Inhaltsverzeichnis - Wiley-VCH

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Harry Friedmann: Einführung in die Kernphysik — 2014/4/15 — page V — le-tex
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V
Inhaltsverzeichnis
Vorwort XI
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Entdeckung der Radioaktivität, natürliche Radioaktivität 1
Entdeckung 1
Natürliche Radioaktivität 2
Die kosmische Strahlung 3
Strahlenarten und natürliche Zerfallsreihen 5
Zerfallsgesetze, radioaktives Gleichgewicht 10
Die Entdeckung des Atomkerns (Rutherford-Streuung) 14
Wirkungsquerschnitt und Massenbelegung 17
Übungsaufgaben 19
2
2.1
Die statistische Natur des radioaktiven Zerfalls 21
Übungsaufgaben 25
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.2
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.4
3.5
Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 27
Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie 27
Wechselwirkung schwerer, geladener Teilchen mit Materie 28
Wechselwirkung von Elektronen mit Materie 36
Wechselwirkung von Positronen mit Materie 41
Wechselwirkung von Neutronen mit Materie 42
Wechselwirkung von Photonenstrahlung mit Materie 44
Compton-Streuung 45
Photoeffekt 48
Paarbildung 50
Totaler Absorptionsquerschnitt 51
Sekundärprozesse 54
Übungsaufgaben 54
4
4.1
4.1.1
Strahlungsdetektoren 57
Prinzipien 57
Kalorimeter 57
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Harry Friedmann: Einführung in die Kernphysik — 2014/4/15 — page VI — le-tex
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VI
Inhaltsverzeichnis
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.1.5
4.1.6
4.1.7
4.1.8
4.2
4.3
Gas-Ionisationsdetektoren 58
Festkörper-Ionisationsdetektoren 66
Szintillationsdetektoren 69
Cerenkov-Detektor 72
Teilchenspurdetektoren 73
Thermolumineszenzdetektoren 76
Spezialdetektoren 77
Elektronische Impulsverarbeitung 78
Übungsaufgaben 81
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Neue Teilchen und künstliche Radioaktivität 85
Isotope 85
Die Entdeckung des Neutrons 86
Die Entdeckung des Positrons 86
Künstliche Radioaktivität 88
Übungsaufgaben 89
6
6.1
6.1.1
6.1.2
6.1.3
6.2
6.3
Aufbau der Atomkerne 91
Kernmassen 91
Statische elektrische und magnetische Felder 91
Massenspektrometer 94
Massenbestimmung über Kernumwandlungen 96
Die Größe des Atomkerns 99
Übungsaufgaben 105
7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
Das Tröpfchenmodell des Atomkerns 107
Isotopentafel 107
Das Tröpfchenmodell 109
Stabilität gegen β-Zerfall 113
Stabilität gegen Nukleonenemission 115
Stabilität gegen Spaltung 115
Übungsaufgaben 117
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.5.1
8.5.2
8.6
8.6.1
8.6.2
8.7
Die quantenmechanische Behandlung des Atomkerns 119
Grundlagen 119
Zur Lösung der Schrödinger-Gleichung 122
Das Schalenmodell, Einzelteilchenniveaus 125
Kollektive Anregungen 130
Kernmomente 132
Elektrische Momente 132
Magnetische Momente 135
Experimentelle Bestimmung von Kernspin und -momenten 138
Kernspin 138
Kernmomente 139
Niveauübergänge 142
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Inhaltsverzeichnis
8.8
Übungsaufgaben
9
9.1
9.2
9.3
9.4
Der Mößbauer-Effekt 153
Nukleare Resonanzabsorption 153
Natürliche Linienbreiten 157
Anwendungen der Mößbauer-Spektrometrie
Übungsaufgaben 161
10
10.1
10.2
10.3
Die Theorie des α-Zerfalls 163
Modell des α-Teilchens im Potential des Restkerns
Ergänzende Bemerkungen zum α-Zerfall 165
Übungsaufgaben 167
11
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
Der β-Zerfall 169
Das β-Spektrum 169
Fermis Theorie des β-Zerfalls 171
Der experimentelle Nachweis des Neutrinos 176
Die Neutrinomassen 177
Die schwache Wechselwirkung 180
β-Übergänge: Drehimpulse, Matrixelemente, Kopplungskonstante 181
Die Paritätsverletzung 183
Übungsaufgaben 189
12
12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
12.6
12.7
12.7.1
12.7.2
12.8
Kernreaktionen 191
Grundlagen 191
Erhaltungssätze und Kinematik 194
Qualitativer Verlauf von Anregungsfunktionen 198
Die quantenmechanische Behandlung der Streuung 200
Kernpotentiale und das optische Modell 209
Die R-Matrix-Theorie 211
Reaktionsmodelle 215
Compoundkernreaktionen 216
Direkte Kernreaktionen 222
Übungsaufgaben 225
13
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
13.5.1
Kernspaltung 227
Zur Geschichte der Kernspaltung 227
Physikalische Grundlagen, Kettenreaktion 229
Die Atombombe 233
Physik der Kernreaktoren 244
Typen von Kernreaktoren 248
Leichtwasserreaktor: Siedewasserreaktor (BWR – Boiling Water Reactor),
Druckwasserreaktor (PWR – Pressurized Water Reactor) 249
Natururanreaktor (CANDU-Reaktor) 253
Graphitmoderierte Reaktoren 254
13.5.2
13.5.3
VII
149
158
163
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VIII
Inhaltsverzeichnis
13.5.4
13.6
13.7
13.8
13.9
13.10
Schneller Brüter 257
Sicherheitsbewertung und Risiko 258
Reaktorunfälle 262
Beitrag der Kernenergie zur weltweiten Energiegewinnung 266
Ein natürlicher Kernreaktor 267
Übungsaufgaben 271
14
14.1
14.2
14.3
14.3.1
14.3.2
14.3.3
14.4
Kernfusion 273
Physikalische Grundlagen 273
Die Fusionsbombe 278
Fusionsreaktoren 281
Trägheitseinschluss 282
Magnetfeldeinschluss 287
Probleme und potentielle Gefahren von Fusionsreaktoren
Übungsaufgaben 302
15
15.1
Elementsynthese 303
Übungsaufgaben 309
16
16.1
16.1.1
16.1.2
16.2
16.2.1
16.2.2
16.2.3
16.2.4
16.2.5
16.3
16.3.1
16.3.2
16.3.3
16.4
16.5
Dosimetrie und die biologische Wirkung von Strahlung 311
Das Dosiskonzept 311
Grundlagen und grundlegende Größen 311
Angewandte Dosiskonzepte und Dosisgrößen 317
Die biologische Wirkung der Strahlung 318
Wirkung radioaktiver Strahlung 318
Deterministische Schäden 321
Stochastische Schäden 323
Individuelle Unterschiede der Strahlenempfindlichkeit 325
Hormesis 329
Die Strahlenbelastung des Menschen 331
Externe Strahlenbelastung 332
Interne Strahlenbelastung 335
Belastung durch Radon 338
Strahlentherapie 341
Übungsaufgaben 346
17
17.1
17.1.1
17.1.2
17.1.3
17.2
17.2.1
17.2.2
17.3
Beschleuniger 347
Elektrostatische Beschleuniger 347
Cockcroft-Walton-Beschleuniger 348
Van de Graaff-Beschleuniger 349
Tandembeschleuniger 350
Elektrodynamische Beschleuniger 351
Linearbeschleuniger [200] 352
Ringbeschleuniger 357
Übungsaufgaben 374
298
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Harry Friedmann: Einführung in die Kernphysik — 2014/4/15 — page IX — le-tex
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Inhaltsverzeichnis
18
18.1
18.2
18.3
18.4
18.5
18.5.1
18.5.2
18.5.3
18.5.4
18.6
18.7
Elementarteilchen 377
Die Idee der Elementarteilchen 377
Entdeckungen der Hochenergiephysik 378
Austauschkräfte und Wechselwirkungsteilchen
Der Weg zum Standardmodell 384
Das Standardmodell 388
Erhaltungssätze und Symmetrie 389
Leptonen 392
Hadronen 397
Der Higgs-Mechanismus 400
Vereinheitlichte Theorie 403
Übungsaufgaben 407
IX
382
Anhang A Wellen und ihre mathematische Darstellung 409
Anhang B Die δ-Distribution (Dirac’sche δ-Funktion) 413
Anhang C Vektoren und Differentialoperatoren 415
Anhang D Einige formale Grundlagen der Quantenmechanik 425
Anhang E Störungsrechnung und Fermis Goldene Regel 435
Anhang F Die Born’schen Näherungen 439
Anhang G Feynman-Diagramme 443
Literaturverzeichnis 447
Personenverzeichnis 459
Sachverzeichnis 467
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