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Kerne
15 Kernphysik
15.1 Der Atomkern15.2 Kernspin15.3 Radioaktivität15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne
15.5 Kernprozesse15.5.1 Kernfusion15.5.2 Kernspaltung15.5.3 Kettenreaktion
Inhalt
Der Atomkern
Kerne
15. Kernphysik15. 1 Der AtomkernKern besteht aus:
N Neutronen = NeutronenzahlA Nukleonen = Massenzahl
Man definiert:
A = Z + N
Nuklid: definiert durch unterschiedliche MassenzahlIsotop: Z gleich, A unterschiedlich
Schreibweise:
ZX Beispiel 6 CA 12
Der Atomkern
Der Atomkern
Kerne
Der Kernspin
Zusammenhalt durch starkeWechselwirkung = Kernkraft
Massendefekt:
Der Atomkern
Kerne
15.2 KernspinEs wurde gemessen: p und n haben Spin(Quantenzahl) 1/2
Betrag des Spins:
z-Komponente des Spins:
Konsequenz:Kern besitzt (Eigen-) DrehimpulsKern besitzt magnetisches Moment
Analog zum Bohrschen Magneton gibt es Kernmagneton
Man hat gemessen: µp = + 2,7928 µk, µn = - 1,9130 µk
Der Kernspin
NMR
Kerne
NMR
Es gilt:
Medizinische Anwendung:NMR- Spektroskopie
(nuclear magnetic resonance)
NMR
Kerne
Radioaktivität
NMR
Kerne
Der α-Zerfall
Radioaktivität
15.3 RadioaktivitätEs gibt ca. 2 500 Nuklide, davon ca. 90 % instabil
Radioaktivität: Umwandlung von Kernen unter Aussendung Ionisierender Strahlung ( e-, e+, α, γ)
Gründe für Instabilität:
Kerne ab Z > 83 zu groß instabilElektrostatik > starke WW (Kernkraft)
Kerne bevorzugen:Paare von Protonengepaart mit Paaren von Neutronen
Kerne
Der ß-Zerfall
Der α - Zerfall
Mit α-Teilchen = 42 He –Kern = 2 - fach positiv
Das Energiespektrummuss Linienspektrum sein
Der a - Zerfall
Kerne
Beachte:- freies n kann
zerfallen
- freies p kann nicht zerfallen (soweit man weiss)
- ν sind schwach wechselwirkende Teilchenschwer nachzuweisen
Frage: Woher weiss man, dass
Antwort: Energiespektrum dere- kontinuierlich
Neutrinos ν entstehen?
Es gilt: β - Teilchen lassen sich leicht absorbieren
Der ß-Zerfall
Der ß-Zerfall
Der ß-Zerfall
Kerne
Der ?-Zerfall
Der ß-Zerfall
Kerne Der ?-Zerfall
Einheit der Radioaktivität
Der γ−Zerfall
Frage: Woher Linienverbreiterung?
Nach Kernzerfällen verbleibt Kern in angeregtem ZustandÜbergang in Grundzustand durch Aussenden von Gamma-Quanten
Kerne
Biologische Wirkung von Strahlung
Einheit der Radioaktivität
Einheit: Bequerel = Bq mit 1 Bq = 1 Zerfall/s( alte Einheit: Curie = Ci mit 1 Ci = 3,7 . 1010 Zerfälle /s)
Einheit der Radioaktivität
Kerne
Biologische Wirkung von Strahlung
Def.: Energiedosis
Einheit: Gray 1 Gy = 1J/kg
Strahlungart hat unterschiedliche Wirkung auf menschliches Gewebe
Qualitätsfaktor Q−
γ, β 1n 10α 20
ÄquivalentdosisH = D Q−
Biologische Wirkung von Strahlung
Biologische Wirkung von Strahlung
Kerne
Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne
Biologische Wirkung von Strahlung
Kerne
Zahl der Zerfälle dN
Mittlere Lebensdauer τ
15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne
Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne
Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne
Kerne
In der Praxis häufig Halbwertszeit
Kernprozesse / Kernfusion
Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne
Kerne
15.5 Kernprozesse
15.5.1 Kernfusion
Kernfusion
Grund
Bindungsenergie für A < 60 nimmt mit abnehmendem A ab
Fusion unter Energieabgabe
Zwei leichte Kerne bilden einen größeren Kern unter Energieabgabe
Kernprozesse / Kernfusion
Kernfusion
Kerne
Fusion zu Deuterium
Reaktion bei (geplanten) Fusionsreaktoren
Damit Kerne fusionieren kleiner Abstand (ca. 10-15 m) notwendigElektrostatische Abstoßung muss überwunden werden.
Fusion zu Tritium
Kernfusion
Kernfusion
Kerne
Kernspaltung
Kernfusion
Kerne Kernspaltung
15.5.2 Kernspaltung
Kernspaltung: Zerfall eines großen Kerns in zwei (nahezu)gleichgroße Spaltprodukte
Man unterscheidet Spontane Kernspaltung (sehr selten)Induzierte Kernspaltung (technisch genutzt)
Bespiele:
Ursache für Spaltung:
Bindungsenergie der schweren Kerne ( A ca. 240)kleiner als die der Spaltprodukte
Kernspaltung
Kerne
Energiegewinn durch Spaltung
Kernspaltung
Kernspaltung
Kerne
Kettenreaktion
Problem:
Neutronenüberschuss wird durchradioaktive Zerfälle abgebaut
Beispiel:
Spaltprodukte haben zu viele Neutroneninstabil
Kernspaltung
Kerne
15.5.3 KettenreaktionSpaltung von 235U durch Beschuss mit nweitere Neutronenweitere Spaltungenweitere Neutronen
usw.
große Energieabgabe
Vergleich (pro Elementarprozess)
Chemie: 10 eVFusion: 10 MeVSpaltung: 200 MeV
Kettenreaktion
Kettenreaktion
Kerne
KernreaktorenBasieren auf kontrollierter (!?) Kernspaltung
Problem
Neutronen müssen abgebremst (moderiert) werden (z. B. durch Wasser, Graphit)
Neutronen müssen (z.B. durch Cd) weggefangen werden(Problem der Kontrolle)
Pro Spaltung ca. 2,5 freie Neutronen mit Ekin = 1 MeVWahrscheinlichkeit für Spaltung >> für Ekin = 1 eV
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