Das Erbe von Geiger und Rutherford 100 Jahre Atomkern 1911 -2011 Amand Fäßler, Tübingen...

Das Erbe von Geiger und Rutherford 100 Jahre Atomkern

1911 -2011

Amand Fäßler , TübingenRC-RT-TÜ, 5. Dezember 2011

Hans Geiger und Ernest Rutherford vor dem Experiment in Manchester.

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

Geiger‘sche Experiment 1909

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

T1/2 = 1602 Jahre

Alphateilchen kommt von links auf Goldkern (Rutherford 2011)

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

Wenn Kern (rot) so groß wie ein Apfel dann Atom 1 km Durchmesser.

Alphateilchen 8000mal so schwer wie Elektron. Atom für Alpha-Teilchen leer. Nur ein Alpha von 8000 rückwärts

gestreut.

Ladung = Z

Probleme: Aus was besteht der Atomkern?

• Spezifische Wärme gibt Massen Verhältnisse der Elemente. (Dulong-Petit 1819)

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

Spezifische Wärme = Wärmemenge pro ein Grad Erhöhung für ein Gramm = Konstante /Masse = Konstante / A ; (A = Kernmasse)Konstante festgelegt, so dass Wasserstoff (Protonkern) A = 1.

Schwierigkeiten im Rutherfordschen Atommodell

A ungleich Z

Rutherford: Kern = Z Protonen + (A-Z) (p+e-) Doch: Blei Z = 82; A = 207,2;

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

• Heisenberg1925: Quantenmechanik

( h = Planck‘sches Wirkungsquantum) Quantenmechanik kann auf den Kern nicht angewandt werden!

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

Schwierigkeiten im Rutherfordschen Atommodell

Unschärfe-Relation:

Ort x Impuls > h

Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick 1932

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

Chadwick

Chadwick hat Rückstoß im Wasserstoffgas (von Protonen) untersucht und gesehen, dass das n

(Neutron) die gleiche Masse hat wie das Proton.

Heisenberg baut 1932 den Kern aus Protonen und Neutronen auf.

• Aus Brief Heisenbergs an Niels Bohr:• „Die Grundidee ist, alle fundamentalen

Schwierigkeiten auf das Neutron zu schieben und die Quantenmechanik im Kern anzuwenden.“

• Kern = Z Protonen + N Neutronen• Masse: A = Z + N • Isotope: Zur gleichen Ladung des Kerns Z mehrere N:

Erklärt das Massenproblem.

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

2)Schalenmodell von J. Hans D. Jensen und Maria Goeppert Mayer 1949;

Nobelpreis 1963.• Bewegung der Nukleonen auf festen Bahnen wie die Elektronen im Atom. Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

1) Tröpfchen- Kollektivmodell: Weiszäcker, Flügge, Aage Bohr und Ben Mottelson 1975, Walter Greiner und Amand Fäßler 1961-65.

Deformation, Spaltung, Rotation, Vibration.

Beschreibung des Kerns?

Vereinheitlichung des Kollektiv- und Schalenmodells.

• Karl Wildermuth, Univ. Tübingen: Das Cluster Modell.

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Proton

Neutron

Wie Brennen die Sterne ?Karl Friedrich von Weiszäcker, Hans

Bethe,..

4p 4He + 2 e+ + 2 Neutrinos + 28 MeV

Bind

ungs

ener

gie

der A

tom

kern

e pr

o N

ukle

on [M

eV]

Zahl der Nukleonen (Protonen+Neutronen) im Atomkern

28 MeV

Wie entstehen die Element schwerer als Eisen?

„Der bestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir.“ Immanuel Kant

Nova (108 Neutronen pro cm2 pro sec) und Supernova Explosion1022 Neutronen pro cm2 pro sec.

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Supernova von Februar 1987Entwicklung 1994 bis 2009

Das Entdecker Team der GSI-Darmstadt.

Künstliche supeschwere

Elemente jenseits von 94Plutonium.

Amand Fäßlerr, RC RT-TÜSigurd Hofmann und Mitarbeiter

Neue Elemente: Berkeley, GSI, Dubna

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24294Pu + 22

10Ne 260104Rf + 4n

Rutherfordium (Berkeley) Z = 104, Dubnium (Dubna) Z = 105, Seaborgium (Berkeley) Z = 106, Bohrium (Darmstadt) Z = 107, Hassium (Darmstadt) Z = 108, Meitnerium (Darmstadt) Z = 109, Darmstadtium (Darmstadt) Z = 110, Roentgenium (Darmstadt) Z = 111, Copernicium (Darmstadt) Z = 112. Elemente: 113, 114, 115, 116, 117, 118, bisher noch ohne Namen.

Anwendungen in der Medizin für die Diagnose

Kernspintomographie (Magnetresonanztomographie).

Szintigramm (Technetium99, Iod123, Iod131) für die Schilddrüsenfunktion.

Positron-Elektron-Tomographie (PET: e+ + e- ).

• Karzinomtherapie durch Betatrons (Elektronen), Protonenstrahlen (Prostata- und Augenkarzinome); Kohlenstoff12-Strahlen (12C; ausgeprägter „Bragg-Peak“

am Ende der Bahn) für Gehirntumore durch die GSI-Darmstadt entwickelt mit Abrastern und Energievariation mit laufender Kontrolle von Dosis und Ort durch PET (12C 11C+n 11B +e+ +n; e+ + e- ).

C12-Therapie im Krebsforschungszentrum in Heidelberg. Pläne: Italien (CNAQ), Frankreich (ETOILE) und

Österreich (Med-AUSTRON)Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ

Anwendungen in der Medizin die für Therapie.

Anwendung in Materialwissenschaften und Umweltforschung

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Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS):Bestimmung von Spurenelementen.

Kohlenstoff 14-Alterbestimmung.Paläontologische Klima aus Eisborkernen von Grönland (120 000 Jahre) oder Antarktis (800 000 J) aus dem O18 zu O16-Verhältnis. Z. B.: CO2-Austausches zwischen Atmosphäre und Ozean.

Was bringt die Zukunft?FAIR = „Facility for Antiproton and Heavy Ion

Research“ in Darmstadt bei der GSI.16 Länder tragen FAIR (etwa eine Milliarde €)3000 Wissenschaftler aus 50 Ländern beteiligt.

Large Hadron Collider (LHC); ALICE-Detektor: Quark-Gluon-Plasma; Information über den

Urknall.

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ENDE