Atom- und Kernphysik
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Atom- und Kernphysik Grundlagen - Elementarteilchen Atomhülle - Atomkern von Dr. Herbert Graewe Mit 92 Bildern 4., überarbeitete und erweiterte Auflage R. Oldenbourg Verlag München Wien 1988 Inhalt Vorwort 15 A. GRUNDLAGEN DER ATOMPHYSIK 17 17 I. Der molekulare Aufbau der Materie 1. Die Teilbarkeit der Materie (Veranschaulichung kleiner Größen) . . . 17 2. Moleküle 19 3. Lösen und Verdampfen 20 4. Die Zahl der Moleküle a) Die LOSCHMIDTsche Konstante für die Raumeinheit eines Gases . . b) Die AVOGADROsche Konstante für die Einheit der Stoffmenge . . 21 21 22 5. Die Masse der Moleküle 23 6. Moleküle und Atome 24 7. Die Realität der Atome 24 8. Veranschaulichung d e r Größenverhältnisse von Atomen und Molekülen sowie ihrer Raumerfüllung il- '. Molekülabstände und Molekularkräfte 25 28 9. Die Abstände zwischen den Molekülen 28 10. Mittlere freie Weglänge und Stoßzahl 28 11. Reichweite der Molekularkräfte 29 III. Das Periodensystem der Elemente und das Atommodell 31 12. 13. Absolute und relative Atommassen Die Ordnung der Elemente nach ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften Das Atommodell a) Grundlegende Untersuchungen b) Das Atommodell von RUTHERFORD c) Das Atommodell von BOHR d) Veranschaulichung der Größenverhältnisse Kernladung und Schalenaufbau a) Ordnungszahl und Kernladungszahl b) Perioden und Schalenaufbau der Elektronenhülle Ionen, Elektronenpaare und Edelgaskonfiguration a) Ionen und Ionenbindung b) Elektronenpaare und Atombindung Wertigkeit (Valenz) Isotope, isobare und isomere Atome 31 14. 15. 16. 17. 18. 32 33 33 36 36 37 39 39 40 42 42 44 45 48 Inhalt IV. Die Elementarteilchen und die Äquivalenz von Masse und Energie . . 50 19. Das Elektron als T r ä g e r einer negativen Elementarladung a) Kathodenstrahlen b) Die elektrische Elementarladung c) Die spezifische Ladung q/m d) Die Masse des Elektrons e) Das Massenverhältnis des Elektrons und Wasserstoffatoms f) Abhängigkeit der Elektronenmasse von ihrer Geschwindigkeit . . g) Äquivalenz von Masse und Energie h) Die atomare Energieeinheit "Elektronenvolt" und ihr Massenäquivalent 50 50 51 52 55 55 56 58 20. Das Positron als Antielektron a) Positronen in der Sekundärstrahlung der kosmischen Strahlung (Höhenstrahlung) b) Positronenerzeugung durch andere energiereiche Strahlen . . . . c) Positronenstrahlung künstlich-radioaktiver Stoffe d) Lebensdauer der Positronen e) Das Positronium-Atom 21. 60 62 62 63 63 63 64 Das Proton als Kern des Wasserstoffatoms und das Antiproton . . . . a) Protonen in Wasserstoffkanalstrahlen b) Protonen durch Beschüß wasserstoffhaltiger Substanzen mit a-Strahlen c) Protonen aus Stickstoffkernen und als Kerngeschosse d) Ladung, Masse und Ruheenergie des Protons e) Das Antiproton 64 64 Das Neutron als "Element" der Kernladung Null und das Antineutron a) Entstehung von Neutronen beim Auftreffen von a-Teilchen auf bestimmte Atomkerne b) Nachweis von Neutronen c) Wirkung von Neutronenstrahlen auf den menschlichen Körper . . . d) Masse und Ruhenergie des Neutrons e) Die Instabilität des Neutrons f) Das Antineutron g) Die Struktur von Neutron und Proton 69 69 70 72 72 73 74 76 23. Das Nukleon als Urbaustein der Atomkerne und das Antiatom a) Das Nukleon-Elektron-Atom b ) Das Antinukleon-Positron-Atom c) Exotische Atome 76 76 77 78 24. Weitere Elementarteilchen 80 a) Die schweren Elektronen und die Mesonen als Elementarteilchen mittlerer Masse 80 1. Die schweren Elektronen (Myon, Tauon) 80 2. Das Pion oder Pi-Meson 82 3. Das Kaon oder K-Meson 86 4. Die D- und F-Mesonen 88 5. Die Mesonen-Resonanzen 88 6. Das Pionium-Atom 91 b) Die Hyperonen als Elementarteilchen mit größerer als Nukleonenmasse 91 1. Das A-Hyperon (Lambda-Hyperon) 92 2. Das I - H y p e r o n (Sigma-Hyperon) 93 3. Das E-Hyperon (Xi-Hyperon) 94 4. Das n - H y p e r o n (Omega-Hyperon) 95 5. Die Baryonen-Resonanzen 97 6. Hyperkerne 99 7. Die Strangeness ("Seltsamkeit") 100 8. Die Erhaltung der Baryonenzahl und weitere Quantenzahlen . . 103 22. . . . . 65 66 66 68 Inhalt c) Die Neutrinos als "Nullteilchen" 1. Das Elektron-Neutrino und sein Antiteilchen (beimßi-Zerfall) 2. Das Myon- und Tauon-Neutrino und ihre Antiteilchen (beim fx*- und T±-Zerfall) 3. Die Erhaltung der Leptonenzahl d) Die Psi-Teilchen e) Das Quark-Modell f) Charmonium, Bottonium, Toponium 109 . 109 112 113 115 117 124 25. Die einfachsten zusammengesetzten Teilchen und der Aufbau ihrer Atomkerne 125 a) Das Deuteron und Triton als Kerne des schweren und überschweren Wasserstoffs 125 b) Das Alpha- und Alphinateilchen als Kerne des gewöhnlichen und leichten Heliums 130 26. Zusammenfassende Übersicht über die wichtigsten Elementarteilchen . 133 V. Dualismus von Wellen und Teilchen 27. Photo-Effekt und Lichtquanten 138 a) Der lichtelektrische oder Photo-Effekt 138 b) Die PLANCKsche Theorie der Energiequanten und ihre Erweit e r u n g durch EINSTEIN .140 c) Die EINSTEINsche Erklärung des lichtelektrischen Effekts . . . . 142 d) Veranschaulichung des Unterschieds zwischen klassischer und Quantenphysik 145 138 28. Masse, Energie und Impuls der Photonen 146 29. Der COMPTON-Effekt 150 30. Die Doppelnatur der Strahlungsquanten 31. Das Doppelbild von Welle und Teilchen bei bewegter Materie a) Die Welleneigenschaften der Elektronenstrahlen b) Die Welleneigenschaften von Neutronen- und Atomstrahlen c) Die Wellenlänge der Materiestrahlen 153 154 154 . . . . 159 161 32. DE-BROGLIE-Wellen in der Atomhülle 164 33. Klassische Mechanik und Quantenmechanik 166 34. Die Unbestimmtheitsrelation von HEISENBERG a) Unbestimmtheitsrelation und Wahrscheinlichkeitsverteilung der Elektronen in der Atomhülle b) Das Rechnen mit Unscharfen und die Komplementarität c) Unschärfebeziehungen in der Elektronenhülle des Atoms 169 VI. Materialisation und Zerstrahlung 35. Umwandlung von Strahlung in Materie a) Der Vorgang der Elektronenpaar-Erzeugung b) Der Energieumsatz bei der Elektronenpaar-Erzeugung c) Die Erhaltung des Impulses bei der Bildung des Elektronenzwillings 169 171 172 175 175 175 176 177 36. Umwandlung von Materie in Strahlung 178 a) Der Vorgang der Zerstrahlung ("Vernichtungsstrahlung") . . . . 178 b) Der Massenumsatz bei der Zerstrahlung 179 c) Die Erhaltung des Impulses bei der Zerstrahlung 180 d) Gegenüberstellung von Materialisation (Paar-Erzeugung) und Zerstrahlung (Paar-Vernichtung) 180 37. Die Bildung von Schauern durch kosmische Strahlung 181 Inhalt B. VII. 38. 39. 40. 41. 42. ATOMHOLLE UND LINIENSPEKTREN 187 Linienspektren im Bereich des sichtbaren Lichts und unmittelbar angrenzender Gebiete ("optische Spektren") 187 Die verschiedenen Arten von Spektren Gequantelte Energiestufen in der Atomhülle a) Grund- und Oberschwingung als stationäre Zustände b) Anregung des Atoms durch Energiezufuhr Quantensprünge von einem höheren in einen niederen angeregten Zustand oder in den Grundzustand a) Entstehung von Linienspektren b) Das "Leuchtelektron" c) Ionenspektren ("Funkenspektren") 187 188 188 189 195 195 198 199 Berechnung des Niveauschemas für das Wasserstoffatom a) Die Radien der BOHRschen Kreise b) Die Bahngeschwindigkeit des Elektrons c) Die Energie des Elektrons auf der n-ten Bahn d) Beziehung zwischen Energie und Frequenz e) Entstehung kontinuierlicher Spektren Verbesserte Atommodelle und Folgerungen aus der Modellvorstellung. a) Das BOHR-SOMMERFELDsche Atommodell mit bewegtem Kern . . . b) Das SOMMERFELD sehe Atom mit elliptischen Bahnen c) Atommodell und Quantenmechanik d) Das BOHRsche Korrespondenzprinzip e) Der Quanten-Hall-Effekt 200 201 203 204 208 211 211 211 212 215 215 216 V I I I . Linienspektren im Bereich hoher Frequenzen ("Röntgenspektren"). . 217 43. 44. 45. Entstehung von Röntgenspektren Die charakteristische Röntgenstrahlung Die Quantensprünge bei Röntgenspektren a) Einfaches Niveauschema b) Anregungsspannungen und aufgespaltenes Niveauschema 217 220 227 227 230 IX. Verteilung und Eigenschaften der Elektronen in der Atomhülle 46. Die Quantenzahlen n, I, s und / . 1. Die Hauptquantenzahl n 2. Die Nebenquantenzahl / bzw.L 3. Die Spinquantenzahl s bzw. S 4. Die innere Quantenzahl / bzw. J 47. Drehimpuls, magnetisches Moment und magnetische Quantenzahlen . . 238 a) BOHRsches Magneton und Kernmagneton 238 b) Die magnetischen Quantenzahlen mj und ms 239 Die möglichen Elektronenzustände in der Atomhülle 242 Die Reihenfolge des Hüllenaufbaus 248 Aufbau der Perioden 250 48. 49. 50. . . . 233 233 233 234 235 237 Inhalt C. AUFBAU UND UMWANDLUNG DER ATOMKERNE 253 X. Nachweis von schnellen Einzelteilchen 51. Szintillationszähler, Kristallzähler, CERENKOV-Zähler, Kernspurplatten, Nebel- und Blasenkammer 253 a) Der Szintillationszähler 253 b) Der Kristallzähler 255 c) Der CERENKOV-Zähler 256 d) Das photographische Verfahren und monokristalline Schichten . . 258 e) Die Expansions-Nebelkammer von WILSON 260 f) Die Diffusions-Nebelkammer von LANGSDORF 261 g) Die Blasenkammer von GLASER 263 Elektrische Zähler 265 a) Der Funkenzähler nach GREINACHER und die Funkenkammer . . . 265 b) Die Ionisationskammer 267 c) Der GEIGERsche Spitzenzähler 268 d) Das Zählrohr von GEIGER und MULLER 271 e) Halbleiter-Detektoren 275 f) Kristall-Kugel 276 253 V 52. XI. Methoden zur Erzeugung schneller Einzelteilchen 53. 54. Natürliche a-Strahlen 277 Künstliche Teilchenbeschleunigung durch sehr hohe Gleichspannungen 277 a) Stoßgeneratoren 278 b) Der "Kaskadengenerator" nach GREINACHER 278 c) Der Bandgenerator nach VAN DE GRAAFF 279 d) Der Tandem-Generator als Umladungsbeschleuniger 281 Geradlinige und "Spiralbahn"beschleunigung 284 a) Der Linearbeschleuniger, kurz als Linac bezeichnet 284 b) Das Zyklotron 289 c) Das Synchro-Zyklotron 295 d) Das Isochron-Zyklotron 297 e) Das Mikroton 299 Ringbeschleunigung 301 a) Das Betatron oder die "Elektronenschleuder" 301 b) Das Elektronen-Synchrotron 306 c) Das Protonen-Synchrotron (Bevatron, Cosmotron, Phasotron) . . 310 d) Das Smokatron 315 e) Das Synchrotron mit alternierendem Gradienten, kurz "AG-Synchrotron" 316 f) Collider oder Speicherringe (Intersecting Storage Rings, kurz ISR) 318 g) Ergebnisse der Hochenergieforschung 323 55. 56. XII. Der radioaktive Zerfall und der Aufbau der Atomkerne 57. Natürliche und künstliche Radioaktivität und ihre Maßeinheiten a) Die Radioaktivität und die radioaktiven Stoffe b) Die Einheit der Aktivität c) Die Einheit der Energie- und Äquivalentdosis d) Die Einheit der Ionendosis e) Die Einheiten der Dosis-Raten (Dosis-Leistungen) f) Die biologische Halbwertszeit 277 326 . . . 326 326 327 327 329 329 330 10 58. Inhalt Die radioaktiven Strahlenarten a) Die a -Strahlen (He ++ -Strahlen) b) Die Elektronenstrahlen ( (3 "-Strahlen) c) Die Positronenstrahlen ( ß + -Strahlen) d) Protonen-Radioaktivität e) Neutronen-Emission f) Die 7-Strahlen 330 331 331 332 332 333 333 59. Kernumwandlungen beim radioaktiven Zerfall 334 60. Die Entstehung isobarer Atomkerne 337 61. Die Entstehung isotoper Atomkerne 339 62. Natürliche radioaktive Zerfallsreihen und Einsiedler-Strahler 63. Das Zerfallsgesetz a) Uranreihe b) Actiniumreihe c) Thoriumreihe Isomere Atomkerne 64. 65. . . . . 343 Reichweite und Geschwindigkeit von a-Teilchen und ihre Beziehung zur Zerfallskonstanten a) Reichweite, Energie und Geschwindigkeit der natürlichen a-Strahler b ) Die GEIGER-NUTTALLsche Beziehung der a -Strahlung 346 353 354 355 355 357 357 360 66. Das GAMOWsche Kernmodell und die a-Strahlung 361 67. ß-Zerfall und Neutrino-Hypothese 365 68. Elektroneneinfang und innere Umwandlung 370 69. Die 7-Strahlung und der MOSSBAUER-Effekt 372 70. Das Termschema der Atomkerne. Übersicht über die 5 wichtigsten radioaktiven Typen 378 71. Über Kerne und Kernkräfte 381 a) Reichweite der Kernkräfte 381 b) Die Kernkräfte als Austauschkräfte 382 e) Die Absättigung der Kernkräfte 383 d) Die Stabilität der Atomkerne. "Magische Zahlen" 384 e) Atomkerne mit gerader und ungerader Massenzahl 388 f) Isobare Kerne und stabile Isotope 389 g) Der Neutronenüberschuß in schweren Atomkernen 391 h) Der Kernspin (Kerndrehimpuls) 392 i) Magnetisches Moment und elektrisches Quadrupolmoment des Atomkerns 393 k) Die räumliche Struktur der Kernteilchen 393 1) Die Komprimierbarkeit der Kernmaterie 394 m) Gebundene und virtuelle Anregungsniveaus im Atomkern 395 n) Die Parität und die Paritätsverletzung 396 o) Spiegelkerne 399 p) Einfache und kollektive Kernanregung 400 q) Schalenmodell und kollektives Modell des Atomkerns 402 r ) Weitere Kernmodelle 403 s) Die "hot spots" bei lokaler Anregung von Teilchen und Kernen . . 406 t) Zusammenfassende Übersicht über einige grundlegende Kerneigenschaften 407 Inhalt XIII. Künstliche Kernumwandlungen 72. Kernumwandlungen durch Beschüß mit a-Teilchen a) Die erste Elementumwandlung durch RUTHERFORD b) Weitere Umwandlungen durch a -Teilchen (Entdeckung des Neutrons) c) Instabile Umwandlungsprodukte durch ( a ,n)-Reaktionen d) Kernumwandlungen mit künstlich beschleunigten a-Teilchen . . . e) Kernreaktion vom Typ ( a , d ) oder ( a , p n ) f) Übersicht über die einfachsten Umwandlungstypen bei a-Beschuß 73. Kernumwandlungen durch Protonenbeschuß a) Die erste Umwandlung eines Atomkerns durch künstlich beschleunigte geladene Teilchen b) Übersicht über die einfachsten Umwandlungstypen bei Protonenbeschuß 74. Kernumwandlung durch Deuteronen- und Tritonenbeschuß a) Umwandlungstypen bei Deuteronenbeschuß b) Umwandlungstypen bei Tritonenbeschuß 75. Kernumwandlungen durch Neutronenbeschuß a) Neutronenquellen b) Reaktionstypen bei Neutronenbeschuß c) Besonderheiten bei Kernumwandlungen mit Neutronen 76. Kernumwandlungen durch 7-Quanten a) Anregung des Atomkerns b) Umwandlungstypen bei 7-Bestrahlung c) Kernphotoeffekt und Photoneutronen, Photoprotonen (usw.) . . . 77. Kernumwandlung und Streuung 78. Reaktion mit mehreren emittierten Teilchen und mit schwereren Kerngeschossen a) Umwandlungen mit mehrfacher Teilchenemission b) Umwandlungen mit schwereren Kerngeschossen und Amolanonen . 79. "Kernzertrümmerung" a) Kernsplitterung (Spallation) b) Kernspaltung (Fission) c) Kernzerlegung 80. Graphische Darstellung einfacher Kernumwandlungen 81. Gold a) Gold aus Quecksilber b) Quecksilber aus Gold c) Gold aus Kupfer und Zinn 82. 83. Die Elemente 43, 61, 85 und 87 1. Technetium Tc (Element 43) 2. Promethium Pm (Element 61) 3. Astat At (Element 85) 4. Francium Fr (Element 87) Die Transurane (von Element 93 an) 1. Neptunium Np (Element 93) 2. Plutonium Pu (Element 94) 3. Americium Am (Element 95) 4. Curium Cm (Element 96) 5. Berkelium Bk (Element 97) 6. Californium Cf (Element 98) 7. Einsteinium Es (Element 99) 8. Fermium Fm (Element 100) 9. Mendelevium Md (Element 101) 10. Nobelium No (Element 102) " 11 408 408 408 410 411 412 413 413 415 415 416 417 417 418 418 418 421 421 423 423 423 424 426 429 429 431 434 434 435 436 436 437 437 438 438 438 439 441 443 446 447 449 451 454 456 457 459 461 463 464 465 12 Inhalt 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Lawrencium Lr (Element 103) Kurtschatovium Ku (Element 104) Hahnium Ha (Element 105) Element 106 Element 107 Element 108 Element 109 Weitere Transurane Graphische Darstellung über Entstehung und Zerfall von Transuranen 20. Die Neptunium-Zerfallsreihe 467 468 470 471 472 473 474 474 84. Die Ausbeute bei Kernumwandlungen a) Angabe der durchschnittlichen Teilchenzahl b) Angabe des Wirkungsquerschnitts 478 478 479 85. Energietönung bei Kernreaktionen a) Bestimmung der Teilchenenergie b) Exotherme und endotherme Reaktionen 484 484 484 86. Massendefekt und Bindungsenergie a) Der Massenverlust beim Einbau von Nukleonen in den Atomkern b) Die Einheitlichkeit der Kernmaterie c) Energie-Masse-Bilanz bei Kernumwandlungen d) Zusammenfassung 87. Isotopentrennung und Isotopenanreicherung sowie Urangewinnung. . a) Isotopentrennung durch Elektrolyse nach UREY und WASHBURN . b) Isotopentrennung durch Gasdiffusion nach GUSTAV HERTZ . . . . c) Trenn verfahren nach CLUSIUS und DICKEL ("Thermodiffusion") . d) Isotopentrennung mit dem ASTONschen Massenspektrographen, verbessert von BAINBRIDGE und MATTAUCH e) Das Trenndüsenverfahren nach BECKER f) Isotopentrennung durch Gaszentrifugen nach BEAMS, verbessert von GROTH und Mitarbeitern g) Urananreicherung durch das Wirbeldüsenverfahren h) Isotopentrennung durch Laserstrahlen i) Chemische Trennverfahren nach UREY k) Methoden zur Urananreicherung aus dem Meerwasser 1) Urangewinnung durch Leaching m) Urangewinnung durch Solution Mining n) Großtechnische Urantrennung 88. 475 476 487 . 487 490 491 492 493 493 493 494 495 496 498 498 499 500 501 503 503 504 Anwendungen radioaktiver Nuklide und ionisierender Strahlen . . . . 504 a) Technische Anwendungen 505 b) Physikalisch-chemische Anwendungen 506 c) Biologisch-biochemische Anwendungen 508 d) Medizinische Anwendungen in Diagnose und Therapie 511 e) Altersbestimmung organischer Stoffe 515 XIV. Kernzertrümmerung, Kernspaltung, Kernfusion und Atomenergie . . 518 89. Kernzertrümmerung durch extreme Erhitzung (nach HEISENBERG). . 518 90. Kernspaltung (OTTO HAHN und FRITZ STRASSMANN) 519 a) Das Zerbrechen schwerster Atomkerne durch Kernschwingungen . 519 b) Beispiele für Kernspaltungen 523 c) Spontane Kernspaltungen 526 d) Die Energietönung der Kernspaltung 527 91. Kettenreaktion, Atombombe und Kernreaktor a) Lawinenartiges Anwachsen der Kernspaltungen bei Uran 233, 235 und Plutonium 239 durch Neutronenvermehrung 528 528 Inhalt 92. 13 b) Auswirkung der Spaltungsenergie in der Uran- bzw. PlutoniumBombe (A-Bombe) c) Erzeugung des Kernsprengstoffs U-235, Pu-239 und U-233 . . . . d) Vergleich der Kernenergie mit der chemischen Reaktionsenergie. . e) Gelenkte Kettenreaktionen im Kernreaktor als technische Energiequelle 1. Die Leichtwasser-Reaktoren LWR 2. Die gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren HTR 3. Der Schnelle Brutreaktor SBR 4. Vergleich 536 546 548 551 554 Der Energiehaushalt der Fixsterne, die Kernfusion und Gedanken zum Aufbau der Welt a) Kernenergie als Energiequelle der Fixsterne b) Die Kernfusion (Wasserstoffbombe und Fusionsreaktor) 1. Die H-Bombe 2. Der Fusionsreaktor c) Gedanken zum Aufbau der Welt 556 556 559 559 562 568 530 532 533 Schrifttumsverzeichnis 575 Sachverzeichnis 585
