Gib für genau einen der drei in Material 1 dargestellten Zerfälle eine geeignete Reaktionsgleichung an.

Vergleiche die ionisierende Strahlung, die bei diesen drei Zerfällen entsteht, hinsichtlich der emittierten Quanten, hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Materie bzw. Abschirmungen zu durchdringen, und hinsichtlich der Frage, wie leicht diese Quanten durch magnetische Felder abgelenkt werden können.

Gib mithilfe deiner Nuklidkarte für das Isotop Uran-233 die drei nächsten Schritte der Zerfallsreihe an, eingeschlossen die jeweilige Zerfallsart wie auch das jeweilige Zerfallsprodukt.

Erläutere, wie mittels der Nuklidkarte das Zerfallsprodukt eines -, -bzw. -Zerfalls gefunden werden kann (ausgehend vom jeweiligen Ausgangsnuklid).

Beschreibe den Ablauf einer Kernspaltung anhand von Abbildung 4 (in Material 2).

Erkläre anhand von Abbildung 4 die Stabilität eines Kerns mit der Überlagerung zweier fundamentaler Kräfte und gib insbesondere an, welche Kraft Phase der Spaltung dominiert.

Erläutere den in Abbildung 5 (in Material 2) dargestellten Prozess hinsichtlich der Absicht, im Dauerbetrieb eines Spaltungsreaktors kontinuierlich Energie freizusetzen.

Begründe, warum durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen ist, dass im Dauerbetrieb eines Spaltungsreaktors die durchschnittliche Zahl der neue Spaltungen auslösenden Neutronen pro Kernspaltung gleich ist.

Erläutere qualitativ anhand der Spaltung des Deuterons (dem Kern des Isotops H-2) den Begriff „Massendefekt“ und seine Bedeutung für die bei einer Kernreaktion freigesetzte Energie.

Berechne die bei der vollständigen Spaltung von einem Kilogramm Uran-235 freigesetzte Energie unter der Annahme, dass der Massenverlust bei der Spaltung näherungsweise ein Prozent beträgt.

oder

oder

-Strahlung besteht aus Helium-4-Kernen, -Strahlung dagegen aus Elektronen und -Strahlung aus Positronen.

-Strahlung besitzt nur eine geringe Eindringtiefe in Materie (abhängig von der Dichte des Mediums und der Energie der -Teilchen). Zur Abschirmung eignet sich beispielsweise ein Blatt Papier. -Strahlung besitzt eine größere Eindringtiefe. Zur Abschirmung ist beispielsweise ein wenige Millimeter dickes Aluminiumblech geeignet. Die Positronen der -Strahlung besitzen die gleiche Eindringtiefe wie die Elektronen der -Strahlung (allerdings annihilieren sie letztlich mit den Elektronen „normaler" Materie).

Die Quanten, sowohl von - wie auch -Strahlung, sind elektrisch geladen und können von magnetischen Feldern abgelenkt werden. Dabei lassen sich Helium-4-Kerne aufgrund ihrer Masse (die größer ist als die von Elektronen und Positronen) bei gleichem Impuls weniger leicht ablenken.

Die nächsten Schritte der Zerfallsreihe lauten:

Uran-233 → Thorium-229 [-Zerfall]

Thorium-229 → Radium-225 [-Zerfall]

Radium-225 → Actinium-225 [-Zerfall]

Im Falle eines -Zerfalls muss auf der Nuklidkarte, ausgehend vom Ausgangsnuklid, zwei Schritte nach links und zwei Schritte abwärts gegangen werden, denn die Zahl der Protonen verringert sich ebenso um zwei wie die Zahl der Neutronen

Im Falle eines -Zerfalls muss einen Schritt nach links und einen Schritt nach oben gegangen werden, denn die Zahl der Protonen erhöht sich um eins und die Zahl der Neutronen verringert sich um eins.

Im Falle eines -Zerfalls wird einen Schritt nach rechts und einen Schritt nach unten gegangen, denn die Zahl der Protonen verringert sich um eins, während sich die Zahl der Neutronen um eins erhöht.

Zunächst nähert sich ein Neutron dem Kern (hier: Uran-235). Nach der Absorption des Neutrons ist der Kern verändert und verformt sich zunehmend in zwei disjunkte, nahezu getrennte Teilkerne (hier: Krypton-89 und Barium-144). Schließlich trennen sich diese beiden Kerne und entfernen sich voneinander. Dabei werden Neutronen freigesetzt.

Die Stabilität eines Kerns wird bestimmt durch die Überlagerung von starker Kernkraft der Nukleonen und (schwächerer) elektromagnetischer Kraft der Protonen. Die elektromagnetische Kraft wirkt abstoßend und die starke Kernkraft für die hier relevanten Entfernungen anziehend. Die abstoßende elektromagnetische Kraft dominiert Phase der Spaltung.

Abbildung 5 zeigt eine Kettenreaktion im Falle von Uran-235. Die Zahl der Kernspaltungen nimmt sukzessive zu, da bei jeder Spaltung zwei Neutronen freigesetzt werden, die wiederum neue Kernspaltungen verursachen können. Da bei jeder Kernspaltung Energie freigesetzt wird, wird der Absicht entsprochen, kontinuierlich Energie freizusetzen.

Wäre die durchschnittliche Rate der neue Spaltungen auslösenden Neutronen kleiner als würde die Kettenreaktion irgendwann zum Erliegen kommen. Wäre die durchschnittliche Rate der neue Spaltungen auslösenden Neutronen jedoch größer als würden sehr bald zu viele Kerne gespalten und eine zu große Energiemenge freigesetzt werden, die den Spaltungsreaktor in explosiver Weise beschädigen könnte. Also muss die durchschnittliche Rate der auslösenden Neutronen gleich sein.

In der Kernphysik entspricht der Massendefekt dem Massenäquivalent der Bindungsenergie. (Das Massenäquivalent einer Energie ist die Masse, die bei vollständiger Umwandlung eben diese Energiemenge freisetzen würde. Die Bindungsenergie ist diejenige Energiemenge, die aufzubringen ist, um einen Atomkern in seine Nukleonen zu zerlegen.)

Der Beispielkern „Deuteron“ besteht aus einem Proton und einem Neutron. Um beide Nukleonen voneinander zu trennen, ist eine bestimmte Bindungsenergie aufzubringen, und das Massenäquivalent dieser Bindungsenergie entspricht dem Massendefekt des Deuterons.

Wenn der Massenverlust bei der vollständigen Spaltung von einem Kilogramm Uran-235 etwa ein Prozent beträgt, ergibt sich für die freigesetzte Energie mittels der Einstein'schen Formel: