂), Spodumen (Triphan; Li[AlSi₂O₆]), Triphylin (Li(Fe^II,Mn^II)[PO₄]), Zinnwaldit (KLiFeAl(F,OH)₂[AlSi₃O₁₀]). Technisch ausbeutbare Vorkommen befinden sich in Chile (Salar de Atacama), den USA (North Carolina und Nevada), Kanada, Australien und Simbabwe. In den Handel kommt es überwiegend als Lithiumcarbonat (Li₂CO₃)

Gewinnung und Darstellung

Die Herstellung von metallischem Lithium erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse eines bei 352 °C schmelzenden Gemisches aus 52 Gewichtsprozent Lithiumchlorid und 48 Gewichtsprozent Kaliumchlorid. Das flüssige Lithium sammelt sich an der Elektrolytoberfläche und kann so relativ einfach aus der Elektrolysezelle ausgeschleust werden. Es ist ebenfalls möglich, Lithium per Elektrolyse von Lithiumchlorid in Pyridin zu gewinnen. Diese Gewinnungsmöglichkeit ist besonders gut geeignet für kleine Labore.

Verwendung

Es wird in qualitativ hochwertigen Batterien und Akkumulatoren verwendet. In der Medizin wird Lithium, vor allem in Form von Lithiumsalzen, wie z. B. Lithiumcarbonat, als Mittel bei Manien und manisch-depressiven Störungen eingesetzt. Die therapeutische Breite ist gering, d. h. eine giftige Menge ist nur wenig höher als die, bei der die gewünschte Wirkung eintritt. Daher ist eine Selbstbehandlung nicht empfohlen. Bei Menschen mit wiederkehrenden Phasen von Depression (unipolar rezidivierende Depression) oder von Depression und Manie (manisch-depressive oder bipolar affektive Krankheit) kann eine regelmäßige Lithiumeinnahme dem erneuten Auftreten von Krankheitsphasen vorbeugen. Diese vorbeugende Behandlung (Stimmungsstabilisation) ist heute das Hauptanwendungsgebiet von Lithiumsalzen in der Medizin. Eine Manie ist eine Hochphase mit inadäquat gehobener Stimmung, Selbstüberschätzung, Tatendrang und Schlaflosigkeit. Diese kann durch Lithiumgabe auch akut gebessert werden. Zur Behandlung einer Depression können Lithiumsalze zu einem so genannten Antidepressivum hinzugegeben werden, wenn das Antidepressivum alleine keine ausreichende Wirkung gegen die Depression entfaltet (so genannte Lithiumaugmentation, von lat. augmentare = verstärken). Lithiumsalze machen nicht abhängig und sind, wenn sie richtig dosiert werden, gut verträglich. Um die richtige Dosis zu finden, ist es erforderlich, regelmäßig die Lithiumkonzentration im Blut zu kontrollieren. Ein regelmäßig durchgeführtes EEG, um die Krampfbereitschaft zu überprüfen, sollte alle zwei bis drei Monate erstellt werden. Nebenwirkungen, die gelegentlich auftreten können, sind feines Zittern der Hände, verstärkter Durst und verstärktes Wasserlassen, Durchfall und Unterfunktion der Schilddr�

Radioaktivität

Zerfallsmodi

Alphazerfall

Betazerfall

Elektroneneinfang, ε-Zerfall

Doppelter Betazerfall

Gammazerfall

Innere Konversion

Spontane Spaltung

Spontane Nukleonenemission

Weitere Zerfallsarten

Einheiten

Geschichte

Anwendung

Technische Anwendung

Biologische und Chemische Anwendungen

Medizinische Anwendung

Strahlenbelastung und biologische Wirkung

Weblinks

Ionisierende Strahlung

Vorgänge beim Durchgang durch Materie

Chemisches Element

Kernladungszahl und Masse

Rein- und Mischelemente

Chemische Verbindungen

Die Entstehung von Elementen

Liste chemischer Elemente

weitere Darstellungsformen

Literatur

Weblinks

Siehe auch

Isotop

Stabile Isotope

Bekannteste Isotope

Chemische Reaktionen bei Isotopen

Isotope in der Analytik

Benannte Isotope

Siehe auch

Aktivität (Physik)

Determinismus

Gesonderte Sichtweisen

Sichtweisen der Naturwissenschaften

Rolle in der Religion und Philosophie

Einteilung

Allgemeiner und persönlicher Determinismus

Starker Determinismus

Schwacher Determinismus

Technologischer Determinismus

Folgerungen aus dem Determinismus

Erstursache

Moral

Vertreter

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Halbwertszeit

Zerfallsgesetz

Radioaktive Halbwertszeit

Anwendung: Die Radiocarbonmethode

Beispiel

Biologische Halbwertszeit

Bibliometrische Halbwertszeiten

Verwandte Begriffe

Thorium

Historische Bezeichnungen

"Thorium-G"

"Thorium-X"

Weblinks

Zerfallsgesetz

Zerfallsgesetz

Radioaktive Halbwertszeit

Anwendung: Die Radiocarbonmethode

Beispiel

Biologische Halbwertszeit

Bibliometrische Halbwertszeiten

Verwandte Begriffe

Bismut

Geschichte

Vorkommen

Gewinnung und Darstellung