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

Kernreaktoren

Kernreaktoren

Kerne

Reaktorkern Steuerung mit Moderatorstäben

Kernreaktoren

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Kerne Kernreaktoren

Kernreaktoren

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Kernreaktoren

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