Das Erbe von Geiger
und Rutherford
100 Jahre Atomkern
1911 -2011
Amand Fäßler , Tübingen
RC-RT-TÜ, 5. Dezember 2011
Hans Geiger und Ernest Rutherford
vor dem Experiment in Manchester.
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Geiger‘sche Experiment 1909
T1/2 = 1602 Jahre
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Alphateilchen kommt von links
auf Goldkern (Rutherford 2011)
Wenn Kern (rot) so
groß wie ein Apfel
dann Atom 1 km
Durchmesser.
a+2
Alphateilchen
8000mal so schwer
wie Elektron. Atom
für Alpha-Teilchen
leer. Nur ein Alpha
von 8000 rückwärts
gestreut.
Ladung = Z
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Probleme:
Aus was
besteht der Atomkern?
• Spezifische Wärme gibt Massen Verhältnisse
der Elemente. (Dulong-Petit 1819)
Spezifische Wärme = Wärmemenge pro
ein Grad Erhöhung für ein Gramm =
Konstante /Masse = Konstante / A ;
(A = Kernmasse)
Konstante festgelegt, so dass Wasserstoff
(Protonkern) A = 1.
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Schwierigkeiten im
Rutherfordschen Atommodell
A ungleich Z
Rutherford:
Kern = Z Protonen + (A-Z) (p+e-)
Doch: Blei
Z = 82; A = 207,2;
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Schwierigkeiten im
Rutherfordschen Atommodell
• Heisenberg1925: Quantenmechanik
Unschärfe-Relation:
DOrt x DImpuls > h
( h = Planck‘sches Wirkungsquantum)
Quantenmechanik kann auf den
Kern nicht angewandt werden!
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Entdeckung des Neutrons durch
James Chadwick 1932
Chadwick
Chadwick hat Rückstoß im Wasserstoffgas (von
Protonen) untersucht und gesehen, dass das n
(Neutron) die gleiche
Masse
Amand Fäßlerr,
RC RT-TÜ 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.
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Beschreibung des Kerns?
1) Tröpfchen- Kollektivmodell: Weiszäcker,
Flügge, Aage Bohr und Ben Mottelson 1975,
Walter Greiner und Amand Fäßler 1961-65.
Deformation, Spaltung, Rotation, Vibration.
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.
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Vereinheitlichung des Kollektivund Schalenmodells.
• Karl Wildermuth, Univ. Tübingen:
Das Cluster Modell.
Proton
Neutron
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Bindungsenergie der Atomkerne pro Nukleon [MeV]
Wie Brennen die Sterne ?
Karl Friedrich von Weiszäcker, Hans Bethe,..
28 MeV
4p  4He + 2 e+ + 2 Neutrinos + 28 MeV
Zahl der Nukleonen (Protonen+Neutronen) im Atomkern
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 Explosion
1022 Neutronen pro cm2
pro sec.
Supernova von Februar 1987
Entwicklung 1994 bis 2009
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Das Entdecker Team der GSI-Darmstadt.
Künstliche
supeschwere
Elemente
jenseits von
94Plutonium.
Sigurd Hofmann und Mitarbeiter
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Neue Elemente: Berkeley, GSI, Dubna
22 Ne  260
Pu
+
94
10
104Rf + 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.
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Anwendungen in der Medizin
für die Diagnose
Kernspintomographie
(Magnetresonanztomographie).
Szintigramm (Technetium99, Iod123,
Iod131) für die Schilddrüsenfunktion.
Positron-Elektron-Tomographie
(PET: e+ + e-  g+g).
Anwendungen in der Medizin
die für Therapie.
• Karzinomtherapie durch
 Betatrons (Elektronen),
 Protonenstrahlen (Prostata- und Augenkarzinome);
 Kohlenstoff12-Strahlen (12C; ausgeprägter „Bragg-Peak“
am Ende der Bahn) für Gehirntumore durch die GSIDarmstadt entwickelt mit Abrastern und
Energievariation mit laufender Kontrolle von Dosis und
Ort durch PET (12C  11C+n  11B +e+ +n; e+ + e-  g+g).
 C12-Therapie im Krebsforschungszentrum in Heidelberg.
 Pläne: Italien (CNAQ), Frankreich (ETOILE) und
Österreich (Med-AUSTRON)
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Anwendung in Materialwissenschaften
und Umweltforschung
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.
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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
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