Atom- und Kernphysik

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