Kernphysik

Becquerel (1896):

„Uranstrahlen“ schwärzen eine Photoplatte durch Papier (wie Röntgenstrahlen, 1895)

Rutherford (1897):

„Uranstrahlen“ zeigen a - und b -Strahlen

Villard (1900):

Radium zeigt a - und g -Strahlung Was sind diese Strahlen ?

 nicht aus chemischer Reaktion  Elementumwandlung  frühe Vermutung: Edelgase entstehen !

?

1

Kernphysik

Rutherford (1903-1911):

Wechselwirkung der a -, b - und g -Strahlung mit elektromagnetischen Feldern.

q

0

m

 2 2

m

v 0 2

m

0

r q m



r

2



U

0 2



B

2 Spezifische Ladung q/m:  b -Strahlen werden wie Elektronen abgelenkt.

 a -Strahlung haben positive Ladung bei kleinem q/m Ernest Rutherford (1871-1938) 2

Atommodell nach Rutherford

- Die positive Ladung und fast die gesamte Masse der Atome ist in einem

Atomkern

konzentriert.

- Atomkernradius ca. 10 -15 („Kirschkern im Eifelturm“) m entspricht 1 / 50.000 des Atomradius - die Kernladung ist ein ganzzahliges Vielfaches einer positiven Elementarladung - Anzahl der im Kern enthaltenen Elementarladungen ist die Kernladungszahl ( = Elektronenzahl, Ordnungszahl im Periodensystem) „Planetensystem“: Elektronen umkreisen den Atomkern

Haben die Atomkerne eine innere Struktur ?

Atomkerne bestehen aus a -Teilchen (Heliumkerne) und Elektronen (1 Heliumkern = 4 Protonen + 2 Elektronen) E. Rutherford, Nature

109

, 584 (1922) 3

Struktur der Atomkerne

Haben die Atomkerne eine innere Struktur ?

Chadwick (1932)

9 4 Be  4 2 He  12 6 C  0 1 n a

-Teichen Neutron

Beryllium sendet Strahlung aus, die durch die Bleiplatte geht, aber alleine keine große Ionisationswirkung hat.

   Ionisation steigt mit Paraffin (viele Protonen) stark an elast. Stöße schleudern Protonen aus dem Paraffin (starke Ionisation) neue Strahlung hat keine Ladung, aber eine Masse ähnlich der Protonenmasse

Neutron

4

Struktur der Atomkerne

Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen).

Problem: Massenanziehung der Nukleonen nach Newton‘s Gravitation ist um Größenordnungen geringer als elektrostatische Abstoßung: „starke Wechselwirkung“

Kennzeichen der Kraft: - kurze Reichweite (nur im Kernbereich) sehr stark (überwiegt deutlich elektrostatische Abstoßung) Struktur im Kern: nicht alle Kerne sind gleich “hart“: („magische Zahlen“) 5

Struktur der Atomkerne

Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf (Nukleonen).

Das Diagramm zeigt die Bindungsenergie/Nukleon für natürliche Elemente mit steigender Massenzahl A = Z + #Neutronen.

Kernspaltung

Stabilste Kerne im Bereich von Eisen:

Durch Abstoßung von radioaktiven Teilen werden große Kerne, z.B. Uran, schrittweise in stabile Kerne hin umgewandelt:

Natürliche Zerfallsreihe:

23 5 U  ….  207 Pb (

T

1/2 = 1 Mio. a)

Künstliche Zerfallsreihe:

frei; dieser Zerfall muss aber von außen angestoßen werden: künstliche Radioaktivität Die Bindungsenergie wird auf einmal Bei diesem Zerfall entstehen überschüssige Neutronen, die einen weiteren Zerfall auslösen können: „Kettenreaktion“: 235 U + 1n  89 Kr + 144 Ba + 3* 1n 7

Kernfusion

Relatives Maximum bei Helium: E b = 1,2*10 -12 J/Nukleon Folglich wird bei der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem 4 He-Kern 4,8*10 -12 J freigesetzt; D.h. für 1 Mol He (4g !): N A * 4,8*10 -12 J = 28,8*10 11 J ( = 8*10 (ca. Arbeit pro Monat im neuen Kraftwerk LEW Hochablaß) 5 kWh) Problem: Die positiven Kerne müssen ihre elektrostatische Abstoßung überwinden: Sonne: Hohe Bewegungsenergie durch innere Energie in der Sonne von

T

= 10 8 K Wasserstoffbombe: Hohe Bewegungsenergie durch Kompression mittels einer Uranbombe Fusionsreaktor: Kontrolle von

T

= 10 8 K ????

8

Kernfusion

Vergleich zwischen den Technologien zur Energiegewinnung:

Bezogen auf die gleiche Masse an Brennstoff verhalten sich die freigesetzten Energien Kohleverbrennung Kernspaltung Kernfusion 1 3 Mio 10 Mio 9