Kernphysik

1. 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

2. Ernest Rutherford (1871-1938) Kernphysik Rutherford (1903-1911): Wechselwirkung der a-, b- und g-Strahlung mit elektromagnetischen Feldern. Spezifische Ladung q/m: • b-Strahlen werden wie Elektronen abgelenkt. • a-Strahlung haben positive Ladung bei kleinem q/m 2

3. Atommodell nach Rutherford • Die positive Ladung und fast die gesamte Masse der Atome • ist in einem Atomkern konzentriert. • Atomkernradius ca. 10-15 m entspricht 1 / 50.000 des Atomradius • („Kirschkern im Eifelturm“) • - 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

4. Struktur der Atomkerne Haben die Atomkerne eine innere Struktur ? Chadwick (1932) 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

5. 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

6. 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. aus „Newton Physik 10 I-III“, Oldenbourg 2006

7. 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  ….  207Pb (T1/2 = 1 Mio. a) Künstliche Zerfallsreihe: Die Bindungsenergie wird auf einmal frei; dieser Zerfall muss aber von außen angestoßen werden: künstliche RadioaktivitätBei diesem Zerfall entstehen überschüssige Neutronen, die einen weiteren Zerfall auslösen können: „Kettenreaktion“:235 U + 1n  89 Kr + 144 Ba + 3* 1n 7

8. Kernfusion Relatives Maximum bei Helium: Eb = 1,2*10-12 J/Nukleon Folglich wird bei der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem 4He-Kern 4,8*10-12 J freigesetzt; D.h. für 1 Mol He (4g !): NA * 4,8*10-12 J = 28,8*1011 J ( = 8*105 kWh) (ca. Arbeit pro Monat im neuen Kraftwerk LEW Hochablaß) Problem: Die positiven Kerne müssen ihre elektrostatische Abstoßung überwinden: Sonne: Hohe Bewegungsenergie durch innere Energie in der Sonne von T = 108 K Wasserstoffbombe: Hohe Bewegungsenergie durch Kompression mittels einer Uranbombe Fusionsreaktor: Kontrolle von T = 108 K ???? 8

9. Kernfusion Vergleich zwischen den Technologien zur Energiegewinnung: Bezogen auf die gleiche Masse an Brennstoff verhalten sich die freigesetzten Energien Kohleverbrennung 1 Kernspaltung 3 Mio Kernfusion 10 Mio 9