Kerne - physik.fh
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Kerne Inhalt 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 Der Atomkern Der Atomkern Kerne 15. Kernphysik 15. 1 Der Atomkern Kern besteht aus: 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 Der Atomkern Der Atomkern Kerne Zusammenhalt durch starke Wechselwirkung = Kernkraft Massendefekt: Der Kernspin Kerne 15.2 Kernspin Es wurde gemessen: Der Kernspin 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 NMR NMR Kerne Es gilt: Medizinische Anwendung: NMR- Spektroskopie (nuclear magnetic resonance) NMR Kerne NMR Radioaktivität Kerne Radioaktivität 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 Der α-Zerfall Der a - Zerfall Kerne Der α - Zerfall Mit α-Teilchen = 4 2 He –Kern = 2 - fach positiv Das Energiespektrum muss Linienspektrum sein Der ß-Zerfall Der ß-Zerfall Kerne Der ß-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 Der ß-Zerfall Kerne Der ß-Zerfall Der ?-Zerfall Kerne Der ?-Zerfall Der γ−Zerfall Nach Kernzerfällen verbleibt Kern in angeregtem Zustand Übergang in Grundzustand durch Aussenden von Gamma-Quanten Frage: Woher Linienverbreiterung? Einheit der Radioaktivität Kerne Einheit der Radioaktivität Einheit der Radioaktivität Einheit: Bequerel = Bq mit 1 Bq = 1 Zerfall/s ( alte Einheit: Curie = Ci mit 1 Ci = 3,7 . 1010 Zerfälle /s) Biologische Wirkung von Strahlung Biologische Wirkung von Strahlung Kerne 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 H=D− Q Biologische Wirkung von Strahlung Kerne Biologische Wirkung von Strahlung Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Kerne 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Zahl der Zerfälle dN Mittlere Lebensdauer τ Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Kerne Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne In der Praxis häufig Halbwertszeit Kernprozesse / Kernfusion Kerne 15.5 Kernprozesse Kernprozesse / Kernfusion 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 Kernfusion Kerne Kernfusion 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. Kernfusion Kerne Kernfusion Kernspaltung Kerne Kernspaltung 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 Kernspaltung Kerne Kernspaltung Energiegewinn durch Spaltung Kernspaltung Kerne Kernspaltung Problem: Spaltprodukte haben zu viele Neutronen instabil Neutronenüberschuss wird durch radioaktive Zerfälle abgebaut Beispiel: Kettenreaktion Kerne Kettenreaktion 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 Kettenreaktion Kernreaktoren Kerne 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) Kernreaktoren Kerne Kernreaktoren Reaktorkern Steuerung mit Moderatorstäben Kernreaktoren Kerne Kernreaktoren Kernreaktoren Kerne Kernreaktoren Kernreaktoren