15 Kernphysik Der Atomkern 15.2 Kernspin 15.3 Radioaktivität 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne

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1 Inhalt 15 Kernphysik 15.1 Der Atomkern 15.2 Kernspin 15.3 Radioaktivität 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne 15.5 Kernprozesse Kernfusion Kernspaltung Kettenreaktion Der Atomkern

2 15. Kernphysik Der Atomkern Kern besteht aus: Der Atomkern N Neutronen = Neutronenzahl A Nukleonen = Massenzahl A = Z + N Man definiert: Nuklid: definiert durch unterschiedliche Massenzahl Isotop: Z gleich, A unterschiedlich Schreibweise: A Z X 12 Beispiel 6 C Der Atomkern

3 Der Atomkern Zusammenhalt durch starke Wechselwirkung = Kernkraft Massendefekt: Der Kernspin

4 NMR Kerne Der Kernspin 15.2 Kernspin Es wurde gemessen: 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: µ p = + 2,7928 µ k, µ n = - 1,9130 µ k

5 Es gilt: NMR Medizinische Anwendung: NMR- Spektroskopie (nuclear magnetic resonance) NMR

6 NMR Radioaktivität

7 Radioaktivität 15.3 Radioaktivität Es gibt ca 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

8 Der a - Zerfall Der a - Zerfall Mit α-teilchen = 4 2 He Kern = 2 - fach positiv Das Energiespektrum muss Linienspektrum sein Der ß-Zerfall

9 Der ß-Zerfall Der ß-Zerfall - ν sind schwach wechselwirkende Teilchen schwer nachzuweisen Frage: Woher weiss man, dass Neutrinos ν entstehen? Antwort: Energiespektrum der e - kontinuierlich Beachte: - freies n kann zerfallen - freies p kann nicht zerfallen (soweit man weiss) Es gilt: β - Teilchen lassen sich leicht absorbieren Der ß-Zerfall

10 Der ß-Zerfall Der?-Zerfall

11 Der?-Zerfall Der g-zerfall Nach Kernzerfällen verbleibt Kern in angeregtem Zustand Übergang in Grundzustand durch Aussenden von Gamma-Quanten Frage: Woher Linienverbreiterung? Einheit der Radioaktivität

12 Einheit der Radioaktivität Einheit der Radioaktivität Einheit: Bequerel = Bq mit 1 Bq = 1 Zerfall/s ( alte Einheit: Curie = Ci mit 1 Ci = 3, Zerfälle /s) Biologische Wirkung von Strahlung

13 Biologische Wirkung von Strahlung Kerne Biologische Wirkung von Strahlung Biologische Wirkung von Strahlung Def.: Energiedosis Einheit: Gray 1 Gy = 1J/kg Strahlungart hat unterschiedliche Wirkung auf menschliches Gewebe Qualitätsfaktor Q γ, β 1 n 10 α 20 Äquivalentdosis H = D Q

14 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Kerne Biologische Wirkung von Strahlung

15 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Kerne Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Zahl der Zerfälle dn Mittlere Lebensdauer τ

16 In der Praxis häufig Halbwertszeit Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Kernprozesse / Kernfusion

17 15.5 Kernprozesse Kernfusion Kernfusion Zwei leichte Kerne bilden einen größeren Kern unter Energieabgabe Grund Bindungsenergie für A < 60 nimmt mit abnehmendem A ab Kernprozesse / Kernfusion Fusion unter Energieabgabe Kernfusion

18 Kernfusion Fusion zu Deuterium Fusion zu Tritium Reaktion bei (geplanten) Fusionsreaktoren Damit Kerne fusionieren kleiner Abstand (ca m) notwendig Elektrostatische Abstoßung muss überwunden werden. Kernfusion

19 Kernfusion Kernspaltung

20 Kernspaltung 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

21 Kernspaltung Kerne Kernspaltung Energiegewinn durch Spaltung

22 Kernspaltung Problem: Spaltprodukte haben zu viele Neutronen instabil Neutronenüberschuss wird durch radioaktive Zerfälle abgebaut Beispiel: Kettenreaktion

23 Kettenreaktion Kettenreaktion Spaltung von 235 U 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

24 Kernreaktoren Kernreaktoren Basieren auf kontrollierter (!?) Kernspaltung Problem Pro Spaltung ca. 2,5 freie Neutronen mit E kin = 1 MeV Wahrscheinlichkeit für Spaltung >> für E kin = 1 ev Neutronen müssen abgebremst (moderiert) werden (z. B. durch Wasser, Graphit) Neutronen müssen (z.b. durch Cd) weggefangen werden (Problem der Kontrolle) Kernreaktoren

25 Kernreaktoren Reaktorkern Steuerung mit Moderatorstäben Kernreaktoren

26 Kernreaktoren Kernreaktoren

27 Kernreaktoren Kernreaktoren

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