1.14 Kernphysik

Kernphysik
Becquerel (1896):
„Uranstrahlen“ schwärzen eine Photoplatte
durch Papier (wie Röntgenstrahlen, 1895)
Rutherford (1897):
„Uranstrahlen“ zeigen a- und b-Strahlen
Villard (1900):
Radium zeigt a- und g-Strahlung
?
Was sind diese Strahlen ?

nicht aus chemischer Reaktion

Elementumwandlung

frühe Vermutung: Edelgase entstehen !
1
Kernphysik
Rutherford (1903-1911):
Wechselwirkung der a-, b- und g-Strahlung
mit elektromagnetischen Feldern.
q  v0  B  m   2  r  m  v02 / r
1
q  U 0   m  v02
2
Ernest Rutherford
(1871-1938)
2 U 0
q
 2 2
m r B
Spezifische Ladung q/m:
 b-Strahlen werden wie Elektronen abgelenkt.
 a-Strahlung haben positive Ladung bei kleinem q/m
2
Atommodell nach Rutherford
- Die positive Ladung und fast die gesamte Masse der Atome
ist in einem Atomkern konzentriert.
- Atomkernradius ca. 10-15 m entspricht 1 / 50.000 des Atomradius
(„Kirschkern im Eifelturm“)
- die Kernladung ist ein ganzzahliges Vielfaches einer
positiven Elementarladung
- Anzahl der im Kern enthaltenen Elementarladungen ist die
Kernladungszahl ( = Elektronenzahl, Ordnungszahl im Periodensystem)
„Planetensystem“: Elektronen umkreisen den Atomkern
Haben die Atomkerne eine innere Struktur ?
Atomkerne bestehen aus a-Teilchen (Heliumkerne) und Elektronen
(1 Heliumkern = 4 Protonen + 2 Elektronen)
E. Rutherford, Nature 109, 584 (1922)
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Struktur der Atomkerne
Haben die Atomkerne eine innere Struktur ?
Chadwick (1932)
9
4
12
1
Be

He

C

4
2
6
0n
a-Teichen
Neutron
Beryllium sendet Strahlung aus, die durch die Bleiplatte geht,
aber alleine keine große Ionisationswirkung hat.
 Ionisation steigt mit Paraffin (viele Protonen) stark an
 elast. Stöße schleudern Protonen aus dem Paraffin (starke Ionisation)
 neue Strahlung hat keine Ladung, aber eine Masse
ähnlich der Protonenmasse
Neutron
4
Struktur der Atomkerne
Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen).
Problem:
Massenanziehung der Nukleonen nach Newton‘s Gravitation ist
um Größenordnungen geringer als elektrostatische Abstoßung:
„starke Wechselwirkung“
Kennzeichen der Kraft:
- kurze Reichweite (nur im Kernbereich)
- sehr stark (überwiegt deutlich elektrostatische
Abstoßung)
- Struktur im Kern: nicht alle Kerne sind gleich “hart“:
(„magische Zahlen“)
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Struktur der Atomkerne
Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen).
aus „Newton Physik 10 I-III“, Oldenbourg 2006
Das Diagramm zeigt die
Bindungsenergie/Nukleon
für natürliche Elemente mit
steigender Massenzahl
A = Z + #Neutronen.
Kernspaltung
Stabilste Kerne im Bereich von Eisen:
Durch Abstoßung von radioaktiven Teilen werden große Kerne, z.B.
Uran, schrittweise in stabile Kerne hin umgewandelt:
Natürliche Zerfallsreihe: 23 5 U  ….  207Pb (T1/2 = 1 Mio. a)
Künstliche Zerfallsreihe: Die Bindungsenergie wird auf einmal
frei; dieser Zerfall muss aber von außen angestoßen werden:
künstliche Radioaktivität
Bei diesem Zerfall entstehen überschüssige Neutronen, die einen
weiteren Zerfall auslösen können: „Kettenreaktion“:
235 U + 1n  89 Kr + 144 Ba + 3* 1n
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Kernfusion
Relatives Maximum bei Helium: Eb = 1,2*10-12 J/Nukleon
Folglich wird bei der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem
4He-Kern 4,8*10-12 J freigesetzt;
D.h. für 1 Mol He (4g !): NA * 4,8*10-12 J = 28,8*1011 J ( = 8*105 kWh)
(ca. Arbeit pro Monat im neuen Kraftwerk LEW Hochablaß)
Problem:
Die positiven Kerne müssen ihre elektrostatische
Abstoßung überwinden:
Sonne: Hohe Bewegungsenergie durch innere
Energie in der Sonne von T = 108 K
Wasserstoffbombe: Hohe Bewegungsenergie durch
Kompression mittels einer Uranbombe
Fusionsreaktor: Kontrolle von T = 108 K ????
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Kernfusion
Vergleich zwischen den Technologien zur
Energiegewinnung:
Bezogen auf die gleiche Masse an Brennstoff verhalten sich die
freigesetzten Energien
Kohleverbrennung
Kernspaltung
Kernfusion
1
3 Mio
10 Mio
9

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