15 Kernphysik Physik für E-Techniker. 15 Kernphysik

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

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

3 Massendefekt: Zusammenhalt durch starke Wechselwirkung = Kernkraft

4 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: Medizinische Anwendung: NMR- Spectroscopy (Nuclear Magnetic Resonance) bzw: Kernspintomographie

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7 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

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

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

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11 Der γ Zerfall Nach Kernzerfällen verbleibt Kern in angeregtem Zustand Übergang in Grundzustand durch Aussenden von Gamma-Quanten Frage: Woher Linienverbreiterung?

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

13 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 in Sv (Sievert) H = D Q

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15 Medizinische Anwendung Positron-Emissions-Tomographie (PET) NMR Σ PET

16 15.4 Zerfallsgesetz radioaktiver Kerne Zahl der Zerfälle dn Mittlere Lebensdauer τ

17 In der Praxis häufig Halbwertszeit

18 15.5 Kernprozesse Kernfusion Kernfusion Zwei leichte Kerne bilden einen größeren Kern unter Energieabgabe Grund Bindungsenergie für A < 60 nimmt mit abnehmendem A ab Fusion unter Energieabgabe

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

20 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

21 Energiegewinn durch Spaltung

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

23 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

24 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)

25 15 Kernphysik Reaktorkern Physik für E-Techniker Steuerung mit Moderatorstäben

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