15 Kernphysik - physik.fh
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15 Kernphysik Physik für E-Techniker 15 Kernphysik 15.1 Der Atomkern 15.2 Kernspin 15.3 Radioaktivität 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne 15.5 Kernprozesse 15.5.1 Kernfusion 15.5.2 Kernspaltung 15.5.3 Kettenreaktion Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker 15. Kernphysik 15. 1 Der Atomkern Kern besteht aus: Z Protonen = Kernladungszahl N Neutronen = Neutronenzahl A Nukleonen = Massenzahl A=Z+N Man definiert: Nuklid: definiert durch unterschiedliche Massenzahl Isotop: Z gleich, A unterschiedlich Schreibweise: A ZX Beispiel 12 6C Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Zusammenhalt durch starke Wechselwirkung = Kernkraft Massendefekt: Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik 15.2 Kernspin Es wurde gemessen: Physik für E-Techniker p und n haben Spin(Quantenzahl) 1/2 Betrag des Spins: z-Komponente des Spins: Konsequenz: Kern besitzt (Eigen-) Drehimpuls Kern besitzt magnetisches Moment Analog zum Bohrschen Magneton gibt es Kernmagneton Man hat gemessen: μp = + 2,7928 μk, μn = - 1,9130 μk Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Es gilt: Medizinische Anwendung: NMR- Spectroscopy bzw: (Nuclear Magnetic Resonance) Kernspintomographie Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker 15.3 Radioaktivität Es 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 instabil Elektrostatik > starke WW (Kernkraft) Kerne bevorzugen: Paare von Protonen gepaart mit Paaren von Neutronen Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Der α - Zerfall Mit α-Teilchen = 4 2 He –Kern = 2 - fach positiv Das Energiespektrum muss Linienspektrum sein Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Der β-Zerfall Beachte: - freies n kann zerfallen - ν sind schwach wechselwirkende Teilchen schwer nachzuweisen Frage: Woher weiss man, dass Neutrinos ν entstehen? Antwort: Energiespektrum der e- kontinuierlich Es gilt: - freies p kann nicht zerfallen (soweit man weiss) β - Teilchen lassen sich leicht absorbieren Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Der γ−Zerfall Nach Kernzerfällen verbleibt Kern in angeregtem Zustand Übergang in Grundzustand durch Aussenden von Gamma-Quanten Frage: Woher Linienverbreiterung? Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Einheit der Radioaktivität Einheit: Bequerel = Bq mit 1 Bq = 1 Zerfall/s ( alte Einheit: Curie = Ci mit 1 Ci = 3,7 . 1010 Zerfälle /s) Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Biologische Wirkung von Strahlung Def.: Energiedosis Einheit: Gray 1 Gy = 1J/kg Strahlungart hat unterschiedliche Wirkung auf menschliches Gewebe − Qualitätsfaktor Q γ, β n α 1 10 20 Äquivalentdosis in Sv (Sievert) − H=DQ Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Medizinische Anwendung Positron-Emissions-Tomographie (PET) NMR Σ PET Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Zahl der Zerfälle dN Mittlere Lebensdauer τ Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker In der Praxis häufig Halbwertszeit Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik 15.5 Kernprozesse Physik für E-Techniker Fusion unter Energieabgabe 15.5.1 Kernfusion Kernfusion Zwei leichte Kerne bilden einen größeren Kern unter Energieabgabe Grund Bindungsenergie für A < 60 nimmt mit abnehmendem A ab Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Fusion zu Deuterium Fusion zu Tritium Reaktion bei (geplanten) Fusionsreaktoren Damit Kerne fusionieren kleiner Abstand (ca. 10-15 m) notwendig Elektrostatische Abstoßung muss überwunden werden. Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker 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 Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Energiegewinn durch Spaltung Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Problem: Spaltprodukte haben zu viele Neutronen instabil Neutronenüberschuss wird durch radioaktive Zerfälle abgebaut Beispiel: Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker 15.5.3 Kettenreaktion Spaltung von 235U durch Beschuss mit n weitere Neutronen weitere Spaltungen weitere Neutronen usw. große Energieabgabe Vergleich (pro Elementarprozess) Chemie: 10 eV Fusion: 10 MeV Spaltung: 200 MeV Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Kernreaktoren Basieren auf kontrollierter (!?) Kernspaltung Problem Pro Spaltung ca. 2,5 freie Neutronen mit Ekin = 1 MeV Wahrscheinlichkeit für Spaltung >> für Ekin = 1 eV Neutronen müssen abgebremst (moderiert) werden (z. B. durch Wasser, Graphit) Neutronen müssen (z.B. durch Cd) weggefangen werden (Problem der Kontrolle) Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Reaktorkern Physik für E-Techniker Steuerung mit Moderatorstäben Doris Samm FH Aachen 15 Kernphysik Physik für E-Techniker Doris Samm FH Aachen
