Protokoll vom 14.11.2016

SeminarPhysikvom14.11.2016amLeibnizKolleg
Dr.ThorstenNagel
Physik:Kernspaltung,Kernfusion
VerfasstvonVroni&Amelie
0.
Stundenbeginn:WiederholungderletztenStundeinkl.FragenzuMassendefekt,
Kernspaltungetc.
Frage:WaspassiertwenndieMasseeinesAtomsinderWeizsäcker-Massenformelgegen
unendlichgehenwürde?–Antwort:AbetwaeinerMassenzahlvon230werdendie
Atomkerneinstabil,alleswasschwereristalsBleihatdemnachradioaktiveIsotopeundist
abeinergewissenMasseauchnichtmehrbindungsfähig;eszerplatzt(spontaneSpaltung).
HierzudasBeispielkünstlicheElemente:DieKernezerfallensofortwieder,dasiezuschwer
sind.
1.
AnhandderAbbildung1.4imSkriptisterkennbar,dasseinschwereresElementalsEisen(Fe)
beieinerKernfusionnichtentstehenkanndaamEndederReaktioneinEnergiegewinn
stehensollte,sonstmüsstefürdieneueBindungEnergieaufgewandtwerden.(Sterne:Eisen
alsEndstadiumundEndederEnergiegewinnungdurchKernfusion)
2.
BeiallenElementendieschwerersindalsEisenistsomiteineKernspaltungzur
Energiegewinnungnötig.
Ablauf:DasplötzlicheMehranBindungsenergiedurcheineinschlagendesNeutronführtbei
derKernspaltungzueinempulsierendesAtomkernsdurchdie„Umsortierung“inihm.Der
Kern„zerplatzt“deshalb,dadiestarkeKernkraftabeinembestimmtenAbstandnichtmehr
wirkenkann,womitdiegegenseitigeAbstoßungderProtonenaufgrundderCoulombkraft
überhandnimmt.
FürdieKettenreaktiondieserSpaltungistjedocheinekritischeMassenötig,alsoambesten
vielMasseinwenigVolumen(àKugel).
BariumundKryptonsindbeiKernspaltungvonUran235(inAtomkraftwerken)die
wahrscheinlichstenProdukte,jedochgibtesaberkeindefinitivesErgebnisbeider
Kernspaltung.
EineKettenreaktionistbeiKernspaltunginAtomkraftwerkenimGegensatzzurAtombombe
nurbegrenztgewollt:DiefreigewordenenNeutronenwerden„Abgesaugt“,sodassnurein
einzelnesdieKettenreaktionfortführt.
1.5.Kernfusion
Erklärung:2leichteKerneverschmelzenzueinemschwererenKernunterFreisetzungvon
Energie.
Siehe:Deuterium–TritiumFusionsreaktionimSkript
Ø AlleSterneundauchdieSonnegewinnenihreEnergiedurchFusionsprozesse
Ø BeiderKernkraft:kontrollierteFusioninReaktoren
Ø VoraussetzungzurFusion:SehrhoheTemperaturvonca.100Mio°Cnotwendig
EntwicklungeninderForschung
WarumFusioninderSonne(15Mio°C)
funktioniert.
Tokamak-Fusionsreaktor
AufderSonnedurchschnittlicheinezu
- ErhitzungvonGas->vollionisiertes geringeTemperatur.
Plasma.
AberdieDef.vonWärmebesagt,sieistdie
- ErhitzunginMagnetfeldspulen.
mittlereGeschwindigkeitdereinzelnen
beweglichenTeilchen
TrägheitseinschlussmithilfevonLaserfusion - US-MilitärForschung:Beschussvon
ð Fusionklapptaufgrundder
Wasserstoff-Pelletsführtzustarker
Quantenmechanik
Erhitzung.
ð Forschungseit50Jahrenaufder
ð Coulomb–Barriere
SuchenachderbestenMethode
ð Tunneleffekt
Fusionsreaktion:
4*H->1⁴He
3⁴He->¹²C
->N->O->Ne->Mg->Si
JegrößerdieTeilchen/Atome,destohöher
mussihreFusionstemperatursein
Coulomb–Barriere
GegenseitigesAbstoßenderpositivgeladenenKernebiszueinemgewissenKernpotential
(sieheGraphikSkript)
Tunneleffekt
QuantenmechanischerEffekt,TeilchenwerdenalsWellenpaketebetrachtetunddiese
PaketebesitzeneinegewisseWahrscheinlichkeitBarrierenzudurchdringen.(sieheSkript)
è
-
InderSonne:
FusionbeinhaltetsehrvieleTeilchen
JedesTeilchenkönnte100Mio°Chaben
Wenn2dieserTeilchensichtreffenkommteszurFusion
DieMassedesneuentstandenenKernesistkleineralsdieSummederursprünglichenKerne
->Massendefekt(„fehlende“MassewirdzurBindungsenergie)
-
MassendefektbeiFusionvonWasserstoffzuHelium:0.8%ₒderEnergiewird
umgewandelt
BeiderKernspaltung:0.08%ₒ
FusionbeieinemStern:
-
-
FusionierungbisalleszuFeumgewandeltwurde NachEisenkeineweitereFusionmöglich
WenndieFusionineinemSternstopptfällt
derKerndesSternesinsichzusammen->SupernovaExplosion
o Fragewohermandasweiß:Sucheinden
ExplosionsrückständenundMessungen
umdieszuverstehenundzuerklären
Frage:KanndasmitderSonneauchpassieren? o Nein.DieSonneistzuleicht,siekannnurWasserstoff
undHeliumfusionierenundstößtdanachimLaufevon
JahrtausendenihreäußerenSchichtenab. o Sonnehat½ihresLebens(=4,5Mrd.Jahre)hintersich
Frage:UnddieErde?
o Eisen-undNickelkernhatvielzuniedrigeTemperatur
Fe
FeKern
Hüllschichtenin
denenFusioniert
wird
Rückständein
jedemHüllboden,
dieerneut
fusionieren
können
1.6.alpha-Zerfall
-ZerfallistdieQuellederStrahlung
-GraphiksieheSkript
-Wennsicheinalpha-TeilchenimPuzusammenschließt->Erhältesgenug
Bewegungsenergie->esbrichtausdemPuKernaus->EnergieinFormvonalphaStrahlungwirdfreigesetzt.
ð Diealpha-BindungiststärkeralsdieBindungimPuAtomkern
ð DerProzessverläuftvonalleine
RückbezugaufdieKernfusioninKraftwerken:
-
alpha-TeilchenentstehtautomatischalsAbfallproduktbeiderKernfusion
EsbleibtinderAbschirmunghängenundgibtEnergiefrei=dieWandstrahlt
Gefahrdurcha-TeilchenbeimMenschen:
o Oberflächlich:VerstrahlungähnlichVerbrennungen
o AufgenommenimKörper:Sehrschädlich,weileinkleinerRadiusdauerhaft
geschädigtwird.(AbstrahlenistBewegungsenergie)
o ZerstörungvonZellenundErbgut