Powerpoint

Das Erbe von Geiger
und Rutherford
100 Jahre Atomkern
1911 -2011
Amand Fäßler , Tübingen
RC-RT-TÜ, 5. Dezember 2011
Hans Geiger und Ernest Rutherford
vor dem Experiment in Manchester.
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Geiger + Marsden- Experiment 1909
Für 8000
gestreute
Alpha-Teilchen
nur eines nach
hinten.
T1/2 = 1602 Jahre
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Alphateilchen kommt von links
auf Goldkern (Rutherford 2011)
Wenn Kern (rot) so
groß wie ein Apfel
dann Atom 1 km
Durchmesser.
a+2
Alphateilchen
8000mal so schwer
wie Elektron. Atom
für Alpha-Teilchen
leer. Nur ein Alpha
von 8000 rückwärts
gestreut.
Ladung = Z
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Probleme:
Aus was
besteht der Atomkern?
• Spezifische Wärme gibt Massen Verhältnisse
der Elemente. (Dulong-Petit 1819)
Spezifische Wärme = Wärmemenge pro
ein Grad Erhöhung für ein Gramm =
Konstante /Masse = Konstante / A ;
(A = Kernmasse)
Konstante festgelegt, so dass Wasserstoff
(Protonkern) A = 1.
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Schwierigkeiten im
Rutherfordschen Atommodell
A ungleich Z
Rutherford: Kern = Z Protonen + (A-Z) (p+e-)
Z = A/2
Doch: Magnesium Z = 12; A = 24,3;
Eisen
Z = 26; A = 55,8;
Blei
Z = 82; A = 207,2;
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Schwierigkeiten im
Rutherfordschen Atommodell
• Heisenberg1925: Quantenmechanik
• Unschärfe Relation:
Ort x Impuls > h
( h = Planck‘sches Wirkungsquantum)
Elektron im Kern: 20 MeV
Quantenmechanik kann auf den Kern nicht
angewandt werden!
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Entdeckung des Neutrons durch
James Chadwick 1932
Bothe:
Chadwick
Chadwick hat Rückstoß im Wasserstoffgas (von
Protonen) untersucht und gesehen, dass das n
(Neutron) die gleiche
Masse
Amand Fäßlerr,
RC RT-TÜ hat wie das Proton.
Heisenberg baut 1932 den Kern aus
Protonen und Neutronen auf.
• Aus Brief Heisenbergs an Niels Bohr:
• „Die Grundidee ist, alle fundamentalen
Schwierigkeiten auf das Neutron zu schieben und
die Quantenmechanik im Kern anzuwenden.“
• Kern = Z Protonen + N Neutronen
• Masse: A = Z + N
• Isotope:
Zur gleichen Ladung des Kerns Z mehrere N:
Erklärt das Massenproblem.
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Tröpfchen- Kollektivmodell: Weiszäcker,
Flügge, Aage Bohr und Ben Mottelson,
Walter Greiner und Amand Fäßler .
Deformation, Spaltung, Rotation, Vibration.
Schalenmodell von J. Hans D. Jensen
und Maria Goeppert Mayer 1949;
Nobelpreis 1963.
• Bewegung der Nukleonen auf festen
Bahnen wie die Elektronen im Atom.
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Vereinheitlichung des Kollektivund Schalenmodells.
• Karl Wildermuth, Univ. Tübingen:
Das Cluster Modell.
Proton
Neutron
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Aufbau der Materie
aus Quarks und
Gluonen:
•  Protonen und Neutronen
•  Atomkerne
•  mit Elektronen: Atome
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Bindungsenergie der Atomkerne pro Nukleon [MeV]
Wie Brennen die Sterne ?
Karl Friedrich von Weiszäcker, Hans Bethe,..
28 MeV
4p  4He + 2 e- + 2 Neutrinos + 28 MeV
Zahl der Nukleonen (Protonen+Neutronen) im Atomkern
Wie entstehen die Element schwerer als Eisen?
„Der bestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir.“ Immanuel Kant
Nova (108 Neutronen pro
cm2 pro sec) und
Supernova Explosion
1022 Neutronen pro cm2
pro sec.
Elektroneinfang:
(Z, N) + e-  (Z-1, N+1) +Neutrino
p + e-  n + Neutrino
Krebsnebel: Supernova 1054
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Das Entdecker Team der GSI-Darmstadt.
• Hans Dominik
1935:
Kriminalroman:
„Atomgewicht
500“.
Amand Fäßlerr, RC RT-TÜ
Neue Elemente: Berkeley, GSI, Dubna
22 Ne  260
Pu
+
94
10
104Rf + 4n
Rutherfordium (Berkeley) Z = 104,
Dubnium (Dubna)
Z = 105,
Seaborgium (Berkeley)
Z = 106,
Bohrium (Darmstadt)
Z = 107,
Hassium (Darmstadt)
Z = 108,
Meitnerium (Darmstadt)
Z = 109,
Darmstadtium (Darmstadt) Z = 110,
Roentgenium (Darmstadt) Z = 111,
Copernicium (Darmstadt) Z = 112.
Elemente: 113, 114, 115, 116, 117, 118,
bisher noch ohne Namen.
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Anwendungen in der Medizin
für die Diagnose
Kernspintomographie
(Magnetresonanztomographie).
Szintigramm (Technetium99, Iod123, Iod131) für
die Schilddrüsenfunktion.
Positron-Elektron-Tomographie
(PET: e+ + e-  g+g).
Ein-Photon-Emissions-Computer-Tomographie.
• Man benötigt verschiedene Halbwertszeiten und
verschiedene Chemische Verbindungen.
Anwendungen in der Medizin
die für Therapie.
• Karzinomtherapie durch
 Betatrons (Elektronen),
 Protonenstrahlen (Prostata- und Augenkarzinome);
 Kohlenstoff12-Strahlen (12C; ausgeprägter „Bragg-Peak“
am Ende der Bahn) für Gehirntumore durch die GSIDarmstadt entwickelt mit Abrastern und
Energievariation mit laufender Kontrolle von Dosis und
Ort durch PET (12C  11C+n  11B +e+ +n; e+ + e-  g+g).
 C12-Therapie im Krebsforschungszentrum in Heidelberg.
 Pläne: Italien (CNAQ), Frankreich (ETOILE) und
Österreich (Med-AUSTRON)
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Anwendung in Materialwissenschaften
und Umweltforschung
Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS):
Bestimmung von Spurenelementen.
Z. B.: Paläontologische Klima aus
Eisborkernen von Grönland aus dem
O18 zu O16-Verhältnis.
Z. B.: CO2-Austausches zwischen Atmosphäre
und Ozean.
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Was bringt die Zukunft?
FAIR = Facility für Antiprotonen and heavy Ion
Research in Darmstadt bei der GSI.
 16 Länder tragen FAIR (etwa eine Milliarde €)
 3000 Wissenschaftler aus 50 Ländern beteiligt.
 Large Hadron Collider (LHC); ALICE-Detektor:
Quark-Gluon-Plasma; Information über den
Urknall.
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ENDE